一種風力發電機組全方位安全監控系統的制作方法
本發明涉及風力發電領域，尤其涉及一種風力發電機組全方位安全監控系統。
背景技術：
隨著“互聯網+”智慧能源發展指導意見印發，作為重要組成部分的風能發電如今被賦予了更多的智慧基因。我國的風電行業從2006年后才開始搶規模、搶裝機，到2014年的效益挖掘、設備改造，然而相比于火電、水電、核電以及其他行業，風電場智能化真正起步著實很晚。
隨著我國的風電裝機容量迅猛增長，總裝機容量比例逐年增加，單機容量為兆瓦級大型風力發電機組以及上百兆瓦風電場正得到迅速發展；但是由于風電場大多建于偏遠地區，基本屬于無人或遠程監控狀態，而且風機內部結構復雜，故障率高，火災隱患大，大部分風電場未曾安裝與消防、安保和運行狀態監控相關的系統，即使有些安裝了上述個別系統，但是各系統均是獨立運行，效率低下，穩定性差，無法從真正意義上給風力發電機組提供全方位的保護。
技術實現要素：
本發明的目的是通過以下技術方案實現的。
根據本發明的實施方式，提出了一種風力發電機組全方位安全監控系統，所述系統包括主控單元、運行狀態檢測單元、智能消防單元、安保監控單元、can總線、can總線傳輸單元；其中，
所述運行狀態檢測單元包括振動狀態檢測單元、運行狀態預測單元以及電性能實時檢測單元；
所述智能消防單元包括消防檢測與報警單元以及智能滅火單元；
所述安保監控單元包括闖入檢測單元以及報警單元；
所述can總線用于連接主控單元、運行狀態檢測單元、智能消防單元、安保監控單元，所述各單元通過can總線傳輸單元接入can總線。
根據本發明的具體實施方式，所述振動狀態檢測單元具體包括振動檢測分控器、振動測試器、重力傳感器、頻率信息獲取單元、閾值存儲單元、以及振動相關故障告警單元。
所述振動測試器安裝于風力發電機組的機艙中部，所述重力傳感器為兩個，安裝在風力發電機組的水平平面內互相垂直的方向，并且與振動測試器連接，所述重力傳感器輸出兩個垂直方向的實時振動信號；所述振動測試器中內置五個信號捕獲與提取單元，每個信號捕獲與提取單元通過各自的確切的邊界頻率來捕獲各個振動監測信號，得到各個振動監測信號的特征信號，之后將特征信號進行提取，得到實際需要的各個振動監測信號，所述振動監測信號包括塔架自振頻率、葉片揮動頻率、葉片擺動頻率、其它低頻部件自振頻率、以及安全沖擊頻率。
所述振動檢測分控器預先根據風電機組的運行情況和振動監測分析標準對塔架自振頻率、葉片揮動頻率、葉片擺動頻率、其它低頻部件自振頻率、安全沖擊頻率的振動監測信號分別設置相應的安全閾值，并存儲于閾值存儲單元。
所述振動測試器將獲得的塔架自振頻率、葉片揮動頻率、葉片擺動頻率、其它低頻部件自振頻率的實際需要的振動監測信號傳送給頻率信息獲取單元；振動檢測分控器將頻率信息獲取單元所獲得的塔架自振頻率、葉片揮動頻率、葉片擺動頻率、其它低頻部件自振頻率、以及安全沖擊頻率的振動監測信號和閾值存儲單元存儲的對應振動監測信號的安全閾值進行對比，振動檢測分控器會根據對比后的結果，如上述振動監測信號超出安全閾值，則通過振動相關故障告警單元向主控單元報告，由主控單元下達停機或檢修等處理指令。
根據本發明的具體實施方式，所述運行狀態預測單元，可對風力發電機組實時運行狀態進行預測，其具體包括：
運行參數檢測單元，用于獲取風力發電機組運行狀態各預測所需參數模擬量的監測數據；
數字化單元，對運行參數檢測單元獲得的機組運行狀態各預測所需參數模擬量的監測數據進行數字化處理，獲得風力發電機組運行狀態預測參數的退化度；
加權系數確定單元，將風力發電機組運行狀態預測參數劃分為多個分組，根據風力發電機組運行狀態預測參數的退化度，實時計算風力發電機組運行狀態預測參數的加權系數；
運行狀態預測分控器，將每個項目內的風力發電機組運行狀態預測參數構成混沌預測矩陣，結合各風力發電機組運行狀態預測參數的加權系數，預測風力發電機組實時運行狀態，并向主控器發送運行狀態預測結果，供控制中心參考。
所述運行參數檢測單元從風力發電機組控制系統獲取風力發電機組運行狀態預測所需參數模擬量。
根據本發明的具體實施方式，所述電性能實時檢測單元具體包括：電壓信號分隔電路、電壓信號轉換電路、電流信號分隔電路、電流信號轉換電路、多信道同步采集芯片、電性能檢測分控器、ram和顯示器；
電壓信號分隔電路的電壓信號輸入端與外部電壓互感器的電壓信號輸出端相連；電壓信號分隔電路的電壓信號輸出端與電壓信號轉換電路的電壓信號輸入端相連；所述電壓信號轉換電路的電壓信號輸出端與多信道同步采集芯片的電壓信號輸入端相連；電流信號分隔電路的電流信號輸入端與外部電流互感器的電流信號輸出端相連；電流信號分隔電路的電流信號輸出端與電流信號轉換電路的電流信號輸入端相連；所述電流信號轉換電路的電流信號輸出端與多信道同步采集芯片的電流信號輸入端相連；所述多信道同步采集芯片的采集信號輸出端與電性能檢測分控器的采集信號輸入端相連；所述電性能檢測分控器的存儲數據輸出輸入端與ram的存儲數據輸出輸入端相連；所述顯示器的顯示信號輸入端與電性能檢測分控器的顯示信號輸出端相連。
根據本發明的具體實施方式，所述智能滅火單元由傳送單元和智能滅火分控器組成；
所述傳送單元包括空氣壓縮機，高壓氣罐，壓力閥，止逆閥，輸送通道，干粉滅火劑噴頭，超細碳酸二氫銨滅火粉；
所述智能滅火分控器包括滅火指令接收單元和電動閥門，在所述滅火指令接收單元接收到主控器發送的滅火指令時，開啟電動閥門，準備噴射超細滅火粉。
通過本發明的上述運行狀態檢測單元、智能消防單元、安保監控單元可以全方位的監控風力發電機組，所述各單元都重新進行了設計，最大限度的確保了風力發電機組的高效以及穩定運行，具有非常積極的現實意義。
附圖說明
通過閱讀下文優選實施方式的詳細描述，各種其他的優點和益處對于本領域普通技術人員將變得清楚明了。附圖僅用于示出優選實施方式的目的，而并不認為是對本發明的限制。而且在整個附圖中，用相同的參考符號表示相同的部件。在附圖中：
附圖1示出了根據本發明實施方式的風力發電機組全方位安全監控系統結構示意圖；
附圖2示出了根據本發明實施方式的振動狀態檢測單元結構示意圖；
附圖3示出了根據本發明實施方式的運行狀態預測單元結構示意圖；
附圖4示出了根據本發明實施方式的電性能實時檢測單元結構示意圖；
附圖5示出了根據本發明實施方式的消防檢測與報警單元結構示意圖；
附圖6示出了根據本發明實施方式的智能滅火單元結構示意圖；
附圖7示出了根據本發明實施方式的安保監控單元結構示意圖。
具體實施方式
下面將參照附圖更詳細地描述本公開的示例性實施方式。雖然附圖中顯示了本公開的示例性實施方式，然而應當理解，可以以各種形式實現本公開而不應被這里闡述的實施方式所限制。相反，提供這些實施方式是為了能夠更透徹地理解本公開，并且能夠將本公開的范圍完整的傳達給本領域的技術人員。
根據本發明的實施方式，提出了一種風力發電機組全方位安全監控系統，如附圖1所示，所述系統包括主控單元、運行狀態檢測單元、智能消防單元、安保監控單元、can總線、can總線傳輸單元；其中，
所述運行狀態檢測單元包括振動狀態檢測單元、運行狀態預測單元以及電性能實時檢測單元；
所述智能消防單元包括消防檢測與報警單元以及智能滅火單元；
所述安保監控單元包括闖入檢測單元以及報警單元；
所述can總線用于連接主控單元、運行狀態檢測單元、智能消防單元、安保監控單元，所述各單元通過can總線傳輸單元接入can總線。
根據本發明的具體實施方式，如附圖2所示，所述振動狀態檢測單元具體包括振動檢測分控器、振動測試器、重力傳感器、頻率信息獲取單元、閾值存儲單元、以及振動相關故障告警單元。
所述振動測試器安裝于風力發電機組的機艙中部，所述重力傳感器為兩個，安裝在風力發電機組的水平平面內互相垂直的方向，并且與振動測試器連接，所述重力傳感器輸出兩個垂直方向的實時振動信號；所述振動測試器中內置五個信號捕獲與提取單元，每個信號捕獲與提取單元通過各自的確切的邊界頻率來捕獲各個振動監測信號，得到各個振動監測信號的特征信號，之后將特征信號進行提取，得到實際需要的各個振動監測信號，所述振動監測信號包括塔架自振頻率、葉片揮動頻率、葉片擺動頻率、其它低頻部件自振頻率、以及安全沖擊頻率。
所述振動檢測分控器預先根據風電機組的運行情況和振動監測分析標準對塔架自振頻率、葉片揮動頻率、葉片擺動頻率、其它低頻部件自振頻率、安全沖擊頻率的振動監測信號分別設置相應的安全閾值，并存儲于閾值存儲單元。
所述振動測試器將獲得的塔架自振頻率、葉片揮動頻率、葉片擺動頻率、其它低頻部件自振頻率的實際需要的振動監測信號傳送給頻率信息獲取單元；振動檢測分控器將頻率信息獲取單元所獲得的塔架自振頻率、葉片揮動頻率、葉片擺動頻率、其它低頻部件自振頻率、以及安全沖擊頻率的振動監測信號和閾值存儲單元存儲的對應振動監測信號的安全閾值進行對比，振動檢測分控器會根據對比后的結果，如上述振動監測信號超出安全閾值，則通過振動相關故障告警單元向主控單元報告，由主控單元下達停機或檢修等處理指令。
根據本發明的具體實施方式，如附圖3所示，所述運行狀態預測單元，可對風力發電機組實時運行狀態進行預測，其具體包括：
運行參數檢測單元，用于獲取風力發電機組運行狀態各預測所需參數模擬量的監測數據；
數字化單元，對運行參數檢測單元獲得的機組運行狀態各預測所需參數模擬量的監測數據進行數字化處理，獲得風力發電機組運行狀態預測參數的退化度；
加權系數確定單元，將風力發電機組運行狀態預測參數劃分為多個分組，根據風力發電機組運行狀態預測參數的退化度，實時計算風力發電機組運行狀態預測參數的加權系數；
運行狀態預測分控器，將每個項目內的風力發電機組運行狀態預測參數構成混沌預測矩陣，結合各風力發電機組運行狀態預測參數的加權系數，預測風力發電機組實時運行狀態，并向主控器發送運行狀態預測結果，供控制中心參考。
所述運行參數檢測單元從風力發電機組控制系統獲取風力發電機組運行狀態預測所需參數模擬量包括軸承溫度、油池溫度、電機繞組溫度、電機轉速、環境風速、其他元器件溫度、環境溫度、運行電流電壓、功率、電網頻率等；
所述數字化單元對低喜好性參數：軸承溫度、油池溫度、電機溫度、其他元器件溫度、環境溫度的數字化分別通過下式進行：
式中，g(x)表示風力發電機組運行狀態預測參數的退化度，x為風力發電機組運行狀態預測參數的物理量的監測數據，α為該參數下限值，β為該參數的上限值；
對中間型參數：電機轉速、環境風速、運行電流電壓、功率、電網頻率的數字化分別通過下式進行：
式中，g(x)表示風力發電機組運行狀態預測參數的退化度，x為風力發電機組運行狀態預測參數的物理量的監測數據，β1、β2為該參數上限值，α1、α2為該參數下限值；
所述加權系數確定單元確定各風力發電機組運行狀態預測參數的固定加權系數，并通過下式獲得各風力發電機組運行狀態預測參數的可變加權系數：
上式中
所述運行狀態預測單元從影響風力發電機組運行狀態的機組性能和外部因素2個方面建立層次型的運行狀態預測參數體系，實時計算運行狀態預測參數的加權系數，可使預測結果貼近當前運行情況，通過判斷單項預測參數的退化度偏離情況，可避免當多項運行狀態預測參數嚴重偏離時，所得的可變加權系數無效的問題；選用的混沌算子考慮了主要預測參數對運行狀態的影響，又保留單個預測參數的全部信息，使得預測結果更符合實際情況。
根據本發明的具體實施方式，如附圖4所示，所述電性能實時檢測單元具體包括：電壓信號分隔電路、電壓信號轉換電路、電流信號分隔電路、電流信號轉換電路、多信道同步采集芯片、電性能檢測分控器、ram和顯示器。
電壓信號分隔電路的電壓信號輸入端與外部電壓互感器的電壓信號輸出端相連；電壓信號分隔電路的電壓信號輸出端與電壓信號轉換電路的電壓信號輸入端相連；所述電壓信號轉換電路的電壓信號輸出端與多信道同步采集芯片的電壓信號輸入端相連；電流信號分隔電路的電流信號輸入端與外部電流互感器的電流信號輸出端相連；電流信號分隔電路的電流信號輸出端與電流信號轉換電路的電流信號輸入端相連；所述電流信號轉換電路的電流信號輸出端與多信道同步采集芯片的電流信號輸入端相連；所述多信道同步采集芯片的采集信號輸出端與電性能檢測分控器的采集信號輸入端相連；所述電性能檢測分控器的存儲數據輸出輸入端與ram的存儲數據輸出輸入端相連；所述顯示器的顯示信號輸入端與電性能檢測分控器的顯示信號輸出端相連。
所述電性能實時檢測單元通過電壓信號分隔電路、電壓信號轉換電路、電流信號分隔電路和電流信號轉換電路對風電場接入電網主變壓器高低壓側進行多信道同步監測采樣；實現了定時電性能實時監測和數據存儲，同時實現了瞬時過電壓和暫時過電壓波形的自動啟動記錄，實現了全部國家標準中有關電性能實時標準的所有監測量，將穩態測量和暫態測量合并為一體。
根據本發明的具體實施方式，如附圖5所示，所述消防檢測與報警單元包括消防檢測分控器、煙火檢測單元和報警單元，所述煙火檢測單元包括高清智能球機、圖像解碼芯片、數字處理電路。
所述高清智能球機捕捉到監控場所的圖像信息，并將圖像信息發送到圖像解碼芯片進行圖像解碼；
圖像解碼芯片將解碼后得到的數字視頻信號發送到數字處理電路的數據輸入端口，在數字處理電路中對輸入的視頻信號進行預處理，然后對預處理過的圖像序列進行幀間差分運算，得到運動變化的圖像，再對差分運算后的圖像采用一個固定閾值加幀差分偏移量進行雙值化運算，得到運動的雙值化圖像，所述雙值化圖像是由動點和不動點組成；對得到的運動的雙值化圖像進行形態學除噪，將孤立點和干擾像素進行去除，采用設定的網格尺寸，對除噪以后的雙值化圖像進行網格映射，得到網格化圖像；
對所述網格化的圖像采用區域增長算法捕捉監控范圍內的運動目標，得到當前幀的運動目標序列，在原始圖像中，對所得到的運動目標序列進行空間定位，對定位的原始圖像進行高通濾波，并進行網格化，得到濾波網格圖，對濾波網格圖與網格化圖像進行圖像匹配度匹配，匹配度高的為剛體不透明運動目標，匹配度低為半透明運動目標，對匹配度規整化輸出，以此匹配度作為外形匹配度特征值；
對所述運動目標序列進行八方向的目標跟蹤，統計跟蹤到的目標形心點，并對時間序列上的形心點進行曲線擬合作為目標的運動軌跡，對得到的目標運動曲線進行運動速度及運動方向的特征提取，運動速度緩慢、方向向上的目標作為煙火圖像概率因子進行輸出，得到運動形態特征值；
所述消防檢測分控器對上述外形匹配度特征值和運動形態特征值進行判斷，若外形匹配度特征值小于數字處理電路中提前設定的經驗閾值，且當運動形態特征值概率大于一個給定值時，得出該目標圖像為煙火的結論并通過報警單元發出火災報警信號，同時將火災報警信號和現場視頻圖像信號傳送至主控器，并等待主控器下達滅火指令。
根據本發明的具體實施方式，所述智能滅火單元是在接收到主控器下達的滅火指令后對當前火情進行滅火處理，如附圖6所示，所述智能滅火單元由傳送單元和智能滅火分控器組成。
所述傳送單元包括空氣壓縮機，高壓氣罐，壓力閥，止逆閥，輸送通道，干粉滅火劑噴頭，超細碳酸二氫銨滅火粉。
空氣壓縮機將空氣壓縮成高壓氣體向輸送通道提供新型超細碳酸二氫銨滅火粉流動的動力。
壓力閥用于監控高壓氣罐內氣壓值，使其在不同環境溫度下維持在安全氣壓值以下。
止逆閥防止流體的回流。
該輸送通道包括主管道和分管道，主管道的上端連接空氣壓縮機和高壓氣罐，其下端連通各個房間的分管道，在火災發生時將滅火粉輸送到發生火災區域內的滅火劑噴頭處。
所述智能滅火分控器包括滅火指令接收單元和電動閥門，在所述滅火指令接收單元接收到主控器發送的滅火指令時，開啟電動閥門，準備噴射超細滅火粉。
根據本發明的具體實施方式，如附圖7所示，所述安保監控單元包括安保監控分控器、闖入檢測單元以及報警單元。
所述闖入檢測單元包括闖入確認單元和闖入識別單元，所述闖入確認單元包括多個設置于塔架四周的基于zigbee的測量節點、鏈路強度匯集節點以及闖入確認運算單元，所述基于zigbee的測量節點之間進行無線通信，各節點依次發送無線信號，其它節點接收無線信號并記錄接收信號強度，鏈路強度匯集節點通過zigbee技術收集所有基于zigbee的測量節點測量到的無線鏈路信號強度信息，同時，將采集的信息發送給闖入確認運算單元，闖入確認運算單元根據無線鏈路強度信息實現對是否有物體闖入的檢測。
所述闖入確認運算單元根據無線鏈路強度信息實現對是否有物體闖入的檢測具體包括：
假設各基于zigbee的測量節點之間形成n條無線鏈路，在t‐1與t時刻分別得到由這n條無線鏈路接收信號強度的均值m和方差v組成的特征矩陣a和b如下：
其中，特征矩陣a和b包含了無線鏈路信號強度的均值m以及方差v特征，mn1以及vn2分別代表第n條無線鏈路的信號強度均值及方差；計算特征矩陣a和b中對應元素值的大小相似程度得到匹配度矩陣c如下：
其中，mn1‐m'n1代表了第n條鏈路的均值的差異，vn1‐v'n1代表了第n條鏈路的方差的差異，dn代表了第n條鏈路的長度。當匹配度矩陣c的各元素之和大于設定的閾值時，所述闖入確認運算單元將判定物體闖入。
當闖入確認單元確認物體闖入時，所述闖入識別單元啟動，所述闖入識別單元包括：
影像獲取單元，用于獲取靜態圖像，并傳輸給圖像處理單元。
影像處理單元，用于對靜態影像進行預處理，得到灰度補償影像。
人像檢測單元，用于對灰度影像進行人像檢測和定位；若檢測到人像則獲得固定大小的灰度人像影像，并傳輸給人像識別單元；若沒有檢測到人像則直接將灰度影像傳輸給背景對比單元；
背景對比單元，用于將數據存儲單元存儲的平均背景影像和人像檢測單元傳來的灰度影像分別劃分為若干個權重不同的子影像,計算對應子影像的匹配度，并對所有子影像的匹配度進行加權求和，若加權求和結果大于預設的匹配度閾值，則作為檢測到異常的灰度影像存儲到數據存儲單元，并通知報警單元進行報警。
人像識別單元，用于對灰度人像影像和數據存儲單元存儲的已注冊人像影像進行特征提取、計算匹配度，根據匹配度判斷是否為陌生人，若為陌生人則通知報警管理單元進行報警。
人像注冊單元，用于實時檢測灰度人像影像，并進行標記。
數據存儲單元，用于存儲已注冊人像影像，被判為陌生人的灰度人像影像，檢測到異常的灰度影像，平均背景影像和用戶自定義信息。
所述人像識別單元在進行特征提取、計算匹配度時包括如下步驟：
a)對待識別的灰度人像影像q和數據存儲單元存儲的n幅已注冊人像影像pi(i＝1,2…,n)進行局部雙值模式變換，用以減小光照等變化帶來的影響；
b)將步驟a)變換后的影像劃分成l個大小相同且互不重疊的子影像塊；
c)對待識別灰度人像影像q的每個子影像塊qj和所有對應的已注冊人像影像的子影像塊pi,j進行隨機采樣，即隨機選擇qj和pi,j若干個相同位置的數值，得到測試特征子集q,j和訓練特征子集p,i,j，其中i＝1,2…,n，j＝1,2,…l；
d)計算測試特征子集和訓練特征子集之間的漢明距離作為匹配度度量，若測試特征子集和最相似的訓練特征子集之間的漢明距離超過預先設定的匹配度閾值，則認為此次隨機采樣所代表的子影像塊qj和pi,j(i＝1,2…,n)不相似；
e)步驟c)和d)重復k次，即進行k次隨機采樣，統計待識別的灰度人像影像q的l個子影像塊一共得到的不相似次數，若不相似次數超過預定閾值則認為待識別的灰度人像影像q和數據存儲單元存儲的n幅已注冊人像影像都不相似，為陌生人或未注冊，否則為已注冊。
通過本發明的上述運行狀態檢測單元、智能消防單元、安保監控單元可以全方位的監控風力發電機組，最大限度的確保了風力發電機組的高效運行，具有非常積極的現實意義。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應所述以權利要求的保護范圍為準。
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