风电塔筒沉降及倾覆智能预警系统解决方案

背景

1.1项目背景

风机塔筒就是风力发电的塔杆，在风电机组中主要起支撑作用，同时吸收机组震动。风机塔筒是否垂直牢固直接关系到风电机组能否安全稳定地运行。随着风电产业的迅速发展，越来越多的大容量风机陆续安装运行，风力发电机的很多运行隐患也逐渐开始暴露起来，叶片脱落、倒塌、风机失火灯恶行事故时有发生。

随着风电向二、三类风资源地区的开发，塔筒高度不断增加，目前陆地上风机的塔筒大多在50-120米之间，受气候、设备安装焊接点应力变化、地基沉降等因素的影响，塔体可能发生倾斜甚至于倒塌。如果塔筒寄出达不到设计要求，塔筒各节连接部位松动、检查不及时，遇到恶劣飓风天气，容易发生晃动过大、倾覆、甚至倒塌等情况。因此，在风机上有效的监测塔筒的倾斜程度和变形程度以及基础沉降，可以从早期发现问题，及时解决并处理这些问题，有效防止塔筒倒塌等严重事故的发生。

基于北斗高精度GNSS技术自动化智能风电场监测系统，集结构分析技术、计算机技术、通信技术、网络技术、传感器技术等高新技术于一体的综合系统工程。本系统的作用是成为一个功能强大并能真正长期运用于结构损伤和状态评估，满足风电场综合管理和运营的需要，同时又具备经济效益的健康安全监测系统，遵循以下设计原则：

1）遵循简洁、实用、性能可靠、经济合理的指导思想；

2）系统设置立足实用性原则第一，兼顾考虑科学试验和设计验证等方面因素；

3）各传感器的布置、安装合理，力求用最少的传感器和最小的数据量完成系统工作；

4）系统具有可扩展性。

1.2项目建设的可行性

1）GNSS系统目前广泛运用于国内外位移、沉降等安全监测领域。基于中国北斗卫星导航系统（BDS）的多系统融合GNSS技术实施安全监测，可以全天候运行，恶劣环境及气候条件下仍能正常进行测点沉降数据采集；测站间无需通视，不受地形环境影响；无人值守，远程管理方便。

2）倾斜传感器广泛应用于风电场塔筒倾斜监测。选型高性能动态倾角传感器，保证在塔筒顶端复杂环境下倾斜动态测量精度达0.1°，塔座选用常规高精度静态倾角传感器，保证塔基倾斜测量精度优于0.005°。以超高的动态精度和静态精度克服恶劣条件下风电塔振动和冲击影响，同时兼顾系统经济实用性，为全套风塔系统保驾护航。

3）专业级GNSS沉降监测数据处理软件，对实时与准实时GNSS原始数据分析、处理、独立环网平差及数据管理，进行7×24小时不间断观测，最高精度可达毫米级、

4）工业级数据系统平台，保证数据采集和存储、数据分析和管理、数据预警和Web发布的完整性，采用嵌入安装简单、方便、容易实施。

建设目标

风电塔筒沉降及塔筒倾覆智能预警系统是结合北斗高精度GNSS和高性能加速度计于一体，为客户实时提供高精度、高性能、稳定、可靠且最有效的系统解决方案。遵循简洁、实用、合理的指导思想，客户无需掌握专业的分析诊断方案和分析工具，系统自动给出状态评价和劣化预警，有效避免塔筒倾覆事故的发生。

1）建立一套全自动化分析预警智能系统，保障风机基础和塔筒的安全运行，防止风机倾覆甚至倒塌等重大安全事故发生。

2）系统建成后可在线自动完成实时数据分析及处理，可以实时监测每一台风机基础和塔筒的运行状态和变化趋势。

3）多传感器实现数据关联，构建综合塔筒倾斜、基础水平、风速、风向、功率等组合模型，通过多特征传感分析变化趋势，保证在线监测和劣化过程早期预警的可靠性。

4）减轻运维人员的劳动强度和人工成本的指出，实现数据集中管理。

建设方案总体设计

3.1系统设计依据

GNSS沉降监测系统的技术设计及工程建造依据相关的国家标准和相关行业标准进行，本设计书中所引用的部分技术规范参见表1。

表1

名称	编号	批准单位	年份
全球定位系统测量规范	CH2001	国家测绘局
精密工程测量规范	GB/T 15314-94	国家技术监督局	1994-12-22
全球定位系统城市测量技术规程	CJJ 73-97	中国建设部	1997
UNAVCO 基准站建立规范		国际UNAVCO组织
IGS基准站建立规范		国际IGS委员会
混凝土结构设计规范	GBJ 10—89	建设部

3.2系统硬件设计组成

系统硬件由以下部分组成：

传感器子系统：由布置在各风机监测点的GNSS沉降监测接收机和塔筒的倾斜传感器组成，主要传感器采用后安装的方式；

数据传输子系统：GNSS天线到GNSS接收机主机由同轴电缆通讯；GNSS主机以及其他传感器于控制中心通讯采用有线或无线的通讯方式；

数据处理与控制子系统：由布置在监控中心的小型机系统、服务器系统、数据实时自动处理与 Web 发布；

辅助支持系统：包括外场机柜、外场机箱、配电及 UPS、防雷和远程电源监控等。

3.3系统实施方案

3.3.1 GNSS参考站

（1）GNSS参考站选址

GNSS参考站选址应满足以下要求：

覆盖并均匀分布在整个沉降监测区域，并兼顾参考点距离监测点最近的原则；

场地稳固，年平均下沉和位移小于2mm；

视野开阔，视场内障碍物的高度不宜超过 15°；

远离大功率无线电发射源（如电视台，电台，微波站等），其距离不小于200m， 远离高压输电线和微波无线电传送通道，其距离不得小于50m；

尽量靠近数据传输网络；

观测墩的高度不低于2米；

观测标志应远离震动源。

（2）参考站基建

1）观测墩的建设要求

在满足以上要求的前提下，其GNSS参考站观测墩的建设应满足以下要求：

观测墩应浇注安装强制对中标志，并严格整平，墩外壁或内部应加装（或预埋）适合线缆进出硬制管道（钢制或塑料），起保护线路作用；

GNSS 观测墩采用钢筋混凝土现场浇铸的方法施工。混凝土浇铸过程中的水泥、 沙子、石子及其他添加剂的用量以及混凝土施工的要求均按照表一的要求执行；

GNSS 观测墩中的钢筋骨架采用直径≧10mm 的螺纹钢筋，使用时须在距两端 10cm处，分别向内弯成∩形弯（足筋下端 30cm 处向外弯成∟形弯）用料。裹筋采用直径≧6mm的普通钢筋；

基座建造时浇灌混凝土至基座深度的一半，充分捣固后放入捆扎好的基座钢筋骨架，在基座中心垂直安置捆扎好的柱石钢筋骨架，将柱石钢筋骨架底部与基 座钢筋骨架捆扎一起，浇灌混凝土至基座顶面，充分捣固并使混凝土顶面处于水平状态；

混凝土浇灌至地面下 0.2 米时，在观测墩外壁应预埋适合线缆进出的直径不小于 25mm 的硬质管道（钢制或塑料），供安装电缆保护线路用；

可利用观测墩基坑，加筑用于存放太阳能蓄电池的水泥槽。

强制对中标志

2）灌制混凝土标石所用材料应符合下列要求

采用的水泥标号应不低于425。制作不受冻融影响的混凝土标石，应优先采用矿渣和火山灰质水泥，不得使用粉煤灰水泥。制作受冻融影响的混凝土标石，宜使用普通硅酸盐水泥。在制作受盐碱、海水或工业污水侵蚀地区的标石时，须使用抗硫酸盐水泥。在沙漠、戈壁等干燥环境中的标石，不得使用火山灰质水泥；

石子采用级配合格的5～40mm的天然卵石或坚硬碎石，不宜采用同一尺寸的石子；

沙子采用0.15～3mm粒径的中砂，含泥量不得超过3%；

水须采用清洁的淡水，硫酸盐含量不得超过1%；

外加剂可根据施工环境选用，如早强剂、减水剂、引气剂等，其质量应符合相应规定，不得使用含氯盐的外加剂。

材料种类	配粒 直径（mm）	水	水泥	砂	石	配合比例
重量，kg	重量，kg	重量，kg	重量，kg
（体积，m3）	（体积，m3）	（体积，m3）	（体积，m3）
碎石	5～40	180	300	600	1226	0.6：1：2.2：4.09
（0.18）	（0.30）	（0.44）	（0.82）	0.6：1：1.47：2.73
卵石	5～40	170	285	672	1248	0.6：1：2.36：4.38
（0.17）	（0.28）	（0.45）	（0.83）	0.6：1：1.61：2.96

每立方米混凝土制作材料用量表

注：

表中配合比适用中砂，当采用细砂或粗砂时，水和水泥用量相应增加或减少17kg和10 kg；

当采用5～40 mm粒径的碎石或卵石，应将水和水泥用量各增加10%，砂、石用量不变；

调制混凝土，须先将砂、石洗净。浇灌标石时，须逐层充分捣固；

气温在0℃以下时，必须加入防冻剂，拆模时间不得少于24h，否则不准施工；

拆模时间可根据气温和外加剂性能决定，一般条件下，平均气温在0℃以上时，拆模时间不得少于12h。

（3）仪器设备的选择

根据本项目的实际情况并参照《全球定位导航系统连续运行参考站网建设规范》，此次风电塔筒沉降及塔筒倾角智能预警系统GNSS自动化监测子系统选用司南M300Plus监测专用接收机和AT600扼流圈天线。

（4）设备安装

此次系统监测范围16平方公里，监测区域大致呈现正方形，依据常规监测建设方案参考站与监测站距离建设要求，本方案在周边建设2个参考站。

3.3.2 GNSS监测站

针对此风电场沉降监测项目具体要求，监测区域内33台风电机组各布置一套GNSS监测站设备，监测点设备实际安装点根据各风电机组现场实际情况设置安装方式。各接收机观测数据以无线的方式实时传输到控制中心，控制中心软件准实时解算出各监测点位的坐标并保存到数据库，最终通过数据分析软件自动分析各监测点的变化量、变化趋势，并结合其他传感器对风电场风电机组沉降情况进行整体的稳定性分析。

（1）监测站观测墩基建

根据各风电机组区域的实际情况及监测点所监测的内容，此次GNSS自动化监测系统监测站多为普通土层观测墩或者基岩观测墩，为了保证良好的观测效果以及安全起见，各观测墩建设为1.8米以上。

基岩观测墩

对于基岩观测墩，在基岩坚固结构的基础上打入钢筋支架浇筑混凝土。

土层观测墩

对于土层观测墩，埋入地表深度不小于1m，采用基座和立柱的钢筋混凝土结构。

注：所有监测站的水泥观测墩的建设标准按照参考基站的建设要求。

（2）仪器设备选择

根据本项目的实际情况并参照《全球定位导航系统连续运行参考站网建设规范》，此次风电塔筒沉降及塔筒倾角智能预警系统GNSS自动化监测子系统选用司南A300监测一体机。

（3）设备安装

3.3.3塔筒倾角监测

此次方案旨在通过风电机组各层部署姿态传感器，实现对风力发电机塔筒摆振、机舱航向等数据的实时监测，达到还原风机塔筒实时倾斜的目的。

（1）仪器设备选择

常规风电塔筒倾斜运维监测采用倾角传感器，通过对塔筒摆动轨迹数据，分析出塔筒的受力情况。由于风电塔筒安装于几十米的高空，承载着无规律、变速变载荷的风力，对于风电机组塔尖的垂直度和摇摆度动态监测需要采用定制化动态倾角传感器。

本项目根据风电塔筒倾角监测的实际要求，分别在风机塔筒塔顶和塔座布置风机塔筒专用的高精度动态倾角传感器和静态倾斜传感器，在大风情况下的风电塔筒倾斜监测中塔尖动态测量达0.1°，塔座静态监测精度达0.005°的监测标准，保证塔筒动态监测更稳定、更精准。

（2）设备安装

3.3.4供电系统

对于风电场自动化监测系统的特殊情况，采用太阳能供电的方式。

依据项目现场的实际情况，采用100W的太阳能电池板和100Ah的蓄电池，保证项目现场在没有太阳的情况下，设备能正常运作7天。

（1）太阳能组成

太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。输出的电压为12V，直接供给设备使用，各部分的作用为：

太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本，额定的输出电压为17.4V。本系统采用单晶硅太阳能电池板。

太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。 本系统采用规格为12V/20A的控制器。

蓄电池：一般为胶体电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。本系统采用的为胶体电池，设计容量为100Ah，可以满足阴雨天7天工作时间。

（2）太阳能供电系统的安装

放置太阳能电池板，倾斜角度在30-45度之间，面对方向根据现场具体环境调节，通过制作三角形的支架固定在水泥板上或监测点保护房上或者水泥立柱上。

蓄电池可埋设在观测墩的附近，埋入地下，防冻并避免日晒雨淋、被盗贼偷盗和外力冲击。

根据某滑坡滑坡体现场情况可以将太阳能电池板放在监测点保护房上面或者单独立柱安装，减少人为盗窃或破坏的可能性。

3.3.5雷电防护

（1）雷电的危害性

在连续参考站一定要考虑到防雷电措施，雷电所产生的高电压电磁脉冲对没有相应保护措施如：同轴电缆，天线，数据通讯电缆，电源电缆产生强烈的毁坏作用，直接损坏所连接的电子设备，所以必须安装避雷电接地端。

电涌是微秒量级的异常大电流脉冲。它可使电子设备受到瞬态过电的破坏。随着半导体器件的集成化程度的提高，元件间距的减小，半导体的厚度的变薄，使得电子设备受到瞬态过电破坏的可能性越来越大。如果一个电涌导致的瞬态过电压超过一个电子设备的承受能力，那么这个设备或者被完全破坏，或者寿命大大缩短。

雷电是导致电涌最明显的原因，雷电击中输电线路会导致巨大的经济损失。每一次电力公司切换负载而引起的电涌都缩短各种计算机、通讯设备、仪器仪表和 PLC的寿命。

（2）直接雷防护

在距观测墩3－3.5米处安装普通避雷针，选用不锈钢制作。

地网选用4根热镀锌角钢为垂直地极，以热镀锌扁钢互连。避雷针基座为钢筋混凝土，由地网引两根热镀锌扁钢与基座连接，接地电阻小于2Ω。

避雷针与天线的距离选择大于3米，是以中等强度的雷电流通过避雷针接地泄流时所产生的感应电磁场到达天线时其强度可衰减到安全值的范围之内。避雷针高度按照“滚球法”确定，粗略计算即可。

接地电阻要求小于10欧姆，如果当地的土壤电阻率较高，降低防直击雷接地装置接地电阻宜采用下列方法：

采用多支线外引接地装置，外引长度不应大于有效长度；

接地体埋于较深的低电阻率土壤中；

采用降阻剂；

换土。

（3）感应雷保护

周边高大建筑物比较多，一般不会有直击雷的危害，只考虑感应雷部分。 GPS天线电缆、通讯射频电缆在接入主机前，必须加装天馈浪涌保护器；

机柜中的空气开关后端并联一个单项电源避雷器，作为电源部分的避雷；

架空电力线和其他架空线的防雷措施一定要处理好，因为这是引雷重要途径，其防护措施有地埋和装设避雷地线等；

电力线进入UPS之前，加装ZGB148A-40电力线电涌防护设备，隔离UPS和电力线。

感应雷预防

不论是电源避雷还是馈线避雷，避雷器必须接地良好，接地电阻不得大于4欧姆，但是二者可以是同一个地。

软件系统

4.1应用背景

CDMonitor是由上海司南卫星导航技术有限公司基于GNSS全球卫星定位系统并利用现代通讯技术进行的实时与准时GNSS原始数据分析、处理、独立环网平差及数据管理等功能研发的系统软件。这套软件对于人工建筑变形分析，比如大型桥梁，水坝，大型人工建筑以及油田沉陷，矿山采空区沉陷，城市地下水漏斗沉陷，火山监测，山体滑坡监测等等具有非常大的现实意义。

GNSS（全球卫星定位系统）自八十年代中期投入民用后，已广泛地在导航、定位等各领域应用，尤其在测量界的控制测量中起了划时代的作用。正因为是它在静态相对定位中的高精度、高效益、全天候、不需通视等优点，使人们普遍采用其来代替常规的三角、三边、边角等方法，并在理论、实践中取得了可喜的成果。在精密工程变形监测中也逐步得到广泛的应用。

由CDMonitor为核心构成的变形监测网络中的每个GNSS接收机只需要输出GNSS的原始数据和星历，原始数据包含了GNSS解算所有必要的伪距和载波相位数据等，星历指GNSS卫星发播的广播星历。数据通过广域网、局域网络、串口、无线设备等传到控制中心，控制中心的CDMonitor软件根据每台GNSS接收机对应的IP地址和端口号，获得每个监测点的原始实时数据流，CDMonitor软件对这些原始数据进行实时差分解算，得到各个监测站的坐标，并存入数据库或发送给客户端。

利用CDMonitor软件能进行7×24小时不间断观测。而且，与传统的RTK方式相比，CDMonitor具有精度更高，实时性更强的特点。CDMonitor支持各种主流品牌的单多频GNSS接收机混合监控。CDMonitor采用了C/S架构，用户可以进行远程监控。

具体的CDMonitor实时差分变形监测软件的工作流程。

CDMonitor工作流程

CDMonitor变形监控软件实现了各个监控站的实时差分定位，并具有图形显示、接收机设置、监控站参数设置、观测数据记录、报警等功能。

采用C/S架构的CDMonitor软件方便用户在办公室、监控中心、家中监测系统的健康状况。

4.2 CDMonitor数据处理软件

4.2.1 CDMonitor功能简介：

4.2.1.1 CDMonitor的功能模块

这里用框图来表示CDMonitor的主要功能模块。

CDMonitor功能模块

4.2.1.2 CDMonitor的基本功能

CDMonitor实时差分变形监控软件具有下面的一些基本功能：

对GNSS原始数据进行7×24小时实时差分处理，进行变形监测，永不间断；

根据接收机的原始数据输出率，数据更新率最高可达20Hz；

可根据系统参数设置，对不同的监测站的实时差分结果进行Kalman滤波，达到不同的动态要求和精度要求；

可同时处理多个基站和监测站的数据；

根据多天运行的结果，建立近期的大气延迟（对流层、电离层）模型，提高定位精度和可靠性；

多基站支持，多基站不但提高了系统的可靠性，而且，根据多基站的观测数据，可以建立电离层模型，提高长距离监测的精度；根据多基站的处理结果，可以实现实时网平差功能，提高点位精度和可靠性；

原始数据后处理功能；

输入接口协议：RS232、CAN、TCP/IP；

输出接口（远程服务）协议：TCP/IP；

实时显示接收机的信号跟踪状况，如星空图、信噪比、钟差等；

实时显示基线的变化情况，点位的移动情况等；

原始数据、解算结果的自动保存功能，可根据用户需求进行设置；

对监测站、基站接收机的远程设置功能，软件上有各个GNSS接收机的独立监控模块，可以向GNSS接收机发送用户更改参数的命令（如采样间隔、高度截止角等）；

系统完备性监测功能，可对整个系统的健康状况进行监测；

环境参数输入功能。比如，输入监测站周围障碍物的分布情况，在数据处理时，能剔除常规方法不能自动剔出的坏数据，提高定位精度。

具有防死机功能，一旦某个监测站出现死机现象，软件马上会通过数据信号触发的方式实现接收机自动重启；

可以调整各个监测站的位置更新率；

支持网络分布式计算；

软件实现C/S架构，客户端可以运行在远程；

提供第三方软件接口，如用COM组件的方式实现，可实现远程查询、管理、报警；

另外，CDMonitor软件可用于桥梁、大坝、矿区等的监测，可针对不同的工作环境对用户图形界面进行定制。如针对风电场沉降监测，CDMonitor的客户端能提供如下功能：

数据库功能，长期观测的数据能保存在数据库中；

三维动画；

整体变形示意图；

历史数据分析；

报警功能，报警项可根据用户要求设定，可通过短信、电子邮件等方式进行报警。

权限管理：一般用户只能浏览数据，系统管理员才可能对一些参数进行设置。

数据分析，即对监控点进行频域和时域分析。

4.2.1.3 数据记录

连接数据库，CDMonitor能够记录用户需要保留的各项信息，根据用户的选择，记录的内容如下：

GNSS定位数据	坐标； 精度（水平和垂直）； PDOP值； 使用卫星颗数； 解类型。
卫星数据	卫星颗数； 每颗卫星的坐标； 每颗卫星的信噪比； 每颗卫星的仰角；
基线解信息	基线向量； 基线误差（中误差和相对误差）； 比率值； 协方差阵。
系统状态数据	软件本身的工作状态； 各个机站的工作状态是否正常； 网络连接状态。

4.2.2 CDMonitor的软件界面介绍

正常情况下，CDMonitor是在服务器端进行复杂的计算的，用户不需要去浏览这些窗口。但在系统安装阶段或者系统出现故障时，这些窗口提供的信息能帮助我们迅速地解决问题。

4.2.2.1 数据监控窗口

通过接收机数据监控窗口可以观察串口和网络来的数据的格式、数据的更新率、数据包的大小等，管理员通过这些信息可以快速地判断系统的通讯是否正常。

4.2.2.2 接收机监控窗口

通过每秒更新一次的接收机监控窗口，管理员能知道接收机跟踪的卫星数量、接收机的钟差、卫星的载噪比等接收机的关键信息，以确定接收机的工作状况、信号质量等。

4.2.2.3 监测站变形曲线窗口

下面是某监测点的变形曲线。CDMonitor能精确地反映监测体的变形情况。

4.2.2.4 基线窗口

通过基线窗口，管理员能够快速地知道软件的解算状态。

4.2.3 CDMonitor的系统结构

典型的CDMonitor监测系统由三部分组成：监测单元、数据传输和控制单元、数据处理分析及管理单元。这三部分形成一个有机的整体，监测单元跟踪GNSS卫星并实时采集数据，数据通过通讯网络传输至控制中心，控制中心相关的CDMonitor软件对数据处理并分析，实时滑坡体的形变。

监测单元一个参考站（R1）和八个监测站（M1，M2，…，M8）组成。其中参考站根据实际情况，确定其具体位置；八个监测站根据实际情况，确定其具体位置。

数据传输采用先进的无线高频网桥传输方式，一方面提高了系统通讯可靠性，另一方面提高了数据传输速度。

控制中心配备一台高性能服务器，用于数据分析和图形处理，以及终端服务。结合CDMonitor软件，实时对数据分析和图形处理。

4.3基于B/S架构数据分析软件

B/S架构的基于网页的WEB发布系统，能实现对监测数据的分析，最终实现监测解算数据以图形化的方式显示，具体流程时数据传输部分在存储数据到数据库的同时，也将解算结果传输给数据分析部分，以实现实时分析。也可以调用数据库的历史数据实现历史统计分析。

系统登录

分析的主要方式是将监测数据在点面的各方向以时间为横轴生成曲线。对各监测方向设置预警限值，当监测数据达到限值时便启动报警功能，并且根据不同条件设置不同的报警级别。

预警管理

为了提供给上级专家和领导直观的分析结果，将监测数据生成日常报表。报表可设置周期一天、一周或一月。

数据管理

帮助您在了解本风电场智能预警系统的过程中，如果有遇到不明白的地方，可以联系司南导航的技术人员，我们的工作人员将第一时间予以回复。

责任编辑：tzh