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CN112879219B - 基于图像处理的风电机组变桨不同步故障识别方法及系统 - Google Patents

基于图像处理的风电机组变桨不同步故障识别方法及系统 Download PDF

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CN112879219B CN202110188001.3A CN202110188001A CN112879219B CN 112879219 B CN112879219 B CN 112879219B CN 202110188001 A CN202110188001 A CN 202110188001A CN 112879219 B CN112879219 B CN 112879219B
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赵登峰
刘鹏程
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Huaneng Clean Energy Research Institute
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Abstract

本发明公开了一种基于图像处理的风电机组变桨不同步故障识别方法及系统，包括以下步骤：1)获取桨叶轮廓图像；2)提取桨叶轮廓图像中水平线位置的桨叶边缘信息，根据所述桨叶边缘信息计算同一水平线上相邻两支桨叶边缘之间的距离；3)根据同一水平线上相邻两支桨叶边缘之间的距离计算各相邻两支桨叶之间的偏差率；4)判断各相邻两支桨叶之间的偏差率是否大于等于预设阈值，当任一相邻两支桨叶之间的偏差率大于等于预设阈值时，则说明风电机组变桨存在不同步故障，该方法及系统能够快速、准确、有效的识别风电机组变桨不同步故障。

Description

基于图像处理的风电机组变桨不同步故障识别方法及系统
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，涉及一种基于图像处理的风电机组变桨不同步故障识别方法及系统。
背景技术
桨叶是风力发电机组吸收风能的主要部件，变桨系统是控制桨叶角度变化以保证桨叶安全高效运行的装置。风电机组的每支桨叶，各自有一套液压或电动装置驱动桨叶转动。运行时，每支桨叶的转动方向及桨距角的转动角度应当是一致的。但是，当发生桨叶变桨不同步故障时，每支桨叶的变化角度出现不一致，就会影响机组的出力，严重的甚至对机组造成重大的损伤。
目前对风电机组变桨不同步故障进行识别和监测主要有以下两种方法：
一、是基于风电机组自带的桨距角编码器记录桨距角的大小，进而判断是否存在角度偏差过大的变桨不同步故障，该方法是在主控中进行逻辑判断的，会占用主控内存，而主控中存储的数据量有限，每隔一段时间需要清理，维护成本高；另外，考虑到运行时长和安装工艺，信号经过滑环的传递后，考虑到运行时长及安装工艺等情况，其在受到较大电磁干扰时，信号会产生失真的情况，影响数据的准确性。所以，仅仅依靠主控中记录的桨距角数据，还不足以保证有效性。
二、在导流罩内桨叶根部设置可供辨识的图案，在整流罩内安装用于拍摄图案的广角摄像头，通过拍摄图案的变化确定桨叶的角度，从而确定桨叶在变桨过程中是否发生了卡顿或者卡桨的情况。然而，在桨叶上安装不同颜色的色条和在整流罩上安装摄像头，该方法在实际操作中有较复杂且具有一定危险性，可操作性较低。此外，摄像头的拍摄效果会受到阳光、雨雪等的影响，不利于识别变桨角度，识别准确率低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于图像处理的风电机组变桨不同步故障识别方法及系统，该方法及系统能够快速、准确、有效的识别风电机组变桨不同步故障。
为达到上述目的，本发明所述的基于图像处理的风电机组变桨不同步故障识别方法包括以下步骤：
1)获取桨叶轮廓图像；
2)提取桨叶轮廓图像中水平线位置的桨叶边缘信息，根据所述桨叶边缘信息计算同一水平线上相邻两支桨叶边缘之间的距离；
3)根据同一水平线上相邻两支桨叶边缘之间的距离计算各相邻两支桨叶之间的偏差率；
4)判断各相邻两支桨 叶之间的偏差率是否大于等于预设阈值，当任一相邻两支桨叶之间的偏差率大于等于预设阈值时，则说明风电机组变桨存在不同步故障。
对于具有N支叶片的风电机组来说，第i支桨叶与第i+1支桨叶之间的偏差率PLi为：
Figure BDA0002943916260000021
其中，Liab为第i支桨叶边缘之间的距离；
注意，当i＝N时，应计算第N支叶片与第1支叶片的偏差率，如下：
Figure BDA0002943916260000031
一种基于图像处理的风电机组变桨不同步故障识别系统包括：
图像采集系统，用于获取桨叶轮廓图像；
服务器，用于提取桨叶轮廓图像中水平线位置的桨叶边缘信息，根据所述桨叶边缘信息计算同一水平线上相邻两支桨叶边缘之间的距离，再根据同一水平线上相邻两支桨叶边缘之间的距离计算各相邻两支桨叶之间的偏差率，然后判断各相邻两支桨 叶之间的偏差率是否大于等于预设阈值，当任一相邻两支桨叶之间的偏差率大于等于预设阈值时，说明风电机组变桨存在不同步故障。
图像采集系统包括控制器、激光信号仪、两台拍摄装置以及若干反射装置，其中，两台拍摄装置对称布置于机舱轴向中心线两侧的底部位置处，激光信号仪安装于风电机组主机架上靠近主轴法兰盘的位置处，各反射装置均安装于主轴法兰盘上，且各反射装置沿周向依次分布，风电机组在工作时，各反射装置依次与激光信号仪对齐，控制器与激光信号仪及拍摄装置相连接，拍摄装置与服务器相连接。
在工作时，控制器控制激光信号仪发出激光信号，当所述激光信号经反射装置反射后通过激光信号仪接收时，激光信号仪发出反馈信号给控制器，控制器根据所述反馈信号控制两台拍摄装置进行拍摄，使得两台拍摄装置的拍摄方向对准各自所在机舱一侧最低位置桨叶的最大弦长处，同时两台拍摄装置拍摄到的桨叶轮廓照片相同。
所述拍摄装置为带光补偿功能的照相机。
所述反射装置为光反射条。
控制器通过数采设备与拍摄装置及激光信号仪相连接。
所述服务器包括：
距离计算模块，用于提取桨叶轮廓图像中水平线位置的桨叶边缘信息，根据所述桨叶边缘信息计算同一水平线上相邻两支桨叶边缘之间的距离；
偏差率计算模块，用于根据同一水平线上相邻两支桨叶边缘之间的距离计算各相邻两支桨叶之间的偏差率；
判断模块，用于判断各相邻两支桨 叶之间的偏差率是否大于等于预设阈值，当任一相邻两支桨叶之间的偏差率大于等于预设阈值时，则说明风电机组变桨存在不同步故障。
当风电机组变桨存在不同步故障时，服务器生成停止指令，并将所述停止指令发送给风电机组的主控系统。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于图像处理的风电机组变桨不同步故障识别方法及系统在具体操作时，根据桨叶轮廓图像采用图像处理技术判断风电机组变桨是否存在不同步故障，即将传统的叶片桨距角角度的监测识别转换成对桨叶轮廓图像的信息提取分析，无需在桨叶上安装额外设备，能够保障机组运行安全，可操作性强，并且识别效率高，该识别方式具有快速、准确、有效的特点。
进一步，利用激光信号仪、反射装置及控制器的组合控制拍摄装置的拍摄时机，由于反射装置均匀周向分布，能够确保拍摄装置的拍摄时序的准确性；
进一步，本发明选择两支桨叶处于最低位沿机组轴向对称分布的位置时进行拍照，不论是奇数或偶数片桨叶，都可以有效避免由于重力、角度不平衡等造成的影响，减少额外的误差，提高识别的准确性；
进一步，本发明中两个拍摄装置安装于机舱底部对称位置处，摒弃传统方案中在导流罩或机舱顶部安装，以减轻阳光、雨雪等天气对拍摄造成的影响，确保识别的精确性。
附图说明
图1为本发明中拍摄装置12及激光信号仪11的安装位置图；
图2为本发明中发射装置的安装位置图；
图3为桨叶轮廓图像的示意图；
图4为本发明的原理图。
其中，1为图像采集系统、2为服务器、3为反射装置、11为激光信号仪、12为拍摄装置、13为控制器、21为距离计算模块、22为偏差率计算模块、23为判断模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明所述的基于图像处理的风电机组变桨不同步故障识别方法包括以下步骤：
1)获取桨叶轮廓图像；
2)提取桨叶轮廓图像中水平线位置的桨叶边缘信息，根据所述桨叶边缘信息计算同一水平线上相邻两支桨叶边缘之间的距离；
3)根据同一水平线上相邻两支桨叶边缘之间的距离计算各相邻两支桨叶之间的偏差率；
其中，第i支桨叶与第i+1支桨叶之间的偏差率PLi为：
Figure BDA0002943916260000061
其中，Liab为第i支桨叶边缘之间的距离。
4)判断各相邻两支桨 叶之间的偏差率是否大于等于预设阈值，当任一相邻两支桨叶之间的偏差率大于等于预设阈值时，则说明风电机组变桨存在不同步故障。
参考图4，本发明所述的基于图像处理的风电机组变桨不同步故障识别系统包括：
图像采集系统1，用于获取桨叶轮廓图像；
服务器2，用于提取桨叶轮廓图像中水平线位置的桨叶边缘信息，根据所述桨叶边缘信息计算同一水平线上相邻两支桨叶边缘之间的距离，再根据同一水平线上相邻两支桨叶边缘之间的距离计算各相邻两支桨叶之间的偏差率，然后判断各相邻两支桨 叶之间的偏差率是否大于等于预设阈值，当任一相邻两支桨叶之间的偏差率大于等于预设阈值时，说明风电机组变桨存在不同步故障，同时服务器2生成停止指令，并将所述停止指令发送给风电机组的主控系统。
参考图1及图2，图像采集系统1包括控制器13、激光信号仪11、两台拍摄装置12以及若干反射装置3，其中，两台拍摄装置12对称布置于机舱轴向中心线两侧的底部位置处，激光信号仪11安装于风电机组主机架上靠近主轴法兰盘的位置处，各反射装置3均安装于主轴法兰盘上，且各反射装置3沿周向依次分布，风电机组在工作时，各反射装置 3依次与激光信号仪11对齐，控制器13与激光信号仪11及拍摄装置12 相连接，拍摄装置12与服务器2相连接。
参考图3，图像采集系统1在工作时，控制器13控制激光信号仪11 发出激光信号，当所述激光信号经反射装置3反射后通过激光信号仪11 接收时，激光信号仪11发出反馈信号给控制器13，控制器13根据所述反馈信号控制两台拍摄装置12进行拍摄，使得两台拍摄装置12的拍摄方向对准各自所在机舱一侧最低位置桨叶的最大弦长处，同时两台拍摄装置12拍摄到的桨叶轮廓照片相同。
优选的，所述拍摄装置12为带光补偿功能带光补偿功能的照相机；控制器13通过数采设备与拍摄装置12及激光信号仪11相连接。
另外，所述服务器2包括：
距离计算模块21，用于提取桨叶轮廓图像中水平线位置的桨叶边缘信息，根据所述桨叶边缘信息计算同一水平线上相邻两支桨叶边缘之间的距离；
偏差率计算模块22，用于根据同一水平线上相邻两支桨叶边缘之间的距离计算各相邻两支桨叶之间的偏差率；
判断模块23，用于判断各相邻两支桨 叶之间的偏差率是否大于等于预设阈值，当任一相邻两支桨叶之间的偏差率大于等于预设阈值时，则说明风电机组变桨存在不同步故障。
例如，风电机组的桨叶数目为3，反射装置3采用光反射条，三个反射条两两互呈120°夹角，且均匀周向分布于主轴法兰盘上，三支桨叶边缘之间的距离分别记为L1ab、L2ab及L3ab；三支桨叶之间的偏差率分别为：
Figure BDA0002943916260000081
Figure BDA0002943916260000082
Figure BDA0002943916260000083
另外，机组运行时，三支桨叶桨距角的动态偏差率范围利用风电机组正常运行状态下(覆盖机组正常运行的全部工况)的图像数据确定，设其为[0,PL0]，则当PL1、PL2和PL3任意一个参数超过PL0+0.15，则认为风电机组存在变桨不同步故障，其中，0.15为经验阈值，在实际操作时可根据风电机组型号设置。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于图像处理的风电机组变桨不同步故障识别系统，其特征在于，包括：
图像采集系统(1)，用于获取桨叶轮廓图像；
服务器(2)，用于提取桨叶轮廓图像中水平线位置的桨叶边缘信息，根据所述桨叶边缘信息计算同一水平线上相邻两支桨叶边缘之间的距离，再根据同一水平线上相邻两支桨叶边缘之间的距离计算各相邻两支桨叶之间的偏差率，然后判断各相邻两支桨叶之间的偏差率是否大于等于预设阈值，当任一相邻两支桨叶之间的偏差率大于等于预设阈值时，说明风电机组变桨存在不同步故障；
图像采集系统(1)包括控制器(13)、激光信号仪(11)、两台拍摄装置(12)以及若干反射装置(3)，其中，两台拍摄装置(12)对称布置于机舱轴向中心线两侧的底部位置处，激光信号仪(11)安装于风电机组主机架上靠近主轴法兰盘的位置处，各反射装置(3)均安装于主轴法兰盘上，且各反射装置(3)沿周向依次分布，风电机组在工作时，各反射装置(3)依次与激光信号仪(11)对齐，控制器(13)与激光信号仪(11)及拍摄装置(12)相连接，拍摄装置(12)与服务器(2)相连接；
在工作时，控制器(13)控制激光信号仪(11)发出激光信号，当所述激光信号经反射装置(3)反射后通过激光信号仪(11)接收时，激光信号仪(11)发出反馈信号给控制器(13)，控制器(13)根据所述反馈信号控制两台拍摄装置(12)进行拍摄，使得两台拍摄装置(12)的拍摄方向对准各自所在机舱一侧最低位置桨叶的最大弦长处，同时两台拍摄装置(12)拍摄到的桨叶轮廓照片相同；
所述拍摄装置(12)为带光补偿功能的照相机；
所述反射装置(3)为光反射条；
控制器(13)通过数采设备与拍摄装置(12)及激光信号仪(11)相连接；
所述服务器(2)包括：
距离计算模块(21)，用于提取桨叶轮廓图像中水平线位置的桨叶边缘信息，根据所述桨叶边缘信息计算同一水平线上相邻两支桨叶边缘之间的距离；
偏差率计算模块(22)，用于根据同一水平线上相邻两支桨叶边缘之间的距离计算各相邻两支桨叶之间的偏差率；
判断模块(23)，用于判断各相邻两支桨叶之间的偏差率是否大于等于预设阈值，当任一相邻两支桨叶之间的偏差率大于等于预设阈值时，则说明风电机组变桨存在不同步故障；
当风电机组变桨存在不同步故障时，服务器(2)生成停止指令，并将所述停止指令发送给风电机组的主控系统；
对于具有N支叶片的风电机组来说，第i支桨叶与第i+1支桨叶之间的偏差率PLi为：
Figure FDA0003616756040000021
其中，Liab为第i支桨叶边缘之间的距离；
当i＝N时，计算第N支叶片与第1支叶片的偏差率：
Figure FDA0003616756040000022
2.一种根据权利要求1中所述的基于图像处理的风电机组变桨不同步故障识别系统的识别方法。
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