一種對風力發電設備的塔筒進行監測的系統和方法與流程
2023-08-13 11:13:16
本發明涉及塔筒狀態監測領域，尤其涉及一種對風力發電設備的塔筒進行監測的系統和方法。
背景技術：
風力發電作為一種重要的可再生新能源，受到廣泛關注。而風力發電設備的塔筒作為風力發電機組的關鍵部位，其健康狀態是風電運營和發展過程中重點關注的問題。
相比於一類風能資源地區，通常在二、三類風能資源開發風電需要更長的葉片和更高的塔架。因此隨著二、三類風能資源逐漸成為風電開發的主要對象，塔筒高度不斷增加，目前陸上風電機組的塔筒高度大多在50m-120m之間。塔筒承受著自重和葉片旋轉產生的動荷載，而在自然風的作用下，風速、風向和風壓的改變對塔筒產生的動荷載影響比較複雜。這諸多因素的共同作用會引起塔筒的變形和晃動，這種晃動不但引起塔筒本身的附加應力、影響結構強度和塔基穩定，而且還會影響塔筒頂端葉輪的變形和振動。並且塔筒的振動還有可能與葉輪旋轉產生共振，從而影響風力機組性能。此外，過大的擺動還將導致塔體結構產生疲勞，甚至使得塔筒基礎發生傾斜，產生安全隱患，造成巨大的經濟損失。因此需要對塔筒的變形和晃動狀態進行連續的在線監測。
目前，對於風力發電設備的塔筒常見的監測手段有：(1)利用GPS定位進行位移監測，此種方案精度目前不能滿足風電機組塔筒毫米級的傾斜測量要求，並且採用多個GPS的方案不僅成本高，同時受工程施工的限制，必須安裝在塔體外壁。(2)採用傾角傳感器測量塔筒晃動的位移，此種方案雖然可行，但是由於現有技術未能考慮塔體的非線性變形特點以及目前靜態傾角傳感器測量動態傾角時的誤差問題，導致基於剛體變形的假設和直接測量傾角結果所計算得到的位移量將遠大於實際位移量。(3)採用加速度傳感器進行兩次積分計算塔筒位移，此種方法則存在初始位置無法準確獲取，積分運算受積分參數幹擾而精度較低等問題。
因此，需要一種新型的對塔筒進行監測的方案，實現對塔筒健康狀況有效且可靠的在線監測。
技術實現要素：
鑑於此，本發明提供了一種新的對風力發電設備的塔筒進行監測方案，以力圖解決或至少緩解上面存在的問題。
根據本發明的一個方面，提供了一種對風力發電設備的塔筒進行監測的方法，塔筒底部的塔基平面布置有第一雙軸傾角傳感器，塔筒頂部的機艙平面布置有第二雙軸傾角傳感器和晃動傳感器，該方法包括步驟：經由第一雙軸傾角傳感器獲取塔基的第一雙軸傾角；至少根據第一雙軸傾角計算塔筒頂部的靜態雙軸傾角；經由第二雙軸傾角傳感器計算塔筒頂部晃動處於平衡位置時塔筒頂部的第二雙軸傾角；經由晃動傳感器獲取塔筒頂部的雙軸晃動加速度；以及至少根據第一雙軸傾角、靜態雙軸傾角、第二雙軸傾角和雙軸晃動加速度中的一個或多個計算塔筒的狀態指標，狀態指標指示塔筒的健康狀態，並包括塔基指標、塔頂指標和塔筒指標中的至少一個。
可選地，在根據本發明的方法中，塔基指標包括塔基傾斜角指標和塔基最大沉降量指標，計算塔基指標的步驟包括：根據第一雙軸傾角計算塔基傾斜角指標；以及根據所述塔基傾斜角指標和塔底半徑計算塔基最大沉降量指標。
可選地，在根據本發明的方法中，根據第一雙軸傾角計算塔基傾斜角指標的公式如下：以及根據塔基傾斜角指標和塔底半徑計算塔基最大沉降量指標的公式如下：Δr＝2R·sinα；其中，α為塔基傾斜角指標，Δr為塔基最大沉降量指標，αx、αy為第一雙軸傾角，R為塔底半徑。
可選地，在根據本發明的方法中，塔頂指標包括晃動平衡位移指標，晃動平衡位移指標為塔筒頂部晃動處於平衡位置時塔筒頂部的位移，計算塔頂指標的步驟包括：根據靜態雙軸傾角和塔筒的絕對高度計算塔筒頂部的靜態傾斜位移；根據靜態雙軸傾角、第二雙軸傾角和塔筒的絕對高度計算塔筒頂部晃動處於平衡位置時塔筒頂部的變形撓度；以及根據靜態傾斜位移和變形撓度計算晃動平衡位移指標。
可選地，在根據本發明的方法中，塔頂指標還包括晃動瞬時位移指標，晃動瞬時位移指標為塔筒頂部晃動時塔筒頂部的瞬時位移，計算塔頂指標的步驟還包括：至少根據雙軸晃動加速度計算塔筒頂部的雙軸晃動位移；以及根據靜態傾斜位移、變形撓度以及雙軸晃動位移計算晃動瞬時位移指標。
可選地，在根據本發明的方法中，塔筒指標包括平均應力指標，平均應力指標為塔筒最大應力點處的平均應力，計算塔筒指標的步驟包括：至少根據變形撓度和塔筒的絕對高度計算平均應力指標。
可選地，在根據本發明的方法中，塔筒指標還包括瞬時應力指標，瞬時應力指標為塔筒最大應力點處的瞬時應力，計算塔筒指標的步驟還包括：至少根據變形撓度、雙軸晃動位移和塔筒的絕對高度計算瞬時應力指標。
可選地，在根據本發明的方法中，至少根據第一雙軸傾角計算靜態雙軸傾角的步驟包括：根據當前機艙的偏航角判斷第一雙軸傾角傳感器是否與第二雙軸傾角傳感器軸向一致；若是，則靜態雙軸傾角等於第一雙軸傾角；以及若否，則根據第一雙軸傾角和偏航角計算靜態雙軸傾角。
可選地，在根據本發明的方法中，根據第一雙軸傾角和偏航角計算靜態雙軸傾角的公式如下：
其中，βx、βy為靜態雙軸傾角，αx、αy為第一雙軸傾角，γ為偏航角。
可選地，在根據本發明的方法中，第一雙軸傾角傳感器以其x軸方向為偏航角為0時的機艙主軸方向布置，第二雙軸傾角傳感器和晃動傳感器以其x軸方向為當前機艙主軸方向布置。
可選地，在根據本發明的方法中，還包括步驟：判斷狀態指標中任一個是否超過閾值，若是，發出警報。根據本發明的另一個方面，提供了一種對風力發電設備的塔筒進行監測的系統，該系統包括：布置於塔筒底部塔基平面上的第一雙軸傾角傳感器；布置於塔筒頂部機艙平面上的第二雙軸傾角傳感器和晃動傳感器；以及數據處理裝置，適於經由第一雙軸傾角傳感器獲取塔基的第一雙軸傾角；還適於至少根據第一雙軸傾角計算塔筒頂部的靜態雙軸傾角；還適於經由第二雙軸傾角傳感器計算塔筒頂部晃動處於平衡位置時塔筒頂部的第二雙軸傾角；還適於經由晃動傳感器獲取塔筒頂部的雙軸晃動加速度；還適於至少根據第一雙軸傾角、靜態雙軸傾角、第二雙軸傾角和雙軸晃動加速度中的一個或多個計算塔筒的狀態指標，該狀態指標指示塔筒的健康狀態，並包括塔基指標、塔頂指標和塔筒指標中的至少一個。
可選地，在根據本發明的系統中，塔基指標包括塔基傾斜角指標和塔基最大沉降量指標，數據處理裝置還適於根據第一雙軸傾角計算塔基傾斜角指標；根據塔基傾斜角指標和塔底半徑計算塔基最大沉降量指標。
可選地，在根據本發明的系統中，根據第一雙軸傾角計算塔基傾斜角指標的公式如下：以及根據塔基傾斜角指標和塔底半徑計算塔基最大沉降量指標的公式如下：Δr＝2R·sinα；其中，α為塔基傾斜角指標，Δr為塔基最大沉降量指標，αx、αy為第一雙軸傾角，R為塔底半徑。
可選地，在根據本發明的系統中，塔頂指標包括晃動平衡位移指標，晃動平衡位移指標為塔筒頂部晃動處於平衡位置時塔筒頂部的位移，數據處理裝置還適於根據靜態雙軸傾角和塔筒的絕對高度計算塔筒頂部的靜態傾斜位移；根據靜態雙軸傾角、第二雙軸傾角和塔筒的絕對高度計算塔筒頂部晃動處於平衡位置時塔筒頂部的變形撓度；根據靜態傾斜位移和變形撓度計算晃動平衡位移指標。
可選地，在根據本發明的系統中，塔頂指標還包括晃動瞬時位移指標，晃動瞬時位移指標為塔筒頂部晃動時塔筒頂部的瞬時位移，數據處理裝置還適於至少根據雙軸晃動加速度計算塔筒頂部的雙軸晃動位移；根據靜態傾斜位移、變形撓度以及雙軸晃動位移計算晃動瞬時位移指標。
可選地，在根據本發明的系統中，塔筒指標包括平均應力指標，平均應力指標為塔筒最大應力點處的平均應力，數據處理裝置還適於至少根據變形撓度和塔筒的絕對高度計算平均應力指標。
可選地，在根據本發明的系統中，塔筒指標還包括瞬時應力指標，瞬時應力指標為塔筒最大應力點處的瞬時應力，數據處理裝置還適於至少根據變形撓度、雙軸晃動位移和塔筒的絕對高度計算瞬時應力指標。
可選地，在根據本發明的系統中，數據處理裝置還適於根據當前機艙的偏航角判斷第一雙軸傾角傳感器是否與第二雙軸傾角傳感器軸向一致；若是，則靜態雙軸傾角等於第一雙軸傾角；以及若否，則根據第一雙軸傾角和偏航角計算靜態雙軸傾角。
可選地，在根據本發明的系統中，根據第一雙軸傾角和偏航角計算靜態雙軸傾角的公式如下：
其中，βx、βy為靜態雙軸傾角，αx、αy為第一雙軸傾角，γ為偏航角。
可選地，在根據本發明的系統中，第一雙軸傾角傳感器以其x軸方向為偏航角為0時的機艙主軸方向布置，第二雙軸傾角傳感器和晃動傳感器以其x軸方向為當前機艙主軸方向布置。
可選地，在根據本發明的系統中，數據處理裝置還適於判斷狀態指標中任一個是否超過閾值，若是，發出警報。
根據本發明的還有一個方面，提供了一種風力發電設備的塔筒，包括根據本發明的對風力發電設備的塔筒進行監測的系統。
根據本發明的對風力發電設備的塔筒進行監測的方案，通過在塔筒底部塔基平面布置第一雙軸傾角傳感器、在塔筒頂部機艙平面布置第二雙軸傾角傳感器和晃動傳感器獲得第一雙軸傾角、靜態雙軸傾角、第二雙軸傾角和晃動雙軸加速度，進而計算塔筒的狀態指標，最後利用狀態指標實現對塔筒健康狀態的在線實時的監測，監測結果有效性高、成本較低、易於布置。其中，本發明充分考慮到塔筒的晃動、彎曲以及塔基的沉降對計算的幹擾，通過構建可靠的幾何模型進行指標計算，保證了計算的精度。
附圖說明
為了實現上述以及相關目的，本文結合下面的描述和附圖來描述某些說明性方面，這些方面指示了可以實踐本文所公開的原理的各種方式，並且所有方面及其等效方面旨在落入所要求保護的主題的範圍內。通過結合附圖閱讀下面的詳細描述，本公開的上述以及其它目的、特徵和優勢將變得更加明顯。遍及本公開，相同的附圖標記通常指代相同的部件或元素。
圖1示出了根據本發明一個示例性實施例的風力發電設備100的結構示意圖；
圖2示出了根據本發明一個示例性實施例的對風力發電設備的塔筒110進行監測的系統200的結構示意圖；
圖3示出了根據本發明一個示例性實施例的塔基傾斜的幾何模型的示意圖；
圖4示出了根據本發明一個示例性實施例的塔筒晃動彎曲的幾何模型的示意圖；以及
圖5示出了根據本發明一個示例性實施例的對風力發電設備的塔筒進行監測的方法500的流程圖。
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例。雖然附圖中顯示了本公開的示例性實施例，然而應當理解，可以以各種形式實現本公開而不應被這裡闡述的實施例所限制。相反，提供這些實施例是為了能夠更透徹地理解本公開，並且能夠將本公開的範圍完整的傳達給本領域的技術人員。
圖1示出了根據本發明一個示例性實施例的風力發電設備100的結構示意圖。如圖1所示，風力發電設備100包括從支撐水平面160延伸的塔筒110、安裝於塔筒110頂部的機艙130、機艙主軸140和葉片150，其中塔筒110底部為塔基120。塔筒110具有合適的絕對高度，並一般使用鋼管制造，以界定在支撐水平面160和機艙130之間延伸的腔。
顯然地，塔筒110作為風力發電設備100中支撐的重要部位，在風力發電設備100運行過程中，承受著其自重和葉片150旋轉產生的動荷載。而隨著塔筒110高度的不斷增加，塔筒承受的自重和葉片150旋轉產生的動荷載也越來越大。風力發電設備100運行過程中塔筒110由於受到風力動載荷的影響產生變形和晃動，這種晃動會引起塔筒110本身的附加應力，影響結構強度和塔基穩定，從而直接影響風力發電設備100性能。並且，過大的擺動將導致塔體結構產生疲勞，甚至使得塔基120發生傾斜(即發生沉降)，產生安全隱患。若不能及時發現上述隱患，則很有可能造成更為嚴重的後果，帶來巨大的經濟損失。因此，監測塔筒110在風力發電設備100運行時的健康狀況十分必要。
根據本發明的對風力發電設備的塔筒進行監測的系統可以包括第一傾角傳感器、第二傾角傳感器、晃動傳感器和數據處理裝置。
第一傾角傳感器、第二傾角傳感器通常為雙軸傾角傳感器，雙軸傾角傳感器可以測出水平面繞其兩個軸向(x軸、y軸)的傾角。晃動傳感器230可以測出其兩個軸向(x軸、y軸)的晃動加速度。
第一傾角傳感器通常布置於塔筒底部的剛性水平面(例如塔基平面或其他類似平面)上，第二傾角傳感器和晃動傳感器通常布置於塔筒頂部的剛性水平面(例如機艙平面、機場主軸下部平面、大梁上平面或其他類似平面)上。各傳感器與平面的固定方式可以是磁座或其他固定方式，本發明對此不做限制。
第一傾角傳感器的x軸方向通常設置為偏航角(即機艙主軸與風向之間的角度)為0時的機艙主軸方向，y軸則相應地為平面上與x軸垂直的方向。第二傾角傳感器和晃動傳感器的x軸方向通常設置為當前機艙主軸方向，y軸則相應地為平面上與x軸垂直的方向。其中，第二傾角傳感器和晃動傳感器的x軸方向也可以不一致，二者之間夾角為固定值即可。
需要注意的是，噹噹前偏航角為0時，第一傾角傳感器的x軸與第二傾角傳感器的x軸方向一致，噹噹前偏航角不為0時，第一傾角傳感器的x軸與第二傾角傳感器的x軸方向不一致，相差角度等於偏航角。
在一個實施例中，第一傾角傳感器還可以是靜態傾角傳感器，第二傾角傳感器和晃動傳感器還可以用能夠同時輸出傾角數據和晃動加速度數據的三軸傾角傳感器替代。在另一個實施例中，第二傾角傳感器還可以是動態傾角傳感器，動態傾角傳感器可以通過加速度信息來對傾角數據進行校正，消除由於加速度的存在給傾角測量所帶來的影響，這樣直接得到塔頂的瞬時傾角變化數據。
圖2示出了根據本發明一個示例性實施例的對風力發電設備的塔筒110進行監測的系統200的結構示意圖。該系統200包括第一雙軸傾角傳感器210、第二雙軸傾角傳感器220、晃動傳感器239和數據處理裝置240(未示出)。如圖2所示，第一雙軸傾角傳感器210布置於塔筒底部塔基平面上，第二雙軸傾角傳感器220和晃動傳感器230均布置於塔筒頂部機艙平面上。其中，第一雙軸傾角傳感器210的x軸方向為偏航角為0時的機艙主軸方向，第二傾角傳感器220和晃動傳感器230的x軸方向一致，均為當前機艙主軸方向。
一般來說，塔筒頂部會隨塔筒的晃動發生晃動和彎曲，還會隨塔基的沉降發生位移，布置於塔筒頂部和底部的各傳感器會相應地測出數據。
數據處理裝置240分別與第一雙軸傾角傳感器210、第二雙軸傾角傳感器220和晃動傳感器230連接，可以接收第一雙軸傾角傳感器210、第二雙軸傾角傳感器220和晃動傳感器230傳輸的測量數據並進行計算處理得到塔筒的狀態指標。這裡，狀態指標指示塔筒的健康狀態，並可以包括塔基指標、塔頂指標和塔筒指標中的至少一個。其中，塔基指標可以進一步包括塔基傾斜角指標和塔基最大沉降量指標中的至少一個。塔頂指標可以進一步包括晃動平衡位移指標和晃動瞬時位移指標中的至少一個，晃動平衡位移指標為塔筒頂部晃動處於平衡位置時塔筒頂部的位移，晃動瞬時位移指標為塔筒頂部晃動時塔筒頂部的瞬時位移。塔筒指標可以進一步包括平均應力指標和瞬時應力指標中的至少一個，平均應力指標為塔筒最大應力點處的平均應力，瞬時應力指標為塔筒最大應力點處的瞬時應力。
下面具體描述各指標的計算原理。
數據處理裝置240可以經由第一雙軸傾角傳感器210獲取塔基的第一雙軸傾角，該第一雙軸傾角為當前第一雙軸傾角傳感器210輸出的其兩個軸向的傾角，可以指示塔基的傾斜程度。數據處理裝置240可以根據第一雙軸傾角計算塔基傾斜角指標，以及根據塔基傾斜角指標和塔底半徑計算塔基最大沉降量指標。
圖3示出了根據本發明一個示例性實施例的塔基傾斜幾何模型的示意圖。其中，X0軸和Y0軸為塔基未發生傾斜(即未發生沉降)時塔基平面上第一雙軸傾角傳感器210的兩個軸向，Z0軸為塔基未發生傾斜時塔基上的軸。X1軸和Y1軸為塔基發生傾斜(即發生沉降)時塔基平面上第一雙軸傾角傳感器210的兩個軸向，Z1軸為塔基發生傾斜時塔基上傾斜的軸。可以理解地，第一雙軸傾角中兩個軸向的傾角分別為X0軸和X1軸之間的夾角αx、Y0軸和Y1軸之間的夾角αy。塔基傾斜角指標為Z0軸和Z1軸之間的夾角α。2R為塔基上傾斜的軸到其對側軸的距離(即塔底直徑)，Δr為塔基最大沉降量指標，其中R為塔底半徑。
塔基傾斜角指標α和塔基最大沉降量指標Δr的計算可以如下：
Δr＝2R·sinα
數據處理裝置240還可以至少根據第一雙軸傾角計算塔筒頂部的靜態雙軸傾角。具體地，數據處理裝置240可以根據當前機艙的偏航角判斷第一雙軸傾角傳感器210是否與第二雙軸傾角傳感器220軸向一致，偏航角可以通過風力發電設備的偏航系統獲取。若第一傾角傳感器210與第二傾角傳感器220軸向一致，則靜態雙軸傾角等於第一雙軸傾角。否則，數據處理裝置240可以根據上述第一雙軸傾角和偏航角計算靜態雙軸傾角。
這裡，靜態雙軸傾角為假設塔筒頂部在未發生晃動的靜態下塔筒頂部的雙軸傾角，即此時塔筒頂部的第二雙軸傾角傳感器220輸出的其兩個軸向的傾角。
因為在實際應用中，塔筒頂部通常會發生晃動，這種晃動的加速度會導致其上傾角傳感器的測量出現較大誤差，無法測得準確的塔筒頂部的動態傾角，導致最終無法計算出準確的塔筒頂部的位移。本發明通過引入根據塔基的傾角數據計算得到的靜態雙軸傾角來對塔筒頂部位移的計算進行修正，可以提高計算的精度。
其中，具體地，當前的偏航角為0時，則顯然第一傾角傳感器210與第二傾角傳感器220軸向一致，靜態雙軸傾角等於第一雙軸傾角。
當前的偏航角不為0時，塔筒頂部隨塔基的傾斜產生位移的幾何模型同樣如圖3所示，X軸和Y軸為塔基未發生傾斜時機艙平面上第二雙軸傾角傳感器220的兩個軸向，由於偏航角不為0，則第一雙軸傾角傳感器210與第二雙軸傾角傳感器220軸向不一致，其X0軸和X軸相差的角度γ即為偏航角。
X'軸和Y'軸為塔筒頂部隨塔基的傾斜發生位移後第二雙軸傾角傳感器220的兩個軸向，X軸和X'軸之間的夾角βx，Y軸和Y'軸之間的夾角βy則分別為此時塔筒頂部隨塔基沉降而產生的靜態雙軸傾角。
靜態雙軸傾角βx，βy計算可以如下：
得到靜態雙軸傾角後，數據處理裝置240可以根據該靜態雙軸傾角和塔筒的絕對高度計算塔筒頂部的靜態傾斜位移，與靜態雙軸傾角類似地，該靜態傾斜位移為同樣假設塔筒頂部在未發生晃動的靜態下塔筒頂部傾斜發生的位移。計算靜態傾斜位移可以如下：
其中，H為塔筒的絕對高度，βx，βy為靜態雙軸傾角，l1x,l1y為靜態傾斜位移在第二雙軸傾角傳感器220兩個軸向上的分量。
而後，數據處理裝置240可以經由第二雙軸傾角傳感器220計算塔筒頂部晃動處於平衡位置時塔筒頂部的第二雙軸傾角，該第二雙軸傾角為塔筒頂部晃動處於平衡位置時第二傾角傳感器220兩個軸向的傾角，可以指示塔筒頂部晃動處於平衡位置時的傾斜程度。第二雙軸傾角可以根據第二雙軸傾角傳感器220輸出的雙軸傾角數據計算得到，例如可以通過傅立葉變換計算第二雙軸傾角傳感器220輸出的雙軸傾角數據的最大能量頻率，根據最大能量頻率得到主周期成分，再根據主周期成分計算該雙軸傾角數據在2或3個周期上的均值，這個均值即為第二雙軸傾角。
可以理解地，塔筒晃動並發生彎曲的幾何模型可以如圖4所示。該幾何模型為簡化的懸梁壁模型，根據材料力學，數據處理裝置240可以根據靜態雙軸傾角、第二雙軸傾角和塔筒的絕對高度計算塔筒頂部晃動處於平衡位置時塔筒頂部的變形撓度計算如下：
其中，l2x，l2y為變形撓度在第二雙軸傾角傳感器220兩個軸向上的分量，β′x，β′y為第二雙軸傾角，βx，βy為靜態雙軸傾角。
隨後數據處理裝置240可以根據上述靜態傾斜位移和變形撓度計算晃動平衡位移指標計算如下：
其中，為晃動平衡位移指標，為靜態傾斜位移，為變形撓度。
這樣本發明通過結合根據在發生晃動的動態下第二雙軸傾角傳感器220輸出的傾角數據計算得到的塔筒頂部處於平衡位置時的變形撓度和假設在未發生晃動的靜態下塔筒頂部的靜態傾斜位移，實現了對塔筒頂部晃動處於平衡位置時塔筒頂部平衡位移的準確監測。
數據處理裝置240還可以經由晃動傳感器230獲取塔筒頂部的雙軸晃動加速度，該雙軸晃動加速度為當前晃動傳感器230輸出的其兩個軸向的加速度，可以指示塔筒頂部的晃動程度。
數據處理裝置240可以至少根據該雙軸晃動加速度計算塔筒頂部的雙軸晃動位移。
具體地，對於晃動傳感器230輸出得到的其兩個軸向的晃動加速度，首先可以通過傅立葉變換求取第二雙軸傾角傳感器220輸出的其兩個軸向的傾角數據在0-1Hz之間的最大頻率成分，並根據該頻率值設定晃動加速度的積分參數，即設置高通濾波截止頻率為該最大頻率成分的一半，而後將晃動加速度去除直流分量之後進行時域二次積分，最後將積分的結果去除三次趨勢項後即得到上述雙軸晃動位移。該雙軸晃動位移可以簡化表示如下：
其中，l3x，l3y為雙軸晃動位移在塔筒頂部晃動傳感器230兩個軸向的位移分量，ax，ay為雙軸晃動加速度在塔筒頂部晃動傳感器230兩個軸向的加速度分量，t為時間。
數據處理裝置240還可以根據上述的靜態傾斜位移變形撓度以及雙軸晃動位移計算晃動瞬時位移指標，計算如下：
其中，為靜態傾斜位移，為變形撓度，為雙軸晃動位移，為晃動瞬時位移指標。這樣充分考慮到監測在複雜動態環境下的測量誤差，利用塔頂傳感器輸出的傾角數據為晃動加速度的積分提供積分參數的同時還利用塔基傳感器輸出的傾角數據對塔筒頂部的晃動位移進行修正，大大提高了計算的精度，保證監測的有效性和可靠性。
此外，數據處理裝置240還可以至少根據變形撓度和塔筒的絕對高度計算平均應力指標，還可以至少根據變形撓度、雙軸晃動位移和塔筒的絕對高度計算瞬時應力指標。
平均應力指標計算可以如下：
考慮空心圓的懸臂梁彎曲應力計算公式：
其中，σ為塔筒最大應力點處彎曲應力(MPa)，M為塔筒最大應力點處截面彎矩(Nm)，Wz為抗彎截面模量，D為塔筒外徑，γ′為內外徑之比。
又因為存在以下關係：
其中P為塔頂等效載荷(N)，EI為抗彎剛度(Pa·m4)。
綜上可以計算得到最大應力點處平均應力指標σm：
瞬時應力指標計算可以如下：
綜上所述，本發明通過利用兩個傾角傳感器和晃動傳感器獲得兩組傾角數據和一組晃動加速度數據，根據發明所提出的算法，綜合利用上述數據，實現了對塔基傾斜角、沉降量，對塔頂晃動平衡位移、晃動瞬時位移，對塔筒最大應力處平均應力和瞬時應力等指標的計算，達到對塔筒健康狀況的充分全面的在線實時監測的目的。
最後，數據處理裝置240還可以判斷上述狀態指標中任一個是否超過閾值，若是，發出警報。還可以生成各個指標的歷史數據趨勢圖、塔頂平衡位置隨時間變化的散點圖、塔頂當前採集周期的晃動軌跡圖、塔筒變形狀態三維示意圖、以及計算塔筒當前固有頻率等等，便於用戶觀察。
圖5示出了根據本發明一個示例性實施例的對風力發電設備的塔筒進行監測的方法500。塔筒底部的塔基平面布置有第一雙軸傾角傳感器，塔筒頂部的機艙平面布置有第二雙軸傾角傳感器和晃動傳感器，其中第一雙軸傾角傳感器以其x軸方向為偏航角為0時的機艙主軸方向布置，第二雙軸傾角傳感器和晃動傳感器以其x軸方向為當前機艙主軸方向布置。塔筒頂部可以隨塔筒的晃動發生晃動和彎曲、隨塔基的沉降發生位移，該方法500始於步驟S510。
在步驟S510中，經由第一雙軸傾角傳感器獲取塔基的第一雙軸傾角。
在步驟S520中，至少根據第一雙軸傾角計算塔筒頂部的靜態雙軸傾角。具體地，計算靜態雙軸傾角的步驟還可以包括：根據當前機艙的偏航角判斷第一雙軸傾角傳感器是否與第二雙軸傾角傳感器軸向一致；若是，則靜態雙軸傾角等於第一雙軸傾角；以及若否，則根據第一雙軸傾角和當前偏航角計算靜態雙軸傾角。根據第一雙軸傾角和偏航角計算靜態雙軸傾角的公式可以如下：
其中，βx、βy為靜態雙軸傾角，αx、αy為第一雙軸傾角，γ為偏航角。
而後在步驟S530中，經由第二雙軸傾角傳感器計算塔筒頂部晃動處於平衡位置時塔筒頂部的第二雙軸傾角。
而後在步驟S540中，經由晃動傳感器獲取塔筒頂部的雙軸晃動加速度，雙軸晃動加速度為當前晃動傳感器輸出的其兩個軸向的加速度，可以指示塔筒頂部的晃動程度。最後在步驟S550中，至少根據第一雙軸傾角、靜態雙軸傾角、第二雙軸傾角和雙軸晃動加速度中的一個或多個計算塔筒的狀態指標，狀態指標指示塔筒的健康狀態，並包括塔基指標、塔頂指標和塔筒指標中的至少一個。
其中，塔基指標可以包括塔基傾斜角指標和塔基最大沉降量指標，計算塔基指標的步驟包括：根據第一雙軸傾角計算塔基傾斜角指標；以及根據塔基傾斜角指標和塔底半徑計算塔基最大沉降量指標。根據第一雙軸傾角計算塔基傾斜角指標的公式可以如下：
以及根據塔基傾斜角指標和塔底半徑計算塔基最大沉降量指標的可以公式如下：Δr＝2R·sinα，其中，α為塔基傾斜角指標，Δr為塔基最大沉降量指標，αx、αy為第一雙軸傾角，R為塔底半徑。
塔頂指標可以包括晃動平衡位移指標，晃動平衡位移指標為塔筒頂部晃動處於平衡位置時塔筒頂部的位移，計算塔頂指標的步驟包括：根據靜態雙軸傾角和塔筒的絕對高度計算塔筒頂部的靜態傾斜位移；根據靜態雙軸傾角、第二雙軸傾角和塔筒的絕對高度計算塔筒頂部晃動處於平衡位置時塔筒頂部的變形撓度；以及根據靜態傾斜位移和變形撓度計算晃動平衡位移指標。
塔頂指標還可以包括晃動瞬時位移指標，晃動瞬時位移指標為塔筒頂部晃動時塔筒頂部的瞬時位移，計算塔頂指標的步驟還包括：至少根據雙軸晃動加速度計算塔筒頂部的雙軸晃動位移；以及根據靜態傾斜位移、變形撓度以及雙軸晃動位移計算晃動瞬時位移指標。
塔筒指標可以包括平均應力指標，平均應力指標為塔筒最大應力點處的平均應力，計算塔筒指標的步驟包括：至少根據變形撓度和塔筒的絕對高度計算平均應力指標。
塔筒指標還可以包括瞬時應力指標，瞬時應力指標為塔筒最大應力點處的瞬時應力，計算塔筒指標的步驟還包括：至少根據變形撓度、雙軸晃動位移和塔筒的絕對高度計算瞬時應力指標。
最後，方法500還可以包括步驟：判斷狀態指標中任一個是否超過閾值，若是，發出警報。
上述步驟中的具體處理已在結合圖1-4對對風力發電設備的塔筒進行監測的系統200的描述中詳細說明，此處不再贅述。
在此處所提供的說明書中，說明了大量具體細節。然而，能夠理解，本發明的實施例可以在沒有這些具體細節的情況下被實踐。在一些實例中，並未詳細示出公知的方法、結構和技術，以便不模糊對本說明書的理解。
類似地，應當理解，為了精簡本公開並幫助理解各個發明方面中的一個或多個，在上面對本發明的示例性實施例的描述中，本發明的各個特徵有時被一起分組到單個實施例、圖、或者對其的描述中。然而，並不應將該公開的方法解釋成反映如下意圖：即所要求保護的本發明要求比在每個權利要求中所明確記載的特徵更多特徵。更確切地說，如下面的權利要求書所反映的那樣，發明方面在於少於前面公開的單個實施例的所有特徵。因此，遵循具體實施方式的權利要求書由此明確地併入該具體實施方式，其中每個權利要求本身都作為本發明的單獨實施例。
本領域那些技術人員應當理解在本文所公開的示例中的設備的模塊或單元或組件可以布置在如該實施例中所描述的設備中，或者可替換地可以定位在與該示例中的設備不同的一個或多個設備中。前述示例中的模塊可以組合為一個模塊或者此外可以分成多個子模塊。
本領域那些技術人員可以理解，可以對實施例中的設備中的模塊進行自適應性地改變並且把它們設置在與該實施例不同的一個或多個設備中。可以把實施例中的模塊或單元或組件組合成一個模塊或單元或組件，以及此外可以把它們分成多個子模塊或子單元或子組件。除了這樣的特徵和/或過程或者單元中的至少一些是相互排斥之外，可以採用任何組合對本說明書(包括伴隨的權利要求、摘要和附圖)中公開的所有特徵以及如此公開的任何方法或者設備的所有過程或單元進行組合。除非另外明確陳述，本說明書(包括伴隨的權利要求、摘要和附圖)中公開的每個特徵可以由提供相同、等同或相似目的的替代特徵來代替。
此外，本領域的技術人員能夠理解，儘管在此所述的一些實施例包括其它實施例中所包括的某些特徵而不是其它特徵，但是不同實施例的特徵的組合意味著處於本發明的範圍之內並且形成不同的實施例。例如，在下面的權利要求書中，所要求保護的實施例的任意之一都可以以任意的組合方式來使用。
本發明還可以包括：A6、如A4所述的方法，其中，所述塔筒指標包括平均應力指標，平均應力指標為塔筒最大應力點處的平均應力，計算塔筒指標的步驟包括：至少根據所述變形撓度和塔筒的絕對高度計算所述平均應力指標。A7、如A5或6所述的方法，其中，所述塔筒指標還包括瞬時應力指標，瞬時應力指標為塔筒最大應力點處的瞬時應力，計算塔筒指標的步驟還包括：至少根據所述變形撓度、所述雙軸晃動位移和塔筒的絕對高度計算所述瞬時應力指標。A8、如A1-7中任一項所述的方法，其中，所述至少根據第一雙軸傾角計算靜態雙軸傾角的步驟包括：根據當前機艙的偏航角判斷所述第一雙軸傾角傳感器是否與所述第二雙軸傾角傳感器軸向一致；若是，則靜態雙軸傾角等於第一雙軸傾角；以及若否，則根據所述第一雙軸傾角和偏航角計算所述靜態雙軸傾角。A9、如權利要求8所述的方法，其中，所述根據第一雙軸傾角和偏航角計算靜態雙軸傾角的公式如下：
其中，βx、βy為所述靜態雙軸傾角，αx、αy為所述第一雙軸傾角，γ為所述偏航角。A10、如A1-9中任一項所述的方法，其中，所述第一雙軸傾角傳感器以其x軸方向為偏航角為0時的機艙主軸方向布置，第二雙軸傾角傳感器和晃動傳感器以其x軸方向為當前機艙主軸方向布置。A11、如A1-10中任一項所述的方法，其中，還包括步驟：判斷所述狀態指標中任一個是否超過閾值，若是，發出警報。
B16、如B15所述的系統，其中，所述塔頂指標還包括晃動瞬時位移指標，所述晃動瞬時位移指標為塔筒頂部晃動時塔筒頂部的瞬時位移，所述數據處理裝置還適於至少根據所述雙軸晃動加速度計算塔筒頂部的雙軸晃動位移；根據所述靜態傾斜位移、變形撓度以及雙軸晃動位移計算所述晃動瞬時位移指標。B17、如B15所述的系統，其中，所述塔筒指標包括平均應力指標，平均應力指標為塔筒最大應力點處的平均應力，所述數據處理裝置還適於至少根據所述變形撓度和塔筒的絕對高度計算所述平均應力指標。B18、如B16或17所述的系統，其中，所述塔筒指標還包括瞬時應力指標，瞬時應力指標為塔筒最大應力點處的瞬時應力，所述數據處理裝置還適於至少根據所述變形撓度、所述雙軸晃動位移和塔筒的絕對高度計算所述瞬時應力指標。B19、如B12-18中任一項所述的系統，其中，所述數據處理裝置還適於根據當前機艙的偏航角判斷所述第一雙軸傾角傳感器是否與所述第二雙軸傾角傳感器軸向一致；若是，則靜態雙軸傾角等於第一雙軸傾角；以及若否，則根據所述第一雙軸傾角和偏航角計算所述靜態雙軸傾角。B20、如B19所述的系統，其中，根據第一雙軸傾角和偏航角計算靜態雙軸傾角的公式如下：
其中，βx、βy為所述靜態雙軸傾角，αx、αy為第一雙軸傾角，γ為偏航角。B21、如B12-20中任一項所述的系統，其中，所述第一雙軸傾角傳感器以其x軸方向為偏航角為0時的機艙主軸方向布置，第二雙軸傾角傳感器和晃動傳感器以其x軸方向為當前機艙主軸方向布置。B22、如B12-21中任一項所述的系統，其中，所述數據處理裝置還適於判斷所述狀態指標中任一個是否超過閾值，若是，發出警報。
此外，所述實施例中的一些在此被描述成可以由計算機系統的處理器或者由執行所述功能的其它裝置實施的方法或方法元素的組合。因此，具有用於實施所述方法或方法元素的必要指令的處理器形成用於實施該方法或方法元素的裝置。此外，裝置實施例的在此所述的元素是如下裝置的例子：該裝置用於實施由為了實施該發明的目的的元素所執行的功能。
如在此所使用的那樣，除非另行規定，使用序數詞「第一」、「第二」、「第三」等等來描述普通對象僅僅表示涉及類似對象的不同實例，並且並不意圖暗示這樣被描述的對象必須具有時間上、空間上、排序方面或者以任意其它方式的給定順序。
儘管根據有限數量的實施例描述了本發明，但是受益於上面的描述，本技術領域內的技術人員明白，在由此描述的本發明的範圍內，可以設想其它實施例。此外，應當注意，本說明書中使用的語言主要是為了可讀性和教導的目的而選擇的，而不是為了解釋或者限定本發明的主題而選擇的。因此，在不偏離所附權利要求書的範圍和精神的情況下，對於本技術領域的普通技術人員來說許多修改和變更都是顯而易見的。對於本發明的範圍，對本發明所做的公開是說明性的，而非限制性的，本發明的範圍由所附權利要求書限定。