风电机组监测数据的动态可视化

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1、风电机组监测数据的动态可视化#风电机组监测数据的动态可视化库祥臣，王文務，尹海峰（河南科技大学机电工程学院，河南洛阳471003）摘要：以风力发电机为研究对象，在分析风电机组的结构、故障特点以及监测方式的基础上，实现了风电 机组监测数据的动态可视化。本仿真系统是在Windows XP操作系统下以Visual C+ + 6.0为开发工具 进行研发，通过网络传输获取机组实时数据，利用OpenGL进行机组实体建模，采用显示列表与双缓存 技术实现了机组模型的动态显示。系统具有良好的实时性、交互性，为进一步研究风力发电机的三维可 视化状态监测莫定了基础。关键词：风电机组;监测；可视化;OpenGL中图分

2、类号:TP391文献标识码:A文章编号：1000-8829（2014）09-0136 -03Dynamic Visualization for Monitoring Data of Wind TurbinesKU Xiang-chen, WANG Wen-qian, YIN Hai-feng(School of Mechatronics Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China)Abstract: Based on the analysis of the structure an

3、d fault characteristics of wind turbines and the method of monitoring, the realization of dynamic visualization for monitoring data of wind turbines is expounded Under the Windows XP operating system, this simulation system is developed by Visual C + + 60 The real-time data are transmitted through n

4、etwork. The 3D model of the wind turbines is created by OpenGL and dynamic visualization is realized by display list and double buffer technique. The system has good ability on realtime, interactive, and dynamic simulation A reliable basis for the further study on 3D visualization condition monitori

5、ng of the wind generators is providedKey words: wind turbines; monitor; visualization; OpenGL风电机组监测数据的动态可视化#风电机组监测数据的动态可视化139为保护环境和节约能源，风力发电已逐渐成为世 界各国可持续发展战略的重要环节l，-21o由于风场条 件的制约，风电设备的维修和维护比较困难，因此对风 电机组运行状态进行监测和预知维修已成为风电发展 的关键。现有的风电在线监测系统往往以数据报表及 曲线的形式表现岀来，需要专业人士经过分析研究后 才能做出判断，监测人员无法及时直观地了解机组运 行状况，不

6、利于对故障做出快速处理。为了获取更多 的风场运行情况，有的风电机组增加了视频监测功 能，但这种方案成本高，而且要求机舱内有良好的 光源。随着计算机技术的发展，三维虚拟仿真在状态监收積日期:2013 - 0827基金项目：河南省科技攻关项目（0374 -3211125）作者简介：库禅臣（】968），另，河南洛阳人，诗士，副教授主 要研究方向为测控*统设计、数控技术；尹海峰（1989），男， 河南开对人，硕士研究生，主要研究方向为机电系统仿真。测方面逐渐得到了应用,如输电线路、电梯运行状态的 远程监测等。在融入可视化技术后，监测系统能够实 时模拟现场图像，方便了使用，提高了管理水平。因 此，笔者在

7、分析风电机组的结构、故障特点以及监测方 式的基础上，对风电机组监测数据的动态可视化进行 了研究，将采集到的风电机组状态实时数据以动画的 形式显示出来，使操作人员能够直观地查看风力发电 机的运行状况，以便及时做出判断并加以维修,从而为 实现风力发电机的三维可视化状态监测奠定了基础。1风电机组结构及故障风力发电机主要由叶片、轮毂、偏航系统、传动机 构、齿轮箱、发电机系统、机舱、控制系统以及塔架等部 件组成。其主要工作原理是；风以一定的速度经过 风叶，使得风轮受到旋转力矩而转动，风轮将风能转换 为机械能,再通过主轴、齿轮箱等传动系统带动发电机 将机械能转换为电能。由于风电场的地理位置、风况、风机的类

8、型及运行 情况都有所不同,造成风电机组的故障类型也不尽相 同。齿轮箱是风力发电机主动力轴系中的重要部 件，它主要发挥了动力传输及增速的作用，其常见的故 障形式主要有以下几个方面:齿轮损坏、轴承损坏、轴 断裂以及齿轮箱异响、振动大等。风轮是将风能转化 为机械能的装置，其主要故障多集中于叶片上,主要可 分为:叶片断裂、叶片疲劳失效、叶面结冰等。对于齿 轮箱和风轮来说,可通过测量它们的振动状态来判断 部件的健康状况,这也是现有的监测系统常用的方法 之一。发电机的常见故障主要有定子和转子绕组 温度过髙、油温过高、振动异常等，一般可通过测鼠它 的温度以及振动状态来判断其运行情况。2监测方案在实现风电机组

9、监测数据的动态可视化之前，首 先要确定机组的监测点位置、监测方式以及被测量类 型，然后才能根据这些信号参数进行动态仿真。根据 上文中对风电机组故障特点和故障机理的分析，本系 统确立了一套监测方案，其监测点位置如图1所示。 图中，每个编号对应一个监测点,其具体监测方式如表表1系统具体监测方式被测fit类型监测对象及位置编号传感器振动債齿轮箱低速轴瑞;齿轮箱高速轴端；发电机负荷瑙;叶片;主轴轴承; 塔架加速度 传感器温度主轴轻承;电控柜;齿轮箱；发电机绕组温度温度传感器在风电机组的机舱中，安装有自主设计的数据采 集装置，对监测点的振动量或温度进行采集。为减少 数据传输量，机载数据采集装置首先对采集

10、到的数据 进行预处理，将得到的特征值(如平均值、峰峰值等) 通过网络传送给风场控制中心，实现对机组运行状态 的监控。3监测数据动态可视化的实现过程本系统是在Windows XP操作系统下以Visual C+ + 6.0为工具进行软件开发。机组零部件的三维造 型利用OpenGU.O构造实体模型，它是一个到图形硬 件的软件接口，具有强大的交互性和图形处理能力 3.1风电机组零部件的几何建模三维建模是构建虚拟环境的重要环节。OpenGL 可以直接利用基本图元构造物体，运行速度快，而且有 利于图形的交互操作。OpenGL 造实体模型旳，需要对物体模型简化， 再使用三角形网格进行构建。利用这种方法，完成

11、了 对轮毂、齿轮箱、发电机、控制柜、塔架等风电机组零部 件的三维建模。风力发电机叶片专用翼型已成系列，可按其常规 外形进行曲面造型。OpenGL中的GLU提供了一个 NURBS接口，该接口是建立在OpenGL求值程序函数 的基础上，可进行曲面构造。NURBS能够比传统的网 格建模方式更好地控制物体表面的曲线度，从而能够 创建出更逼真、生动的模型。在得到零部件的网格数据后，为了得到高度仿真 的三维模型，需要对其进行特殊效果处理。OpenGL具 有很强的特殊效果渲染能力，可以对模型进行光照、材 质、纹理、反走样、雾化等处理，使模型如在现实中一 样，具有光洁发、纹理、层次感等。图2为利用OpenGL

12、 构造的部分风电机组零部件模型。M -H I图2风电机组零部件模型3.2转速的动态仿真风力发电机的转速是随着风况变化而不断变化 的，对风力发电机转速的监测，可以提高风力发电机在 大风时的可靠性和安全性，并为发电机趙速保护提供 判据。一般情况下，风力发电机转速的测量值以 min为单位。系统在对该参数读取后,需要对其进行 转换设置。在系统的动态仿真中，由于仿真动画的实现需要 不断地刷新图像，本系统设定的定时器为SetTimer( 1, 50, NULL),也就是50 ms刷新一次。那么需要将风 力发电机的转速转换为每50 ms机组部件旋转的角度,其计算过程为m_speed = m( r/min)(

13、1)angle = m_speed = /50( ms)(2)式中,m_speed为编辑框控件中设置的一个变量，用以 在界面中显示该时刻所读取的转速值；由每50 ms旋 转的角度 angle 可通过函数 glRotate (TgPE angle,TYPE x.TYPE y,TYPE z)实现风电机组转速的动态仿真。3.3偏航角度的动态仿真大型风力发电机主要采用主动偏航的方式进行对 风，经过风向标测定风向之后，再通过控制偏航电机实 现调向。风电机舱偏转的角度是风电机组重要的运行 参数之一,对于风轮获得最大的风能具有重要意义。在系统读取风电机舱的偏转角度0后，将其赋值 给旋转函数中的角度变量spi

14、n = 0,再经过如下Open- GL操作可实现整个机舱的偏转：glTranslatef(TYPE x,0.0,TYPE -z);glRotatef(8pin,0.0,1.0,0.0);glTranslatef(TYPE x,0.0,TYPE z)；上述函数的实现过程如下：以机舱的旋转轴为基 准将机舱平移到世界坐标轴的y轴，绕丫轴旋转&。后 再平移回原位置，即实现了机舱绕塔简的偏转。图3 所示为机舱顺时针旋转的仿真画面。图3机舱的顺时针偏转3.4温度的动态显示为了在系统界面中直观地显示岀风电机组的温度 信息以及分布状况，系统将部件的温度信息同它们的 颜色参数关联起来，当温度超过部件的正常工作温

15、度 时,部件的颜色会随着温度的升高而从橙到红逐渐加 深,这就类似于红外热成像技术，可以让监测人员宜观 地察看到每一个部件的温度状况。在RGBA颜色模式下,可以通过设置R、G、B 3个 参数的大小，来得到所需要的颜色，当R = 1.0,B = 0.0,G从0.5逐步取到0.0时,物体的颜色从橙黄渐 变为红色。假设风电机组中轴承温度为M %,轴承正 常工作温度的上限为Kt,当MK且M-KW90时, G=0.5 xcos(M-K)；当 M-K90 时,G=0.0。则 可由以下甬数指定轴在这一时刻的颜色： glColor3f(1.0,TYPEG,0.0)；上述函数表述了当轴承温度超过限定值、低于90

16、弋时，物体的颜色由橙黄渐变为红色，超过限定值、奇 于90兀时,物体的颜色为红色。3.5振动的动态仿真对于风电机组振动状态的仿真，需要考虑两个方 面:一方面是振动部件在X、y、z 3个方向的位移;另 一方面是该位移处所对应的时间。由于本系统的数据 传输设置为200 ms发送一次，根据这个数据在200 ms 内实现“次完整的振动需妥进行如下操作。假设在时刻所接收到的数据为(片巧心)，该数 据为X、Y、Z3个方向幅值的平均值。由于画面的刷 新频率为50帧,也就是20 ms刷新一次,那么在200 ms内可完成10次平移变换，实现两个周期的振动。 以X方向为例，其实现函数为：int X = 0 ； X

17、= X + mength ；if(X 2 length) X = -2 mength；glTrandatef (X,0.0,0.0)；其中in-length = st/2，那么依照以上所介绍的方 式，可以通过不断的平移变换操作,来实现风电机组的 振动状态仿真。4系统界面本系统实现了风电机组运行状态数据的动态可视 化,同时还为机组的运行参数设定了不同级别的报警 阈值，当参数超岀阈值范围时，界面中会出现相应的檢 警，并显示出故障部件与故障类型。对振动信号，当部 件振幅超过设定值时，其颜色显示为红色，以达到醒目 的效果，同时界面文本框中提示故障信息。当零部件的 温度超界时,其颜色随温度的升高而逐渐加

18、深。风机零 部件主要包括叶片、主轴、齿轮箱等。对叶片、主轴、齿 轮箱等风机主要组成部件的运行情况,系统提供了图形 和文本两种提示方式。系统运行界面如图4所示，操作 人员可以方便直观地了解风电机组的实际运行状态。He; * no Mr图4机舱内部运行状况上(下转第142页)142测控技术2014年第33卷第9期选用箱式电阻炉进行试验测试时,箱式电阻炉型 号为SL88-283，编号为92-04;隔热材料样件形状为长 方块，粘贴方式是将热电偶测量端用双面胶带黏贴在 隔热材料样件表面，热电偶测量端放在双面胶上面，再 用一层双面胶黏贴在热电偶测量端上面。将粘贴好热 电偶的隔热材料放入箱式电阻炉内，箱式电

19、阻炉试验 温度设定为8oo r，从测试样件放入炉内开始计时，样 件在炉内放置30 s,热电偶测试最高温度为674 r,隔 热材料样件从炉内取出后胶带仍能粘贴热电偶测量 端。由此表明该型号的双面胶耐热性能良好,可以用 于材料表面温度短时测试试验。使用酒精喷灯进行试验时,热电偶黏贴在没有涂 覆隔热材料的一面，黏贴方式和在电阻炉内测试时相 同，将粘贴好热电偶的隔热材料样件放在试验架上，使 用酒精喷灯对隔热材料样件进行加热,从样件放到酒 精喷灯上方开始计时，加热时间为60 s,热电偶测试最 高温度值为321七；根据测试结果，发现玻璃纤维丝基 的单面胶由于胶层较薄，加热温度300 %：左右粘性失 效;而

20、另外一种双面胶在此温度下粘性良好，由此可以 得出，玻璃纤维丝基的单面胶不能用于高温测试。2.3双面胶绝缘性能测试分析选取德莎红塑料基的双面胶带(宽度为20 mm,厚 度为2 mm)和普通纸基双面胶带(宽度为10 imn,厚度 为1.5 mm),分别将两种不同的胶带粘贴在导体表面， 使用ZC-1型兆欧表进行测量，测得的绝缘电阻值均大 于 500 MOo由此可知，两种型号的胶带均能满足绝缘测试要 求,可以用于带电接线柱或带电器件表面温度测试;但 是由于厚质双面胶粘性较强，用于粘贴热电偶容易固 定，可以达到较满意的测试结果。3结束语细丝热电偶由于其热容駅小，响应速度快，热响应 时间短，又不会使布置热

21、接点区域内的温度场发生畸 变;用于表面温度瞬态测试时，通过热传导可以和被测 件快速交换热最达到热平衡;然而，热电偶丝比较细, 机械强度也就较低，尤其是在髙温下热电极变脆时就 更是如此，极易引起热电偶丝熔断C在进行高温测试 时，不但要考虑粘贴材料的黏结性，还要考虑其耐高温 性能，保证在整个测温过程中,热电偶与被测材料样 件一直能完好的接触.通过上述试验分析得知，使 用硅橡胶双面胶带，可以用于750弋的瞬态温度测 试。对于导弹产品通电工作状态下，电子器件表面温 度测试时绝缘材料的选取，普通双面胶带即能达到比 较满意的绝缘效果;但在对通电器件、导体的温度测试 过程中，由于需要将热电偶粘贴在通电器件、

22、导体的表 面，在测量时间足够长的前提下,粘性越好的胶带越能 更好的保证热电偶测量端与被测件表面牢固接触，达 到比较满意的测量效果。参考文献：1 程建华，袁永平多通道温度自动测量存储系统的设计 与实现J.传感器与微系统,2012,31 (8):130 - 133, 136.2 苏奧西波娃传热学实验研究M.蒋章焰，王传院， 译北京:高等教育岀版社,1982.3 周梅芳，舒柏和便携式数据采集和控制系统的实现及应 用J计算机工程与科学,2010,32(2) ：135 -138.4 周华刚，周雷，陈江涛.高空飞艇地面温度观测实验研究 J 测控技术,2012,31(9):23 - 26.142测控技术20

23、14年第33卷第9期142测控技术2014年第33卷第9期(上接第138页)5结束语在分析风电机组的结构、故障特点以及监测方式 的基础上,实现了风电机组监测数据的动态可视化。 该系统采用OpenGL技术，在Windows环境下以Visual C +为开发工具进行开发，经过试验验证，系统运行 良好，达到了预期效果，为实现风力发电机的三维可视 化监测奠定了基础。参考文献：1潘文霞，陈允平,沈祖诒风力发电机的发展现状J.中 小型电机,2001,28(4)：38 -412 WWEA. World Wind Energy Report 2008 R . Bonn: World Wind Energy A

24、ssociation y2009 ：5 11.3 王军风电机舱的嵌入式视频监控系统D 淮南:安微 理工大学.2010.4 彭华东，陈晓清，任明，等风电机组故障智能诊断技术及 系统研究J电网与清洁能源,2011.27(2):61 -665 谢源，焦斌风力发电机组状态监测系统与故障诊断方法 研究现状J上海电机学院学报,2010,13(6):328 - 333.6 肖劲松，倪维斗，姜桐风力机组偏航系统的建模及仿真 J】太阳能学报997,18(3) ：252-261.7 贺少华，吴新跃基于VC +和OpenGL的大型机械装置 燼拟教学训练系统的开发J系统仿真学报,2009.21 (4)：1059-10628 凌家良基于OpenGL的工业机器人运动仿真软件的设 计与实现D长沙:中南大学,2009