基于高精度北斗定位的風(fēng)電基礎(chǔ)沉降

強(qiáng)同波+胡從川+王謙+楊璐羽

摘 要： 設(shè)計(jì)一種基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)高精度靜態(tài)定位方法的風(fēng)電基礎(chǔ)沉降監(jiān)測與無人值守自動(dòng)預(yù)警方案。該方案在風(fēng)電機(jī)組管控中心外的地質(zhì)穩(wěn)固點(diǎn)設(shè)定連續(xù)觀測基準(zhǔn)站，在風(fēng)電機(jī)組塔筒上設(shè)置監(jiān)測站，利用高精度北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)進(jìn)行連續(xù)觀測，并通過光纖通信將基準(zhǔn)站和監(jiān)測站的北斗衛(wèi)星信號原始觀測值（包括偽距、多普勒頻率、載波相位、星歷等）數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)處理中心，利用軟件后處理方式得到毫米級的高精度風(fēng)電機(jī)組沉降形變數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組沉降的自動(dòng)監(jiān)測與預(yù)警。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)電機(jī)組； 塔筒； 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)； 沉降； 預(yù)警； 監(jiān)測

中圖分類號： TN967.1?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）23?0182?05

Abstract： A new wind power generator foundation settlement monitoring and unattended automatic warning scheme based on high?precision static positioning method of Beidou satellite （BDS） system was designed. With the scheme， the base station of continuous observation is located at the position with stable geology outside the wind power generator control center， and the monitoring station is located up on the tower of the wind power generator. The continuous observation is performed with the high?precision Beidou satellite navigation receiver. The original observation data （pseudo?range， Doppler frequency， carrier phase and ephemeris） of the Beidou satellite signal observed by base station and monitoring station is transmitted to the data processing center by means of fiber communication. The software postprocessing method is used to obtain the millimetre?sized deformation data of the high?precision wind power generator settlement to realize the automatic monitoring and warning of the wind power generator settlement.

Keywords： wind power generator； tower； Beidou satellite system； settlement； warning； monitoring

0 引 言

隨著全球經(jīng)濟(jì)工業(yè)活動(dòng)的日益增長，能源消耗正以驚人的速度增長，煤炭、石油等不可再生能源的存量總有一天會用盡。為解決目前人類面臨的能源難題，高效有序地開發(fā)新能源和可再生能源具有重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。風(fēng)能是一種綠色環(huán)保的可再生能源，我國的風(fēng)能資源儲備豐富，在陸地和海上均有大量可供開發(fā)的風(fēng)能儲備區(qū)域。近年來，我國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)迅猛發(fā)展，風(fēng)電裝機(jī)量逐年攀升，因此，對風(fēng)電機(jī)組建設(shè)及運(yùn)營過程中的穩(wěn)定性和安全性監(jiān)測管理工作都提出了更高的要求。

風(fēng)電機(jī)組由于受到高空風(fēng)力作用，其機(jī)艙、槳葉等部件在風(fēng)荷載作用下會向塔體和塔筒傳遞推力及扭力矩作用[1]，再加上由于自身重量、海潮等多種作用力的影響，風(fēng)電桿塔及基礎(chǔ)存在傾斜沉降的可能。當(dāng)桿塔出現(xiàn)嚴(yán)重形變時(shí)，很容易導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組設(shè)備發(fā)生倒塌等故障，造成巨大的人員和經(jīng)濟(jì)損失。因此，必須實(shí)時(shí)對風(fēng)電塔桿及其基礎(chǔ)進(jìn)行沉降監(jiān)測，建立一套科學(xué)、先進(jìn)、有效的風(fēng)電基礎(chǔ)沉降監(jiān)測方法與安全預(yù)警系統(tǒng)成為亟待解決的問題。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是我國獨(dú)立研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有集導(dǎo)航定位、授時(shí)、用戶監(jiān)測及短報(bào)文通信于一體的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于我國的國防建設(shè)、森林防火、抗震救災(zāi)、海洋漁業(yè)、形變預(yù)警監(jiān)測等領(lǐng)域并發(fā)揮了重要的作用[2]。相較于傳統(tǒng)的利用傳感器等手段實(shí)現(xiàn)的形變監(jiān)測方法[3?4]，基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的形變監(jiān)測方法具有全天候全時(shí)段連續(xù)工作，精度高，監(jiān)測誤差不隨時(shí)間累積，無需系統(tǒng)校正等優(yōu)點(diǎn)[5]，可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間無人值守功能，特別適用于對地質(zhì)形變沉降等現(xiàn)象進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測預(yù)警[6?8]。

本文針對風(fēng)電基礎(chǔ)沉降的特點(diǎn)，利用基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的高精度靜態(tài)定位方法，設(shè)計(jì)了一種采用軟件后處理方法的風(fēng)電基礎(chǔ)沉降監(jiān)測系統(tǒng)，并提出了一種無人值守的基礎(chǔ)沉降自動(dòng)預(yù)警方法。

1 北斗風(fēng)電基礎(chǔ)沉降監(jiān)測原理

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一種無源定位系統(tǒng)，接收機(jī)對北斗衛(wèi)星廣播的導(dǎo)航信號進(jìn)行持續(xù)性觀測，測量信號由衛(wèi)星到接收機(jī)的傳播時(shí)間，從而計(jì)算衛(wèi)星與接收機(jī)之間的絕對距離，并利用三角定位原理計(jì)算接收機(jī)的精確位置[9]。

式中：[diρ]表示接收機(jī)與第[i]顆衛(wèi)星的距離測量值，下標(biāo)[ρ]表示非真實(shí)距離；[di]為真實(shí)距離；[Ii]為信號傳播途中由電離層作用造成的非線性傳播誤差；[Ti]為對流層誤差；c為光速；[δtr]表示由接收機(jī)時(shí)鐘漂移、抖動(dòng)等造成的時(shí)間測量誤差；[δtis]表示由第[i]顆衛(wèi)星的時(shí)鐘漂移、抖動(dòng)等造成的時(shí)間測量誤差；[εi]表示由于接收機(jī)天線端熱造成引入的測量誤差。endprint

對于北斗單點(diǎn)定位技術(shù)，其定位精度由于受到式（1）中各種誤差源的影響，其定位精度[9]僅能達(dá)到5～10 m，無法滿足高精度沉降監(jiān)測的要求。因此，本文提出的風(fēng)電基礎(chǔ)沉降系統(tǒng)采用多頻差分觀測方法獲得風(fēng)電基礎(chǔ)沉降測量數(shù)據(jù)。

如圖1所示，北斗差分定位系統(tǒng)由一個(gè)精確位置已知的基準(zhǔn)站和數(shù)個(gè)待定位的監(jiān)測站組成。對于基準(zhǔn)站，由于其位置已知，因此基準(zhǔn)站接收機(jī)到衛(wèi)星之間的幾何距離可利用衛(wèi)星星歷精確計(jì)算獲得。對比基準(zhǔn)站接收機(jī)的實(shí)時(shí)測量結(jié)果和距離精確值，可獲得基準(zhǔn)站對該顆衛(wèi)星的距離測量誤差，即：

2 靜態(tài)多頻雙差后處理方法

由于風(fēng)電場中風(fēng)機(jī)分布相隔距離較大，基準(zhǔn)站與部分監(jiān)測站的距離較大，其電離層誤差的改正精度并不能完全滿足形變監(jiān)測的要求。經(jīng)實(shí)測表明，若采用電離層改正模型，風(fēng)電場中各監(jiān)測站的雙差距離觀測殘差峰值可達(dá)到20 cm，且最長持續(xù)10 min，這種監(jiān)測數(shù)據(jù)已無法用于沉降自動(dòng)預(yù)警。為解決上述問題，本系統(tǒng)采用無電離層延遲影響組合的多頻雙差算法[10]。

設(shè)在[t]時(shí)刻，接收機(jī)[i]對第[j]顆衛(wèi)星的多頻載波相位觀測值為[?ifk，it]，其中下標(biāo)[fk]表示第[k]個(gè)頻點(diǎn)，對應(yīng)的信號波長記為[λk]。對于電離層延遲，根據(jù)無線電信號傳播規(guī)律，對于同一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其不同頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號電離層延遲誤差存在如下關(guān)系：

不再具備整數(shù)特性，因此無法直接求得固定解，需要通過先分別求出各頻點(diǎn)模糊度以消除IF觀測值的模糊度，或使用三差觀測方差以消除模糊度。

在本系統(tǒng)中，針對不同的風(fēng)電機(jī)組，根據(jù)其與基準(zhǔn)站的距離關(guān)系，采用不同的組合觀測方法。對于與基準(zhǔn)站距離較近的風(fēng)電機(jī)組，其電離層改正模型的誤差并不嚴(yán)重，因此不需要IF組合觀測，仍然使用寬巷組合觀測方法。

由于風(fēng)電機(jī)組處于靜止?fàn)顟B(tài)，其三維坐標(biāo)在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)僅會出現(xiàn)極小的變化，因此采用長時(shí)間靜態(tài)觀測方法進(jìn)一步降低對監(jiān)測站的三維定位誤差，達(dá)到形變監(jiān)測所需的精度。本系統(tǒng)中采用Kalman濾波方法實(shí)現(xiàn)靜態(tài)觀測，選取狀態(tài)向量：

經(jīng)Kalman濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，對監(jiān)測站北斗數(shù)據(jù)的長時(shí)間靜態(tài)觀測可獲得平面精度優(yōu)于3 mm，高程精度優(yōu)于5 mm的形變監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3 風(fēng)電基礎(chǔ)沉降預(yù)警方法

針對風(fēng)電基礎(chǔ)沉降的自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)思想為：利用測量獲得的精確基礎(chǔ)傾斜沉降形變數(shù)據(jù)，并結(jié)合當(dāng)前由其他傳感器群組獲取的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)，建立一套完整的傾斜角度、沉降量與風(fēng)速、風(fēng)向之間的映射關(guān)系，并利用長期觀測及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法，繪制風(fēng)機(jī)塔筒的傾斜沉降曲線，提取曲線參數(shù)。

正常工作狀態(tài)下，由于風(fēng)速、風(fēng)向?qū)︼L(fēng)機(jī)塔筒的作用力符合固定的力學(xué)規(guī)律，因此特定風(fēng)機(jī)的傾斜沉降曲線參數(shù)的估計(jì)值應(yīng)隨時(shí)間保持收斂狀態(tài)。當(dāng)傾斜沉降曲線參數(shù)出現(xiàn)明顯變化，或風(fēng)機(jī)塔筒的形變數(shù)字超出正常范圍，則可認(rèn)為相應(yīng)的風(fēng)機(jī)將有很大的概率出現(xiàn)故障，需要作出預(yù)警，提醒管理人員及時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場勘查，排除險(xiǎn)情。

整個(gè)風(fēng)電基礎(chǔ)沉降預(yù)警方法的算法流程框圖如圖2所示。

由于地基沉降變化基本符合隨時(shí)間的對數(shù)函數(shù)關(guān)系，因此沉降關(guān)系曲線可使用時(shí)間來近似表示。在算法中，需要利用已測量的數(shù)據(jù)采用自學(xué)習(xí)的方法分別建立傾斜角度、沉降量與風(fēng)速大小、風(fēng)向和塔筒傾斜角，以及時(shí)間的關(guān)系模型，并提取出模型參數(shù)，從而得到未來沉降發(fā)展趨勢的預(yù)測結(jié)果。進(jìn)一步檢測在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，塔筒的傾斜角度或沉降量會不會超過安全范圍，以判斷是否發(fā)出告警信號。

4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

風(fēng)電基礎(chǔ)沉降系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，包括監(jiān)測點(diǎn)、基準(zhǔn)站、控制中心、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測客戶端等部分。

系統(tǒng)中，監(jiān)測點(diǎn)和基準(zhǔn)站建設(shè)在風(fēng)電場監(jiān)測區(qū)域。其中，基準(zhǔn)站建設(shè)在風(fēng)電機(jī)組管控中心外地質(zhì)穩(wěn)固的地點(diǎn)，在設(shè)立后利用測繪方法獲得基準(zhǔn)站天線的精確位置，其位置測量精度優(yōu)于1 mm；監(jiān)測點(diǎn)安裝在風(fēng)電機(jī)組塔筒上。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，基準(zhǔn)站和監(jiān)測站上的高精度北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)實(shí)時(shí)采集當(dāng)前可見北斗衛(wèi)星信號的原始測量值，包括偽距、載波相位、多普勒頻率和衛(wèi)星星歷，并通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)將上述原始數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程控制中心。控制中心利用數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)對衛(wèi)星信號原始測量值進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)差分定位，獲得各監(jiān)測站的位置（三維坐標(biāo)）精確測量結(jié)果。同時(shí)，控制中心的監(jiān)測預(yù)警軟件利用解算處的監(jiān)測站精確坐標(biāo)對監(jiān)測站的微小位移進(jìn)行長時(shí)間統(tǒng)計(jì)分析，并顯示出相對應(yīng)的圖形及報(bào)表。當(dāng)監(jiān)測站的坐標(biāo)偏移量出現(xiàn)明顯變化或嚴(yán)重超出預(yù)警閾值時(shí)，將對不同管理人員進(jìn)行預(yù)警提醒，以便及時(shí)對現(xiàn)場狀況進(jìn)行進(jìn)一步勘查，執(zhí)行故障防范應(yīng)對措施。系統(tǒng)支持多種終端接入，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程多級預(yù)警功能。

風(fēng)電基礎(chǔ)沉降監(jiān)測站的具體硬件設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

監(jiān)測站硬件包含以下部分：北斗衛(wèi)星接收機(jī)、數(shù)據(jù)通信機(jī)及其他輔助部分。衛(wèi)星定位接收機(jī)使用高精度北斗接收機(jī)，可同時(shí)處理三系統(tǒng)八頻點(diǎn)衛(wèi)星信號的原始數(shù)據(jù)觀測和采集；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)用于將接收機(jī)采集的原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至遠(yuǎn)程控制中心，使用光纖通信網(wǎng)絡(luò)方式實(shí)現(xiàn)；其他輔助部分主要包括輔助安防系統(tǒng)，用于輔助整個(gè)北斗風(fēng)電基礎(chǔ)沉降自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的正常運(yùn)行，包括供電、防雷、綜合布線及外場機(jī)柜等子系統(tǒng)。

預(yù)警軟件的架構(gòu)如圖5所示，包括數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸與存儲單元和數(shù)據(jù)分析單元。此三個(gè)部分是整個(gè)風(fēng)電沉降安全預(yù)警系統(tǒng)的核心組成部分，它們既可獨(dú)立工作，又可根據(jù)需要相互緊密配合以完成整個(gè)系統(tǒng)功能，所有操作均可人工提前設(shè)定后由軟件自動(dòng)完成，具備無人值守的長期工作能力。

5 結(jié) 論

本文針對風(fēng)電基礎(chǔ)沉降監(jiān)測方法與安全預(yù)警技術(shù)，提出一種基于高精度北斗衛(wèi)星定位方法的具體實(shí)施方案，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)精度平面誤差小于3 mm，高程誤差小于5 mm的指標(biāo)。風(fēng)電場內(nèi)安全預(yù)警軟件完全自動(dòng)運(yùn)行，數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理及網(wǎng)平差、預(yù)警分析、報(bào)警及報(bào)表生成等工作均可無人值守自動(dòng)運(yùn)行，具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會意義。

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