基于視覺振動(dòng)放大技術(shù)的風(fēng)電機(jī)組塔架固有頻率測(cè)量

劉 飛，范海濤，賀瑞敏，程 文，董云鶴

（內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，呼和浩特 010010）

0 引言

風(fēng)電機(jī)組是一種利用風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，由風(fēng)輪、塔架、發(fā)電機(jī)等部件組成。風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行效率和安全性受多種因素的影響，其中之一就是塔架的振動(dòng)特性。風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，塔架受風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)影響產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)頻率與機(jī)組整體結(jié)構(gòu)的固有頻率接近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振，從而影響風(fēng)電機(jī)組的性能及安全[1]。尤其是超高柔性塔架，塔架固有頻率與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的1 倍頻存在交點(diǎn)，可能導(dǎo)致共振效應(yīng)的增強(qiáng)，進(jìn)而引起塔架受迫振動(dòng)的增加。為了避免對(duì)風(fēng)電機(jī)組的性能和安全造成負(fù)面影響，需要采用更精準(zhǔn)的控制算法與策略，因此準(zhǔn)確測(cè)量風(fēng)電機(jī)組塔架固有頻率尤為重要。

傳統(tǒng)測(cè)量振動(dòng)的方法是采用振動(dòng)傳感器。然而振動(dòng)傳感器在超低頻絕對(duì)振動(dòng)測(cè)量方面存在固有缺陷，受其自身質(zhì)量和體積的限制，當(dāng)檢測(cè)超低頻（1 Hz以下）絕對(duì)振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)傳感器的輸出信號(hào)幾乎被噪聲淹沒，難以準(zhǔn)確測(cè)量出振動(dòng)頻率[2-3]。

近年來，國內(nèi)外應(yīng)用視覺振動(dòng)放大技術(shù)在通信塔、橋梁[4]、動(dòng)設(shè)備頻率測(cè)量方面取得了較好的研究成果，但該技術(shù)在風(fēng)機(jī)固有頻率測(cè)量方面還未開展相關(guān)試驗(yàn)和研究。本文首次將視覺振動(dòng)分析技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組塔架的固有頻率測(cè)量領(lǐng)域，并對(duì)測(cè)量的主要影響因素、精度、工程適用性進(jìn)行分析和評(píng)估。

1 視覺振動(dòng)放大技術(shù)介紹

1.1 技術(shù)原理

風(fēng)載荷會(huì)使處于靜止或工作條件下的風(fēng)機(jī)在其固有頻率處產(chǎn)生振動(dòng)，但相比于風(fēng)機(jī)的物理尺寸，其振動(dòng)幅值非常微小。對(duì)于遠(yuǎn)距離采集的視頻，這種微小振動(dòng)的幅值往往處于亞像素級(jí)。視覺振動(dòng)放大技術(shù)本質(zhì)上是對(duì)視頻每一幀中被測(cè)物的二維影像，通過圖像比對(duì)、位移放大、視頻重構(gòu)進(jìn)而做時(shí)域、頻域分析的技術(shù)。該技術(shù)可將視頻中被測(cè)物影像極其微小位移（亞像素級(jí)）放大至像素級(jí)，使得被測(cè)物在放大后的視頻中進(jìn)行高質(zhì)量時(shí)域、頻域分析成為可能。

視覺振動(dòng)分析技術(shù)采用非接觸的視覺測(cè)量方式，對(duì)超低頻振動(dòng)信號(hào)無測(cè)量機(jī)理上的限制，且無需在被測(cè)物上粘貼靶標(biāo)，直接利用被測(cè)物的圖像紋理，使用固定攝像頭或手機(jī)在合適的距離對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行拍攝即可，具有操作簡(jiǎn)單、高效、低成本等優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)首先進(jìn)行微小運(yùn)動(dòng)放大，然后在運(yùn)動(dòng)放大后的視頻中對(duì)感興趣的區(qū)域（Region of Interest，ROI）進(jìn)行振動(dòng)幅值、頻率和相位的測(cè)量，如圖1 所示。

圖1 基于風(fēng)機(jī)固有頻率進(jìn)行視覺振動(dòng)分析的原理Fig.1 Principle of visual vibration analysis based on the natural frequency of wind turbine

1.2 放大算法

視覺振動(dòng)分析技術(shù)中的微運(yùn)動(dòng)放大部分是一種線性的基于歐拉微小運(yùn)動(dòng)放大方法（Eulerian Video Magnification，EVM）[5]，EVM 是一種視頻信號(hào)處理技術(shù)，旨在放大微小的視覺細(xì)節(jié)和隱含的動(dòng)態(tài)變化。通過對(duì)視頻序列中的每一幀進(jìn)行空間域和時(shí)間域分析，EVM能夠突出顯示人眼難以察覺的細(xì)微運(yùn)動(dòng)和顏色變化。該技術(shù)基于空間域金字塔和時(shí)間域?yàn)V波器，可以擴(kuò)大視覺信號(hào)中的低頻和高頻分量，從而提供對(duì)細(xì)微變化的放大效果，算法框架如圖2所示，其中αn表示放大比例。

圖2 基于EVM的微運(yùn)動(dòng)放大算法的構(gòu)架Fig.2 Framework of micro-motion amplification algorithm based on EVM

1.3 處理步驟

視覺振動(dòng)分析算法對(duì)視頻進(jìn)行運(yùn)動(dòng)放大技術(shù)處理主要步驟如下。

（1）空域分解：將視頻中的每一幀進(jìn)行二維圖像金字塔分解，得到不同空域分辨率的視頻。

（2）時(shí)域?yàn)V波：依據(jù)被測(cè)物振動(dòng)的大體頻帶，對(duì)金字塔上不同尺度的圖像進(jìn)行頻域帶通濾波處理，以提高信噪比。

（3）運(yùn)動(dòng)放大：對(duì)帶通濾波后的圖像信號(hào)進(jìn)行線性放大，并加到原圖像信息中。

（4）視頻重構(gòu)：將不同頻帶的圖像進(jìn)行金字塔重建，最后合成經(jīng)過放大后的圖像。

在運(yùn)動(dòng)放大后的視頻中，對(duì)視頻每一幀的ROI進(jìn)行圖像互相關(guān)計(jì)算，獲取其沿畫幅（幀）x 軸、y 軸的像素位移時(shí)序，對(duì)該位移時(shí)序進(jìn)行快速傅里葉變換，在采樣定理決定的頻域范圍內(nèi)，0 Hz 至視頻采樣頻率（幀率）的一半之間，對(duì)風(fēng)機(jī)固有頻率進(jìn)行辨識(shí)和測(cè)量。

2 風(fēng)電機(jī)組固有頻率測(cè)量準(zhǔn)確性分析

2.1 主要影響因素

對(duì)振動(dòng)頻率的測(cè)量，視覺振動(dòng)分析系統(tǒng)的測(cè)量誤差源主要包括視頻采集設(shè)備的幀率誤差、算法誤差等，這些誤差源一般都遠(yuǎn)低于工程應(yīng)用的誤差范圍，且可以通過拍攝電磁振動(dòng)臺(tái)在某個(gè)頻點(diǎn)振動(dòng)的方式進(jìn)行標(biāo)定，進(jìn)而對(duì)頻率測(cè)量值修正，因此上述誤差不是風(fēng)機(jī)固有頻率測(cè)量的主要影響因素。

風(fēng)機(jī)處于風(fēng)載荷較大的野外環(huán)境，風(fēng)載荷既會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)振動(dòng)，是振動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生者，也會(huì)對(duì)視頻采集設(shè)備（如手機(jī)+三腳架）產(chǎn)生風(fēng)擾動(dòng)，是噪聲的制造者。當(dāng)信噪比在風(fēng)機(jī)固有頻率所在的頻帶范圍內(nèi)下降時(shí)，在頻域分析中將越來越難于分辨信號(hào)（被測(cè)物體自身的振動(dòng)）和噪聲（視頻采集設(shè)備受到風(fēng)擾動(dòng)帶來的振動(dòng)），導(dǎo)致測(cè)量精度的下降，甚至失敗。這種信號(hào)與噪聲同源的外部影響因素對(duì)風(fēng)機(jī)固有頻率測(cè)量影響最大。

2.2 評(píng)估方法

為了評(píng)估各種影響因素對(duì)頻率測(cè)量準(zhǔn)確性的影響，常用的評(píng)估方法有以下兩種。

2.2.1 參照物法

如果在視頻中存在相對(duì)靜止物，如大地、遠(yuǎn)山等，將其選擇為參考區(qū)，在頻域分析中將參考區(qū)的頻譜作為噪聲基準(zhǔn)，以驗(yàn)證測(cè)量區(qū)的振動(dòng)頻譜，被測(cè)物體自身振動(dòng)信號(hào)應(yīng)明顯高于參考區(qū)噪聲基準(zhǔn)。

2.2.2 設(shè)計(jì)固有頻率法

風(fēng)機(jī)固有頻率是風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，一般而言，在役風(fēng)機(jī)的實(shí)際固有頻率不會(huì)嚴(yán)重偏離其設(shè)計(jì)固有頻率。在頻域分析中，距離風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)固有頻率較近且幅值明顯高于其他頻段的測(cè)量頻峰，具有較高的測(cè)量可信度。

2.3 改善措施

為了降低風(fēng)擾動(dòng)對(duì)風(fēng)機(jī)拍攝的影響，可以選擇風(fēng)擾動(dòng)較小的拍攝位置，或使用具有高透光率外殼的防風(fēng)罩，如有機(jī)玻璃盒，將視頻拍攝設(shè)備放置其中，在阻隔外部風(fēng)擾動(dòng)的條件下進(jìn)行視頻拍攝，如圖3所示。

圖3 阻隔風(fēng)擾動(dòng)的視頻采集設(shè)備Fig.3 Video acquisition equipment forblocking wind disturbance

3 風(fēng)電機(jī)組固有頻率測(cè)量的精度驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證視覺振動(dòng)分析技術(shù)測(cè)量頻率的精度，在航天標(biāo)準(zhǔn)化研究院緊固件中心力學(xué)實(shí)驗(yàn)室利用電磁振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。電磁振動(dòng)臺(tái)以1 mm 振幅做垂直方向振動(dòng)，使用手機(jī)+三腳架的方式在距離電磁振動(dòng)臺(tái)1.5 m處以30視頻采樣幀率進(jìn)行視頻采集，然后在視覺振動(dòng)分析軟件中選擇振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面作為測(cè)量區(qū)、建筑墻壁作為參考區(qū)，以25%的放大比例和0～10 Hz 的時(shí)域帶通對(duì)其進(jìn)行視覺放大，并對(duì)測(cè)量區(qū)和參考區(qū)在垂直方向上的像素位移信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析，如圖4所示。

圖4 電磁振動(dòng)臺(tái)的頻率測(cè)量精度驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.4 Frequency measurement accuracy verification test of electromagnetic vibration table

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，測(cè)量區(qū)（電磁振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面）有明顯的時(shí)域周期信號(hào)，信號(hào)幅值較大；參考區(qū)（建筑物墻壁）沒有明顯時(shí)域周期運(yùn)動(dòng)信號(hào)，信號(hào)幅值小。對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換后，在頻域4.98 Hz處，測(cè)量區(qū)有明顯的峰值，參考區(qū)無明顯峰值，如圖4（b）所示。視覺振動(dòng)分析系統(tǒng)所測(cè)量的4.98 Hz 與電磁振動(dòng)臺(tái)5 Hz的設(shè)定振動(dòng)頻率相吻合，0.02 Hz的誤差可能為拍攝手機(jī)的幀率誤差導(dǎo)致，也可能是電磁振動(dòng)臺(tái)控制振動(dòng)頻率的誤差導(dǎo)致。視覺振動(dòng)分析系統(tǒng)頻率測(cè)量誤差小于1%，滿足絕大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組固有頻率測(cè)量的精度要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析

4.1 風(fēng)機(jī)塔架固有頻率測(cè)量

風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)在風(fēng)載荷與旋轉(zhuǎn)動(dòng)載荷的共同作用下會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，其中風(fēng)載荷90%的能量存在于0～1 Hz 頻率內(nèi)[6]，與風(fēng)機(jī)一階甚至更高階的固有頻率處于相同頻率范圍，所以在風(fēng)載荷的作用下，無論風(fēng)機(jī)處于停機(jī)或工作狀態(tài)，在其固有頻率上均會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。

為了覆蓋目前服役的風(fēng)機(jī)型號(hào)，選擇某風(fēng)電主機(jī)生產(chǎn)廠商有代表性的750 kW（小型）、2 MW（中型）、6 MW（大型）三種型號(hào)風(fēng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)采用三腳架+手機(jī)進(jìn)行視頻采集。由于風(fēng)機(jī)一階至五階固有頻率一般小于10 Hz，根據(jù)采樣定理，利用手機(jī)以30幀率或60幀率進(jìn)行拍攝可以滿足風(fēng)機(jī)固有頻率測(cè)量的要求。

4.1.1 750 kW風(fēng)機(jī)

已知待測(cè)750 kW 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)一階固有頻率為0.40 Hz，使用手機(jī)+三腳架+防風(fēng)罩在距風(fēng)機(jī)30 m處以60 幀率進(jìn)行拍攝，拍攝時(shí)風(fēng)機(jī)為停機(jī)狀態(tài)，風(fēng)速為5～6 m/s。

在視覺振動(dòng)分析系統(tǒng)中，由于風(fēng)機(jī)頂部的機(jī)艙振幅最大，且圖像紋理豐富，故選擇機(jī)艙為測(cè)量區(qū)，并以風(fēng)機(jī)振動(dòng)幅值最大的方向（x軸方向）為測(cè)量方向，如圖5所示。由于距離較遠(yuǎn)，將振動(dòng)放大比例調(diào)節(jié)至60%，時(shí)域帶通為0～5 Hz，對(duì)測(cè)量區(qū)進(jìn)行處理分析。

圖5 750 kW風(fēng)機(jī)選取的測(cè)量區(qū)域Fig.5 Measurement area selected for the 750 kW wind turbine

經(jīng)視覺振動(dòng)分析軟件計(jì)算，在時(shí)域信號(hào)中，有較為明顯的風(fēng)載荷所致的振動(dòng)位移，在頻譜圖中，觀察到在0.39 Hz處存在一個(gè)顯著的頻峰，如圖6所示。該頻峰與該風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的一階固有頻率0.40 Hz非常接近，因此可以高度可靠地將其識(shí)別為該風(fēng)機(jī)的一階固有頻率。由于在頻譜中不存在高于噪聲基準(zhǔn)的其他明顯頻峰，因此無法辨識(shí)該風(fēng)機(jī)的高階固有頻率。

圖6 750 kW風(fēng)機(jī)一階固有頻率辨識(shí)和測(cè)量Fig.6 Identification and measurement of the first order natural frequency of 750 kW wind turbine

4.1.2 2 MW風(fēng)機(jī)

已知待測(cè)2 MW風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)一階固有頻率為0.16 Hz，使用手機(jī)+三腳架在距風(fēng)機(jī)20 m 處以30 幀率進(jìn)行拍攝，拍攝時(shí)風(fēng)機(jī)為工作狀態(tài)，風(fēng)速3～4 m/s。

在視覺振動(dòng)分析系統(tǒng)中，選擇機(jī)艙為測(cè)量區(qū)，為了互相驗(yàn)證，同時(shí)選擇塔架中下部分為測(cè)量區(qū)，并以振動(dòng)幅值最大的方向（x 軸方向）為測(cè)量方向，如圖7 所示。由于距離較近，將振動(dòng)放大比例調(diào)節(jié)至30%，時(shí)域帶通為0～10 Hz，對(duì)測(cè)量區(qū)進(jìn)行處理分析。

經(jīng)視覺振動(dòng)分析軟件計(jì)算，在機(jī)艙和塔架測(cè)量區(qū)域的時(shí)域信號(hào)中，有顯著的風(fēng)載荷所致的振動(dòng)位移；在頻域中，機(jī)艙和塔架于0.157 Hz處均有非常顯著的頻峰，如圖8所示，與該風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的一階固有頻率0.16 Hz非常接近，且機(jī)艙和塔架測(cè)量區(qū)的測(cè)量結(jié)果高度吻合、互相驗(yàn)證，因此可以較高可靠地將其識(shí)別為該風(fēng)機(jī)的一階固有頻率。同時(shí)，通過觀測(cè)拍攝視頻中風(fēng)機(jī)葉片的通過周期，可知其葉片通過頻率為0.32 Hz，與機(jī)艙和塔架測(cè)量區(qū)在0.32 Hz 的相對(duì)較小頻峰吻合。在頻譜中不存在其他顯著高于噪聲基準(zhǔn)的明顯頻峰，因此無法識(shí)別該風(fēng)機(jī)的高階固有頻率。

圖8 2 MW風(fēng)機(jī)一階固有頻率的辨識(shí)和測(cè)量Fig.8 Identification and measurement of the first-order natural frequency of 2 MW wind turbine

4.1.3 6 MW風(fēng)機(jī)

已知待測(cè)6 MW風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)一階固有頻率0.20 Hz，使用手機(jī)+三腳架在距風(fēng)機(jī)40 m 處以60 幀率進(jìn)行拍攝，拍攝時(shí)風(fēng)機(jī)為停機(jī)狀態(tài)，風(fēng)速3～5 m/s。

在視覺振動(dòng)分析系統(tǒng)中，選擇機(jī)艙為測(cè)量區(qū)。由于拍攝地點(diǎn)距離風(fēng)機(jī)較遠(yuǎn)，視頻畫幅包括了地面，選擇地面為參考區(qū)，以驗(yàn)證機(jī)艙測(cè)量區(qū)測(cè)量的可靠性，并以振動(dòng)幅值最大的方向（x 軸方向）為測(cè)量方向，如圖9所示。將振動(dòng)放大比例調(diào)節(jié)至90%，時(shí)域帶通為0～10 Hz，對(duì)測(cè)量區(qū)進(jìn)行處理分析。

圖9 6 MW風(fēng)機(jī)的測(cè)量區(qū)和參考區(qū)Fig.9 Measurement area and reference area of 6 MW wind turbine

經(jīng)視覺振動(dòng)分析軟件計(jì)算，在時(shí)域信號(hào)中，參考區(qū)（大地）的時(shí)域信號(hào)幅度小于測(cè)量區(qū)（機(jī)艙）的幅度，說明手機(jī)+三腳架在拍攝時(shí)受到了較大的風(fēng)擾動(dòng)。加之拍攝地點(diǎn)距離風(fēng)機(jī)較遠(yuǎn)，測(cè)量區(qū)（機(jī)艙）的時(shí)域信號(hào)并未呈現(xiàn)顯著的周期性，如圖10 所示。在頻譜圖中，測(cè)量區(qū)（機(jī)艙）在0.19 Hz處出現(xiàn)明顯峰值，參考區(qū)（大地）在該頻點(diǎn)附近未出現(xiàn)頻峰，因此可以判定0.19 Hz 處峰值為該風(fēng)機(jī)機(jī)艙自身振動(dòng)導(dǎo)致，并非風(fēng)擾動(dòng)拍攝設(shè)備導(dǎo)致。由于0.19 Hz頻峰與風(fēng)機(jī)一階固有頻率0.2 Hz 高度吻合，因此可以較高可靠地將其識(shí)別為該風(fēng)機(jī)的一階固有頻率。在頻譜中不存在其他顯著高于噪聲基準(zhǔn)的明顯頻峰，因此無法識(shí)別該風(fēng)機(jī)的高階固有頻率[7-10]。

圖10 6 MW風(fēng)機(jī)一階固有頻率的辨識(shí)和測(cè)量Fig.10 Identification and measurement of first-order natural frequency of 6 MW wind turbine

4.2 結(jié)論

通過使用視覺振動(dòng)分析技術(shù)對(duì)750 kW（小型）、2 MW（中型）、6 MW（大型）三種常見機(jī)型的風(fēng)機(jī)固有頻率測(cè)量分析，得出結(jié)論如下。

（1）視覺振動(dòng)分析技術(shù)較容易分辨和測(cè)量風(fēng)機(jī)一階固有頻率，但由于更高階的固有頻率振幅小，難以在噪聲基準(zhǔn)中識(shí)別，在后續(xù)的測(cè)試中，可以嘗試采用更高像素的拍攝設(shè)備在更近的距離進(jìn)行拍攝。

（2）在拍攝時(shí)，必須使用三腳架，以確保拍攝設(shè)備在視頻采集時(shí)最大可能地保持靜止，同時(shí)盡可能使用防風(fēng)罩來阻隔風(fēng)對(duì)拍攝設(shè)備的擾動(dòng)。

（3）距離風(fēng)機(jī)較近的地點(diǎn)拍攝，會(huì)得到更大的被測(cè)物的圖像影像，但近距離拍攝可能無法將參考區(qū)（大地）納入到視頻畫幅中，需要結(jié)合拍攝條件、風(fēng)機(jī)振動(dòng)幅值大小等因素綜合考慮。

（4）使用高像素的拍攝設(shè)備會(huì)使得每個(gè)像素所代表的實(shí)際物理尺寸更小，帶來更好的處理效果。隨著手機(jī)、運(yùn)動(dòng)相機(jī)、監(jiān)測(cè)攝像頭等拍攝設(shè)備的發(fā)展，視覺振動(dòng)分析技術(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)固有頻率測(cè)量的準(zhǔn)確程度會(huì)越來越高。

（5）風(fēng)機(jī)固有頻率一般不會(huì)超過10 Hz，根據(jù)采樣定理，理論上監(jiān)控?cái)z像頭（24幀率）所拍攝的視頻可以作為分析對(duì)象，這為風(fēng)機(jī)固有頻率監(jiān)測(cè)提供了新的技術(shù)手段。

5 結(jié)語

視覺振動(dòng)分析技術(shù)可以以非接觸的方式對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行一階固有頻率測(cè)量，測(cè)量誤差小于1%，滿足風(fēng)電行業(yè)對(duì)固有頻率測(cè)量的需求，為風(fēng)機(jī)固有頻率測(cè)量提供了一個(gè)有效、便捷、成本低的新方法。下一步將對(duì)更多型號(hào)的陸上風(fēng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，并使用振動(dòng)傳感器進(jìn)行驗(yàn)證，將該技術(shù)盡快應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的固有頻率監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中。