背景

1.1項目背景

風機塔筒就是風力發電的塔桿，在風電機組中主要起支撐作用，同時吸收機組震動。風機塔筒是否垂直牢固直接關系到風電機組能否安全穩定地運行。隨著風電產業的迅速發展，越來越多的大容量風機陸續安裝運行，風力發電機的很多運行隱患也逐漸開始暴露起來，葉片脫落、倒塌、風機失火燈惡行事故時有發生。

隨著風電向二、三類風資源地區的開發，塔筒高度不斷增加，目前陸地上風機的塔筒大多在50-120米之間，受氣候、設備安裝焊接點應力變化、地基沉降等因素的影響，塔體可能發生傾斜甚至于倒塌。如果塔筒寄出達不到設計要求，塔筒各節連接部位松動、檢查不及時，遇到惡劣颶風天氣，容易發生晃動過大、傾覆、甚至倒塌等情況。因此，在風機上有效的監測塔筒的傾斜程度和變形程度以及基礎沉降，可以從早期發現問題，及時解決并處理這些問題，有效防止塔筒倒塌等嚴重事故的發生。

基于北斗高精度GNSS技術自動化智能風電場監測系統，集結構分析技術、計算機技術、通信技術、網絡技術、傳感器技術等高新技術于一體的綜合系統工程。本系統的作用是成為一個功能強大并能真正長期運用于結構損傷和狀態評估，滿足風電場綜合管理和運營的需要，同時又具備經濟效益的健康安全監測系統，遵循以下設計原則：

1）遵循簡潔、實用、性能可靠、經濟合理的指導思想；

2）系統設置立足實用性原則第一，兼顧考慮科學試驗和設計驗證等方面因素；

3）各傳感器的布置、安裝合理，力求用最少的傳感器和最小的數據量完成系統工作；

4）系統具有可擴展性。

1.2項目建設的可行性

1）GNSS系統目前廣泛運用于國內外位移、沉降等安全監測領域。基于中國北斗衛星導航系統（BDS）的多系統融合GNSS技術實施安全監測，可以全天候運行，惡劣環境及氣候條件下仍能正常進行測點沉降數據采集；測站間無需通視，不受地形環境影響；無人值守，遠程管理方便。

2）傾斜傳感器廣泛應用于風電場塔筒傾斜監測。選型高性能動態傾角傳感器，保證在塔筒頂端復雜環境下傾斜動態測量精度達0.1°，塔座選用常規高精度靜態傾角傳感器，保證塔基傾斜測量精度優于0.005°。以超高的動態精度和靜態精度克服惡劣條件下風電塔振動和沖擊影響，同時兼顧系統經濟實用性，為全套風塔系統保駕護航。

3）專業級GNSS沉降監測數據處理軟件，對實時與準實時GNSS原始數據分析、處理、獨立環網平差及數據管理，進行7×24小時不間斷觀測，最高精度可達毫米級、

4）工業級數據系統平臺，保證數據采集和存儲、數據分析和管理、數據預警和Web發布的完整性，采用嵌入安裝簡單、方便、容易實施。

建設目標

風電塔筒沉降及塔筒傾覆智能預警系統是結合北斗高精度GNSS和高性能加速度計于一體，為客戶實時提供高精度、高性能、穩定、可靠且最有效的系統解決方案。遵循簡潔、實用、合理的指導思想，客戶無需掌握專業的分析診斷方案和分析工具，系統自動給出狀態評價和劣化預警，有效避免塔筒傾覆事故的發生。

1）建立一套全自動化分析預警智能系統，保障風機基礎和塔筒的安全運行，防止風機傾覆甚至倒塌等重大安全事故發生。

2）系統建成后可在線自動完成實時數據分析及處理，可以實時監測每一臺風機基礎和塔筒的運行狀態和變化趨勢。

3）多傳感器實現數據關聯，構建綜合塔筒傾斜、基礎水平、風速、風向、功率等組合模型，通過多特征傳感分析變化趨勢，保證在線監測和劣化過程早期預警的可靠性。

4）減輕運維人員的勞動強度和人工成本的指出，實現數據集中管理。

建設方案總體設計

3.1系統設計依據

GNSS沉降監測系統的技術設計及工程建造依據相關的國家標準和相關行業標準進行，本設計書中所引用的部分技術規范參見表1。

表1

3.2系統硬件設計組成

系統硬件由以下部分組成：

傳感器子系統：由布置在各風機監測點的GNSS沉降監測接收機和塔筒的傾斜傳感器組成，主要傳感器采用后安裝的方式；

數據傳輸子系統：GNSS天線到GNSS接收機主機由同軸電纜通訊；GNSS主機以及其他傳感器于控制中心通訊采用有線或無線的通訊方式；

數據處理與控制子系統：由布置在監控中心的小型機系統、服務器系統、數據實時自動處理與 Web 發布；

輔助支持系統：包括外場機柜、外場機箱、配電及 UPS、防雷和遠程電源監控等。

3.3系統實施方案

3.3.1 GNSS參考站

（1）GNSS參考站選址

GNSS參考站選址應滿足以下要求：

覆蓋并均勻分布在整個沉降監測區域，并兼顧參考點距離監測點最近的原則；

場地穩固，年平均下沉和位移小于2mm；

視野開闊，視場內障礙物的高度不宜超過 15°；

遠離大功率無線電發射源（如電視臺，電臺，微波站等），其距離不小于200m， 遠離高壓輸電線和微波無線電傳送通道，其距離不得小于50m；

盡量靠近數據傳輸網絡；

觀測墩的高度不低于2米；

觀測標志應遠離震動源。

（2）參考站基建

1）觀測墩的建設要求

在滿足以上要求的前提下，其GNSS參考站觀測墩的建設應滿足以下要求：

觀測墩應澆注安裝強制對中標志，并嚴格整平，墩外壁或內部應加裝（或預埋）適合線纜進出硬制管道（鋼制或塑料），起保護線路作用；

GNSS 觀測墩采用鋼筋混凝土現場澆鑄的方法施工。混凝土澆鑄過程中的水泥、 沙子、石子及其他添加劑的用量以及混凝土施工的要求均按照表一的要求執行；

GNSS 觀測墩中的鋼筋骨架采用直徑≧10mm 的螺紋鋼筋，使用時須在距兩端 10cm處，分別向內彎成∩形彎（足筋下端 30cm 處向外彎成∟形彎）用料。裹筋采用直徑≧6mm的普通鋼筋；

基座建造時澆灌混凝土至基座深度的一半，充分搗固后放入捆扎好的基座鋼筋骨架，在基座中心垂直安置捆扎好的柱石鋼筋骨架，將柱石鋼筋骨架底部與基 座鋼筋骨架捆扎一起，澆灌混凝土至基座頂面，充分搗固并使混凝土頂面處于水平狀態；

混凝土澆灌至地面下 0.2 米時，在觀測墩外壁應預埋適合線纜進出的直徑不小于 25mm 的硬質管道（鋼制或塑料），供安裝電纜保護線路用；

可利用觀測墩基坑，加筑用于存放太陽能蓄電池的水泥槽。

強制對中標志

2）灌制混凝土標石所用材料應符合下列要求

采用的水泥標號應不低于425。制作不受凍融影響的混凝土標石，應優先采用礦渣和火山灰質水泥，不得使用粉煤灰水泥。制作受凍融影響的混凝土標石，宜使用普通硅酸鹽水泥。在制作受鹽堿、海水或工業污水侵蝕地區的標石時，須使用抗硫酸鹽水泥。在沙漠、戈壁等干燥環境中的標石，不得使用火山灰質水泥；

石子采用級配合格的5～40mm的天然卵石或堅硬碎石，不宜采用同一尺寸的石子；

沙子采用0.15～3mm粒徑的中砂，含泥量不得超過3%；

水須采用清潔的淡水，硫酸鹽含量不得超過1%；

外加劑可根據施工環境選用，如早強劑、減水劑、引氣劑等，其質量應符合相應規定，不得使用含氯鹽的外加劑。

每立方米混凝土制作材料用量表

注：

表中配合比適用中砂，當采用細砂或粗砂時，水和水泥用量相應增加或減少17kg和10 kg；

當采用5～40 mm粒徑的碎石或卵石，應將水和水泥用量各增加10%，砂、石用量不變；

調制混凝土，須先將砂、石洗凈。澆灌標石時，須逐層充分搗固；

氣溫在0℃以下時，必須加入防凍劑，拆模時間不得少于24h，否則不準施工；

拆模時間可根據氣溫和外加劑性能決定，一般條件下，平均氣溫在0℃以上時，拆模時間不得少于12h。

（3）儀器設備的選擇

根據本項目的實際情況并參照《全球定位導航系統連續運行參考站網建設規范》，此次風電塔筒沉降及塔筒傾角智能預警系統GNSS自動化監測子系統選用司南M300Plus監測專用接收機和AT600扼流圈天線。

（4）設備安裝

此次系統監測范圍16平方公里，監測區域大致呈現正方形，依據常規監測建設方案參考站與監測站距離建設要求，本方案在周邊建設2個參考站。

3.3.2 GNSS監測站

針對此風電場沉降監測項目具體要求，監測區域內33臺風電機組各布置一套GNSS監測站設備，監測點設備實際安裝點根據各風電機組現場實際情況設置安裝方式。各接收機觀測數據以無線的方式實時傳輸到控制中心，控制中心軟件準實時解算出各監測點位的坐標并保存到數據庫，最終通過數據分析軟件自動分析各監測點的變化量、變化趨勢，并結合其他傳感器對風電場風電機組沉降情況進行整體的穩定性分析。

（1）監測站觀測墩基建

根據各風電機組區域的實際情況及監測點所監測的內容，此次GNSS自動化監測系統監測站多為普通土層觀測墩或者基巖觀測墩，為了保證良好的觀測效果以及安全起見，各觀測墩建設為1.8米以上。

基巖觀測墩

對于基巖觀測墩，在基巖堅固結構的基礎上打入鋼筋支架澆筑混凝土。

土層觀測墩

對于土層觀測墩，埋入地表深度不小于1m，采用基座和立柱的鋼筋混凝土結構。

注：所有監測站的水泥觀測墩的建設標準按照參考基站的建設要求。

（2）儀器設備選擇

根據本項目的實際情況并參照《全球定位導航系統連續運行參考站網建設規范》，此次風電塔筒沉降及塔筒傾角智能預警系統GNSS自動化監測子系統選用司南A300監測一體機。

（3）設備安裝

3.3.3塔筒傾角監測

此次方案旨在通過風電機組各層部署姿態傳感器，實現對風力發電機塔筒擺振、機艙航向等數據的實時監測，達到還原風機塔筒實時傾斜的目的。

（1）儀器設備選擇

常規風電塔筒傾斜運維監測采用傾角傳感器，通過對塔筒擺動軌跡數據，分析出塔筒的受力情況。由于風電塔筒安裝于幾十米的高空，承載著無規律、變速變載荷的風力，對于風電機組塔尖的垂直度和搖擺度動態監測需要采用定制化動態傾角傳感器。

本項目根據風電塔筒傾角監測的實際要求，分別在風機塔筒塔頂和塔座布置風機塔筒專用的高精度動態傾角傳感器和靜態傾斜傳感器，在大風情況下的風電塔筒傾斜監測中塔尖動態測量達0.1°，塔座靜態監測精度達0.005°的監測標準，保證塔筒動態監測更穩定、更精準。

（2）設備安裝

3.3.4供電系統

對于風電場自動化監測系統的特殊情況，采用太陽能供電的方式。

依據項目現場的實際情況，采用100W的太陽能電池板和100Ah的蓄電池，保證項目現場在沒有太陽的情況下，設備能正常運作7天。

（1）太陽能組成

太陽能發電系統由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池（組）組成。輸出的電壓為12V，直接供給設備使用，各部分的作用為：

太陽能電池板：太陽能電池板是太陽能發電系統中的核心部分，也是太陽能發電系統中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。太陽能電池板的質量和成本將直接決定整個系統的質量和成本，額定的輸出電壓為17.4V。本系統采用單晶硅太陽能電池板。

太陽能控制器：太陽能控制器的作用是控制整個系統的工作狀態，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應具備溫度補償的功能。其他附加功能如光控開關、時控開關都應當是控制器的可選項。 本系統采用規格為12V/20A的控制器。

蓄電池：一般為膠體電池。其作用是在有光照時將太陽能電池板所發出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。本系統采用的為膠體電池，設計容量為100Ah，可以滿足陰雨天7天工作時間。

（2）太陽能供電系統的安裝

放置太陽能電池板，傾斜角度在30-45度之間，面對方向根據現場具體環境調節，通過制作三角形的支架固定在水泥板上或監測點保護房上或者水泥立柱上。

蓄電池可埋設在觀測墩的附近，埋入地下，防凍并避免日曬雨淋、被盜賊偷盜和外力沖擊。

根據某滑坡滑坡體現場情況可以將太陽能電池板放在監測點保護房上面或者單獨立柱安裝，減少人為盜竊或破壞的可能性。

3.3.5雷電防護

（1）雷電的危害性

在連續參考站一定要考慮到防雷電措施，雷電所產生的高電壓電磁脈沖對沒有相應保護措施如：同軸電纜，天線，數據通訊電纜，電源電纜產生強烈的毀壞作用，直接損壞所連接的電子設備，所以必須安裝避雷電接地端。

電涌是微秒量級的異常大電流脈沖。它可使電子設備受到瞬態過電的破壞。隨著半導體器件的集成化程度的提高，元件間距的減小，半導體的厚度的變薄，使得電子設備受到瞬態過電破壞的可能性越來越大。如果一個電涌導致的瞬態過電壓超過一個電子設備的承受能力，那么這個設備或者被完全破壞，或者壽命大大縮短。

雷電是導致電涌最明顯的原因，雷電擊中輸電線路會導致巨大的經濟損失。每一次電力公司切換負載而引起的電涌都縮短各種計算機、通訊設備、儀器儀表和 PLC的壽命。

（2）直接雷防護

在距觀測墩3－3.5米處安裝普通避雷針，選用不銹鋼制作。

地網選用4根熱鍍鋅角鋼為垂直地極，以熱鍍鋅扁鋼互連。避雷針基座為鋼筋混凝土，由地網引兩根熱鍍鋅扁鋼與基座連接，接地電阻小于2Ω。

避雷針與天線的距離選擇大于3米，是以中等強度的雷電流通過避雷針接地泄流時所產生的感應電磁場到達天線時其強度可衰減到安全值的范圍之內。避雷針高度按照“滾球法”確定，粗略計算即可。

接地電阻要求小于10歐姆，如果當地的土壤電阻率較高，降低防直擊雷接地裝置接地電阻宜采用下列方法：

采用多支線外引接地裝置，外引長度不應大于有效長度；

接地體埋于較深的低電阻率土壤中；

采用降阻劑；

換土。

（3）感應雷保護

周邊高大建筑物比較多，一般不會有直擊雷的危害，只考慮感應雷部分。 GPS天線電纜、通訊射頻電纜在接入主機前，必須加裝天饋浪涌保護器；

機柜中的空氣開關后端并聯一個單項電源避雷器，作為電源部分的避雷；

架空電力線和其他架空線的防雷措施一定要處理好，因為這是引雷重要途徑，其防護措施有地埋和裝設避雷地線等；

電力線進入UPS之前，加裝ZGB148A-40電力線電涌防護設備，隔離UPS和電力線。

感應雷預防

不論是電源避雷還是饋線避雷，避雷器必須接地良好，接地電阻不得大于4歐姆，但是二者可以是同一個地。

軟件系統

4.1應用背景

CDMonitor是由上海司南衛星導航技術有限公司基于GNSS全球衛星定位系統并利用現代通訊技術進行的實時與準時GNSS原始數據分析、處理、獨立環網平差及數據管理等功能研發的系統軟件。這套軟件對于人工建筑變形分析，比如大型橋梁，水壩，大型人工建筑以及油田沉陷，礦山采空區沉陷，城市地下水漏斗沉陷，火山監測，山體滑坡監測等等具有非常大的現實意義。

GNSS（全球衛星定位系統）自八十年代中期投入民用后，已廣泛地在導航、定位等各領域應用，尤其在測量界的控制測量中起了劃時代的作用。正因為是它在靜態相對定位中的高精度、高效益、全天候、不需通視等優點，使人們普遍采用其來代替常規的三角、三邊、邊角等方法，并在理論、實踐中取得了可喜的成果。在精密工程變形監測中也逐步得到廣泛的應用。

由CDMonitor為核心構成的變形監測網絡中的每個GNSS接收機只需要輸出GNSS的原始數據和星歷，原始數據包含了GNSS解算所有必要的偽距和載波相位數據等，星歷指GNSS衛星發播的廣播星歷。數據通過廣域網、局域網絡、串口、無線設備等傳到控制中心，控制中心的CDMonitor軟件根據每臺GNSS接收機對應的IP地址和端口號，獲得每個監測點的原始實時數據流，CDMonitor軟件對這些原始數據進行實時差分解算，得到各個監測站的坐標，并存入數據庫或發送給客戶端。

利用CDMonitor軟件能進行7×24小時不間斷觀測。而且，與傳統的RTK方式相比，CDMonitor具有精度更高，實時性更強的特點。CDMonitor支持各種主流品牌的單多頻GNSS接收機混合監控。CDMonitor采用了C/S架構，用戶可以進行遠程監控。

具體的CDMonitor實時差分變形監測軟件的工作流程。

CDMonitor工作流程

CDMonitor變形監控軟件實現了各個監控站的實時差分定位，并具有圖形顯示、接收機設置、監控站參數設置、觀測數據記錄、報警等功能。

采用C/S架構的CDMonitor軟件方便用戶在辦公室、監控中心、家中監測系統的健康狀況。

4.2 CDMonitor數據處理軟件

4.2.1 CDMonitor功能簡介：

4.2.1.1 CDMonitor的功能模塊

這里用框圖來表示CDMonitor的主要功能模塊。

CDMonitor功能模塊

4.2.1.2 CDMonitor的基本功能

CDMonitor實時差分變形監控軟件具有下面的一些基本功能：

對GNSS原始數據進行7×24小時實時差分處理，進行變形監測，永不間斷；

根據接收機的原始數據輸出率，數據更新率最高可達20Hz；

可根據系統參數設置，對不同的監測站的實時差分結果進行Kalman濾波，達到不同的動態要求和精度要求；

可同時處理多個基站和監測站的數據；

根據多天運行的結果，建立近期的大氣延遲（對流層、電離層）模型，提高定位精度和可靠性；

多基站支持，多基站不但提高了系統的可靠性，而且，根據多基站的觀測數據，可以建立電離層模型，提高長距離監測的精度；根據多基站的處理結果，可以實現實時網平差功能，提高點位精度和可靠性；

原始數據后處理功能；

輸入接口協議：RS232、CAN、TCP/IP；

輸出接口（遠程服務）協議：TCP/IP；

實時顯示接收機的信號跟蹤狀況，如星空圖、信噪比、鐘差等；

實時顯示基線的變化情況，點位的移動情況等；

原始數據、解算結果的自動保存功能，可根據用戶需求進行設置；

對監測站、基站接收機的遠程設置功能，軟件上有各個GNSS接收機的獨立監控模塊，可以向GNSS接收機發送用戶更改參數的命令（如采樣間隔、高度截止角等）；

系統完備性監測功能，可對整個系統的健康狀況進行監測；

環境參數輸入功能。比如，輸入監測站周圍障礙物的分布情況，在數據處理時，能剔除常規方法不能自動剔出的壞數據，提高定位精度。

具有防死機功能，一旦某個監測站出現死機現象，軟件馬上會通過數據信號觸發的方式實現接收機自動重啟；

可以調整各個監測站的位置更新率；

支持網絡分布式計算；

軟件實現C/S架構，客戶端可以運行在遠程；

提供第三方軟件接口，如用COM組件的方式實現，可實現遠程查詢、管理、報警；

另外，CDMonitor軟件可用于橋梁、大壩、礦區等的監測，可針對不同的工作環境對用戶圖形界面進行定制。如針對風電場沉降監測，CDMonitor的客戶端能提供如下功能：

數據庫功能，長期觀測的數據能保存在數據庫中；

三維動畫；

整體變形示意圖；

歷史數據分析；

報警功能，報警項可根據用戶要求設定，可通過短信、電子郵件等方式進行報警。

權限管理：一般用戶只能瀏覽數據，系統管理員才可能對一些參數進行設置。

數據分析，即對監控點進行頻域和時域分析。

4.2.1.3 數據記錄

連接數據庫，CDMonitor能夠記錄用戶需要保留的各項信息，根據用戶的選擇，記錄的內容如下：

4.2.2 CDMonitor的軟件界面介紹

正常情況下，CDMonitor是在服務器端進行復雜的計算的，用戶不需要去瀏覽這些窗口。但在系統安裝階段或者系統出現故障時，這些窗口提供的信息能幫助我們迅速地解決問題。

4.2.2.1 數據監控窗口

通過接收機數據監控窗口可以觀察串口和網絡來的數據的格式、數據的更新率、數據包的大小等，管理員通過這些信息可以快速地判斷系統的通訊是否正常。

4.2.2.2 接收機監控窗口

通過每秒更新一次的接收機監控窗口，管理員能知道接收機跟蹤的衛星數量、接收機的鐘差、衛星的載噪比等接收機的關鍵信息，以確定接收機的工作狀況、信號質量等。

4.2.2.3 監測站變形曲線窗口

下面是某監測點的變形曲線。CDMonitor能精確地反映監測體的變形情況。

4.2.2.4 基線窗口

通過基線窗口，管理員能夠快速地知道軟件的解算狀態。

4.2.3 CDMonitor的系統結構

典型的CDMonitor監測系統由三部分組成：監測單元、數據傳輸和控制單元、數據處理分析及管理單元。這三部分形成一個有機的整體，監測單元跟蹤GNSS衛星并實時采集數據，數據通過通訊網絡傳輸至控制中心，控制中心相關的CDMonitor軟件對數據處理并分析，實時滑坡體的形變。

監測單元一個參考站（R1）和八個監測站（M1，M2，…，M8）組成。其中參考站根據實際情況，確定其具體位置；八個監測站根據實際情況，確定其具體位置。

數據傳輸采用先進的無線高頻網橋傳輸方式，一方面提高了系統通訊可靠性，另一方面提高了數據傳輸速度。

控制中心配備一臺高性能服務器，用于數據分析和圖形處理，以及終端服務。結合CDMonitor軟件，實時對數據分析和圖形處理。

4.3基于B/S架構數據分析軟件

B/S架構的基于網頁的WEB發布系統，能實現對監測數據的分析，最終實現監測解算數據以圖形化的方式顯示，具體流程時數據傳輸部分在存儲數據到數據庫的同時，也將解算結果傳輸給數據分析部分，以實現實時分析。也可以調用數據庫的歷史數據實現歷史統計分析。

系統登錄

分析的主要方式是將監測數據在點面的各方向以時間為橫軸生成曲線。對各監測方向設置預警限值，當監測數據達到限值時便啟動報警功能，并且根據不同條件設置不同的報警級別。

預警管理

為了提供給上級專家和領導直觀的分析結果，將監測數據生成日常報表。報表可設置周期一天、一周或一月。

數據管理

幫助您在了解本風電場智能預警系統的過程中，如果有遇到不明白的地方，可以聯系司南導航的技術人員，我們的工作人員將第一時間予以回復。

責任編輯：tzh