基于高精度北斗定位的風電基礎沉降

強同波+胡從川+王謙+楊璐羽

摘 要： 設計一種基于北斗衛星導航系統高精度靜態定位方法的風電基礎沉降監測與無人值守自動預警方案。該方案在風電機組管控中心外的地質穩固點設定連續觀測基準站，在風電機組塔筒上設置監測站，利用高精度北斗衛星導航接收機進行連續觀測，并通過光纖通信將基準站和監測站的北斗衛星信號原始觀測值（包括偽距、多普勒頻率、載波相位、星歷等）數據傳到數據處理中心，利用軟件后處理方式得到毫米級的高精度風電機組沉降形變數據，以實現風電機組沉降的自動監測與預警。

關鍵詞： 風電機組； 塔筒； 北斗衛星系統； 沉降； 預警； 監測

中圖分類號： TN967.1?34 文獻標識碼： 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

隨著全球經濟工業活動的日益增長，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，高效有序地開發新能源和可再生能源具有重要的社會意義和經濟價值。風能是一種綠色環保的可再生能源，我國的風能資源儲備豐富，在陸地和海上均有大量可供開發的風能儲備區域。近年來，我國風力發電行業迅猛發展，風電裝機量逐年攀升，因此，對風電機組建設及運營過程中的穩定性和安全性監測管理工作都提出了更高的要求。

風電機組由于受到高空風力作用，其機艙、槳葉等部件在風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，風電桿塔及基礎存在傾斜沉降的可能。當桿塔出現嚴重形變時，很容易導致風電機組設備發生倒塌等故障，造成巨大的人員和經濟損失。因此，必須實時對風電塔桿及其基礎進行沉降監測，建立一套科學、先進、有效的風電基礎沉降監測方法與安全預警系統成為亟待解決的問題。

北斗衛星導航系統（BDS）是我國獨立研發的全球衛星導航系統，具有集導航定位、授時、用戶監測及短報文通信于一體的特點，已廣泛應用于我國的國防建設、森林防火、抗震救災、海洋漁業、形變預警監測等領域并發揮了重要的作用[2]。相較于傳統的利用傳感器等手段實現的形變監測方法[3?4]，基于北斗衛星導航系統的形變監測方法具有全天候全時段連續工作，精度高，監測誤差不隨時間累積，無需系統校正等優點[5]，可實現長時間無人值守功能，特別適用于對地質形變沉降等現象進行持續監測預警[6?8]。

本文針對風電基礎沉降的特點，利用基于北斗衛星導航的高精度靜態定位方法，設計了一種采用軟件后處理方法的風電基礎沉降監測系統，并提出了一種無人值守的基礎沉降自動預警方法。

1 北斗風電基礎沉降監測原理

北斗衛星導航系統是一種無源定位系統，接收機對北斗衛星廣播的導航信號進行持續性觀測，測量信號由衛星到接收機的傳播時間，從而計算衛星與接收機之間的絕對距離，并利用三角定位原理計算接收機的精確位置[9]。

式中：[diρ]表示接收機與第[i]顆衛星的距離測量值，下標[ρ]表示非真實距離；[di]為真實距離；[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]表示由接收機時鐘漂移、抖動等造成的時間測量誤差；[δtis]表示由第[i]顆衛星的時鐘漂移、抖動等造成的時間測量誤差；[εi]表示由于接收機天線端熱造成引入的測量誤差。endprint

對于北斗單點定位技術，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]僅能達到5～10 m，無法滿足高精度沉降監測的要求。因此，本文提出的風電基礎沉降系統采用多頻差分觀測方法獲得風電基礎沉降測量數據。

如圖1所示，北斗差分定位系統由一個精確位置已知的基準站和數個待定位的監測站組成。對于基準站，由于其位置已知，因此基準站接收機到衛星之間的幾何距離可利用衛星星歷精確計算獲得。對比基準站接收機的實時測量結果和距離精確值，可獲得基準站對該顆衛星的距離測量誤差，即：

2 靜態多頻雙差后處理方法

由于風電場中風機分布相隔距離較大，基準站與部分監測站的距離較大，其電離層誤差的改正精度并不能完全滿足形變監測的要求。經實測表明，若采用電離層改正模型，風電場中各監測站的雙差距離觀測殘差峰值可達到20 cm，且最長持續10 min，這種監測數據已無法用于沉降自動預警。為解決上述問題，本系統采用無電離層延遲影響組合的多頻雙差算法[10]。

設在[t]時刻，接收機[i]對第[j]顆衛星的多頻載波相位觀測值為[?ifk，it]，其中下標[fk]表示第[k]個頻點，對應的信號波長記為[λk]。對于電離層延遲，根據無線電信號傳播規律，對于同一個衛星導航系統，其不同頻點的導航信號電離層延遲誤差存在如下關系：

不再具備整數特性，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。

在本系統中，針對不同的風電機組，根據其與基準站的距離關系，采用不同的組合觀測方法。對于與基準站距離較近的風電機組，其電離層改正模型的誤差并不嚴重，因此不需要IF組合觀測，仍然使用寬巷組合觀測方法。

由于風電機組處于靜止狀態，其三維坐標在相當長的時間內僅會出現極小的變化，因此采用長時間靜態觀測方法進一步降低對監測站的三維定位誤差，達到形變監測所需的精度。本系統中采用Kalman濾波方法實現靜態觀測，選取狀態向量：

經Kalman濾波器進行數據處理后，對監測站北斗數據的長時間靜態觀測可獲得平面精度優于3 mm，高程精度優于5 mm的形變監測數據。

3 風電基礎沉降預警方法

針對風電基礎沉降的自動預警系統主要設計思想為：利用測量獲得的精確基礎傾斜沉降形變數據，并結合當前由其他傳感器群組獲取的風速和風向數據，建立一套完整的傾斜角度、沉降量與風速、風向之間的映射關系，并利用長期觀測及數據統計的方法，繪制風機塔筒的傾斜沉降曲線，提取曲線參數。

正常工作狀態下，由于風速、風向對風機塔筒的作用力符合固定的力學規律，因此特定風機的傾斜沉降曲線參數的估計值應隨時間保持收斂狀態。當傾斜沉降曲線參數出現明顯變化，或風機塔筒的形變數字超出正常范圍，則可認為相應的風機將有很大的概率出現故障，需要作出預警，提醒管理人員及時進行現場勘查，排除險情。

整個風電基礎沉降預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間的對數函數關系，因此沉降關系曲線可使用時間來近似表示。在算法中，需要利用已測量的數據采用自學習的方法分別建立傾斜角度、沉降量與風速大小、風向和塔筒傾斜角，以及時間的關系模型，并提取出模型參數，從而得到未來沉降發展趨勢的預測結果。進一步檢測在規定的時間內，塔筒的傾斜角度或沉降量會不會超過安全范圍，以判斷是否發出告警信號。

4 系統總體設計

風電基礎沉降系統的總體設計框圖如圖3所示，包括監測點、基準站、控制中心、數據傳輸網絡和監測客戶端等部分。

系統中，監測點和基準站建設在風電場監測區域。其中，基準站建設在風電機組管控中心外地質穩固的地點，在設立后利用測繪方法獲得基準站天線的精確位置，其位置測量精度優于1 mm；監測點安裝在風電機組塔筒上。系統運行時，基準站和監測站上的高精度北斗衛星導航接收機實時采集當前可見北斗衛星信號的原始測量值，包括偽距、載波相位、多普勒頻率和衛星星歷，并通過數據傳輸網絡將上述原始數據傳輸至遠程控制中心?？刂浦行睦脭祿筇幚硐到y對衛星信號原始測量值進行處理，以實現差分定位，獲得各監測站的位置（三維坐標）精確測量結果。同時，控制中心的監測預警軟件利用解算處的監測站精確坐標對監測站的微小位移進行長時間統計分析，并顯示出相對應的圖形及報表。當監測站的坐標偏移量出現明顯變化或嚴重超出預警閾值時，將對不同管理人員進行預警提醒，以便及時對現場狀況進行進一步勘查，執行故障防范應對措施。系統支持多種終端接入，以實現遠程多級預警功能。

風電基礎沉降監測站的具體硬件設計方案如圖4所示。

監測站硬件包含以下部分：北斗衛星接收機、數據通信機及其他輔助部分。衛星定位接收機使用高精度北斗接收機，可同時處理三系統八頻點衛星信號的原始數據觀測和采集；數據傳輸系統用于將接收機采集的原始數據實時傳輸至遠程控制中心，使用光纖通信網絡方式實現；其他輔助部分主要包括輔助安防系統，用于輔助整個北斗風電基礎沉降自動監測系統的正常運行，包括供電、防雷、綜合布線及外場機柜等子系統。

預警軟件的架構如圖5所示，包括數據處理單元、數據傳輸與存儲單元和數據分析單元。此三個部分是整個風電沉降安全預警系統的核心組成部分，它們既可獨立工作，又可根據需要相互緊密配合以完成整個系統功能，所有操作均可人工提前設定后由軟件自動完成，具備無人值守的長期工作能力。

5 結 論

本文針對風電基礎沉降監測方法與安全預警技術，提出一種基于高精度北斗衛星定位方法的具體實施方案，實現了監控系統精度平面誤差小于3 mm，高程誤差小于5 mm的指標。風電場內安全預警軟件完全自動運行，數據傳輸、數據處理及網平差、預警分析、報警及報表生成等工作均可無人值守自動運行，具有顯著的經濟價值和社會意義。

參考文獻

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