1、先进传感器风电气象数字化解决方案CONTENTS01先进传感器的价值02 更可靠03 更安全04 更智能目录05 结 语先进传感器的价值01传感器人类如何拥有了今天的智慧？是由于感官的帮助，人类是通过感官来获得信息，信息转换成经验，在经验的支持下产生智慧。了解环境及其变化是基础，如果你对环境不了解，也就很难做出正确的反应。其中视觉是最重要的感觉，至少80%以上的信息来自视觉。传感器是人体感官外化和体外进化的产物。第一代传感器第二代传感器传统传感器（笨哑传感器）其功能特征是着重于测量物理参数无智能，扁平结构智能传感器计算机技术使传感器技术发生了巨大的变革微处理器（或微计算机）和检测技术相结合使传
2、感器具有人工智能的特性传感器的发展先进传感器，就是采用代表传感技术发展方向的传感器，主要体现在以下几个方面：新原理 新材料 微型化 集成化 多功能化 智能化 网络化MEMS（微电子机械系统）技术 新材料技术 纳米技术 薄膜技术 光纤技术 激光技术 无线技术 复合传感技术特征：由于“电脑”的加入，智能传感器可通过软件进行数据处理和逻辑判断，从而增加了传感器的功能，提升传感器的性能，利用软件实现硬件难以实现的功能先进传感器智能化歼20与先进传感器现代信息技术三大基础l 采集传感技术（感觉）l 传输通信技术（神经）l 处理计算机技术（大脑）传感器是信息采集系统的首要部件，且至于系统的最前端，相当于人
3、体的感官，是智能化风机的关键零部件提高可靠性减少停机损失保障安全运行优化控制策略提升发电量促进风机智能化水平升级传感器的价值02更可靠TWK ELEKTRONIKDSSELDORF 杜塞尔多夫杜塞尔多夫销售销售 测试测试 实验室实验室TWK SENSORIKHAMBURG/WEDEL 汉堡汉堡研发研发 组装组装电机端编码器带增量信号的KRE58-E31&E32是TWK公司为风力发电机组变桨系统量身定制的绝对值编码器。电机端编码器l 在单圈检测上使用了基于霍尔原理的磁性传感系统，多圈检测部分通过多圈能量回收原理完成。应用了磁性传感器的韦根效应能量回收技术，E31&E32成为了不依靠电池，玻璃码盘
4、和齿轮组的绝对值编码器。l 这个技术可从编码器的转动产生微小的电能。当轴转动时，韦根效应传感器传感器以交变磁场为能量来源成为一个微型发电机，它产生的电能可同时供应旋转圈数的计数脉冲以及把数据存储到非易失性内存中。电机端编码器性能特点l 专为变桨电机应用开发的产品l 应用了磁性传感器的韦根效应能量回收技术l 较宽的工作温度范围，可以在恶劣的环境中工作l 在高温、高湿、冲击和振动、油污、灰尘较大的场合，比光电编码器更适合l 结构简单、高度集成化、没有易失效的元器件l 抗强磁场、高可靠性l KRE58-E31&E32是为电机反馈应用开发的，因此它的增量信号和光电编码器一样出色l 总体上，磁性编码器代
5、替光电编码器的趋势被广泛认同桨叶端编码器内部结构图紧凑坚固双室设计方案，无需额外的轴承法兰，降低客户成本。轴承承载力：250 N轴承使用寿命：109 圈应用发电机编码器基本参数基本参数电压范围+9 VDC到+36VDC HTL信号（根据不同设计）+5 VDC TTL信号输出A,B和零通道，以及反信号信号格式脉冲信号 占空比 1:1防护等级IP65（可选IP69K）发电机编码器l 高分辨率磁性传感器系统，适用于海上应用l 可设置1.8192之间任意脉冲数l 因选用优质的材料-免受外部磁场干扰l 安全选项：冗余设计，双输出，自诊断l 特殊的轴承可耐受2.8kV的绝缘电压l 轴向和径向400N高负载
6、能力l 性能等级PL=d更安全03解除电缆缠绕安全链保护扇区管理风场协同控制，提高整场发电量。扇区管理技术可减少某个风向上特殊风况对风机的危害，降低风机的振动，确保风机安全运行。数字式机舱位置传感器主要功能可靠性高、体积小、精度更高、抗噪声能力更强，能工作于恶劣环境等优点。这些都是光电传感器所不能相比的。新原理GMR巨磁阻效应GMRGMR（Giant Magneto Resistive）巨磁阻又称特大磁电阻。它是一个集磁性薄膜，半导体集成及纳米技术为一体的高新技术产品，应用非常广泛。其技术结构套用一个数学公式：GMR传感器=磁性薄膜+纳米技术+半导体集成主要编码器生产厂家，新产品的研发都投入到
7、了磁感应原理上来看，也间接印证了这一点。多达4个可编程安全凸轮(SIL2等级)绝对值编码器(SIL2等级)&多种接口4个安全开关设计为分别与2个串联继电器连接，以保证触点可靠（无粘黏连接）所有触点都是电气隔离的，适用于安全链产品特点此系列传感器累计安装在风机上30000多台，并一直运行良好。应用振动监测仪无磨损传感系统，采用无磨损传感系统，采用MEMSMEMS技术技术测量轴数量2频率范围0.1-60 Hz（可选100Hz）测量范围2 g接口 CANopen安全接口 SIL2 2套冗余安全继电器 SIL2 2路模拟量输出 优势 重度冲击 安全关断 FFT-快速傅里叶变换 相位触发功能 多种算法模
8、式 相敏关闭适用于低频晃动的塔筒（约0.2-1.0 Hz）在任何fe（塔筒的“固有频率”）条件下都满足要求的关断相位，风机总会在幅值最大时停机，对风机的冲击和磨损降到最小 风机在特定相位关断是至关重要或有必要的，当塔筒晃动，振幅加大，需要停机时。在不确定的时间停机非常急促，会对风机造成损害。振动监测仪相敏曲线瞬时值g(t)g3时 迅速关断当受到强烈冲击而导致加速度迅速变大，同时g(t)随之变大，当g(t)g3时，会迅速关断用户可设定g3值每个滤波器都可以确定一个有效g3值，g(t)是瞬时值SSO 安全关断功能 g3无延迟关断瞬时值g(t)g4时 延迟TA后关断当受到强烈冲击而导致加速度迅速变大
9、，同时g(t)随之变大，当g(t)g4时，会进一步关断用户可设定g4值与g3安全关断功能相比，开关仅在第三个零穿后，经过TA时间后关断。每个滤波器都可以确定一个有效g4值。g(t)是瞬时值。SSO 安全关断功能 g4延迟关断冗余传感器（MEMS或GMR），数值更可靠（两组数据持续比较，如果偏差过大，报错）更全面的软件算法来计算各种输出值及其他功能(比如凸轮)软件算法持续控制设备，如果设备检测到错误，会发出错误信息并且继电器全部关断。风机控制器知道有错误发生。普通产品无法检测到错误。冗余的安全继电器。2个串联的继电器优化关断功能。如果某个继电器的状态错误了，错误信息会传送到控制器。功能安全产品的
10、优势功能安全产品的优势PLCChecks data values for plausibilityComponent 1Component 21.REDUNDANT COMPONENTS WITH CENTRAL PLAUSIBILITY CHECK BY PLCPLCSIL2/PLd Certified ComponentSafe Data Transmission via CANopen 2.ONE CERTIFIED COMPONENT WITH INTERNAL PLAUSIBILITY CHECK功能安全产品的结构MICRO CONTROLLER CHECKS THE SIGNAL
11、OF THE SENSORCHIP FOR PLAUSIBILITYSENSORCHIP 1SENSORCHIP 2MICRO 自决断自决断CONTROLLERONLY CORRECT DATA VALUES ARE TRANSMITTEDTRANSMISSION TO PLC DUE TO CANopen PROTOCOLL0 0PLCSIL2/PLd CERTIFIED SENSOR0 0SAFETY CHAIN 整体系统及安全整体系统及安全整体系统及安全供电电压升压时间供电电压升压时间500 500 msms（10%10%to to 90%90%）存储循环时间存储循环时间3 s3 s p
12、er storage cycle per storage cycle准备时间准备时间2 s2 s in the operating temperature range in the operating temperature range 检测出错误到输出的时间检测出错误到输出的时间100100 msms (voltage supply)(voltage supply)300300 ms(relay check)ms(relay check)5 5 s(RAM test,all individual bits OK)s(RAM test,all individual bits OK)2 2 s(
13、ROM test within set-up time)s(ROM test within set-up time)安全标准安全标准IEC 61508IEC 61508，1-71-7：20102010IECIEC 6206162061：20052005ISO 13849-1ISO 13849-1：20082008IEC 60947-5-1IEC 60947-5-1：2004+A12004+A1：20092009最大可持续工作时间最大可持续工作时间2020 yearsyears功能安全参数标准标准 ISO 13849-1:2008 ISO 13849-1:2008扭缆开关扭缆开关旋转编码器旋转编
14、码器Kategorie2Kategorie2MTTFd(Jahre)175MTTFd(Jahre)151共因失效 CCFFufilled 满足共因失效 CCFFufilled 满足诊断覆盖率 DC(%)91.8诊断覆盖率 DC(%)91.7性能等级 PL d性能等级 PL d标准标准 IEC 61508:2010 IEC 61508:2010 和和 IEC 62061IEC 62061扭缆开关扭缆开关旋转编码器旋转编码器硬件故障裕度 HFT0硬件故障裕度 HFT0T1(s)8760T1(s)8760安全失效分数 SFF(%)95.7安全失效分数 SFF(%)95.1危险失效频率 PFH(1/h
15、)4.51x10-8危险失效频率 PFH(1/h)6.24x10-8SIL2SIL2 认证产品无论在正常情况或者有故障存在的情况下，安全功能都能保证正确实施，不会引起人员的伤害、环境的破坏、设备财产的损失。使安全系统及产品符合所需安全完整性等级，符合国际市场要求。IEC61400-1标准，随着风电新技术的发展以及认识水平的提高对标准提出了新的需求。控制系统和保护系统的修订引入基于ISO13849标准的功能安全概念(完整的安全链，如传感器-PLC-执行器)。传统观点中，安全由采用机械安全装置的系统决定，由于存在部件可靠性的问题，因此不能说已充分考虑了安全因素。应用更智能的传感器风电气象数字化解决
16、方案04MESAMESAME-measurement 测量S-systems 系统A-automation 自动化=集成化解决方案气压计风速仪风向标温度湿度传感器产品介绍风电气象数字化解决方案，在原有超声波测风仪的基础上更新升级。集成微电子技术及智能软件算法，测量数据精准高效，产品坚固耐用。集成数字MEMS，可测量空气温度、相对湿度及大气压力等气象数据，并在以上参数的基础上，计算出空气密度和露点温度，为风电行业提供所需的全方位的气象数据。解决了多种传感器安装不方便，接口不统一、成本高、可靠性差、无法满足风电行业严苛的环境等问题。在没有增加额外安装位置、线缆等的情况下，提供了低成本的解决方案。如
17、今我国正步入全面信息化时代，通过数据分析和数据积累，将数据转化为生产力，为客户创造更高价值。产品优势结构从复杂到简单、向一体化功能从单一到多种、向数字化、智能化、网络化发展精度由低到高、向高精度发展可靠性和寿命从低到高从通用化向专用化发展开放式结构无峡谷效应最适合海上风机应用集成数字MEMSl空气温度l相对湿度l大气压力输出信号：CANopen，RS485风速 0-100m/s自诊断无需校准、免维护根据温度变化自补偿采样频率自适应调整完全耐腐蚀材料IP67防护等级最大300mm/hr降雨量数据监控界面助力风电机组从自动化向智能化跨越，感知环境的变化并且根据变化进行自动调整的自动化就是智能化。随
18、着风电的发展，原来忽略的问题逐渐被重视，例如湿气、结冰等，在实际运行过程中影响效率和安全。优化控制策略，提升发电量。大部件的故障预警，降低运维成本。基于气象各因子的内在变化，通过人工智能算法实现短时风况预测。空气密度空气湿度露点温度极端天气空气密度不仅与大气压力和温度有关，也受湿度变化的影响，气温越高影响越大。影响叶片的气动性能，随湿度增大，风机叶片输出功率减小，湿度越高，风机输出功率降低幅度越大。湿度越大，对功率影响越大。有助于判断叶片结冰，精准控制减小损耗强风持续时间短，瞬时风速增大，风向突变，气象要素随之剧烈变化，往往是气压上升，温度陡降，湿度增大，并伴有雷雨出现。气象数据的价值l 只要
19、空气密度偏离设定空气密度，无论高于或低于设定空气密度，风电机组输出功率都会低于设计值，出现损失情况；影响空气密度的不确定度，主要来自湿度的变化，在30下约为2%，40下约为4%（我国沿海地区气温大都在30以上）。空气密度l 江苏沿海地区的变化特点：在春冬季节，风功率密度在200350W/m2，而在夏秋季节，风功率密度在150300W/m2l 福建沿海风能资源时间分布特点：平均风功率密度与平均风速遵循同样的变化规律，季节变化特点是秋季最大，冬季次之，夏季最小；日变化特点是凌晨最小，然后逐渐增大，午后至傍晚达最大，而后逐渐减小。l 气压的日变化在低纬度地区比较明显。在低纬地区，平均日振幅可达34百
20、帕。我国海上风电多位于中低纬度地区。在额定风速以下，对风电机组发电量有很大影响。现状可能只有20-25%的风机的偏航误差在2度以内，风力发电量0.2-0.5%的损失，大部分风机偏航误差在6度以上，会造成 2%以上 的发电量损失。提升发电量降低度电成本提高偏航精度的意义测风仪规格应符合IEC 61400-12-1标准极限风速测试应用结 语05l 风能的数字化时代加速传感器的更新迭代l 增加传感器的数量l 提高传感器的性能l 提高控制系统的感知能力智能的前提条件和必要条件l 网络化智能传感器是趋势l 传感器作为风机除人工设置参数以外的唯一输入，其重要性不言而喻。传感器感知外界环境的能力，决定了风机信息输入的准确性和丰富性。对于传感器应用的创新，往往也是智能风机创新的基础。l 人类智能的根本特征是能从已知去得出未知，能对环境变化做出正确的判断和适当的反应，风电机组的智能化始于先进传感器。结语
