风机叶片多物理量同步观测方法及其系统

权利要求书： 1.一种风机叶片多物理量同步观测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)通过雷电流采集系统采集雷电通道辐射产生的电压判断是否有雷击产生，若是，触发电场变化采集系统，进入步骤2)，若否，则不触发电场变化采集系统和图像采集系统；

2)电场变化采集系统触发后输出TTL电平并记录触发时间信息和电场变化信息，同时触发图像采集系统，采集图像数据并传输至上位机，上位机对图像数据分析判断是否为有效数据；

有效数据的判断方法为：逐帧计算图像灰度的最大值，当存在连续两幅图像之间的最大灰度差值超过设置的阈值时，认为此次雷电是处于相机视野内的有效数据，上位机对图像数据进行保存，否则不保存图像数据；

上位机完成一次触发得到的图像数据后，图像采集系统进入待触发状态；

3)触发电场变化采集系统的同时，触发雷电磁场变化测量系统，采集并记录雷击产生的磁场变化和时间，并传输给上位机；

4)通过推算电场、电流、磁场的各采样点GPS时间信息，对风机雷击电场、磁场和电流物理量数据进行同步。

2.根据权利要求1所述的风机叶片多物理量同步观测方法，其特征在于，雷电流采集、雷电场变化、雷电磁场变化的采集均采用50ns偏差的高精度GPS授时装置记录触发时间信息；对获取的风机叶片雷击电流、电场变化以及磁场变化数据进行插值运算，保证相邻数据点的时间间隔相同，记为t0，则可以根据任一采样点与触发点之间间隔的点数推算其GPS时间。

3.根据权利要求2所述的风机叶片多物理量同步观测方法，其特征在于，通过推算的各采样点GPS时间信息，以电场数据触发时刻为基准，找到电流、磁场数据中时间最接近的采样点，实现同步。

4.根据权利要求3所述的风机叶片多物理量同步观测方法，其特征在于，以电场数据触发时刻为基准，对带触发标志的图像为电场触发时刻对齐，实现同步。

5.根据权利要求1至4任一所述的风机叶片多物理量同步观测方法，其特征在于，所述雷电流采集系统、电场变化采集系统、雷电磁场变化系统的传感器内均设有差异化增益通道；

和/或，所述雷电流采集系统包括不同量程的电流传感器。

6.根据权利要求5所述的风机叶片多物理量同步观测方法，其特征在于，所述雷电流采集系统还包含积分电路模块、采集模块、GPS授时模块、存储模块和通讯模块。

7.根据权利要求1至6任一所述的风机叶片多物理量同步观测方法，其特征在于，所述雷电磁场变化采集系统包含低频环形正交磁天线、采集模块、GPS授时模块、存储模块和通讯模块。

8.根据权利要求1至7任一所述的风机叶片多物理量同步观测方法，其特征在于，所述电场变化采集系统包含平板天线、快积分电路、慢积分电路、采集模块、PS授时模块、存储模块和通讯模块。

9.根据权利要求1至8任一所述的风机叶片多物理量同步观测方法，其特征在于，所述图像采集系统包含触发模块、高速相机和工控机。

10.一种风机叶片多物理量同步观测系统，其特征在于，包括处理器，所述处理器内设有用于实现权利要求1至9任一所述的风机叶片多物理量同步观测方法的程序。

说明书： 一种风机叶片多物理量同步观测方法及其系统技术领域[0001] 本发明涉及雷击测量领域，尤其涉及一种风机叶片多物理量同步观测方法及其系统。

背景技术[0002] 风力发电作为电力系统中最为广泛应用的新能源发电技术，伴随着其装机容量和电场规模在近几年突飞猛进的增长，为了提升对风能资源和土地的利用效率，提高单台风

力发电机的装机容量是唯一的解决方法，目前世界上已投运的最大单台装机容量的风力发

电机高度接近200m。由于风电场一般坐落在野外较为空旷的平原或者近海区域，风机高度

的不断增加使得风力发电机极易遭受雷击，导致风电机组设备的雷击故障极为突出。运行

数据显示，美国德克萨斯州、堪萨斯州和伊利诺伊州近5年共304次风机叶片雷击故障进行

了统计分析，平均年雷击故障率高达11.9次/100台·年。通过对我国云南、贵州和山西等4

个典型风场近3年的防雷运行数据进行调查，统计结果表明我国风机叶片的年平均雷击损

坏率为9.8次/100台·年。

[0003] 由于风电场多建于雷电活动强烈山区，气象环境复杂，其雷击接闪过程复杂，雷击机理尚不清晰。风机叶片雷击过程的图像，电流以及电磁场数据的缺乏是目前难以完全解

决风电场雷击防护问题的主要瓶颈。为了有效获取风机叶片雷击事件相关数据，首先需要

提出一种有效的风机叶片多物理量同步观测方法，实现不同安装位置的观测设备的数据同

步，保证多物理量数据与同一雷击事件相关联。

发明内容[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种风机叶片多物理量同步观测方法及其系统，本发明可以实现风机叶片雷击事件的多物理量数据的时间同步。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：[0006] 一方面，本发明提供一种风机叶片多物理量同步观测方法，包括如下步骤：[0007] 1)通过雷电流采集系统采集雷电通道辐射产生的电压判断是否有雷击产生，若是，触发电场变化采集系统，进入步骤2)，若否，则不触发电场变化采集系统和图像采集系

统；

[0008] 2)电场变化采集系统触发后输出TTL电平并记录触发时间信息和电场变化信息，同时触发图像采集系统，采集图像数据并传输至上位机，上位机对图像数据分析判断是否

为有效数据；

[0009] 有效数据的判断方法为：逐帧计算图像灰度的最大值，当存在连续两幅图像之间的最大灰度差值超过设置的阈值时，认为此次雷电是处于相机视野内的有效数据，上位机

对图像数据进行保存，否则不保存图像数据；

[0010] 上位机完成一次触发得到的图像数据后，图像采集系统进入待触发状态；[0011] 3)触发电场变化采集系统的同时，触发雷电磁场变化测量系统，采集并记录雷击产生的磁场变化和时间，并传输给上位机；

[0012] 4)通过推算电场、电流、磁场的各采样点GPS时间信息，对风机雷击电场、磁场和电流物理量数据进行同步。

[0013] 进一步地，雷电流采集、雷电场变化、雷电磁场变化的采集均采用50ns偏差的高精度GPS授时装置记录触发时间信息；对获取的风机叶片雷击电流、电场变化以及磁场变化数

据进行插值运算，保证相邻数据点的时间间隔相同，记为t0，则可以根据任一采样点与触发

点之间间隔的点数推算其GPS时间。

[0014] 进一步地，通过推算的各采样点GPS时间信息，以电场数据触发时刻为基准，找到电流、磁场数据中时间最接近的采样点，实现同步。

[0015] 进一步地，以电场数据触发时刻为基准，对带触发标志的图像为电场触发时刻对齐，实现同步。

[0016] 进一步地，所述雷电流采集系统、电场变化采集系统、雷电磁场变化系统的传感器内均设有差异化增益通道。

[0017] 进一步地，所述雷电流采集系统包括不同量程的电流传感器。[0018] 进一步地，所述雷电流采集系统还包含积分电路模块、采集模块、GPS授时模块、存储模块和通讯模块。

[0019] 进一步地，所述雷电磁场变化采集系统包含低频环形正交磁天线、采集模块、GPS授时模块、存储模块和通讯模块。

[0020] 进一步地，所述电场变化采集系统包含平板天线、快积分电路、慢积分电路、采集模块、PS授时模块、存储模块和通讯模块。

[0021] 进一步地，所述图像采集系统包含触发模块、高速相机和工控机。[0022] 另一方面，提供一种风机叶片多物理量同步观测系统，包括处理器，所述处理器内设有用于实现所述的风机叶片多物理量同步观测方法的程序。

[0023] 采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：[0024] (1)本发明的有效图像数据的保存条件是满足图像采集系统灰度差超过阈值以及电场采集系统触发这两个条件均为真。尽管所述电场变化采集系统可以探测空间各个方向

的雷击事件，但是不在高速相机视野内的雷击事件不会导致图像采集系统灰度差超过阈

值，所以不会引入误触发。同时，图像采集系统可能由于飞机、鸟类等进入视野内引起灰度

差超过阈值，但是由于没有雷击事件，电场系统不会触发，所以图像采集系统不会保存数

据，从而相比于仅依据图像灰度进行触发判断的方案，有效减少了误触发，提高了数据保存

的有效性。

[0025] (2)本发明通过插值运算，保证了雷电流采集系统，雷电磁场变化采集系统，雷电电场变化采集系统采集模块采样率不匹配情况下的数据同步问题，提高了同步精度。

[0026] (3)本发明在图像采集系统中加入雷电图像灰度分析上位机，仅保留图像观测系统视野内的雷击事件图像。以图像采集系统灰度差超过阈值以及电场采集系统触发这两个

条件均为真为有效图像数据筛选依据，摒弃了无效数据，减少了误触发事件，提高了后期数

据分析效率。

[0027] (4)本发明在雷电流、雷电电场、雷电磁场测量系统传感器均配置差异化增益通道，在数据采集模块中均采用超长触发技术，保证了自然雷电全过程数据保存的完整性。

[0028] (5)本发明为搭建风机叶片雷击多物理量同步观测系统提供了一种可行的技术路线，分析相关多物理量数据可以获取风机遭受雷击的位置，时间，电流强度等信息，为风机

检修运维决策提供有效参考。

附图说明[0029] 上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

[0030] 图1是本发明的风机叶片多物理量同步观测方法的工作逻辑图；[0031] 图2是本发明的风机叶片多物理量同步观测方法的多物理量数据同步的分析工作逻辑图；

[0032] 图3是本发明的风机叶片多物理量同步观测系统的框图。具体实施方式[0033] 下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例

所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围

完整的传达给本领域技术人员。

[0034] 本发明提供一种风机叶片多物理量同步观测方法的实施例，如图1至图3所示，包括如下步骤：

[0035] 1)通过雷电流采集系统采集雷电通道辐射产生的电压判断是否有雷击产生，若是，触发电场变化采集系统，进入步骤2)，若否，则不触发电场变化采集系统和图像采集系

统；

[0036] 2)电场变化采集系统触发后输出TTL电平并记录触发时间信息和电场变化信息，同时触发图像采集系统，采集图像数据并传输至上位机，上位机对图像数据分析判断是否

为有效数据；

[0037] 有效数据的判断方法为：逐帧计算图像灰度的最大值，当存在连续两幅图像之间的最大灰度差值超过设置的阈值时，认为此次雷电是处于相机视野内的有效数据，上位机

对图像数据进行保存，否则不保存图像数据；

[0038] 上位机完成一次触发得到的图像数据后，图像采集系统进入待触发状态；[0039] 3)触发电场变化采集系统的同时，触发雷电磁场变化测量系统，采集并记录雷击产生的磁场变化和时间，并传输给上位机；

[0040] 4)通过推算电场、电流、磁场的各采样点GPS时间信息，对风机雷击电场、磁场和电流物理量数据之间进行同步。

[0041] 本发明的观测方法在具体应用时，如图1所示，未发生雷击事件时，电场变化采集系统与图像采集系统均处于待触发状态。当发生雷击事件时，电场测量系统被触发，电场测

量系统采集模块输出TTL电平。图像采集系统触发电路被TTL电平触发，拍摄图像数据。图像

数据被送入工控机，工控机安装的上位机逐帧计算图像灰度的最大值，当存在连续两幅图

像之间的最大灰度差值超过设置的阈值时，认为此次雷电是处于相机视野内的有效数据，

上位机对图像数据进行保存，否则不保存图像数据。上位机完成一次触发得到的图像数据

后，图像采集系统进入待触发状态。

[0042] 本发明的有效图像数据的保存条件是满足图像采集系统灰度差超过阈值以及电场采集系统触发这两个条件均为真。尽管所述电场变化采集系统可以探测空间各个方向的

雷击事件，但是不在高速相机视野内的雷击事件不会导致图像采集系统灰度差超过阈值，

所以不会引入误触发。同时，图像采集系统可能由于飞机、鸟类等进入视野内引起灰度差超

过阈值，但是由于没有雷击事件，电场系统不会触发，所以图像采集系统不会保存数据，从

而相比于仅依据图像灰度进行触发判断的方案，有效减少了误触发，提高了数据保存的有

效性。

[0043] 进一步地，雷电流采集、雷电场变化、雷电磁场变化的采集均采用50ns偏差的高精度GPS授时装置记录触发时间信息。

[0044] 进一步地，对获取的风机叶片雷击电流、电场变化以及磁场变化数据进行插值运算，保证相邻数据点的时间间隔相同，记为t0，则可以根据任一采样点与触发点之间间隔的

点数推算其GPS时间，通过推算的各采样点GPS时间信息，以电场数据触发时刻为基准，找到

电流、磁场数据中时间最接近的采样点，实现同步。以电场数据触发时刻为基准，对带触发

标志的图像为电场触发时刻对齐，实现同步。

[0045] 具体同步方法可以如图2所示，用户首先设置一等效采样率参数，之后分别对电场数据，磁场数据和电流数据进行插值运算，保证采样点间隔时间相同，记为t0。用户可以根

据任一采样点与触发点之间间隔的点数推算其GPS时间。以电场触发时刻与基准，查找磁场

和电流数据插值后所有采样点中时刻最接近的采样点实现同步。同时，由于电场触发时刻

同步触发了图像采集系统，因此直接令带触发标记的图像与电场触发时刻对齐，实现同步。

在使用偏差50ns以内的GPS授时装置的情况下，风机雷击电场，磁场和电流物理量数据之间

最大时间偏差为100+t0ns。图像数据与雷击电场数据进行同步时，最大时间偏差受图像采

集设备拍摄速度影响，假设每幅图片成像时间跨度为Tns，则最大时间偏差为T+50ns。

[0046] 进一步地，雷电流采集系统、电场变化采集系统、雷电磁场变化系统的传感器内均设有差异化增益通道。雷电流采集系统，雷电磁场变化采集系统，雷电电场变化采集系统均

包含GPS授时模块，可记录触发时刻时间信息。

[0047] 进一步地，雷电流采集系统包括不同量程的电流传感器。[0048] 本发明的风机叶片雷击多物理量同步观测系统包括雷电图像采集系统，雷电流采集系统，雷电电场变化采集系统及雷电磁场变化采集系统，具体为：(1)雷电电场采集系统

采用50ns偏差的高精度GPS授时装置记录触发时间信息；(2)雷电磁场采集系统采用50ns偏

差的高精度GPS授时装置记录触发时间信息；(3)雷电电场采集系统触发时同步输出TTL电

平信号，雷电电场采集系统触发时同步输出的TTL电平信号接入高速相机的外部触发接口，

同步触发雷电图像采集系统，图像采集系统对与触发时候对应的图像进行标记；(4)雷电图

像采集系统被触发后，图像数据被送至工控机上位机，工控机上位机逐帧计算图像灰度的

最大值，当存在连续两幅图像之间的最大灰度差值超过设置的阈值时，认为此次雷电是处

于相机视野内的有效数据，上位机对图像数据进行保存，否则不保存图像数据；(5)雷电流

采集系统采用50ns偏差的高精度GPS授时装置记录触发时间信息；(6)对获取的风机叶片雷

击电流，电场以及磁场数据进行插值，保证相邻数据点的时间间隔相同，记为t0，则可以根

据任一采样点与触发点之间间隔的点数推算其GPS时间；(7)基于上述方法，通过推算的各

采样点GPS时间信息，可以对风机雷击电场，磁场和电流物理量数据之间进行同步，最大时

间偏差为100+t0ns。图像数据与雷击电场数据进行同步时，最大时间偏差受图像采集设备

拍摄速度影响，假设每幅图片成像时间跨度为Tns，则最大时间偏差为T+50ns。(8)研究表

明，一次雷电过程持续时间长达数百毫秒，其中可能包含多次回击过程，同时雷击强度动态

范围差异很大。相比现有发明相关产品，本发明的雷电流、雷电电场与雷电磁场测量传感器

中均配置差异化增益通道，以响应不同强度的雷击事件；在数据采集模块中均采用超长触

发技术，预触发长度可达500ms以上，提升雷击全过程监测数据的质量。

[0049] 具体应用使，如图3所示，当发生雷击事件时，雷电通道辐射的垂直电场对电场采集系统的平板电容4进行极化得到感应电压。经积分电路5处理后触发采集模块6，采集模块

6触发时刻，GPS模块7将时间信息发送至采集模块6，采集模块6标记该采样点时间。采集模

块6触发时同步输出TTL电平信号。存储模块8将电场数据保存，同时经过通讯模块将数据发

送至远程数据中心3。当发生雷击事件时，雷电通道辐射的水平磁场对磁场采集系统的磁天

线9进行极化得到感应电压。感应电压触发采集模块11，采集模块11触发时刻，GPS模块12将

时间信息发送至采集模块11，采集模块11标记该采样点时间。存储模块12将磁场数据保存，

同时经过通讯模块将数据发送至远程数据中心3。当发生雷击事件时，雷电流流过电流传感

器14。经积分电路15处理后得到测量电压信号。测量电压信号触发采集模块17，采集模块17

触发时刻，GPS模块16将时间信息发送至采集模块17，采集模块17标记该采样点时间。存储

模块18将电场数据保存，同时经过通讯模块将数据发送至远程数据中心3。当图像采集系统

触发电路1收到采集模块6输出的同步TTL电平时，触发电路1触发高速相机2。高速相机2将

图像数据传输至工控机3。工控机3安装上位机软件，对图像数据进行分析，确认是否为有效

数据。工控机3同时用作远程数据中心3，接收并汇总电场、磁场与电流测量数据。

[0050] 雷电电场变化采集系统与雷电图像采集系统安装于同一位置，因此雷电电场采集系统触发时同步输出的TTL电平信号可以很方便地接入高速相机的外部触发接口，实现同

步触发。

[0051] 雷电流采集系统包含电流传感器，积分电路模块，采集模块，GPS授时模块，存储模块，通讯模块。

[0052] 磁场变化采集系统包含低频环形正交磁天线，采集模块，GPS授时模块，存储模块，通讯模块。

[0053] 电场变化采集系统包含平板天线，快积分电路，慢积分电路，采集模块，GPS授时模块，存储模块，通讯模块。

[0054] 图像采集系统包含触发模块，高速相机，工控机。[0055] 雷电流采集系统具备不同量程的电流传感器，满足自然雷电流幅值变化较大情况下的测量需求。雷电流采集系统包含GPS授时装置，用于记录触发时刻GPS时间。雷电流采集

系统包含通讯模块，用于将电流数据传输至远程数据中心。

[0056] 磁场变化采集系统具备GPS授时装置，用于记录触发时刻GPS时间。磁场变化采集系统包含通讯模块，用于将磁场数据传输至远程数据中心。

[0057] 电场变化采集系统具备GPS授时装置，用于记录触发时刻GPS时间。电场变化采集系统包含采集模块，用于将模拟电场数据数字化。采集模块触发时，会输出同步TTL电平信

号，可用于同步触发图像采集系统触发模块。电场变化采集系统包含通讯模块，用于将电场

数据传输至远程数据中心。

[0058] 图像采集系统包含触发模块，与电场变化采集系统采集模块TTL电平输出端口连接，用于同步触发高速相机。图像采集系统包含工控机，接收高速相机触发后拍摄的图像数

据。工控机安装定制开发的上位机软件，上位机软件逐帧计算图像灰度的最大值，当存在连

续两幅图像之间的最大灰度差值超过设置的阈值时，认为此次雷电是处于相机视野内的有

效数据，上位机对图像数据进行保存，否则不保存图像数据。基于上述工作机制，所述图像

采集系统数据的保存条件是满足图像采集系统灰度差超过阈值以及电场采集系统触发这

两个条件均为真。尽管所述电场变化采集系统可以探测空间各个方向的雷击事件，但是不

在高速相机视野内的雷击事件不会导致图像采集系统灰度差超过阈值，所以不会引入误触

发。同时，图像采集系统可能由于飞机、鸟类等进入视野内引起灰度差超过阈值，但是由于

没有雷击事件，电场系统不会触发，所以图像采集系统不会保存数据，从而相比于仅依据图

像灰度进行触发判断的方案，有效减少了误触发，提高了数据保存的有效性。

[0059] 图像采集系统工控机还用作远程数据中心，与雷电流采集系统，雷电磁场变化采集系统，雷电电场变化采集系统的通讯模块远程连接，接收并汇总测量数据。

[0060] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发

明的保护范围内。