超声波风速风向仪零度位置风向突变问题深度解析与完整解决方案

admin

1. 问题背景与现象描述

在某风电场25台风电机组中，所有机组均出现超声波风速风向仪在0°位置附近风向瞬时跳变的现象（如图1所示）。具体表现为：

• 当实际风向在0°（即360°）附近小幅波动时，传感器输出信号会突然跳变至130°~180°范围，随后快速恢复。
• 该现象具有重复性，且在多台设备上同时出现，排除单一设备故障的可能性。
  
  

影响：

• 风向数据异常可能导致机组偏航系统误动作，降低发电效率。
• 长期未解决可能引发控制系统误报警或保护性停机。
  
  

---

2. 故障排查与原因分析

作者团队通过逐步排除法，验证了以下可能原因：

2.1 电磁干扰（已排除）

• 排查过程：
  
  
  • 检查传感器接线（24V电源、信号线、接地）是否符合规范（如图3接线图）。
  • 确认控制器（AIO288模块）的参考地（REF）与电源地（COM）未短接，避免地环路干扰。
    
    
• 结论：现场接线正确，且电磁环境无异常，排除干扰可能性。
  
  

2.2 雷击浪涌干扰（已排除）

• 排查过程：
  
  
  • 检查防雷器（如图5）安装状态，确认电源和信号线均配备浪涌保护器。
  • 防雷器无击穿痕迹，且机组雷击记录无异常。
    
    
• 结论：雷击干扰可能性低。
  
  

2.3 传感器安装方向与算法缺陷（根本原因）

• 关键发现：
  
  
  • 超声波风向仪的N点（0°标记）默认对准机舱头部，而0°和360°对应相同的物理方向，但电流信号分别为4mA（0°）和20mA（360°）。
  • 当风向在0°附近波动时，电流可能在4mA与20mA之间跳变（如图10示波器截图），而控制器采样周期（50ms）可能捕获到跳变过程中的中间值（如12mA），误判为180°方向。
    
    
• 实验验证：
  • 场景1：N点对准机舱头部（0°方向）时，风向在0°附近出现跳变（图7、图8）。
  • 场景2：N点对准机舱尾部（180°方向）时，0°附近无跳变（图9）。
    
    
  
  

---

3. 解决方案与实施步骤3.1 硬件调整：重新安装传感器

• 调整N点方向：将超声波风速风向仪的N点旋转180°，使其对准机舱尾部（如图11、图12）。
• 精密校准：
  • 使用激光对准仪确保传感器与机舱轴线严格平行。
  • 固定螺栓时需使用扭矩扳手，避免振动导致偏移。
    
    
  
  

3.2 软件适配：修改控制逻辑

• 参数配置：在控制器中设置风向偏移量+180°，使0°对应实际机尾方向。
• 滤波算法优化：增加风向信号的滑动平均滤波（如10s均值），平滑瞬时跳变（图13黑线所示）。
  
  

---

4. 效果验证与长期稳定性

• 短期测试：调整后，0°附近风向曲线平滑，无突变（图13）。
• 长期跟踪：风场连续运行6个月后，未再出现类似故障，验证方案有效性。
  
  

---

5. 经验总结与扩展建议

• 安装规范：
  
  
  • 超声波风速风向仪的N点应避免对准机舱头部，推荐默认指向机尾或侧向（如90°）。
  • 安装后需进行动态测试，模拟0°附近风向波动，确认无跳变。
    
    
• 维护建议：
  • 定期检查传感器固定螺栓松紧度及防雷器状态。
  • 在控制器中增加跳变报警阈值，及时发现异常。
    
    
  
  

---

6. 讨论与互动

• 提问：
  
  
  • 其他风场是否遇到过类似问题？是否有不同的解决方案？
  • 对于非超声波式（如机械式）风向仪，0°跳变是否也存在？
    
    
• 案例分享：欢迎同行补充其他传感器（如Lidar）的风向数据处理经验！