楊彥利, 苗長(zhǎng)云

(天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 天津,300387)

引 言

隨著人類(lèi)環(huán)保意識(shí)的提高以及不可再生資源的日益枯竭,風(fēng)能受到了廣泛關(guān)注,已成為國(guó)際上可再生能源領(lǐng)域發(fā)展最快的清潔能源之一。截止到2009年底,全球風(fēng)機(jī)的發(fā)電量已占用電總量的 2%,我國(guó)的裝機(jī)總量已位居世界第2位[1]。風(fēng)電機(jī)組維護(hù)的高成本阻礙著風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的健康發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì),陸上和海上風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)費(fèi)用分別約占其收入的10%～ 15%和 20%～ 25%[2]。除了改進(jìn)風(fēng)電機(jī)組相關(guān)部件的設(shè)計(jì)來(lái)提高可靠性外,降低風(fēng)電成本的一個(gè)有效途徑是對(duì)風(fēng)電機(jī)組實(shí)施有效的狀態(tài)監(jiān)測(cè)[3-4]。但風(fēng)力機(jī)故障監(jiān)測(cè)存在其特殊性,大型風(fēng)力電場(chǎng)多布置于寬闊邊遠(yuǎn)地區(qū),惡劣的自然環(huán)境對(duì)風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)構(gòu)成挑戰(zhàn),而且經(jīng)常需要多位知名專(zhuān)家對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行異地診斷[5],因此有必要開(kāi)發(fā)風(fēng)電機(jī)組的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

目前,在線式風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)已在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中得到應(yīng)用[6-7],部分應(yīng)用還實(shí)現(xiàn)了基于廣域網(wǎng)的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè);但是,這些基于廣域網(wǎng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般只能實(shí)現(xiàn)對(duì)功率、轉(zhuǎn)速、電流和風(fēng)速等參數(shù)的監(jiān)測(cè),無(wú)振動(dòng)量監(jiān)測(cè),存在故障預(yù)警功能欠缺等缺點(diǎn)[8]。由于風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)信息的數(shù)據(jù)量非常大,受網(wǎng)絡(luò)傳輸速度慢的制約,基于振動(dòng)信號(hào)的廣域網(wǎng)多機(jī)組遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。筆者利用多采樣率信號(hào)處理技術(shù)來(lái)研究基于廣域網(wǎng)的風(fēng)電多機(jī)組遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

1 風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)

機(jī)械振動(dòng)是工程技術(shù)中普遍存在的一種現(xiàn)象。當(dāng)機(jī)器發(fā)生異常時(shí),一般都會(huì)隨之出現(xiàn)振動(dòng)加大并引起工作性能的變化,如影響工作精度、加劇磨損、加速疲勞破壞等,繼而進(jìn)一步加劇振動(dòng),造成惡性循環(huán),直至發(fā)生故障和破壞[9]。大型變速風(fēng)電機(jī)組的振動(dòng)問(wèn)題主要集中在4個(gè)方面[10]:a.風(fēng)輪的氣彈效應(yīng);b.機(jī)械傳動(dòng)鏈的扭曲振動(dòng),可能會(huì)受到氣動(dòng)效應(yīng)和電氣特性的激勵(lì);c.偏航運(yùn)動(dòng)引起的振動(dòng)問(wèn)題;d.風(fēng)輪塔架耦合的整機(jī)振動(dòng)。

雖然風(fēng)電機(jī)組的診斷方法有振動(dòng)監(jiān)測(cè)、超聲監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、潤(rùn)滑油監(jiān)測(cè)等多種方法,但由于風(fēng)力機(jī)故障經(jīng)常以振動(dòng)形式表現(xiàn)出來(lái),根據(jù)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與診斷是目前風(fēng)電機(jī)組維護(hù)管理的主要手段[5]。振動(dòng)監(jiān)測(cè)是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域最常用的方法之一,通過(guò)從時(shí)域、頻域、時(shí)頻域等角度對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析,進(jìn)而深入了解風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài),及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)或即將出現(xiàn)的故障。

對(duì)于風(fēng)電機(jī)組,振動(dòng)監(jiān)測(cè)主要用于監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)的軸承、主軸承、齒輪箱的齒輪和軸承,以及機(jī)艙等部件的振動(dòng)情況[11]。風(fēng)力機(jī)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)具有低轉(zhuǎn)速、動(dòng)載荷等特點(diǎn),低速軸和機(jī)艙的振動(dòng)頻率通常低于 10 Hz[11]。由于風(fēng)力渦輪機(jī)組的低速運(yùn)轉(zhuǎn)限制了振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法對(duì)于早期故障的識(shí)別,有效地提取風(fēng)電機(jī)組的低頻振動(dòng)信號(hào)已成為風(fēng)電機(jī)組遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。

2 多采樣率信號(hào)處理技術(shù)

多采樣率信號(hào)處理技術(shù)就是通過(guò)在一個(gè)信號(hào)處理系統(tǒng)中采用2個(gè)或2個(gè)以上的采樣速率,其目的是減少存儲(chǔ)量,降低計(jì)算復(fù)雜度,以便于信號(hào)的存儲(chǔ)、傳遞和處理等。多采樣率系統(tǒng)已在通信、語(yǔ)音信號(hào)處理、頻譜分析、雷達(dá)系統(tǒng)和天線系統(tǒng)等領(lǐng)域得到成功應(yīng)用[12]。

抽取和插值是多采樣率信號(hào)處理的基本模塊[13],如圖1所示。抽取就是取出信號(hào)序列x(n)位于整數(shù)倍抽取因子位置上的值作為新的序列,而插值則是在信號(hào)x(n)的相鄰樣本間插入p-1個(gè)樣本值,通常是插入零值。抽取過(guò)程可表示為

圖1 多采樣率信號(hào)處理的基本模塊

假設(shè)信號(hào)x(n)的離散采樣率為fs,那么經(jīng)抽取后,信號(hào)yd(n)采樣率變?yōu)閒s/D;經(jīng)插值后,信號(hào)yp(n)采樣率為fp/D。為了避免抽取過(guò)程產(chǎn)生混疊和插值過(guò)程產(chǎn)生鏡像,通常需要在抽取前和插值后加入低通濾波器。

3 多機(jī)組遠(yuǎn)程振動(dòng)診斷

基于多采樣率處理技術(shù)的風(fēng)電多機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖2所示,整個(gè)系統(tǒng)包括信號(hào)采集及預(yù)處理、多采樣率處理、廣域網(wǎng)傳輸、數(shù)據(jù)接收與信號(hào)處理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷等模塊。每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組上需要安裝多個(gè)傳感器,分別用于采集風(fēng)電機(jī)組的低速軸、高速軸和齒輪箱等關(guān)鍵零部件的軸向、徑向振動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)。針對(duì)風(fēng)力發(fā)電廠的若干發(fā)電機(jī)組,整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程如下:首先,通過(guò)傳感器分別采集每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的振動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào),并將采集到的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)預(yù)處理后變成離散信號(hào);然后,根據(jù)轉(zhuǎn)速信號(hào)計(jì)算抽樣因子,對(duì)離散振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行多采樣率處理,通過(guò)廣域網(wǎng)將多采樣率處理后的振動(dòng)信號(hào)發(fā)送到遠(yuǎn)程接收端;最后,通過(guò)在遠(yuǎn)程接收端分析接收到的振動(dòng)信號(hào)來(lái)識(shí)別設(shè)備的狀態(tài)并進(jìn)行故障診斷,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電多機(jī)組狀態(tài)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在進(jìn)行廣域網(wǎng)傳輸?shù)耐瑫r(shí),將數(shù)據(jù)文件保存于本地局域網(wǎng)內(nèi),以免由于網(wǎng)絡(luò)故障而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失,既起到備份數(shù)據(jù)的作用,也可以用于設(shè)備狀態(tài)的本地診斷。

圖2 風(fēng)電多機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

多采樣率信號(hào)處理模塊如圖 3所示,首先計(jì)算得到抽樣因子,再根據(jù)抽樣因子來(lái)構(gòu)造低通濾波器,對(duì)振動(dòng)信號(hào)抗混疊低通濾波后進(jìn)行二次抽樣處理。對(duì)于低速軸和高速軸,抽樣因子D的計(jì)算公式為

其中:c≥ 2,為一常數(shù);m為諧波次數(shù);nr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

對(duì)于齒輪箱,抽樣因子D應(yīng)滿足

其中:fm為轉(zhuǎn)子速度為nr時(shí)齒輪的嚙合頻率。

圖3 多采樣率信號(hào)處理模塊

圖3中的低通濾波器起抗混疊濾波的作用。理想的抗混疊低通濾波器h(n)的幅頻響應(yīng)特性[13]為

其中:k=2 πf/fs。

這意味著在抽取前,低通濾波器濾掉了信號(hào)中頻率高于k=π/D的成分,進(jìn)而在二次抽樣后,以較低的采樣頻率采集到了風(fēng)電機(jī)組不同監(jiān)測(cè)對(duì)象的低頻振動(dòng)信號(hào)。

實(shí)際應(yīng)用中,風(fēng)速隨時(shí)間的變化會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速具有時(shí)變性。根據(jù)式(2)和式(3)可知,抽樣因子能夠自適應(yīng)地變化,但抽樣因子的時(shí)變性與其穩(wěn)定性構(gòu)成一對(duì)矛盾。抽樣因子的快速變化會(huì)增加后續(xù)信號(hào)處理的難度。為了便于后續(xù)的頻譜分析,對(duì)于長(zhǎng)度為 2冪次方的原始數(shù)據(jù),可以取抽樣因子為2的冪次方。這樣,在兼顧抽樣因子自適應(yīng)變化的同時(shí),在一定程度上穩(wěn)定了抽樣因子。另外,抽樣因子太大,會(huì)造成相鄰兩個(gè)離散點(diǎn)的時(shí)間間隔過(guò)大,而遠(yuǎn)程接收到的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度就會(huì)很小,這不便于設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。由此可知,為了減少數(shù)據(jù)量需要盡可能增大抽樣因子,而從設(shè)備監(jiān)測(cè)的角度則限制了大抽樣因子的使用,故需要綜合考慮來(lái)選擇抽樣因子。

二次采樣后的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)廣域網(wǎng)發(fā)送到遠(yuǎn)程接收端,實(shí)現(xiàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)的異地分析。用于振動(dòng)信號(hào)分析的方法有:時(shí)域波形、軸心軌跡、瀑布圖、全息譜、全頻譜、包絡(luò)分析、AR譜分析、趨勢(shì)分析、統(tǒng)計(jì)分析、自相關(guān)分析、自功率譜分析、倒譜分析、細(xì)化譜分析、解調(diào)分析、幅值譜分析、頻譜分析、短時(shí)傅里葉變換、小波變換、小波包變換、分?jǐn)?shù)階傅里葉變換、Wigner-Ville分布、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解信號(hào)處理、高階統(tǒng)計(jì)量信號(hào)處理和基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專(zhuān)家系統(tǒng)等分析方法。通過(guò)時(shí)域、頻域、時(shí)頻域等角度從振動(dòng)信號(hào)中提取出風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)特征信息,進(jìn)而利用振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。

4 仿真分析

以德國(guó) Repower公司的 5 M風(fēng)力發(fā)電裝置為例,其主要參數(shù)為[14]:風(fēng)輪轉(zhuǎn)速6.9～ 12.1 r/min,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速670～ 1 170 r/min。假如每個(gè)機(jī)組布置 32個(gè)傳感器,其中 24個(gè)電渦流傳感器,其采樣頻率為10 kHz,用于低速軸和高速軸等零部件的振動(dòng)信號(hào)采集;其余 8個(gè)為加速度傳感器,其采樣頻率為 20 kHz,用于齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)采集。

經(jīng)每個(gè)電渦流傳感器采集形成整數(shù)型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量為40 kB/s,經(jīng)每個(gè)加速度傳感器采集形成整數(shù)型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量為每秒鐘 80 kB/s,這樣,每秒鐘就會(huì)產(chǎn)生 1 600 kB的整數(shù)型數(shù)據(jù)。假定壓縮成 rar格式,按照標(biāo)準(zhǔn)壓縮方式進(jìn)行壓縮,壓縮比大致為 7∶1,對(duì)于 4 MB帶寬的網(wǎng)絡(luò),其網(wǎng)絡(luò)速度理想值大致為 364 kB/s,只能實(shí)現(xiàn)1臺(tái)風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)的廣域網(wǎng)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)傳輸。在轉(zhuǎn)速為12.1 r/min的情況下,不同部件振動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)量及二次抽樣后數(shù)據(jù)量的對(duì)比如表1所示。由表1可知,1 600 kB的數(shù)據(jù)經(jīng)二次抽樣處理后縮減為 85 kB,可實(shí)現(xiàn) 29臺(tái)風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)在4 MB帶寬的廣域網(wǎng)上進(jìn)行遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)傳輸。

表1 不同部件振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)量與抽樣后數(shù)據(jù)量的對(duì)比

在轉(zhuǎn)速為12.1 r/min情況下,發(fā)電機(jī)軸的仿真振動(dòng)信號(hào)如圖 4所示,經(jīng)多采樣率處理模塊抽樣后的仿真振動(dòng)信號(hào)如圖 5所示。由圖 4和圖 5可以看出,經(jīng)二次抽樣后,發(fā)電機(jī)軸的振動(dòng)信號(hào)及其諧頻得到了很好的保留,結(jié)合表 1可知數(shù)據(jù)量的減小十分明顯。

圖4 發(fā)電機(jī)軸的仿真振動(dòng)信號(hào)及其頻譜

圖5 二次抽樣后的仿真振動(dòng)信號(hào)及其頻譜

5 結(jié)束語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò)速度是基于廣域網(wǎng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)狀態(tài)檢測(cè)的瓶頸,針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)信號(hào)的低頻特性,設(shè)計(jì)了用多采樣率信號(hào)處理技術(shù)來(lái)處理振動(dòng)信號(hào),以減小包含振動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)文件所占用的存儲(chǔ)空間。經(jīng)仿真對(duì)比可知,多采樣率信號(hào)處理技術(shù)處理后的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)量減小十分明顯。借助于多采樣率信號(hào)處理技術(shù),在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)條件下可實(shí)現(xiàn)基于振動(dòng)信號(hào)的廣域網(wǎng)風(fēng)電多機(jī)組狀態(tài)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

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