王 林，李會鵬，王 平，田貴云

（1.國華（東臺）風電有限公司，東臺 224200；2.南京航空航天大學 自動化學院，南京 210016）

隨著全球能源緊缺，風力發(fā)電作為一種清潔能源，在國內(nèi)外得到了快速發(fā)展。我國風力資源豐富，具有商業(yè)化和規(guī)?；l(fā)展的潛力。現(xiàn)有風電機組的運行時間大大增加，風電機組的故障率也隨之提高。如何從技術(shù)手段上對風力發(fā)電設(shè)備進行安全運行監(jiān)控是一項亟需解決的問題。目前常用的手段有力、位移、振動、溫度、現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)控等方式［1］，但是由于風力發(fā)電設(shè)備現(xiàn)場情況復雜，單一的檢測手段已經(jīng)不能滿足其安全運行的需要。筆者從振動分析、溫度采集、煙霧報警以及環(huán)境視頻監(jiān)控四個方面對其安全狀況進行監(jiān)控和評估。

1 風力發(fā)電設(shè)備安全狀況分析

通過統(tǒng)計分析得出，風力發(fā)電設(shè)備實際運行中的故障和安全隱患主要分為以下幾種［2］：

1.1 機械故障

齒輪箱作為風力發(fā)電設(shè)備中的傳動設(shè)備，受力較大且受力情況復雜。在多次較大應力循環(huán)作用下，其齒輪容易因為疲勞而產(chǎn)生裂紋，甚至折斷；軸承在運轉(zhuǎn)過程中，由于潤滑不足、長期應力集中等方面的原因，也容易產(chǎn)生疲勞、表面剝落、裂紋等缺陷，使軸承失效，對整機設(shè)備的安全運行造成隱患。

1.2 溫度異常

齒輪箱油溫是齒輪箱非常重要的狀態(tài)參數(shù)，可以反映齒輪箱的工作狀態(tài)是否正常。由于風電機組長時間處于滿負荷工作狀態(tài)，潤滑油因齒輪箱發(fā)熱而溫度上升超過正常值，導致油溫異常時應引起運行人員的高度重視。在未找到溫度異常原因之前，應該避免盲目開機使故障范圍擴大，造成不必要的經(jīng)濟損失。

1.3 火災隱患

對于風力發(fā)電設(shè)備來說，其內(nèi)部特殊的構(gòu)造會使得現(xiàn)有的高效防火解決方案面臨嚴峻挑戰(zhàn)。強氣流的狹小空間內(nèi)容納了各種機械和電氣設(shè)備，高壓系統(tǒng)加上工作區(qū)內(nèi)溫度的上升，使火災風險大大增加。所以利用煙霧報警傳感器對設(shè)備內(nèi)部進行煙霧報警對于預防火災，降低經(jīng)濟損失具有實用意義。

1.4 現(xiàn)場環(huán)境異常

由于風力發(fā)電設(shè)備的復雜性，其故障也多種多樣。除了常見的機械故障、油溫異常以及火災隱患，風電場運維人員需要隨時在主控室觀看機艙內(nèi)的實時狀況。發(fā)生事故時，運維人員能夠第一時間觀察到現(xiàn)場畫面，從而做出初步判斷?，F(xiàn)場視頻方案的應用為運維人員盡早解決問題提供了有利信息，同時也為事后判斷故障原因帶來很大幫助。

2 系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)

通過對風力發(fā)電設(shè)備安全運行狀況的分析，采用齒輪箱振動監(jiān)測、油溫監(jiān)測、煙霧報警以及環(huán)境視頻監(jiān)控四種方式對其運行狀況進行全面監(jiān)控。采用DSP＋ARM的方式，DSP模塊負責傳感器數(shù)據(jù)（包括振動傳感器、溫度傳感器、煙霧報警器）的采集和處理，然后通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)實時上傳到遠程服務器，并且通過串口將數(shù)據(jù)保存在本地ARM模塊中?；谇度胧絃inux系統(tǒng)的ARM模塊同時負責視頻信號的采集，并且可以通過選配的3G模塊將視頻圖像傳輸?shù)胶笈_服務器。其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)框圖

3 風力發(fā)電齒輪箱安全運行監(jiān)測方法

3.1 齒輪箱振動監(jiān)測

任何機械設(shè)備在運轉(zhuǎn)時都會產(chǎn)生機械振動，所以通過對風電機組齒輪箱產(chǎn)生的振動信號進行時域和頻域分析可以進行故障診斷。齒輪箱中各部件的結(jié)構(gòu)不同導致了各部件產(chǎn)生的振動信號也有相應的差異，對應的頻域分析也會得到不同的結(jié)果。當某一組件出現(xiàn)故障時就會產(chǎn)生異常的振動信號，分析這些振動信號就可以較早地判斷出風電機組齒輪箱發(fā)生故障的部分和損壞程度［3］，及時進行維修，很大程度上可以避免這些故障隱患帶來的損失。

筆者采用加速度度傳感器（ADXL337）采集齒輪箱振動信號，通過安裝在風機上的DSP微處理器（DsPIC30f6014A）對數(shù)據(jù)進行預處理，然后通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)胶笈_服務器［4］進行存儲、分析，實現(xiàn)齒輪箱振動狀況的實時在線監(jiān)控。其中的數(shù)據(jù)處理部分流程為：測點選擇→數(shù)據(jù)處理→時域處理→頻域處理→頻譜分析→故障診斷。

因為齒輪箱有多級傳動，所以選擇多個測點進行測量，測點選擇如圖2所示。

圖2 齒輪箱振動測點選擇

首先根據(jù)各級轉(zhuǎn)軸和齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率和嚙合頻率，選擇不同的采樣頻率。然后對采集到的信號進行IIR濾波和FFT變換從而得到相應的頻譜圖，由此判斷在哪些頻率點出現(xiàn)異常。最后與各個部件的正常振動時的頻率特性進行比較，就可以定位故障部位［5－6］。

3.1.1 時域振動信號分析

圖3為正常和故障情況下相同測點的時域振動信號。對比可見，故障情況下時域信號波動較大，并且被調(diào)制上一個明顯的周期信號，其頻率大概為20Hz。

3.1.2 頻域分析

圖3 齒輪箱不同測點不同情況時的時域振動信號

圖4 不同情況下測點5的振動加速度頻譜圖

圖4分別是正常和故障情況下測點5的頻譜圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，除了測點5的固有旋轉(zhuǎn)頻率外，故障情況下在20Hz左右還有一個較大的頻率成分，該頻率成分和時域圖中的周期基本吻合，從而可以定位5號測點存在故障。

3.2 齒輪箱油溫監(jiān)測

在上述安裝加速度傳感器的部位同時安裝溫度傳感器，采集齒輪箱各個點的溫度值。當溫度超過85℃時表明出現(xiàn)溫度異常，向后臺服務器發(fā)送溫度報警。

選用的溫度傳感器為DS18B20。這是一種單總線式溫度傳感器，只需要一根總線就可以實現(xiàn)通信，并且可以在一根總線上掛接多個設(shè)備，其溫度測量范圍為－55～125℃ ，輸出為可編程的9～12位數(shù)字信號，每次溫度探測需要時間750ms。

圖5是某一通道的溫度曲線。從中可以看出，當齒輪箱溫度出現(xiàn)異常時，會有一個溫度緩慢升高的過程，當其超過85℃時就會發(fā)出報警。

圖5 齒輪箱油溫曲線

3.3 煙霧報警

針對風力發(fā)電機艙內(nèi)的火災隱患，采用煙霧傳感器對其進行實時監(jiān)控。選用的傳感器為 MQ－2，它是一種電阻控制型氣敏器件，其阻值隨被測氣體的濃度而變化，將被測氣體的濃度信號轉(zhuǎn)換成相應的電信號。MQ－2適用于對液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測，其探測靈敏度特性曲線如圖6所示，其中Rs和Ro是傳感器外圍電阻值。

在實際使用中，MQ－2在放置一段時間后再通電使用時，有一個大約10min的初期穩(wěn)定時間。所以，為了避免通電開始時的誤報動作，在程序中設(shè)計了15min的延時，只有在上電15min后探測到氣體濃度超過某一設(shè)定值時，系統(tǒng)才會向服務器發(fā)出煙霧報警。

3.4 現(xiàn)場視頻監(jiān)控

圖6 MQ－2靈敏度特性曲線

隨著USB攝像頭的普及和基于ARM的嵌入式Linux的發(fā)展，兩者的結(jié)合使便攜式視頻圖像采集成為可能。該視頻監(jiān)控模塊基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)，ARM硬件選用三星公司的S3C6410處理器，基于ARM1176JZF－S內(nèi)核架構(gòu)，主頻為533MHz，最高可達667MHz，外接256MB DDR RAM，2GB MLC2Nand Flash，并且可以外接SD存儲卡，USB接口和LCD液晶觸摸屏接口。攝像頭采用中芯微的301P方案USB攝像頭，硬件30萬像素，插值500萬像素，速率30fps／s，最高分辨力可達1280×960像素。

Video4Linux2（簡稱v4l2）是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動。它針對視頻設(shè)備的應用程序編程提供一系列接口函數(shù)，這些視頻設(shè)備包括現(xiàn)今市場上流行的TV卡、視頻捕捉卡和USB攝像頭等［8］。

在Linux下，應用程序可以按操作普通文件一樣來操作外部設(shè)備，可以使用和操作文件中相同的、標準的系統(tǒng)調(diào)用接口函數(shù)來完成對硬件設(shè)備的打開、關(guān)閉、讀寫以及控制操作。選用系統(tǒng)中所用USB攝像頭的設(shè)備名為“／dev／video0”，視頻捕捉的具體程序流程如圖7所示。

4 遠程數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控服務器設(shè)計

系統(tǒng)中所有的數(shù)據(jù)，包括齒輪箱振動數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、煙霧報警信息以及視頻圖像都需要實時傳輸?shù)竭h程服務器端，進行存儲和顯示，以方便風機運維人員實時監(jiān)測了解風機設(shè)備運行狀況。

4.1 GPRS網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸

由于風力發(fā)電設(shè)備一般處于比較偏遠的地區(qū)，所以系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)傳輸采用GPRS的方式，選用的模塊為SIMCOM公司的SIM900A。它屬于雙頻GSM／GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，性能穩(wěn)定、外觀精巧、性價比高、最大上行速率可達16kbps，下行速率可達86kbps。并且其封裝了ht－tp協(xié)議棧，通過串口發(fā)送AT命令就可以實現(xiàn)http的get或者post操作，將加速度數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、煙霧報警數(shù)據(jù)發(fā)送給web服務器。

圖7 視頻捕捉程序流程圖

4.2 3G網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸

USB攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)需要同步上傳到后臺服務器。由于圖像數(shù)據(jù)信息量較大，所以采用GPRS方式已經(jīng)不能滿足圖像上傳的需要，需要采用3G數(shù)據(jù)傳輸。項目可以選配一個3G模塊，采用的是聯(lián)通WCDMA制式，其下行速率14.4Mbps，上行5.76Mbps，而USB攝像頭設(shè)置的采集圖像為320×240像素，一幀圖像大小大約10K，為了節(jié)省流量，項目實際每10s上傳一幀圖像數(shù)據(jù)。

4.3 后臺web服務器設(shè)計

為了實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時瀏覽以及歷史數(shù)據(jù)的存儲，系統(tǒng)還設(shè)計了一個基于web的服務器的GPRS模塊或者是3G模塊，可以通過http操作的方式將數(shù)據(jù)上傳到web服務器，風力發(fā)電運維人員就可以通過網(wǎng)頁形式查看風機當前的運行狀況，并且可以設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)［4］。

5 結(jié)語

分析了風機運行故障，提出并設(shè)計了一套風力發(fā)電設(shè)備安全運行監(jiān)控系統(tǒng)。利用多種方式采集設(shè)備運行數(shù)據(jù)，能夠在不影響風機正常工作的情況下實時監(jiān)測風機運行狀況，對保障風機安全運行，提早發(fā)現(xiàn)風機故障，降低經(jīng)濟損失具有重要意義。

［1］ 蘇鳳岐.基于MMA7260QT的風力發(fā)電振動在線監(jiān)測系統(tǒng)［J］.信息科技，2011（11上）：231－232.

［2］ TSAI CS，HSIEH CT，HUANG SJ.Enhancement of damage－detection of wind turbine blades via CWT－based approaches［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2006，21（3）：776－781.

［3］ 蘇杭.機械設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1999：88－90.

［4］ 黎洪生，何嶺松，史鐵林，等.基于B／S的遠程故障診斷專家系統(tǒng)研究［J］.武漢工業(yè)大學學報，1999，21（4）：39－41.

［5］ 張玉.基于振動信號分析的齒輪箱故障診斷［J］.儀器儀表與分析監(jiān)測，2011（1）：20－24.

［6］ 唐德修.設(shè)備機械故障預測技術(shù)［M］.成都：西南交通大學出版社，2007：8－12.

［7］ 徐明超.風電火災原因及防火對策［J］.消防科學與技術(shù)，2011（30）：1073－1074.

［8］ 王軍.風電機艙的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)［D］.安徽：安徽理工大學，2010.