張偉鵬,徐健2,楊濤,高偉,陳杰,張聘亭

(1.華中科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430074；2.上海瑞視儀表電子有限公司，上海 201612)

適應(yīng)于多種類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

張偉鵬1,徐健2,楊濤1,高偉1,陳杰1,張聘亭1

(1.華中科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430074；2.上海瑞視儀表電子有限公司，上海 201612)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于其惡劣的工作環(huán)境以及其復(fù)雜多變的工況，在運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)故障，導(dǎo)致停機(jī)維修，造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。而當(dāng)前已經(jīng)有開發(fā)了一些在線監(jiān)測系統(tǒng)，大多是只針對一種形式結(jié)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，而往往風(fēng)場中會存在多種類型的風(fēng)機(jī)：如雙饋式的、直驅(qū)式的、還有半直驅(qū)式的，而每種風(fēng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在著很大的差別，各有優(yōu)異。針對當(dāng)前的實(shí)際情況，開發(fā)了一套針對多種類型的風(fēng)力機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)置、監(jiān)測界面都融合了多種形式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在自制的模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)的臺架上試運(yùn)行已經(jīng)取得了理想的效果。

風(fēng)力發(fā)電；故障診斷；在線監(jiān)測；雙饋式；直驅(qū)式

0 引言

隨著全球能源短缺的問題日益突出，新能源的開發(fā)顯得更為迫切。核能、太陽能、風(fēng)能等都憑借其各自優(yōu)勢得到了一定的發(fā)展，核能因日本福島核電站事故的發(fā)生，安全性被各界所質(zhì)疑，太陽能長期以來的因其穩(wěn)定性及技術(shù)尚未成熟也在一定程度上扼制了其發(fā)展速度。而風(fēng)電技術(shù)日趨成熟，且分布廣泛，近幾年得到了快速發(fā)展。但風(fēng)電由于其一般地處沙漠、草原、海上等偏遠(yuǎn)地區(qū)，且環(huán)境惡劣，造成風(fēng)機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)故障，且維修不方便，在沒有遠(yuǎn)程在線監(jiān)測時(shí)，每當(dāng)風(fēng)力機(jī)發(fā)生故障時(shí)都需要去現(xiàn)場，長時(shí)間的停機(jī)維修，從而增加了機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)成本，降低了風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)效益。因此，無論是從降低風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，還是減少運(yùn)作成本的角度考慮，都需要大力發(fā)展風(fēng)力機(jī)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)[1]。而目前我國對狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究還處在初始階段[2]。

由于每種風(fēng)力發(fā)電機(jī)的類型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，造成了不同風(fēng)力發(fā)電機(jī)的需要重點(diǎn)監(jiān)測的位置也有所區(qū)別，對于直驅(qū)式的風(fēng)力機(jī)發(fā)電機(jī)是其故障的主要來源，所以需要重點(diǎn)監(jiān)測其電子與轉(zhuǎn)子間的間隙，而雙饋式的風(fēng)力機(jī)齒輪箱是造成停機(jī)時(shí)間最長的故障，所以監(jiān)測齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)是重中之重。先前的大部分在線監(jiān)測系統(tǒng)只考慮了其中一種類型的風(fēng)力機(jī)，或者是將不同類型的風(fēng)力機(jī)采用不同的在線監(jiān)測系。針對當(dāng)前實(shí)際情況開發(fā)了一套可遠(yuǎn)程的適用于多種類型風(fēng)機(jī)的在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 在線監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示的在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體框架圖，振動數(shù)據(jù)與工藝數(shù)據(jù)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)傳感器、數(shù)據(jù)采集器傳送到數(shù)據(jù)庫中保存，采集器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器放置于風(fēng)場，客戶通過有線網(wǎng)絡(luò)的形式訪問服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，這樣工作人員就可以遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的在線監(jiān)測。不同的工作人員可以根據(jù)

自己的需求監(jiān)測不同的風(fēng)機(jī)，做不同的數(shù)據(jù)處理，互相之間不受影響。

圖1 系統(tǒng)總體示意圖Fig.1 System schematic diagram as a whole

2 測點(diǎn)布置

為了得到有效地監(jiān)測，需要對整個(gè)風(fēng)機(jī)全面監(jiān)測，包括機(jī)艙、塔架、軸承、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等[3]。風(fēng)電機(jī)組現(xiàn)場測量點(diǎn)選擇的不同，對于監(jiān)測系統(tǒng)信號分析具有很大的影響，根據(jù)目前風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況，通常齒輪箱齒輪及其軸承、發(fā)電機(jī)及其軸承是較容易發(fā)生故障的部件。因此在本文的監(jiān)測中,將齒輪箱前后軸承、發(fā)電機(jī)前后軸承分別作為重點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)，同時(shí)兼顧塔架等整個(gè)風(fēng)機(jī)。根據(jù)發(fā)電機(jī)的類型不同采用不同的測點(diǎn)布置方式，如表1所示。

表1 風(fēng)電機(jī)組測點(diǎn)選擇Table 1 The selecting of measuring point of wind turbines

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與管理

為了能夠很好地反應(yīng)出風(fēng)機(jī)的故障，有時(shí)候需要長時(shí)間的保留風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)，才能有效的提取出風(fēng)機(jī)的故障特征，所以有效的采集和管理數(shù)據(jù)關(guān)系到整個(gè)風(fēng)場的監(jiān)測和診斷。

3.1數(shù)據(jù)采集

風(fēng)機(jī)的振動數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)化為電信號，接入采集器的模擬通道，模擬通道電壓輸入范圍為-20V-20V，能夠適應(yīng)各種在該電壓范圍內(nèi)的各種振動傳感器。數(shù)字通道可以接入0～24V電平，根據(jù)高低電平值得設(shè)定用做脈沖計(jì)數(shù)和采集轉(zhuǎn)速信號 。一個(gè)采集器有多個(gè)數(shù)字通道和模擬通道，通過撥碼開關(guān)來選擇接入傳感器的類型。系統(tǒng)采樣方式分為定頻率、同步整周期、和連續(xù)采樣3種模式。當(dāng)轉(zhuǎn)速信號接入正常時(shí)采用的是同步整周期采樣，而當(dāng)轉(zhuǎn)速通道由于傳感器損壞等原因造成轉(zhuǎn)速信號異常時(shí)，系統(tǒng)自動切入定頻率采樣模式，防止數(shù)據(jù)丟失。連續(xù)采樣主要是為了實(shí)現(xiàn)故障數(shù)據(jù)追憶。

3.2數(shù)據(jù)管理

3.2.1 數(shù)據(jù)量的估算

雙饋式風(fēng)力機(jī)存儲的是振動的原始波形及時(shí)域和頻域指標(biāo)數(shù)據(jù)，波形數(shù)據(jù)采集1024個(gè)點(diǎn)，按照4KB計(jì)算，指標(biāo)數(shù)據(jù)每條按照0.5KB計(jì)算。

直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)同時(shí)包含振動數(shù)據(jù)及氣隙數(shù)據(jù)，振動數(shù)據(jù)與雙饋式風(fēng)力機(jī)一樣，氣隙數(shù)據(jù)每條128個(gè)點(diǎn)，按照0.5KB計(jì)算。

一個(gè)風(fēng)場按100臺風(fēng)機(jī)，根據(jù)測點(diǎn)布置可知一臺雙饋式風(fēng)力機(jī)有14個(gè)振動測點(diǎn)。一臺直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)有8個(gè)振動測點(diǎn)和5個(gè)氣隙測點(diǎn)。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)量保存前8條數(shù)據(jù)記錄，當(dāng)前數(shù)據(jù)量保存近兩天的數(shù)據(jù)，每10min采集一條記錄，歷史數(shù)據(jù)保存一年的數(shù)據(jù)記錄。

假如一個(gè)風(fēng)場都安裝雙饋式或者都安裝直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的情況下，一個(gè)風(fēng)場需要保存的數(shù)據(jù)量，如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)庫中不同存儲方式下的數(shù)據(jù)量Table 2 The amount of data under different storage in a database

3.2.2 數(shù)據(jù)管理

一臺風(fēng)力機(jī)測點(diǎn)很多，為了保證達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測的效果，通常需要很高的采集密度，造成了數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)量龐大，因此必須具備完善的系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理體制。之前的很多在線監(jiān)測系統(tǒng)不能長時(shí)間的保存數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)容易丟失，導(dǎo)致要進(jìn)行故障診斷仍必須進(jìn)行許多專門的試驗(yàn)，這些無疑增加故障分析的難度和成本。該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫中分有多

個(gè)數(shù)據(jù)庫，每臺風(fēng)機(jī)根據(jù)各自相應(yīng)的采集卡輸入到對應(yīng)編號的數(shù)據(jù)庫中，這樣采用編號式的存儲方式能夠高效、合理的將數(shù)據(jù)存儲下來，而不會造成數(shù)據(jù)遺漏、紊亂、丟失，而且當(dāng)需要相應(yīng)的調(diào)取風(fēng)機(jī)的歷史數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過編號很方便快捷的找到該臺風(fēng)機(jī)的數(shù)據(jù)。同時(shí)利用實(shí)時(shí)、當(dāng)前和歷史保存模式，每種模式根據(jù)需要不一樣保存的數(shù)據(jù)時(shí)間長度和采集的時(shí)間密度也不一樣，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)因?yàn)橐磻?yīng)風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，所以采集的密度很大而保存的時(shí)間范圍小，而歷史數(shù)據(jù)保存的時(shí)間域度很大，每條數(shù)據(jù)保存的間隔相對較大。每條數(shù)據(jù)根據(jù)采樣時(shí)間都有一條時(shí)間刻度，這樣當(dāng)需要查詢分析數(shù)據(jù)是可以根據(jù)時(shí)間刻度去查找。這種方式也從時(shí)間軸上很好的管理了數(shù)據(jù)庫，有助于后期的數(shù)據(jù)追憶。

4 系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置

4.1使用組態(tài)式參數(shù)設(shè)置需求分析

目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)有直驅(qū)式、雙饋式、半直驅(qū)式3種類型，每種類型的風(fēng)機(jī)都有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢，如直驅(qū)式發(fā)電機(jī)由于其沒有齒輪箱，減少了傳動耗損提高了機(jī)組的發(fā)電效率且相對雙饋式發(fā)電機(jī)而言傳動部件的故障率減少，提升了機(jī)組的運(yùn)行可靠性，運(yùn)行維護(hù)成本較低。于此相比，雙饋式的發(fā)電機(jī)由于存在齒輪箱，發(fā)電機(jī)的極數(shù)比直驅(qū)式的風(fēng)機(jī)小很多，且直驅(qū)式發(fā)電機(jī)直接與低速風(fēng)輪相連，各種沖擊載荷也全部由發(fā)電系統(tǒng)承受，發(fā)電機(jī)構(gòu)非常復(fù)雜，因此雙饋式發(fā)電機(jī)對發(fā)電機(jī)的要求沒有直驅(qū)式的高[4]。由于不同類型的風(fēng)力機(jī)各自都具有自身的優(yōu)勢，目前風(fēng)場中兩種類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)都廣泛存在，甚至為了彌補(bǔ)兩者的缺陷，涌現(xiàn)了一種新型發(fā)電機(jī)，半直驅(qū)式發(fā)電機(jī)。因此鑒于各自的結(jié)構(gòu)存在著很大的差異，所以對其的監(jiān)測診斷方式也各有不同。直驅(qū)式的風(fēng)力機(jī)由于載荷幾乎全由發(fā)電機(jī)承受，所以監(jiān)測的重點(diǎn)即為發(fā)電機(jī)部分，即定子與轉(zhuǎn)子之間的間隙，而雙饋式發(fā)電機(jī)升速部位主要在齒輪箱，齒輪箱這時(shí)承受了大部分的載荷，因此齒輪箱是雙饋式發(fā)電機(jī)故障比例最高的傳動部件，不言而知齒輪箱是在線監(jiān)測系統(tǒng)的主要監(jiān)測對象。

不同的風(fēng)機(jī)由于其監(jiān)測的部位與對象不同，因此采用的傳感器也不一樣，對于雙饋式風(fēng)力機(jī)監(jiān)測的主要部位有高速軸、低速軸、齒輪箱，因此對應(yīng)的傳感器也有適用于機(jī)組主軸承和機(jī)組齒輪箱輸入軸的低頻加速度傳感器以及適用于齒輪箱和發(fā)電機(jī)的加速度傳感器。對于直驅(qū)式風(fēng)力機(jī)機(jī)組主軸承仍然利用的是低頻加速度傳感器，而定子與轉(zhuǎn)子之間的間隙監(jiān)測采用電渦流傳感器。

4.2系統(tǒng)組態(tài)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本流程圖以一個(gè)風(fēng)場為最基本單元，對一個(gè)風(fēng)場進(jìn)行管理，必要時(shí)可以增加風(fēng)場。一個(gè)風(fēng)場含有多臺不同類型的風(fēng)機(jī)，一臺風(fēng)機(jī)對應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)庫，可以增加和刪除數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的增加或減少，一臺風(fēng)機(jī)含有多個(gè)測點(diǎn)，其中包含有多個(gè)工藝測點(diǎn)和多個(gè)振動測點(diǎn)，工藝測點(diǎn)和振動測點(diǎn)在數(shù)據(jù)庫中分別使用不同的數(shù)據(jù)表進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，對設(shè)備測點(diǎn)組態(tài)允許對測點(diǎn)的增加和刪除[5]。

圖2 組態(tài)流程圖Fig.2 The flow chart of the configuration

如圖3所示的測點(diǎn)分布示意圖，從圖中我們可以看出該臺風(fēng)機(jī)的基本信息，如風(fēng)機(jī)所屬的風(fēng)場、風(fēng)機(jī)類型、對應(yīng)的采集器編號及對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫名稱。還可以對該臺風(fēng)機(jī)中的測點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如測點(diǎn)的位置、使用的傳感器類型、采樣方式，還有系統(tǒng)分析軟件中使用的報(bào)警指標(biāo)等等。模塊中還放有一張風(fēng)力發(fā)電機(jī)的簡化圖，可以很直觀的了解到各測點(diǎn)的布局及該測點(diǎn)的振動指標(biāo)值。

圖3 組態(tài)軟件示意圖Fig.3 Configuration software

5 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

基于現(xiàn)實(shí)風(fēng)場中風(fēng)機(jī)類型種類多樣，單臺風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對每臺風(fēng)機(jī)的監(jiān)測手段都不能完全相同，因此對風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，要求提供不同的監(jiān)測方案以及分析診斷工具。本系統(tǒng)主要包含以下功能模塊：風(fēng)場總貌圖、風(fēng)機(jī)總貌圖、參數(shù)總表、振動棒圖、時(shí)域波形、頻譜分析、趨勢圖、倒譜分析、包絡(luò)分析、相關(guān)分析、瀑布圖、氣隙監(jiān)測、報(bào)警監(jiān)控參數(shù)、報(bào)警日志，如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)監(jiān)測軟件的結(jié)構(gòu)框架Fig.4 The structure of the system monitoring software framework

1）風(fēng)場總貌：顯示該風(fēng)場所有風(fēng)機(jī)的當(dāng)前工作狀態(tài)，以及每臺風(fēng)機(jī)的基本信息及參數(shù)。

2）風(fēng)機(jī)總貌：顯示具體某一臺風(fēng)機(jī)的測點(diǎn)布局，測點(diǎn)的一些指標(biāo)參數(shù)等。

3）氣隙監(jiān)測：包括氣隙波形和雷達(dá)圖兩部分，主要監(jiān)測直驅(qū)式風(fēng)力機(jī)的發(fā)電機(jī)電子與轉(zhuǎn)子間的間隙。

4）報(bào)警監(jiān)控：風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)，將報(bào)警信息醒目的顯示在監(jiān)測系統(tǒng)中，提醒運(yùn)行人員注意。

5）故障診斷：確定設(shè)備故障的性質(zhì)、程度、類別和部位，明確故障、征兆、原因和系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，并指明故障發(fā)展趨勢。

6）動平衡計(jì)算：提供動平衡計(jì)算（最多可支持6平面11測點(diǎn)的平衡，附帶配重分解、試重參考、結(jié)果優(yōu)化等工具）。

圖5和圖6為利用模擬信號現(xiàn)場軟件工作時(shí)的部分截圖。

圖5 時(shí)域波形圖Fig.5 The time domain waveform figure

圖6 氣隙波形及雷達(dá)圖Fig.6 Air-gap waveform and radar map

6 結(jié)束語

早期在我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)剛剛起步的時(shí)候，風(fēng)力發(fā)電機(jī)上還沒有安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)，所以不能很好的預(yù)示故障的來臨，當(dāng)故障發(fā)生以后，只能大停機(jī)進(jìn)行大面積的檢修，造成很長時(shí)間的停機(jī)，直接影響了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率，造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。安裝適用于各種類型的風(fēng)機(jī)的在線監(jiān)測系統(tǒng)有利于及早的判斷風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)現(xiàn)故障，盡早發(fā)現(xiàn)故障的位置及其類型，有計(jì)劃的做出故障處理。

[1]王瑞闖,林富洪．風(fēng)力發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)研究[J]．華東電力,2009,37(1)．

[2]陳雪峰,李繼猛,程航,等．風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的研究與進(jìn)展[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011,47(9)：46-48．

[3]張新燕,何山．風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要部件故障診斷研究[J]．新疆大學(xué)學(xué)報(bào),2009,26(2)：140-144．

[4]范磊．雙饋式,直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的對比[J]．能源環(huán)境．

[5]劉俊華,孟清正,楊濤,等．船舶動力裝置可組態(tài)智能故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J] ．中國船艦研究,2011,6(2)：1-4．

Adapted to theVarious Types of WindTurbines on-line Monitoring System Development

Zhang Weipeng1,Xu Jian2,YangTao1,Gao Wei1,Chen Jie1,Zhang Pingting1
（1.School of Energy and Power Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074 China; 2.Shanghai RVIS Instrument & Electronics Co.,Ltd 201612 China）

due to the long-running in harsh environment, coupled with complex conditions, wind turbine runtime failure is also prominent, leading down for maintenance, resulting in great economic losses. Currently someone has developed a number of online monitoring system, mostly just a form of structure for wind turbines. However, wind farm often have many types of wind turbines such as double-fed type, direct drive, as well as semi-direct drive. And the internal structure of each of wind turbine has a big difference and advantage. For the current situation, we developed a set of wind turbine online monitoring system which suit for various forms of wind turbines. System database design, parameter setting, monitoring interfaces are integrated various forms of wind turbines, In the homemade wind turbine simulation bench has achieved the desired effect.

wind power; fault diagnosis; online monitoring; doubly-fed; direct drive

TM315

A

Doi：10.3969/j.issn.1671-1041.2014.03.011

2014-05-01

張偉鵬，男，碩士研究生，江西撫州人。主要研究方向：旋轉(zhuǎn)機(jī)械（風(fēng)力機(jī)）狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。

高偉，男，博導(dǎo)，教授，湖北漢川人。主要研究方向：熱工過程控制策略與控制系統(tǒng)的研究，火電廠計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及應(yīng)用，新能源技術(shù)與利用。