任 巖，吳啟仁，薛黎明

（1. 華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，鄭州 450045；2. 中國長江三峽集團(tuán)公司，北京 100038；3. 東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽 618000）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的健康評估*

任 巖1,2?，吳啟仁2，薛黎明3

（1. 華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，鄭州 450045；2. 中國長江三峽集團(tuán)公司，北京 100038；3. 東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽 618000）

為了保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，降低運(yùn)行維護(hù)成本，建立了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的健康評估系統(tǒng)。機(jī)組健康評估要素包括機(jī)組監(jiān)測、數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取和專家?guī)臁C(jī)組健康評估是利用機(jī)組監(jiān)測采集信息，經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理后，進(jìn)行特征提??；將提取的特征與專家?guī)旆治觥⒈容^，進(jìn)而對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的健康進(jìn)行評估。通過對機(jī)組的健康評估，預(yù)先了解機(jī)組的健康狀況，針對不同的故障提早預(yù)防或給出相應(yīng)的處理措施，盡量排除故障或者防止故障再擴(kuò)大。對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的健康評估為風(fēng)電場的狀態(tài)檢修提供了依據(jù)。

健康評估；機(jī)組監(jiān)測；特征提取；專家?guī)?；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

0 引 言

隨著風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用持續(xù)增長，約占度電成本的10%～15%（陸上風(fēng)電）或25%～30%（海上風(fēng)電）[1]。同時，由于風(fēng)向和風(fēng)速的不斷變化，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行條件非常惡劣，導(dǎo)致機(jī)組易發(fā)生故障，有的機(jī)組甚至在安裝的過程中就已出現(xiàn)故障，嚴(yán)重影響了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行，致使機(jī)組效率下降、壽命縮短，嚴(yán)重時危及設(shè)備和人身安全。

為了保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，降低運(yùn)行維護(hù)成本，需預(yù)先掌握機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，“當(dāng)修則修”，即狀態(tài)檢修[2,3]，這就需要對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的健康狀況進(jìn)行評估。

根據(jù)健康評估結(jié)果，預(yù)先了解機(jī)組的健康狀況和性能衰退趨勢，合理調(diào)整運(yùn)行并安排檢修，對提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行安全和可靠性，降低運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用具有重要意義。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組健康評估要素

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組監(jiān)測

1.1.1 監(jiān)測對象

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，主要包括風(fēng)輪系統(tǒng)（包括葉片和輪轂）、傳動系統(tǒng)（包括主軸、齒輪箱和聯(lián)軸節(jié)）、偏航系統(tǒng)（包括偏航軸承）。

1.1.2 監(jiān)測項目[4]

（1）風(fēng)力參數(shù)：包括風(fēng)速、風(fēng)向。

（2）機(jī)組狀態(tài)參數(shù)：①轉(zhuǎn)速，包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；②溫度，包括增速箱油溫、軸承溫度、發(fā)電及溫度、控制器環(huán)境溫度等；③機(jī)艙振動；④機(jī)械制動狀況；⑤油位，包括潤滑油位、液壓系統(tǒng)油位等。

（3）電力參數(shù)：包括電壓、電流、電網(wǎng)頻率、功率因數(shù)、功率（可通過測得的電壓、電流、功率因數(shù)計算得到）。

1.1.3 現(xiàn)代測量技術(shù)

利用現(xiàn)代測量技術(shù)監(jiān)測項目，技術(shù)構(gòu)成包括：

（1）傳感技術(shù)。利用熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)、電磁效應(yīng)等，將轉(zhuǎn)速、溫度、油位等非電量轉(zhuǎn)換為電量。

（2）自動顯示技術(shù)。把電量、數(shù)字量通過模擬或數(shù)字儀表顯示出來。

（3）數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)。數(shù)據(jù)采集裝置及軟件。例如：振動-振動傳感器-A/D轉(zhuǎn)換器-計算機(jī)。

（4）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)儀表。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用現(xiàn)代測量技術(shù)，采集風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的相關(guān)參數(shù)，即 1.1.2中提到的電流、電壓、功率因數(shù)、溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、油壓等。

對監(jiān)測到的信號進(jìn)行選取，選取不同時段進(jìn)行研究，比如正常信號時段、不同故障信號時段（根據(jù)監(jiān)測到的信號，憑經(jīng)驗選?。?/p>

監(jiān)測得到的信號不可避免地受到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中的各種噪聲干擾，使得監(jiān)測信號中含有隨機(jī)噪聲、白噪聲等，為了得到真實的特性信息，在進(jìn)行健康評估之前，必須對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行除噪處理。

數(shù)據(jù)預(yù)處理有效的方法有自相關(guān)、小波分析等。

1.3 特征提取

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組健康狀況不同，其表現(xiàn)出來的特征也不同。對其狀態(tài)監(jiān)測信號進(jìn)行特征提取，分析機(jī)組當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)值，從而對其進(jìn)行健康評估。

齒輪箱的主要故障有疲勞點蝕、齒面磨損、斷齒等，可基于振動信號進(jìn)行特性分析。通過S變換等，得到齒輪箱不同狀態(tài)時振動信號的時頻分布，采用非負(fù)矩陣分解（Non-negative matrix factorization, NMF）、Gobor等方法[5,6]，揭示齒輪箱正常狀態(tài)與非正常狀態(tài)的差異，提取特征值，此方法可針對齒輪故障、軸承故障、齒輪和軸承故障組合等情況進(jìn)行特征提取。

葉片的主要故障有葉片裂紋、材質(zhì)老化、根部螺絲松動等，可監(jiān)測其聲發(fā)射信號[7-12]，評估其健康狀況，因聲發(fā)射信號的幅值大小與葉片的振動狀態(tài)無關(guān)，主要與葉片裂紋發(fā)生時的能量直接相關(guān)。

1.4 專家?guī)?/p>

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組健康評估專家系統(tǒng)如圖1所示。

圖1中各部分功能[13]為：

（1）機(jī)組參數(shù)庫。用于存放機(jī)組有關(guān)的結(jié)構(gòu)和功能參數(shù)（如風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的啟動風(fēng)速、額定風(fēng)速、截止風(fēng)速、額定容量等）以及機(jī)組的歷史運(yùn)行情況。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組健康評估專家系統(tǒng)Fig. 1 Expert system of health assessment of wind turbines

（2）征兆獲取模塊。采用一定的征兆獲取方法，對風(fēng)力發(fā)電監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲取故障征兆。常用的方法有時域分析、頻域分析、時頻分析等。

（3）征兆事實庫。將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障征兆存入征兆事實庫。

（4）知識獲取模塊。對健康評估知識庫進(jìn)行維護(hù)和更新，包括知識的輸入、查詢、修改和刪除等功能，同時，將機(jī)組發(fā)生的且健康評估知識庫里沒有的新情況補(bǔ)充到庫中。

（5）健康評估知識庫。是機(jī)組健康評估專家系統(tǒng)的核心，用于存放與機(jī)組健康評估有關(guān)的知識，這些知識是由知識工程師和風(fēng)電專家合作獲取得到的，并通過知識獲取模塊存入到健康評估知識庫中。

中國改革開放40年所取得的減貧成就，對世界減貧與發(fā)展同樣具有重要的意義。中國在40年時間內(nèi)，減少了7億多貧困人口[注]根據(jù)世界銀行的數(shù)據(jù)整理計算。，占1981年以來世界貧困人口減少總數(shù)的近70%，有力推進(jìn)和加快了全球減貧的進(jìn)程。

（6）推理機(jī)。用于控制系統(tǒng)的運(yùn)行。利用健康評估知識庫的知識，提出征兆事實庫的事實，按照一定的問題求解策略，進(jìn)行推理評估，最后給出評估結(jié)果。

（7）解釋模塊。解釋用戶提出的問題，并給出健康評估依據(jù)，用戶由此了解健康評估結(jié)果并對評估結(jié)果的可靠性進(jìn)行判斷。

（8）健康評估決策模塊。根據(jù)健康評估結(jié)果給出系統(tǒng)應(yīng)采用的措施。屬于開環(huán)指導(dǎo)。

（9）人機(jī)接口。是用戶和專家與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組健康評估系統(tǒng)進(jìn)行交互的平臺，將用戶輸入的信息轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)能辨認(rèn)的信息，同時將系統(tǒng)信息轉(zhuǎn)換為用戶易于理解的外部表示形式，比如圖形、圖表、表格等。

2 健康評估系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的健康評估系統(tǒng)如圖2所示。利用機(jī)組監(jiān)測，將信息采集過來；利用數(shù)據(jù)預(yù)處理，對信號進(jìn)行選取，根據(jù)經(jīng)驗，選取正常時段和故障時段、采樣周期等；針對機(jī)組不同部位、不同故障類型，進(jìn)行特征提?。粚⑻崛〉奶卣髋c專家?guī)毂容^，進(jìn)行相關(guān)分析，進(jìn)而對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的健康進(jìn)行評估。

圖2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的健康評估系統(tǒng)Fig. 2 Health assessment system of wind turbines

3 實 例

某風(fēng)電機(jī)組健康評估測點如圖3所示。

利用建立的健康評估系統(tǒng)，評估各部位的健康狀況如表1所示。由表 1可以看出，高速軸后端前列軸承存在報警，因此，對該部位進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分析結(jié)果表明，高速軸后端前列軸承存在明顯的外孤譜，譜號與內(nèi)環(huán)故障譜號一階譜相吻合，可能是由于保持架碎裂造成鐵屑進(jìn)入軸承，造成內(nèi)環(huán)故障。由以上分析可以得知，高速軸后端前列軸承存在故障。

另外，從風(fēng)電機(jī)組健康評估分析報表沒有診斷出主軸故障。但工作人員在現(xiàn)場正常巡檢時，聽到主軸異響，憑經(jīng)驗初步判斷可能出現(xiàn)主軸故障，因此，對主軸也進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，分析結(jié)果為，主軸異響系軸承干磨原因造成。

圖3 風(fēng)電機(jī)組健康評估測點布置Fig. 3 Health assessment measuring points of wind turbine

表1 風(fēng)電機(jī)組健康評估分析報表Table 1 Health assessment analysis report of wind turbine

4 結(jié) 論

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的健康評估就像是“人的體檢”，提前分析機(jī)組的健康狀況。針對不同的故障提早預(yù)防或給出相應(yīng)的處理措施；盡量排除故障或者預(yù)防故障再擴(kuò)大。盡管該方法當(dāng)前還處于理論研究階段，但這是今后風(fēng)力發(fā)電的趨勢。因此，本文對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組健康評估的理論研究有非常重要的工程意義和價值。

因風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障非常復(fù)雜，根據(jù)振動信號，利用現(xiàn)有的方法，只能分析出正常狀況和主要的故障及其在整個故障中所占的百分比，而部分其他故障仍需進(jìn)一步研究。此外，各種故障之間的關(guān)系，比如齒輪箱的振動、油溫、噪聲、鐵譜圖（油溫過高時，鐵融化，油中含鐵量增加）等之間有相互關(guān)系，不同的振動信號之間也有耦合。例如，某行星輪壞了，會影響到其他齒輪的壽命。對這些故障之間、信號之間的關(guān)系的研究，也有很重要的理論價值和實際意義。

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Health Assessment of Wind Turbines

REN Yan1,2, WU Qi-ren2, Xue Li-ming3
(1. School of Electric Power, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China; 2. China Three Gorges Corporation, Beijing 100038, China; 3. DongFang Turbine CO. LTD., Sichuan Deyang 618000, China)

In order to ensure the normal operation of wind turbines, the health assessment system of wind turbines is established to reduce operation and maintenance costs. The health assessment factors include monitoring, data preprocessing, feature extraction and expert database. The feature of the monitored information is first extracted through data preprocessing, then is compared to the expert database. In this way, finally the health assement of wind trubines can be realized. By use of the health assessment, the health status of wind turbines were prior known to early prevent for different faults or to give corresponding treatment measures. The ultimate aims are to troubleshoot or to prevent faults to expand. The health assessment of wind turbines provides the basis for the condition maintenance of wind farm.

health assessment; wind turbines monitoring; feature extraction; expert database; wind turbine

TK8

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.06.004

2095-560X（2014）06-0430-04

任 巖（1979-），女，博士，副教授，主要從事新能源發(fā)電和抽水蓄能、狀態(tài)檢修等方面的研究。

2014-08-04

2014-09-18

國家863計劃項目（2009AA05Z429）；鄭州市科技攻關(guān)計劃項目（X2013G0432）；華北水利水電大學(xué)高層次人才科研啟動項目（201316）

? 通信作者：任 巖，E-mail：renyan@ncwu.edu.cn