文 | 吳少花

風(fēng)電場

基于故障診斷和無線通信技術(shù)的風(fēng)電場優(yōu)化管理系統(tǒng)

文 | 吳少花

風(fēng)力發(fā)電作為風(fēng)能利用的主要形式，目前已成為技術(shù)最為成熟，推廣和應(yīng)用最為廣泛的新能源之一。隨著大規(guī)模風(fēng)電場的建設(shè)與投產(chǎn)，風(fēng)電場的運行與維護(hù)成為風(fēng)電場面臨的最大問題。尤其是早期投產(chǎn)機組出現(xiàn)故障的頻率增加，采用傳統(tǒng)的“事后維修”方式，不僅影響風(fēng)電場的正常運行，而且付出巨大的人力、物力、財力代價，造成經(jīng)濟損失。實現(xiàn)故障的早期診斷及預(yù)警和“視情維修”將大大降低維護(hù)費用，縮短維修周期，提高風(fēng)電場運行效率。

隨著風(fēng)電技術(shù)應(yīng)用的推廣，風(fēng)電場的經(jīng)濟和可靠性運行日益受到關(guān)注，國內(nèi)外有一些相關(guān)研究成果?？偟膩砜?，目前的監(jiān)測技術(shù)在診斷精度、智能化、建設(shè)成本以及在結(jié)合季節(jié)和整個風(fēng)電場因素的優(yōu)化管理技術(shù)方面有待提高。

本文提出了一種風(fēng)電場優(yōu)化管理系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，在故障診斷方法、無線通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)構(gòu)造上進(jìn)行了一些探索，也取得了較好的效果。限于篇幅，本文主要針對風(fēng)電機組中的齒輪箱和發(fā)電機診斷技術(shù)進(jìn)行說明。

數(shù)據(jù)采集

發(fā)電機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖1所示，包括霍爾電流傳感器、加速度振動傳感器、電荷放大器、PCI數(shù)據(jù)采集卡和工控機。

齒輪箱數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖2所示，主要包括加速度傳感器、電荷放大器、PCI數(shù)據(jù)采集卡和工控機。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不但能夠?qū)⒉杉降男盘柸鐖D3以波形的形式實時顯示，還可以計算諸如最大值、平均值、方差和峭度等時域特征量，除此之外，還能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)保存到本地數(shù)據(jù)庫和通過組建的無線網(wǎng)絡(luò)上傳到主控室。

圖1 發(fā)電機故障特征在線提取裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 風(fēng)電機組齒輪箱在線故障診斷裝置系統(tǒng)框圖

故障特征提取系統(tǒng)以風(fēng)電機組塔底的工控機作為數(shù)據(jù)處理器，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的故障特征信號進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和故障特征提取。

數(shù)據(jù)預(yù)處理包括消除趨勢項、平滑波形和小波去噪。傳感器和采集卡由于有誤差將導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)偏離零點而產(chǎn)生趨勢項，趨勢項的存在對頻譜分析有較大的影響，因此采用最小二乘擬合法消除趨勢項。此外，數(shù)據(jù)采集過程中會引入很多高頻干擾，使得采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)很多毛刺，給后續(xù)的分析帶來很大的誤差，因此先利用五點三次平均法平滑波形，然后再采用小波進(jìn)行默認(rèn)閥值濾波。原始數(shù)據(jù)和預(yù)處理后的數(shù)據(jù)波形對比如圖4所示。

數(shù)據(jù)處理

一、故障特征值提取

輸出處理分為兩部分：一是數(shù)據(jù)采集后發(fā)送到主控室之前的預(yù)處理，以便減少數(shù)據(jù)傳輸量；二是數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺厥也⒋嫒霐?shù)據(jù)庫后的優(yōu)化處理。

故障的發(fā)生會產(chǎn)生相應(yīng)的故障特征頻率，且不同的故障其特征頻率是不一樣的，因此當(dāng)發(fā)電機發(fā)生不同的故障時，信號的能量分布是不一樣的，即各頻段能量的分布代表了某種故障，這里采用這種“能量－故障”映射的方法來提取故障特征。

在實際應(yīng)用中，由于某些故障的特征頻率與主頻率十分接近，況且傅里葉變換會有頻譜泄露，這些都會增加準(zhǔn)確定位故障特征頻率的難度，因此單一的傅里葉變換在實際的故障特征提取應(yīng)用中并不能勝任。小波包變換能夠?qū)㈩l帶多層次任意劃分，時頻分辨率極高，因此可以采用小波包變換提取故障特征量。小波包分析法雖然能夠判斷故障是否存在，但卻得不到故障特征頻率值和故障特征頻率的幅值，即檢測不到故障程度。而傅里葉變換雖然頻率分辨力不高，卻能得到信號的頻域信息。因此可將小波包分析和快速傅立葉變換結(jié)合一起處理故障信號，即先對故障信號進(jìn)行小波包分解，提取能反應(yīng)故障特征的小波包分解系數(shù)，再對該小波包分解系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，最后對該重構(gòu)信號實施快速傅立葉變換或者包絡(luò)分析，獲得故障特征頻率與特征幅值。

特征量的提取是構(gòu)建故障診斷系統(tǒng)的關(guān)鍵。風(fēng)電場風(fēng)況存在時變性、隨機性、不確定性，使得發(fā)電機的故障信號成為一個時變、非平穩(wěn)信號，再加上早期故障的特征信號較弱，一般的頻域法難以處理混有微弱故障信號的定子電流信號，小波方法則可進(jìn)行時域一頻域分析，能夠檢測到微弱瞬態(tài)信號的存在并能確定其產(chǎn)生時間，還具有良好的局部化特性。但傳統(tǒng)小波變換存在頻率混淆現(xiàn)象，為消除這一混淆現(xiàn)象，這里采用了單子帶重構(gòu)改進(jìn)算法，將每一層子帶中多余的頻率分量去掉，從而達(dá)到更優(yōu)的時頻分辨能力。

圖5、圖6給出了利用單子帶重構(gòu)改進(jìn)小波變換提取出兩組風(fēng)電機組正常、定子匝間短路、轉(zhuǎn)子斷條、氣隙偏心等四種狀態(tài)下的特征量。

二、故障診斷算法

圖7是基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法（GA）構(gòu)造的智能故障診斷系統(tǒng)流程圖，圖8為故障診斷界面。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面

圖5 特征量A

圖4 預(yù)處理前后數(shù)據(jù)波形

圖6 特征量B

圖7 智能故障診斷流程圖

圖9 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

圖8 故障診斷界面

圖10 通信網(wǎng)絡(luò)硬件結(jié)構(gòu)

無線通信技術(shù)

本文為風(fēng)電機組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)設(shè)計了一套用于傳輸風(fēng)電機組狀態(tài)參數(shù)的無線通信設(shè)備，用于構(gòu)建覆蓋主控樓和風(fēng)電機組的無線單級Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，使用IEEE802.11/n協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，支持多臺風(fēng)電機組與主控終端之間同時傳輸數(shù)據(jù)、無需通過中間節(jié)點進(jìn)行多跳轉(zhuǎn)發(fā)，有效提高風(fēng)電機組狀態(tài)參數(shù)的實時性，具有架設(shè)快、擴容性好、維護(hù)方便、設(shè)備簡單和成本低等特點。同時開發(fā)了用于儲存、查詢風(fēng)電機組運行狀態(tài)參數(shù)的數(shù)據(jù)庫軟件，為風(fēng)電機組狀態(tài)歷史記錄查詢和故障診斷提供了平臺。無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

通信系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖10所示。設(shè)于風(fēng)電機組機艙內(nèi)部的上位機1的功能是采集發(fā)電機和齒輪箱的振動信號，通過固定在塔筒內(nèi)部的RS232總線5將采集數(shù)據(jù)傳輸至設(shè)于風(fēng)電機組底艙電源柜的下位機3上并存儲。下位機通過電流互感器采集發(fā)電機的輸出電流信號并存儲，同時下位機3通過MIMO無線網(wǎng)卡4接入由無線熱點2構(gòu)建的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，主控終端6通過外置Wi-Fi接收器7也連入無線網(wǎng)絡(luò)，下位機將采集到的全部數(shù)據(jù)通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)傳輸至主控終端6，在主控終端上即可實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的存儲、查詢、處理等功能。

由于采集數(shù)據(jù)量較大，應(yīng)當(dāng)配以適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)管理算法，本系統(tǒng)中采用了WAMP集成環(huán)境下的基于網(wǎng)頁發(fā)布的B/S構(gòu)架。中心服務(wù)器將接收到的風(fēng)電機組狀態(tài)參數(shù)存儲至數(shù)據(jù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器與發(fā)布數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，各終端通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)訪問發(fā)布數(shù)據(jù)庫，即可得到所需數(shù)據(jù)，如圖11所示。

本系統(tǒng)在實際運行時采用了數(shù)據(jù)網(wǎng)頁發(fā)布的架構(gòu)，使得各終端只要接入Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，即可通過網(wǎng)頁訪問服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，獲取當(dāng)前狀態(tài)下風(fēng)電機組的運行狀態(tài)參數(shù)，并可對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，如圖12、圖13所示。

優(yōu)化管理系統(tǒng)

圖11 多終端數(shù)據(jù)瀏覽結(jié)構(gòu)圖

圖12 網(wǎng)頁瀏覽風(fēng)電機組運行界面圖A

圖13 網(wǎng)頁瀏覽風(fēng)電機組運行界面圖B

基于數(shù)據(jù)庫中的故障特征值及其發(fā)展趨勢，再考慮季節(jié)因素，應(yīng)用模糊綜合評判的方法，制定經(jīng)濟和可靠性指標(biāo)約束下的整個風(fēng)電場的優(yōu)化維護(hù)計劃?？筛鶕?jù)故障程度采取相應(yīng)的實施方案，對于嚴(yán)重故障，及時報警處理；一般故障，根據(jù)季節(jié)因素、故障維護(hù)成本和備用件情況，因地制宜地進(jìn)行處理。

結(jié)語

本文提出了一種基于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、無線通信和綜合優(yōu)化的風(fēng)電場運行管理系統(tǒng)，在故障診斷方法、無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和風(fēng)電場的綜合管理方面，進(jìn)行了有實際應(yīng)用價值的探索，在減少維護(hù)成本和保障發(fā)電量、可靠性方面具有重要應(yīng)用參考價值。本系統(tǒng)已在汕尾紅海灣風(fēng)電場進(jìn)行了試運行，已取得了一定的效果，目前正在進(jìn)一步完善中。

（作者單位：國華（汕尾）風(fēng)電有限公司）

攝影：王忠偉