任 巖,畢亞雄,吳啟仁,孫 袁,戴敏章

(1.華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院,河南鄭州450045；2.中國長江三峽集團(tuán)公司,北京100038)

基于信息融合技術(shù)的風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)評(píng)估

任 巖1,2,畢亞雄2,吳啟仁2,孫 袁1,戴敏章1

(1.華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院,河南鄭州450045；2.中國長江三峽集團(tuán)公司,北京100038)

對風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測與診斷能提前預(yù)知機(jī)組健康狀態(tài),有效防止風(fēng)電機(jī)組“倒塔”事故發(fā)生。風(fēng)電機(jī)組的振動(dòng)與風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、溫度等量有關(guān)。利用信息融合技術(shù),建立風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)評(píng)估模型,對機(jī)組進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測,并分析風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、溫度等量與振動(dòng)之間的關(guān)系。根據(jù)分析結(jié)果,評(píng)估機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài),找出了振動(dòng)越限點(diǎn),并分析了影響振動(dòng)的主導(dǎo)原因,得到了診斷結(jié)果。

振動(dòng)；狀態(tài)評(píng)估；信息融合技術(shù)；風(fēng)電機(jī)組

0 前 言

近年來,風(fēng)電機(jī)組“倒塔”事故頻發(fā),使企業(yè)受到了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。在實(shí)際應(yīng)用中,風(fēng)電機(jī)組塔架的健康檢查多以人工定期檢查為主,即人工定期攀爬檢查,并記錄當(dāng)時(shí)的檢查數(shù)據(jù),為以后的定期人工維護(hù)提供參考,但這種檢查方式不但耗時(shí)耗力,也不能實(shí)時(shí)判斷出該機(jī)艙的健康狀況,給風(fēng)電機(jī)組帶來安全隱患。因此,如何實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地判斷風(fēng)電機(jī)組的健康狀況,成為迫切需要解決的問題。

文獻(xiàn)[1]以塔架形態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)研究為切入點(diǎn),將傾斜傳感器和加速度傳感器數(shù)據(jù)代入塔體變形的參數(shù)方程式,通過方程求解、現(xiàn)場工程實(shí)踐等方法較準(zhǔn)確地得到塔體的變形數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電機(jī)組塔架的傾斜及變形測量,實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電機(jī)組塔架在線安全監(jiān)控；文獻(xiàn)[2]基于聲發(fā)射技術(shù)對風(fēng)電塔筒進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測研究,可對塔筒的動(dòng)態(tài)缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確的定位,但是缺乏對風(fēng)機(jī)工作現(xiàn)場的聲發(fā)射源特性的研究,同時(shí)沒有有效的聲發(fā)射源識(shí)別方法；文獻(xiàn)[3]通過對風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的檢測鑒定,分別從風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工角度查明了機(jī)組傾斜的原因,針對性地實(shí)施了糾偏加固處理。文獻(xiàn)[4]從設(shè)計(jì)的角度出發(fā),分析塔筒的振動(dòng),判斷機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[5]基于SCADA運(yùn)行數(shù)據(jù)對風(fēng)電機(jī)組塔架振動(dòng)建模與檢測,采用非線性狀態(tài)估計(jì)技術(shù)作為建模方法,建立了塔架振動(dòng)模型。

通過上述文獻(xiàn)分析和實(shí)踐驗(yàn)證表明,對風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)分析是判斷其健康狀況的有效手段。而當(dāng)前研究風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)的方法比較單一,一般僅僅從振動(dòng)信號(hào)本身分析,但實(shí)際上,風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)還受到風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、溫度等量的影響,因此,本研究利用信息融合技術(shù),綜合考慮風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、溫度等量,以風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析其振動(dòng)狀態(tài),從而準(zhǔn)確判斷風(fēng)電機(jī)組的健康狀況。

1 基于信息融合技術(shù)的風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)模型

塔架載荷主要有風(fēng)輪氣動(dòng)力、機(jī)艙和風(fēng)輪的重力、風(fēng)載荷、風(fēng)機(jī)運(yùn)行中的偏航、變槳等,因此,風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)受風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、溫度等量的影響[5]。在對塔架振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析時(shí),還應(yīng)該考慮風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、溫度等量的影響?；谛畔⑷诤霞夹g(shù)[6,7]的風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)模型如圖1所示,利用傳感器網(wǎng)絡(luò)采集風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、溫度、振動(dòng)等量,在數(shù)據(jù)層進(jìn)行融合,實(shí)現(xiàn)塔架狀態(tài)的監(jiān)測、報(bào)警等初步評(píng)估功能；另一方面對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,包括濾波、頻譜分析等,提取有用信息,為特征層和決策層的融合推理做準(zhǔn)備,實(shí)現(xiàn)對塔架故障的定位、評(píng)估。在風(fēng)電機(jī)組塔架狀態(tài)評(píng)估的過程中,可以通過融合結(jié)果進(jìn)行人機(jī)交互；同時(shí),通過狀態(tài)庫,獲得狀態(tài)信息,專家可以進(jìn)行遠(yuǎn)程評(píng)估,若對系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估結(jié)果不滿意,還可以對融合過程進(jìn)行干預(yù)。

圖1 基于信息融合技術(shù)的風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)模型

2 機(jī)組振動(dòng)分析過程

以某風(fēng)場3號(hào)風(fēng)機(jī)為例。風(fēng)機(jī)參數(shù)為：容量1.5 MW,切入風(fēng)速3 m/s,額定風(fēng)速10.5 m/s,切出風(fēng)速20 m/s,取SCADA數(shù)據(jù),包括風(fēng)速、主軸轉(zhuǎn)速、機(jī)艙內(nèi)溫度、機(jī)艙側(cè)向振動(dòng)、機(jī)艙軸向振動(dòng)等,對振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形及各參量對振動(dòng)的影響進(jìn)行分析融合。

2.1 分析機(jī)艙振動(dòng)趨勢,找出振動(dòng)越限

取機(jī)組1個(gè)月的1 min數(shù)據(jù),機(jī)艙側(cè)向振動(dòng)、軸向振動(dòng)、振動(dòng)有效值如圖2所示。

圖2 機(jī)艙振動(dòng)趨勢

從圖2可以看出,振動(dòng)值超過1級(jí)門限(本機(jī)組設(shè)置為1.1 mm/s2)的時(shí)間段為15 000～20 000 s和25 000～30 000 s之間。

2.2 在振動(dòng)越限時(shí)間段內(nèi),分析各相關(guān)參量與振動(dòng)的關(guān)系

以時(shí)間段15 000～20 000 s內(nèi)為例,風(fēng)速-振動(dòng)關(guān)系散點(diǎn)圖如圖3所示。主軸轉(zhuǎn)速-振動(dòng)關(guān)系散點(diǎn)圖如圖4所示。機(jī)艙內(nèi)外溫度差與振動(dòng)的關(guān)系散點(diǎn)如圖5所示。

圖3 風(fēng)速-振動(dòng)關(guān)系散點(diǎn)

圖4 主軸轉(zhuǎn)速-振動(dòng)關(guān)系散點(diǎn)

圖5 機(jī)艙內(nèi)外溫度差-振動(dòng)關(guān)系散點(diǎn)

從圖3～5可以看出：

(1)當(dāng)風(fēng)速小于切入風(fēng)速時(shí),側(cè)向振動(dòng)值在±0.2 mm/s2之間、軸向振動(dòng)值在±0.35 mm/s2之間；當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速附近時(shí),側(cè)向振動(dòng)值在±0.5 mm/s2之間、軸向振動(dòng)值在±0.9 mm/s2之間；當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速和切出風(fēng)速之間時(shí),側(cè)向振動(dòng)值基本維持在±0.15 mm/s2之間、軸向振動(dòng)值基本維持在±0.25 mm/s2之間；當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速時(shí),側(cè)向振動(dòng)和軸向振動(dòng)都有超過報(bào)警門限值1.1 mm/s2。

(2)當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速小于10 r/min時(shí),側(cè)向振動(dòng)值基本維持在±0.1 mm/s2之間、軸向振動(dòng)值在±0.15 mm/s2之間；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在10～16.5 r/min時(shí),側(cè)向振動(dòng)值基本維持在±0.2 mm/s2之間、軸向振動(dòng)值基本維持在±0.4 mm/s2之間；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在16.5～17.5 r/m之間時(shí),側(cè)向振動(dòng)值基本維持在±1 mm/s2之間、軸向基本維持振動(dòng)值在±1.3 mm/s2之間；強(qiáng)烈振動(dòng)大多發(fā)生在主軸轉(zhuǎn)速在16.7～17.2 r/min之間。

(3)機(jī)艙內(nèi)外溫度差小于6 ℃時(shí),振動(dòng)值基本維持在±0.5 mm/s2之間；當(dāng)溫差大于6 ℃時(shí),振動(dòng)值比較分散；振動(dòng)值越限時(shí)溫度差在8～14 ℃之間。

2.3 根據(jù)各相關(guān)參量與振動(dòng)的關(guān)系,分析各自對振動(dòng)的影響

(1)風(fēng)速對振動(dòng)的影響。振動(dòng)與風(fēng)速有關(guān),當(dāng)風(fēng)速小于切入風(fēng)速時(shí),風(fēng)速對振動(dòng)影響不大； 當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速和切出風(fēng)速之間時(shí),風(fēng)速對振動(dòng)的影響不大； 當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速附近時(shí),風(fēng)速對軸向振動(dòng)的影響大于側(cè)向振動(dòng)；當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速時(shí),風(fēng)速對振動(dòng)的影響大大增加。

(2)主軸轉(zhuǎn)速對于振動(dòng)的影響。 振動(dòng)與主軸轉(zhuǎn)速有關(guān),當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速小于額定值時(shí),對振動(dòng)的影響不大； 當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過額定值時(shí),對振動(dòng)的影響加大。

(3)機(jī)艙內(nèi)外溫度差對振動(dòng)的影響。振動(dòng)與機(jī)艙內(nèi)外溫度差有關(guān),但關(guān)系不大。 并不是機(jī)艙內(nèi)外溫度差越大,振動(dòng)越強(qiáng)烈。

(4)各相關(guān)參量對振動(dòng)影響的程度。 風(fēng)速對振動(dòng)的影響最大,各種風(fēng)速對振動(dòng)的影響程度依次是：超過切出風(fēng)速、額定風(fēng)速、切入風(fēng)速與額定風(fēng)速之間、額定風(fēng)速與切出風(fēng)速之間；主軸轉(zhuǎn)速對振動(dòng)的影響次之,尤其是超過額定轉(zhuǎn)速時(shí)；機(jī)艙內(nèi)外溫度差對振動(dòng)的影響最小。

3 實(shí)例分析

以前述風(fēng)機(jī)為例,進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)評(píng)估,步驟為：

(1)找出振動(dòng)越限點(diǎn)。從圖2中,找出振動(dòng)越限點(diǎn),第1點(diǎn),時(shí)間點(diǎn)19 192 min,軸向振動(dòng)1.279 mm/s2(越限),側(cè)向振動(dòng)-1.026 mm/s2,風(fēng)速19.041 m/s,主軸轉(zhuǎn)速17.022 r/m,機(jī)艙內(nèi)外溫度差10.898 ℃；第2點(diǎn),時(shí)間點(diǎn)28 861 min,軸向振動(dòng)1.193 mm/s2(越限),側(cè)向振動(dòng)0.218 mm/s2,風(fēng)速10.877 m/s,主軸轉(zhuǎn)速16.962 r/m,機(jī)艙內(nèi)外溫度差7.697 ℃。

(2)分析各參量對振動(dòng)的影響。在振動(dòng)越限點(diǎn)1,風(fēng)速接近切出風(fēng)速,主軸轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速,機(jī)艙內(nèi)外溫度差偏大,說明風(fēng)速和主軸轉(zhuǎn)速對振動(dòng)的影響都很大,機(jī)艙內(nèi)外溫度差對振動(dòng)略有影響；在振動(dòng)越限點(diǎn)2,風(fēng)速剛越過額定風(fēng)速,主軸轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速,機(jī)艙內(nèi)外溫度差為中間值。

(3)診斷。為了改善振動(dòng)越限點(diǎn)1的運(yùn)行工況,應(yīng)從改變風(fēng)輪轉(zhuǎn)速著手,適當(dāng)關(guān)注機(jī)艙溫度；為了改善振動(dòng)越限點(diǎn)2的運(yùn)行工況,重點(diǎn)從改變風(fēng)輪轉(zhuǎn)速著手。

4 結(jié) 論

(1)利用信息融合技術(shù),搭建了風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)分析系統(tǒng)模型。

(2)分析了風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)的相關(guān)量與振動(dòng)之間的關(guān)系,及其對振動(dòng)的影響。

(3)利用信息融合技術(shù)和振動(dòng)分析模型,建立了風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)分析方法。

(4)采用風(fēng)電機(jī)組實(shí)際數(shù)據(jù),找出振動(dòng)越限點(diǎn),針對越限點(diǎn),分析機(jī)組運(yùn)行狀況,根據(jù)分析結(jié)果,給出診斷結(jié)果。

(5)本研究根據(jù)機(jī)組振動(dòng)狀況,給出了診斷結(jié)果,可供現(xiàn)場運(yùn)行人員和專家分析做參考；而針對診斷結(jié)果,給出何種處理措施,比如如何改變風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、如何改善機(jī)艙溫度等,可在后續(xù)的研究過程中深入探討。

[1]劉峰. 風(fēng)電機(jī)組塔筒在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用研究[J]. 風(fēng)能, 2014, (4): 98-103.

[2]桑遠(yuǎn). 基于聲發(fā)射監(jiān)測的風(fēng)電塔筒動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究[D]. 蘭州： 蘭州理工大學(xué), 2014．

[3]馬德云, 宋佳, 南錕, 等. 某新型風(fēng)電機(jī)組塔筒傾斜及安全性檢測鑒定[J]. 特種結(jié)構(gòu), 2014(5): 34-37, 43.

[4]高俊云, 連晉華. 風(fēng)電機(jī)組塔筒振動(dòng)的分析與測量[J]. 風(fēng)能. 2011(2): 54-56.

[5]郭鵬, 徐明, 白楠, 等. 基于SCADA運(yùn)行數(shù)據(jù)的風(fēng)電機(jī)組塔架振動(dòng)建模與監(jiān)測[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, 5(33)： 128-136．

[6]呂琛, 欒家輝, 王麗梅, 等. 故障診斷與預(yù)測-原理、 技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2012．

[7]張碧波, 徐寶志, 張瑩. 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2011．

(責(zé)任編輯 高 瑜)

Wind Turbine Vibration Condition Assessment Based on Information Fusion Technology

REN Yan1,2, BI Yaxiong2, WU Qiren2, SUN Yuan1, DAI Minzhang1

(1. School of Electric Power, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, Henan, China; 2. China Three Gorges Corporation, Beijing 100038, China)

The vibration monitoring and fault diagnosis of wind turbine can predict the health state of unit and prevent accident of “Tower collapse”. The vibration of wind turbine is related to wind speed, unit speed and temperature. By using information fusion technology, the vibration state assessment model of wind turbine is established to monitor the state of wind turbine and the relationship between vibration and wind speed, unit speed and temperature are analyzed. Based on analysis results, the operating state of wind turbine is assessed, the vibration limit points are found and the reasons for causing vibration are analyzed. The diagnosis results are finally obtained．

vibration; state assessment; information fusion technology; wind turbine

2015-10-30

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(162102210076)；可再生能源電力技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長沙理工大學(xué))開放基金資助項(xiàng)目(2016ZNDL001)；華北水利水電大學(xué)高層次人才科研啟動(dòng)項(xiàng)目(201316)；華北水利水電大學(xué)青年科技創(chuàng)新人才支持計(jì)劃(201406)

任巖(1979—),女,河南南陽人,副教授,博士,主要從事風(fēng)電狀態(tài)檢修、水利水電技術(shù)、新能源發(fā)電與抽水蓄能技術(shù)等方面的研究．

TM614

A

0559-9342(2017)02-0104-04