吉慶昌 劉文貴 李愛寧

摘要：由于社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國對綠色能源的重視度越來越高，而風(fēng)能就是一種非常清潔的能源。通過風(fēng)能機(jī)組，可以把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，進(jìn)而使這種綠色能源得到廣泛應(yīng)用。為了保證風(fēng)電機(jī)組的正常安全運(yùn)行，必須研制一種風(fēng)電機(jī)組振動的監(jiān)測系統(tǒng)，同時還需要對其可能發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)測。而在整個系統(tǒng)中，主要部分包含振動信號采集模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控診斷模塊和風(fēng)電場監(jiān)控中心。該系統(tǒng)可以通過振動信號來確定風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，并且可以通過一定的算法對故障進(jìn)行預(yù)測，總之可以達(dá)到預(yù)定的要求。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；振動監(jiān)測；故障預(yù)測系統(tǒng)

1緒論

隨著國家綠色發(fā)展理念的不斷深入，風(fēng)能這種綠色能源逐漸受到國家的重視。而在我們國家風(fēng)能主要集中西部或者一些地形比較惡劣的山區(qū)，這就給風(fēng)電機(jī)組的安裝帶來了一定的難度。并且在這些風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行過程中很可能受到環(huán)境及其它因素的影響而造成機(jī)械結(jié)構(gòu)或者電子元件的損壞，為此如果能夠在故障發(fā)生的初期及時檢查到可能發(fā)生的故障，并對其進(jìn)行維修，這就可以在很大程度上降低風(fēng)電機(jī)組故障的發(fā)生率，從而提高風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益?？傊瑢︼L(fēng)能發(fā)電中的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行振動監(jiān)測與故障預(yù)測對于風(fēng)能的廣泛使用有著很大的意義。

2振動監(jiān)測與故障預(yù)測系統(tǒng)的組成

2.1基本原理及監(jiān)測策略

風(fēng)能發(fā)電中的風(fēng)電機(jī)組振動監(jiān)測與故障預(yù)測系統(tǒng)通常包含三個組成部分，分別為信號采集模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控診斷中心、風(fēng)電場監(jiān)控中心。當(dāng)風(fēng)能經(jīng)過風(fēng)電機(jī)組的葉片時，該能量就會通過傳動系統(tǒng)傳導(dǎo)到發(fā)電機(jī)組，從而完成風(fēng)能向電能的轉(zhuǎn)換。而在整個傳動系統(tǒng)中由于機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，載荷變化大，轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定等原因，就會使得風(fēng)電機(jī)組中的軸承和齒輪等部件發(fā)生較大的振動而影響整體的性能。

其基本的監(jiān)測策略為：在每臺風(fēng)電機(jī)組上安裝一些振動信號采集傳感器，在經(jīng)過一定的處理之后由網(wǎng)線或者無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到風(fēng)場監(jiān)控中心；此時該監(jiān)控中心就可以實(shí)時顯示風(fēng)電機(jī)組中關(guān)鍵部件的振動情況，而該監(jiān)控中心再通過服務(wù)器與遠(yuǎn)程監(jiān)控診斷中心建立連接，對異常的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行故障診斷。

2.2振動信號采集模塊

該模塊在整個風(fēng)電機(jī)組振動監(jiān)測系統(tǒng)中起著非常關(guān)鍵的作用，它可以對原始的振動信號進(jìn)行采集、數(shù)字濾波和信號傳輸。該模塊具有四路信號采集電路和對應(yīng)的信號調(diào)整電路，當(dāng)完成信號采集之后可以通過內(nèi)部總線將其傳送到下一個單元。其中信號采集電路主要為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和測溫電路；而信號調(diào)整電路可以對得到的數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字濾波，并將其調(diào)制成差分信號以便于信號傳輸。

2.3風(fēng)電場監(jiān)控中心

該監(jiān)控系統(tǒng)與可以對風(fēng)電系統(tǒng)中的故障進(jìn)行數(shù)據(jù)保存并分析，其主要包含設(shè)備管理、信號監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲分析和故障分析四個部分。

（1）設(shè)備管理。對于種類不同的風(fēng)電機(jī)組，該系統(tǒng)可以計算出相應(yīng)的振動頻率參數(shù)并進(jìn)行存儲。

（2）信號監(jiān)測。該部分可以根據(jù)不同的情況遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)信號采集通道的采樣頻率，同時可以利用時域波形圖和頻譜圖來監(jiān)測信號，并且在系統(tǒng)異常時可以起到報警作用。

（3）數(shù)據(jù)存儲分析。在風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)中存在著幾百臺風(fēng)機(jī)，所以監(jiān)測的數(shù)據(jù)會很多，有時就不能及時對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，此時就需要對這些數(shù)據(jù)先進(jìn)行存儲，然后再采用一定的手段對振動信號進(jìn)行時域和頻域分析。

（4）故障預(yù)測。系統(tǒng)的故障預(yù)測采用的是數(shù)據(jù)模型方法，具體使用了自學(xué)習(xí)算法、粒子濾波算法和隨機(jī)子空間等。其中，自學(xué)習(xí)算法是系統(tǒng)的主要算法，可以通過以往的數(shù)據(jù)來獲取風(fēng)電機(jī)組的振動參數(shù)，進(jìn)而將其作為故障預(yù)測的參考標(biāo)準(zhǔn)。

2.4遠(yuǎn)程監(jiān)控診斷中心

該中心可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)的需求直接對風(fēng)電機(jī)組振動監(jiān)測與故障分析預(yù)測進(jìn)行操控，這樣就可以對風(fēng)電機(jī)組不同部位的振動情況進(jìn)行了解。同時，該系統(tǒng)也為總公司級別的設(shè)計人員了解風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行情況提供了方便，這樣專業(yè)技術(shù)人員就可以遠(yuǎn)程對各個設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行分析診斷，大大提高了風(fēng)電機(jī)組故障的處理速度。同時，由于風(fēng)電機(jī)組是一個復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，要對其可能發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)測，必須結(jié)合各種參數(shù)和以往的經(jīng)驗(yàn)，而這些工作就需要專家在遠(yuǎn)程來實(shí)現(xiàn)。

3風(fēng)電機(jī)組振動信號分析與故障預(yù)測

3.1振動信號分析

采集模塊采集得到的振動信號是以時間為序列的，此時就可以提取信號中的振動峰值和頻率等特征參數(shù)，再通過時域和頻域的分析，來對風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷。在分析過程中，系統(tǒng)可以使用振動峰值、有效值、峰值因數(shù)和峭度系數(shù)等參數(shù)來判斷齒輪箱等關(guān)鍵部位的運(yùn)行狀態(tài)。

3.2故障預(yù)測

在對風(fēng)電機(jī)組的故障進(jìn)行預(yù)測時，可以通過隨機(jī)子空間的方法對采集到的振動信號進(jìn)行分析，進(jìn)而對風(fēng)電機(jī)組可能發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)測?；舅悸啡缦拢?/p>

（1）首先建立風(fēng)電機(jī)組中齒輪箱的隨機(jī)狀態(tài)空間模型；

（2）利用原先計算得到的穩(wěn)態(tài)振動數(shù)據(jù)來推導(dǎo)出該模型中需要的參數(shù)，并以此作為齒輪箱線性動態(tài)系統(tǒng)的參考參數(shù)。當(dāng)齒輪箱運(yùn)行異常時，此時經(jīng)過計算得到的數(shù)據(jù)就會與原先的參考參數(shù)發(fā)生偏差，此時就可以初步判斷是齒輪箱發(fā)生了故障。

（3）當(dāng)初步確定風(fēng)電機(jī)組發(fā)生故障的部件后，就需要安排維修人員進(jìn)行現(xiàn)場檢查并對可能損壞的部件進(jìn)行更換維修，這樣就可以做到早期的預(yù)警處理。

4結(jié)語

隨著風(fēng)能這種綠色能源的不斷應(yīng)用，振動監(jiān)測與故障預(yù)測系統(tǒng)也受到了專業(yè)人士的重視。通過該系統(tǒng)可以對風(fēng)電機(jī)組的振動特征進(jìn)行分析，從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。同時該系統(tǒng)還可以提高機(jī)組的運(yùn)行效率和運(yùn)行時間，對于風(fēng)能的廣泛利用有著很大的積極意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]王海云.唐新安.風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2015（3）.85：89.

[2]楊明莉.劉三明.基于振動分析的風(fēng)力機(jī)齒輪箱故障診斷[J]電機(jī)應(yīng)用，2016（1）.42：44.

項(xiàng)目：本文系河北水利電力學(xué)院學(xué)校科技項(xiàng)目研究成果，項(xiàng)目編號：SYKJ1703

作者簡介：第一作者：吉慶昌（1982），男，漢族，河北滄州人，碩士，講師，研究方向：自動控制技術(shù)、大學(xué)生就業(yè)。