郭洪濤 李路兵 蔣 靖 郭 濤

（1、國(guó)家電投集團(tuán)東北電力開發(fā)有限公司，遼寧 沈陽110181 2、華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京102206 3、中電投東北新能源發(fā)展有限公司，遼寧 沈陽110181）

1 概述

因?yàn)轱L(fēng)機(jī)長(zhǎng)期工作在負(fù)載快速變化和惡劣環(huán)境條件下，隨著時(shí)間推移，可能導(dǎo)致疲勞損傷，葉輪偏載等結(jié)構(gòu)健康性能指標(biāo)下降，輕則使風(fēng)機(jī)偏離原來的設(shè)計(jì)指標(biāo)造成捕風(fēng)效率下降，重則可能使葉片性能不斷惡化直至發(fā)展為嚴(yán)重故障。有資料顯示，造成風(fēng)機(jī)性能下降或故障的原因絕大多數(shù)都與葉片性能下降或變槳系統(tǒng)故障有關(guān)[1]。葉片不平衡故障占風(fēng)機(jī)全部故障的很大一部分。通過對(duì)風(fēng)機(jī)葉片不平衡故障的檢測(cè)與分析，可以早期發(fā)現(xiàn)葉片的各類故障。及早發(fā)現(xiàn)其潛在故障征兆，對(duì)降低其故障率和減少其運(yùn)行維修成本，加強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠運(yùn)行具有重要意義[2-3]。

風(fēng)機(jī)的不平衡故障在所有的風(fēng)機(jī)故障中占有很大的一部分，并且不平衡故障通常發(fā)生在葉片或轉(zhuǎn)軸上。葉片的不平衡故障一般是由安裝操作過程中的失誤、老化所導(dǎo)致的變形、磨損和疲勞、以及覆冰等情況所引起的[4]。另一種常見的不平衡等故障氣動(dòng)不對(duì)稱性，它可以由幾個(gè)因素，包括高速風(fēng)切變和控制機(jī)構(gòu)中的錯(cuò)誤引起的。如果由于控制機(jī)構(gòu)中的錯(cuò)誤，導(dǎo)致一個(gè)葉片的間距與其他兩個(gè)葉片有些許不同，則轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩將會(huì)產(chǎn)生不平衡，導(dǎo)致空氣動(dòng)力不對(duì)稱[5]。針對(duì)以上問題，本文采用了一種基于階比分析的不平衡故障分析方法，可以較好地快速檢測(cè)不平衡故障的發(fā)生。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集處理單元設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要有信號(hào)調(diào)理單元、同步信號(hào)采集單元、系統(tǒng)控制器以及以太網(wǎng)傳輸單元，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。信號(hào)調(diào)理單元主要將被測(cè)信號(hào)通過傳感器的轉(zhuǎn)換、電路的放大濾波等處理，轉(zhuǎn)換成適合AD 輸入的電壓信號(hào)。同步信號(hào)采集單元對(duì)調(diào)理后的多路信號(hào)進(jìn)行同步采樣，采樣完成后將數(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)控制器。系統(tǒng)控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣控制、葉片不平衡診斷等功能。系統(tǒng)最后通過以太網(wǎng)傳輸單元將診斷結(jié)果上傳至監(jiān)控室上位機(jī)。

2.2 系統(tǒng)控制器

系統(tǒng)控制器采用TI 公司TMS320F2812 DSP 處理芯片。該控制器具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能、完善的事件管理能力和嵌入式控制功能：擁有150MHz 主頻、32 位字長(zhǎng)和18K*16 位片內(nèi)RAM和128K*16 位片內(nèi)Flash，以及串行通信接口SCI、串行外設(shè)接口SPI、增強(qiáng)型控制器局域網(wǎng)通信接口eCAN 等諸多通信接口。

圖1 數(shù)據(jù)采集處理單元結(jié)構(gòu)圖

2.3 信號(hào)調(diào)理

2.3.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速

采用高精度、高分辨率的轉(zhuǎn)速編碼器，放置于機(jī)組齒輪箱高速軸測(cè)量發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。目前常用的光電轉(zhuǎn)速傳感器一般輸出共有A、B、Z 三路脈沖信號(hào)，該系統(tǒng)只需要測(cè)量轉(zhuǎn)速，不需要檢測(cè)Z 路單圈脈沖，故只需要其中的A、B 兩路脈沖信號(hào)。由于該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要同步采樣各傳感器的信號(hào)，所以以上2 路脈沖信號(hào)經(jīng)光電隔離與電平轉(zhuǎn)換后送至同步采樣單元進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，在數(shù)據(jù)處理單元中計(jì)算轉(zhuǎn)速。

2.3.2 發(fā)電機(jī)電壓電流

對(duì)于雙饋機(jī)組，其轉(zhuǎn)子和定子都可能向電網(wǎng)送電，需要同時(shí)測(cè)量其轉(zhuǎn)子和定子的電壓與電流，故需要2 路電流采樣和2路電壓采樣。電流傳感器選用HIB-C15-200P2O10 霍爾電流傳感器，輸入200A，輸出電流0-100mA 電流信號(hào)。電壓傳感器選用EV-C53-1000P5O9，輸入0-1000V，輸出0- 正負(fù)50mA 電流信號(hào)。以上4 路電流信號(hào)經(jīng)前置放大器、濾波電路、增益/增益量程調(diào)整電路的調(diào)理，送入同步采樣單元。

2.4 同步采樣

對(duì)上述6 路模擬信號(hào)進(jìn)行同步采樣，采樣結(jié)果通過并行數(shù)據(jù)總線送入DSP 處理器。系統(tǒng)同步采樣芯片采用DAS-AD7606，擁有8 個(gè)輸入通道、16 位精度以及200KSPS 采樣率。

2.5 網(wǎng)絡(luò)傳輸

以太網(wǎng)傳輸單元采用AX11025，通過光端機(jī)接入風(fēng)電場(chǎng)光纖網(wǎng)絡(luò)，最終傳輸?shù)奖O(jiān)控室上位機(jī)。AX11025 具有高性能嵌入式微控制器、TCP/IP 協(xié)議棧以及豐富的通信外設(shè)，提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的網(wǎng)絡(luò)解決方案。在通信方面，AX11025 擁有UART、I2C、SPI 、1-Wire、CAN 總線等通信接口，由于需要傳輸?shù)脑\斷結(jié)果數(shù)據(jù)量較小，選擇通過串行總線與DSP 通信。

2.6 系統(tǒng)架構(gòu)

主控中心服務(wù)器，接收數(shù)據(jù)處理單元發(fā)送的各風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)，利用OPC 接口單元訪問風(fēng)電場(chǎng)SCADA 系統(tǒng)，獲取各機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)。由于風(fēng)機(jī)機(jī)組工況復(fù)雜，其非平穩(wěn)特性決定傳統(tǒng)的故障診斷方法無法有效的檢測(cè)其故障。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用基于階比分析的不平衡故障分析方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片不平衡的診斷。此方法能夠?qū)μ崛≌駝?dòng)信號(hào)中與轉(zhuǎn)速有關(guān)的信息，同時(shí)對(duì)與轉(zhuǎn)速無關(guān)的信號(hào)進(jìn)行抑制，起到了再次濾波的作用。同時(shí)，分析信號(hào)不再使用電流信號(hào)，而是使用估計(jì)的輸入氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使得故障特征頻率成分更明顯。

TMS320F2812 具有強(qiáng)大的控制與信號(hào)處理能力，可控制AD 同步采樣和實(shí)現(xiàn)不平衡故障診斷算法，具體軟件流程如下圖所示：

圖3 葉片不平衡診斷系統(tǒng)流程圖

其中，r 為齒輪箱升速比，J 為葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，η 為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換效率；

（5）根據(jù)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)對(duì)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行階比分析與信號(hào)重構(gòu)，得到重新采樣氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩T2：

其中：TS為采樣時(shí)間間隔，N 為采樣的點(diǎn)數(shù)，ωc根據(jù)需要設(shè)定的低通濾波器截止頻率；tk為指定角度的采樣時(shí)間。

（6）對(duì)階比分析重構(gòu)后的信號(hào)進(jìn)行功率譜計(jì)算，突出信號(hào)中的主要頻率部分：

其中：0≤m≤M-1 ,j 表示取虛數(shù)，conj（y（m））為y（m）的共軛。

（7）進(jìn)行特征提?。禾崛」β首V中1 倍頻Q（1）和3 倍頻Q（3）幅值作為特征信號(hào)。

（8）比較特征信號(hào)，實(shí)現(xiàn)葉片不平衡故障診斷：

比較1 倍頻功率譜幅值Q（1）與3 倍頻功率譜幅值Q（3），若Q（1）大于Q（3），判斷發(fā)生了不平衡故障。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片不平衡檢測(cè)系統(tǒng)，以DSP為控制器，通過AD 同步采樣風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流電壓信號(hào)，利用階比分析方法檢測(cè)葉片的不平衡故障，并通過以太網(wǎng)將診斷結(jié)果發(fā)送到上位機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片不平衡的監(jiān)測(cè)。