高 峰 許 琳

（華北電力大學）

0 引言

葉片作為風電機組的主要的承載部件之一，長期處在惡劣環(huán)境下運行，遭受著諸如沙塵、雨雪、冰雹、雷擊等多種腐蝕和侵襲，同時還不斷承受著外界極端載荷與周期性疲勞載荷，長此以往極易發(fā)生各種葉片故障。葉片常見故障主要包括破損、覆冰、葉片螺栓松動或脫落與變槳故障等。葉片故障會對風力發(fā)電機組的安全，穩(wěn)定運行產(chǎn)生不利影響，例如破損故障（見圖1）是由于葉片受外界影響而出現(xiàn)表面裂紋或邊緣開裂的情況，嚴重的會造成葉片折斷甚至機組倒塔等惡性事故；當發(fā)生圖2所示的覆冰故障時，會降低風力發(fā)電機組的輸出功率，影響其發(fā)電效率；變槳故障除可能造成機組發(fā)電功率損失外，還會引起機組振動異常、停機甚至葉片損壞等現(xiàn)象；因機組長期在風切變和塔影效應下運行，并承受極端氣候條件侵擾，易出現(xiàn)載荷不平衡、潤滑不良等問題，導致振動加劇，容易造成風機葉根與輪轂連接的螺栓松動，進而加劇振動形成惡性循環(huán)。在機組運行期間，如能及時準確地檢測出葉片故障并采取相應措施，可以在很大程度上避免發(fā)生重大事故，減少經(jīng)濟損失。

圖1 典型葉片破損

圖2 不同程度的葉片覆冰

目前國內(nèi)外針對風力發(fā)電機組葉片的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的方法，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的來源類型主要有：X射線［1］、紅外熱成像檢測［2－4］、超聲波檢測［5］、聲發(fā) 射 檢 測［6－7］、光 纖 傳 感 器 檢 測［8－10］、振 動 檢測［11－12］。這些方法各具特色，對葉片監(jiān)測都有一定的效果，同時，這些方法也都有一定的局限性。相對而言，葉片振動信號監(jiān)測方法結構簡單、體型相對較小，效果較好，比較適合風力發(fā)電機現(xiàn)場。

1 葉片狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)整體結構

振動信號可以用來反映風機葉片運行中的健康狀況，當葉片出現(xiàn)故障會使振動改變，因此，通過對葉片振動信號進行分析，即可對風機葉片的健康狀況做出判斷。風力發(fā)電機組葉片狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件由無線傳感器系統(tǒng)、信息處理終端兩部分組成，軟件是名為風力發(fā)電機組葉片狀態(tài)監(jiān)測的上位機監(jiān)測軟件。該系統(tǒng)通過無線傳感器系統(tǒng)采集葉片振動信號并使用無線網(wǎng)傳送給信息處理終端，信息處理終端采用TCP傳輸協(xié)議通過以太網(wǎng)將振動數(shù)據(jù)傳送給上位機監(jiān)測軟件，系統(tǒng)結構圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)整體結構圖

1.1 無線傳感器系統(tǒng)

無線傳感器系統(tǒng)安裝于葉片上，用于采集葉片振動信號。將采集到的葉片振動信號通過無線通信的方式傳給信息處理終端。

1.2 信息處理終端

信息處理終端主要將無線傳感器系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)進行接收，并通過以太網(wǎng)通信將振動數(shù)據(jù)傳給上位機監(jiān)控系統(tǒng)中。

1.3 上位機監(jiān)測軟件

該軟件基于LabVIEW平臺設計，通過TCP協(xié)議與信息處理終端進行通信，將信息處理終端傳送來的葉片振動信號進行實時顯示并且以關系數(shù)據(jù)庫結構方式存儲在MySQL數(shù)據(jù)庫中。

2 上位機監(jiān)測軟件介紹

該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對葉片振動信號處理、分析、顯示、存儲等功能，并且有兩種模式可供選擇：自動模式下可在無人值守的情況下全天候自動采集與存儲葉片振動數(shù)據(jù)，并且在整點時自動分析數(shù)據(jù)并對葉片健康狀況進行診斷；手動模式下需人工對采集的數(shù)據(jù)進行顯示、分析與故障診斷。該系統(tǒng)的主要功能包括：實時振動監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，葉片故障自動報警，監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲與歷史數(shù)據(jù)查詢，振動數(shù)據(jù)統(tǒng)計量分析與頻譜分析，葉片工作模態(tài)分析。

2.1 振動信號的實時顯示

監(jiān)測界面的主要功能有：改變數(shù)據(jù)分析的模式，實時顯示葉片加速度信號及轉速，對采集到的數(shù)據(jù)進行分析并進行故障報警，顯示歷史模態(tài)頻率趨勢圖，顯示歷史均方根趨勢圖，界面如圖4所示。

圖4 振動信號實時顯示界面

自動模式下：本系統(tǒng)可以將采集到三個葉片的3個軸的振動信號以及葉片的轉速進行實時顯示?？梢詫?shù)據(jù)進行自動保存，并且每隔1個小時對振動信號進行分析并進行故障判斷。還可以人工設置分析時間，此時系統(tǒng)將在人工設置的時間對數(shù)據(jù)進行分析及故障診斷。手動模式下需要人工操作才能進行數(shù)據(jù)的采集與存儲。

2.2 振動信號的數(shù)據(jù)查詢

數(shù)據(jù)查詢界面可以實現(xiàn)查詢?nèi)掌诹斜?，查詢時間列表，查詢具體時間段數(shù)據(jù)，以及對查詢到的歷史數(shù)據(jù)選擇性顯示的功能。如圖5所示。

圖5 振動信號的數(shù)據(jù)查詢界面

（1）查詢時間列表

系統(tǒng)默認將一天內(nèi)所有時間段采集到的數(shù)據(jù)存儲為當天的日期，點擊查詢?nèi)掌诹斜砜騼?nèi)的查詢按鈕，可以查詢到對葉片數(shù)據(jù)進行采集的所有日期。

（2）查詢?nèi)掌诹斜?/p>

在要查詢的日期框中首先輸入想要查詢數(shù)據(jù)的日期，格式為查詢?nèi)掌诹斜碇兴榈降娜掌诟袷?，然后點擊查詢按鈕，可以查詢到當天所有采集數(shù)據(jù)的時間段。

（3）查詢數(shù)據(jù)

在查詢數(shù)據(jù)框中，首先輸入想要查詢數(shù)據(jù)的時間段的起始時間與結束時間，再勾選具體傳感器和方向，可以多選也可單選，然后點擊查詢按鈕后數(shù)據(jù)將在顯示界面內(nèi)顯示。

2.3 振動信號的分析

進入數(shù)據(jù)分析界面，在該界面進行分析的數(shù)據(jù)是由數(shù)據(jù)查詢界面中查到的具體時間段的數(shù)據(jù)，對查詢到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)選擇后可以進行時域分析，頻譜分析以及模態(tài)分析。如圖6所示。

圖6 振動信號的數(shù)據(jù)分析界面

（1）時域分析

將對所選的數(shù)據(jù)進行時域分析，自動模式下將分析的平均值、最值、峰峰值、均方根值以及方差進行顯示，手動模式下將分析的平均值、最值、峰峰值、均方根值以及方差進行顯示并且保存。

（2）頻譜分析

將對所選的數(shù)據(jù)進行頻譜分析，并將分析的頻譜圖顯示出來。

（3）模態(tài)分析

將對所選擇的數(shù)據(jù)進行模態(tài)分析，自動模式下將系統(tǒng)計算的數(shù)據(jù)的頻率，阻尼系數(shù)以及振型系數(shù)進行顯示，手動模式下將系統(tǒng)計算的數(shù)據(jù)的頻率，阻尼系數(shù)以及振型系數(shù)進行顯示并保存。

2.4 振動信號的異常報警

本軟件主要采用對三個葉片加速度信號的均方根值，以及葉片z軸方向加速度信號的工作模態(tài)參數(shù)進行分析和比較來進行葉片狀態(tài)監(jiān)測。系統(tǒng)將預先設定的報警閾值作為比較基準，每隔一小時將采集到的新數(shù)據(jù)進行分析，將其與對應的特征閾值進行比較，當出現(xiàn)超限情況時，發(fā)出報警指令，通知對應設備負責人員，檢查設備運行狀況。圖7為葉片1出現(xiàn)振動異常報警界面。

圖7 葉片1故障報警界面

3 結束語

本文基于LaBVIEW開發(fā)了一種利用葉片加速度振動信號的風機葉片狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括無線傳感器系統(tǒng)、信息處理終端以及上位機監(jiān)測軟件。為驗證本系統(tǒng)的可行性，搭建了微型實驗風機，用實際運行的實驗機組進行傳感器測試并對系統(tǒng)功能進行了驗證。此系統(tǒng)為實際風機葉片健康狀態(tài)監(jiān)測研究提供了良好的方案。