胡國(guó)清， 趙振寧， 王剛， 徐超， 張宇

〔1.蒙東協(xié)合新能源有限公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000；2. 國(guó)家電投內(nèi)蒙古能源有限公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000；3.國(guó)家電投集團(tuán)電站運(yùn)營(yíng)技術(shù)(北京)有限公司，北京 102209〕

0 引 言

近年來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越廣泛，在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)上的應(yīng)用將實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維的智能化。由于風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)環(huán)境特殊，風(fēng)電機(jī)組設(shè)備安裝在風(fēng)速大、溫度高的高空和邊遠(yuǎn)地區(qū)，環(huán)境因素導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組齒輪箱和發(fā)電機(jī)等部件出現(xiàn)故障[1]。風(fēng)電機(jī)組不像火電、水電設(shè)備能夠方便進(jìn)行設(shè)備巡檢，因此風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的監(jiān)控和故障預(yù)警成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)[2]。

針對(duì)上述存在的問(wèn)題，文獻(xiàn)[3]研究了風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)定恒定的風(fēng)電機(jī)組預(yù)警閾值。但每個(gè)風(fēng)電機(jī)組所在環(huán)境不同，實(shí)際運(yùn)行狀況不一致，單一的預(yù)警值無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際情況。文獻(xiàn)[4]對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)劃分成不同的區(qū)間，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組的溫度變化，各區(qū)間設(shè)置不同的預(yù)警閾值。但監(jiān)測(cè)預(yù)警參數(shù)單一，未考慮到功率異常和電壓波動(dòng)的影響。

針對(duì)上述研究中存在的不足，本文設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組監(jiān)測(cè)運(yùn)維仿真系統(tǒng)，多元線性回歸分析風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)的實(shí)際值和估計(jì)值，超過(guò)設(shè)定閾值區(qū)間發(fā)出報(bào)警，加快了運(yùn)維反應(yīng)時(shí)間。

1 風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的發(fā)電機(jī)組監(jiān)測(cè)運(yùn)維仿真系統(tǒng)

本文研究的創(chuàng)新點(diǎn)如下。

(1) 設(shè)計(jì)出風(fēng)電機(jī)組集電線路保護(hù)電路，防止風(fēng)電機(jī)組與集電線路之間線路故障導(dǎo)致電壓跌落，造成發(fā)電機(jī)組端損壞的情況發(fā)生，且動(dòng)作時(shí)限較短。

(2) 建立多元線性回歸預(yù)測(cè)模型，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組其他變量的變化特征預(yù)測(cè)出某個(gè)部件的運(yùn)行參數(shù)，并設(shè)定預(yù)測(cè)殘差值，加快了反應(yīng)時(shí)間。

由于發(fā)電機(jī)組設(shè)備安裝在高空環(huán)境中，長(zhǎng)期受到強(qiáng)風(fēng)和雷電等惡劣天氣的損壞，風(fēng)電機(jī)組受力不均勻[5]。當(dāng)外界環(huán)境中風(fēng)向突然改變時(shí)，機(jī)組的風(fēng)輪和葉片受到強(qiáng)烈的沖擊力，不均勻負(fù)載傳遞到機(jī)組的主軸和變速箱等設(shè)備，影響部件的正常使用[6]。主軸被風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)風(fēng)電機(jī)組增速系統(tǒng)運(yùn)行。發(fā)電機(jī)組與輸出軸相連，并與輸電網(wǎng)連接完成電能輸送。機(jī)組設(shè)備長(zhǎng)期承受負(fù)載壓力，發(fā)電機(jī)組容易出現(xiàn)故障。故障模式、影響和危害如表1所示。

表1 風(fēng)電機(jī)組的故障和危害

風(fēng)電機(jī)組在重載的工作情況下，齒輪箱受到多個(gè)方向上的負(fù)載壓力，使齒輪過(guò)度減薄同時(shí)出現(xiàn)側(cè)隙增加的情況。當(dāng)承受的負(fù)荷出現(xiàn)交變的情況，會(huì)導(dǎo)致沖擊載荷和振動(dòng)加劇[7]。本文通過(guò)傳感器對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行在線監(jiān)控，檢測(cè)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，檢驗(yàn)是否發(fā)生故障[8]。本文風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的發(fā)電機(jī)組監(jiān)測(cè)運(yùn)維仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文風(fēng)電機(jī)組監(jiān)測(cè)運(yùn)維仿真系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)風(fēng)輪窗口顯示風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速、葉片漿距角和液壓系統(tǒng)的參數(shù)，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主軸轉(zhuǎn)速和油溫的數(shù)據(jù)。通過(guò)風(fēng)速和風(fēng)向檢測(cè)了解外界環(huán)境的情況，獲取實(shí)時(shí)風(fēng)速。變壓器窗口顯示當(dāng)前發(fā)電機(jī)組的功率和溫度。通過(guò)監(jiān)測(cè)各系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，及時(shí)對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行運(yùn)維處理，防止機(jī)組進(jìn)一步損壞加劇故障程度。當(dāng)外界環(huán)境風(fēng)速超過(guò)一定范圍時(shí)，系統(tǒng)控制葉片制動(dòng)使葉片順漿剎車(chē)。通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，防止速度過(guò)快造成系統(tǒng)溫度過(guò)高，對(duì)部件性能產(chǎn)生影響。將采集到的運(yùn)行參數(shù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，數(shù)據(jù)庫(kù)給性能預(yù)測(cè)模型提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，與實(shí)際情況進(jìn)行比較，判斷是否出現(xiàn)異常[9-10]。

2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)電機(jī)組集電線路保護(hù)電路

為了保護(hù)風(fēng)電機(jī)組的完整性，不會(huì)受到短路電流和瞬時(shí)電壓的影響，本文提出一種快速有效的風(fēng)電機(jī)組集電線路保護(hù)電路，發(fā)生線路故障機(jī)組端的箱變?nèi)蹟嗥骺焖倥c集電線路斷開(kāi)連接。MV母線電壓快速下降，保護(hù)電路保護(hù)風(fēng)電機(jī)組電壓防止快速跌落，集電線路保護(hù)電路如圖2所示。

圖2 集電線路保護(hù)電路

當(dāng)U測(cè)Iset時(shí)保護(hù)電路啟動(dòng)，動(dòng)作時(shí)限可表示為：

(1)

式中：Uset為動(dòng)作電壓；Iset為動(dòng)作電流；K1、K2、K3為保護(hù)定值。風(fēng)電機(jī)組與集電線路連接的每條線路中都設(shè)置有低壓斷路器和熔斷器，發(fā)生線路故障時(shí)MV母線與集電線路之間的電壓低于標(biāo)準(zhǔn)值。故障處的電流值大于其他線路，風(fēng)電機(jī)組線路斷開(kāi)，低壓保護(hù)動(dòng)作時(shí)限最短，保護(hù)內(nèi)部各系統(tǒng)部件。

由于MV母線電壓下降速度較快，電壓跌落較深，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組端電壓快速下降，因此需要保護(hù)電路，切除故障連接來(lái)恢復(fù)機(jī)組端電壓。由式(1)可知，保護(hù)電路的動(dòng)作時(shí)限越短，將更有效地保護(hù)風(fēng)電機(jī)組端的電壓值，保護(hù)定值K1、K2、K3的設(shè)定動(dòng)作時(shí)限滿(mǎn)足大于等于0.1 s，使熔斷器先熔斷：

(2)

集電線路與機(jī)組端之間熔斷器處發(fā)生故障時(shí)，UB_熔最小、線路IB_熔最大。由式(2)可知，這種情況對(duì)K1的要求較高。為保證集電線路保護(hù)電路能夠正常發(fā)揮作用，K1值設(shè)定在系統(tǒng)發(fā)生三相短路時(shí)，可表示為：

(3)

當(dāng)集電線路與風(fēng)電機(jī)組端之間的線路發(fā)生故障時(shí)，動(dòng)作時(shí)限應(yīng)小于0.1 s，最大限度地降低對(duì)其他集電線路上風(fēng)電機(jī)組的影響。其中U測(cè)IB_熔，集電線路最大動(dòng)作時(shí)限可表示為：

(4)

式中：Krel為可靠系統(tǒng)；Uset為設(shè)置電壓；UB_熔為熔斷電壓；Krel取值范圍是0.12 s～0.13 s。

以上風(fēng)電機(jī)組主保護(hù)能保證風(fēng)電機(jī)組在發(fā)生故障情況下快速反應(yīng)，保護(hù)機(jī)組端電壓穩(wěn)定，防止電壓快速跌落保護(hù)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備受到損壞。同時(shí)設(shè)定后備保護(hù)定值防止集電線路發(fā)生輕微故障主保護(hù)反應(yīng)不夠迅速，動(dòng)作延時(shí)為0.3 s。

2.2 多元線性回歸分析風(fēng)機(jī)故障預(yù)警

本文分析方法預(yù)警步驟如下。

步驟一：建立多元線性回歸預(yù)測(cè)模型。

在風(fēng)電機(jī)組中，各系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)在不同時(shí)刻存在一定的制約關(guān)系，一個(gè)系統(tǒng)變量的變化可通過(guò)其他相關(guān)參數(shù)的線性組合進(jìn)行表示。對(duì)于給定的n個(gè)變量x1、x2、…、xn可以表示變量y，通過(guò)y=f(x1,x2,…,xn)函數(shù)進(jìn)行表示。當(dāng)有些參數(shù)之間存在無(wú)法用函數(shù)表示的非線性關(guān)系，本文對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行建模預(yù)測(cè)，可表示為：

y=β0+β1x1+β2x2+…+βnxn+ε

(5)

(6)

步驟二：預(yù)測(cè)模型參數(shù)估計(jì)

為了提高預(yù)測(cè)模型對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的預(yù)測(cè)精度和分析速度，采用風(fēng)電機(jī)組各系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)對(duì)模型訓(xùn)練，選取n組風(fēng)電機(jī)組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(x1,x2,…,xi;yi)代入到式(6)中，得到：

(7)

將x、y、β、ε轉(zhuǎn)換為多維矩陣的形式，預(yù)測(cè)模型變成：

y=Xβ+ε

(8)

為了對(duì)預(yù)測(cè)模型中待求參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，令樣本殘差為Hi(β0,β1,…,βn)=yi-Xβ，則殘差平方和可表示為：

(9)

(10)

步驟三：異常風(fēng)電機(jī)組故障預(yù)警設(shè)計(jì)

建立回歸預(yù)測(cè)模型可表示為：

(11)

得到異常出狀態(tài)的齒輪箱溫度預(yù)警曲線如圖3所示，預(yù)測(cè)殘差如圖4所示。

圖3 溫度預(yù)警曲線

圖4 溫度預(yù)測(cè)殘差

根據(jù)溫度預(yù)警曲線變化可知，采集點(diǎn)在18之前，齒輪箱實(shí)際溫度和預(yù)測(cè)模型給出的預(yù)測(cè)溫度差別不大，溫度預(yù)測(cè)殘差變化不明顯。進(jìn)入異常狀態(tài)后，溫度預(yù)測(cè)殘差逐漸增加。當(dāng)超過(guò)預(yù)警閾值時(shí)，觸發(fā)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)發(fā)出告警，說(shuō)明風(fēng)電機(jī)組齒輪箱存在風(fēng)險(xiǎn)，提醒工作人員及時(shí)進(jìn)行維護(hù)。

3 應(yīng)用測(cè)試

為驗(yàn)證本文風(fēng)電機(jī)組監(jiān)測(cè)運(yùn)維仿真系統(tǒng)的性能，分別使用文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)和本文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比三種系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)組性能預(yù)測(cè)的相似度和對(duì)異常情況的反應(yīng)速度。

對(duì)風(fēng)電機(jī)組各系統(tǒng)進(jìn)行性能監(jiān)測(cè)使用的硬件設(shè)備有溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、轉(zhuǎn)速計(jì)、電表和液壓器等設(shè)備，采樣頻率為1 Hz～250 Hz，轉(zhuǎn)換精度高達(dá)13位。采集單元主控板性能如表2所示。

表2 性能參數(shù)

設(shè)定系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到發(fā)電機(jī)組溫度為向量X={x1,x2,…,xn}，系統(tǒng)預(yù)測(cè)的發(fā)電機(jī)組溫度為向量Y={y1,y2,…,yn}，使用相似性函數(shù)sim(X,Y)表示兩個(gè)向量之間的相似度。三種系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)的預(yù)測(cè)溫度和實(shí)際溫度之間的相似度如圖5所示。

圖5 相似度曲線圖

通過(guò)相似度曲線變化可知，本文系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)溫度的預(yù)測(cè)效果最好，更加接近發(fā)電機(jī)實(shí)際溫度。預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)相似度最大達(dá)到0.99，且相似度變化幅度不大，預(yù)測(cè)模型較為穩(wěn)定。

文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組溫度的預(yù)測(cè)消耗較差，相似度最高為0.78，相似度最低為0.62。預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)樣本點(diǎn)數(shù)小于50時(shí)，相似度在0.7以上，隨著樣本點(diǎn)數(shù)增加，溫度預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的相似度逐漸降低。文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組歷史溫度數(shù)據(jù)的分析能力較差，預(yù)測(cè)到的溫度與實(shí)際情況還有一定的差距。文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的相似度最高可達(dá)0.93，最低下降到0.80。數(shù)據(jù)相似度變化幅度較大，說(shuō)明文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型不穩(wěn)定。

表3為三種系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組異常情況發(fā)出預(yù)警的反應(yīng)時(shí)間。

表3 發(fā)出預(yù)警時(shí)間 s

通過(guò)對(duì)比對(duì)異常情況發(fā)出預(yù)警的時(shí)間可知，本文研究對(duì)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行異常參數(shù)做出反應(yīng)時(shí)間最快，最快可達(dá)0.8 s。文獻(xiàn) [3]系統(tǒng)由于預(yù)警指標(biāo)恒定變量單一，做出反應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)，時(shí)間最長(zhǎng)為25.1 s。文獻(xiàn)[4]設(shè)置的多區(qū)間預(yù)警閾值反應(yīng)較快，時(shí)間最短為3.1 s，比本文研究延遲了2.3 s。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)風(fēng)電機(jī)組特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出風(fēng)電機(jī)組監(jiān)測(cè)運(yùn)維仿真系統(tǒng)，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)組設(shè)備的異常情況，發(fā)出預(yù)警信息，并建立多線性回歸預(yù)測(cè)模型對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

受到風(fēng)電機(jī)組外界環(huán)境的影響，傳感器采集到的數(shù)據(jù)存在一定的誤差，對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)采集電路還需進(jìn)一步優(yōu)化。