王春佳

（西南交通大學(xué)希望學(xué)院，四川成都 610400）

0 引言

隨著我國風(fēng)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電機(jī)組越來越先進(jìn)，其機(jī)械構(gòu)成越來越精密，各零部件之間的耦合也越來越復(fù)雜[1]。其一旦發(fā)生故障，必將帶來巨大的損失與維修成本。傳統(tǒng)的維護(hù)維修手段一般分為兩種，一種是產(chǎn)生故障之后進(jìn)行維修，一種是定期的經(jīng)常性的進(jìn)行停機(jī)檢修[2]。這兩種維護(hù)方法均存在一定缺陷，前者存在維護(hù)滯后與維護(hù)不足的問題，一旦發(fā)生故障其后果往往是巨大的、難以挽回的[3]；后者則存在維護(hù)過剩的缺陷，容易造成人力與物力的無意義浪費(fèi)[4]。因此，近年來風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障診斷與狀態(tài)預(yù)測(cè)逐漸受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[5]。同時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一旦產(chǎn)生故障，其在維修方面的成本管控尤為重要。本文基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的思想，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷與狀態(tài)預(yù)測(cè)進(jìn)行研究，分析其在成本管控方面的應(yīng)用。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的影響因素

傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的維護(hù)只涉及其運(yùn)行狀態(tài)，但是由于風(fēng)電機(jī)組的零部件數(shù)量眾多，其生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝等方面均有可能影響其運(yùn)行狀態(tài)，其影響因素貫穿了其整個(gè)生命周期：在設(shè)計(jì)階段，主要有物理特性、疲勞特性等因素以及風(fēng)輪幾何參數(shù)、葉片材料、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)因素；在生產(chǎn)階段，則為配套問題、采購不當(dāng)以及部件質(zhì)量低等裝配問題；在運(yùn)輸階段，其影響因素則為存儲(chǔ)不當(dāng)、運(yùn)輸損耗等人為因素；在安裝階段，則存在著安裝誤差等人為因素；在運(yùn)行階段，影響因素更加廣泛，如周邊環(huán)境、地形和海況等地理因素，鹽霧、風(fēng)速、溫度、大氣壓強(qiáng)和空氣濕度等氣象因素，風(fēng)湍流等隨機(jī)性載荷因素以及主軸的上傾角、葉片重力、塔影效應(yīng)、偏航誤差和風(fēng)剪切等確定性載荷因素，另外還有電網(wǎng)負(fù)荷變化、電壓脈沖、瞬時(shí)短路和轉(zhuǎn)差等電氣因素；在維修階段，則有著維護(hù)不當(dāng)以及未實(shí)時(shí)維護(hù)等因素。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷與狀態(tài)預(yù)測(cè)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自設(shè)計(jì)階段起，就會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)資源已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心資源。通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的手段，可以建立起精準(zhǔn)有效的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組物理模型，通過運(yùn)行參數(shù)可以有效精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)其未來的運(yùn)行發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的預(yù)測(cè)與診斷。

圖1 是一種傳統(tǒng)的狀態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)框架，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí)時(shí)刻處于動(dòng)態(tài)平衡之中，因此其監(jiān)測(cè)信號(hào)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，當(dāng)信號(hào)波動(dòng)超出其固有的范圍即可認(rèn)定發(fā)生了故障。通過特征提取的方式可以提取故障發(fā)生時(shí)的信號(hào)特征并存儲(chǔ)于歷史數(shù)據(jù)中，方便下次數(shù)據(jù)異常時(shí)進(jìn)行比對(duì)，以確定故障信息。其應(yīng)用到的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式多數(shù)為回歸預(yù)測(cè)、時(shí)間序列、支持向量機(jī)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等模型。

圖1 狀態(tài)預(yù)測(cè)的技術(shù)框架

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷與狀態(tài)預(yù)測(cè)如圖2所示。通過布置大量的傳感器，將其測(cè)量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，這是考慮到風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中，受氣候環(huán)境以及自身因素的影響，容易發(fā)生“噪聲”“干擾”等錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，需要將其剔除。對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，建立好預(yù)測(cè)模型。通過設(shè)備的參數(shù)以及歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比，可以對(duì)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與健康評(píng)估。該健康評(píng)估可以劃分為兩個(gè)狀態(tài)，即未來健康狀態(tài)以及剩余使用壽命，以方便決策層對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行維護(hù)決策。一旦數(shù)據(jù)發(fā)生異常即發(fā)生故障，則可以迅速從歷史數(shù)據(jù)中調(diào)出相關(guān)解決方式進(jìn)行維修指導(dǎo)。

圖2 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷與狀態(tài)預(yù)測(cè)的技術(shù)框架

3 大數(shù)據(jù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成本管控方面的優(yōu)勢(shì)

大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來必將帶來風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全系列運(yùn)營的深刻變化，除了故障的診斷與狀態(tài)的預(yù)測(cè)，大數(shù)據(jù)同樣可以應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障維修成本運(yùn)營。大數(shù)據(jù)不應(yīng)僅僅應(yīng)用于技術(shù)維修領(lǐng)域，應(yīng)當(dāng)覆蓋整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的方方面面甚至包括成本管控。

例如，傳統(tǒng)模式的財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)大多數(shù)以具體問題、具體的維修、采購需求等為中心，只能根據(jù)業(yè)務(wù)往來與其上游與下游系統(tǒng)進(jìn)行控制、延伸。其上游與下游系統(tǒng)多為自身平時(shí)、歷史積累的供應(yīng)商報(bào)價(jià)數(shù)據(jù)以及相關(guān)產(chǎn)品需求。數(shù)據(jù)的流通僅限于系統(tǒng)內(nèi)部的流動(dòng)，并不對(duì)外開放，也無法實(shí)現(xiàn)與外部及時(shí)有效的信息交互（圖3）。

圖3 傳統(tǒng)的成本管控工作方式

例如，現(xiàn)場(chǎng)維修管理部門根據(jù)故障維修進(jìn)度、技術(shù)要求等因素，需要購買更新現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備部件，進(jìn)行需求提報(bào)，由技術(shù)人員以及現(xiàn)場(chǎng)工藝人員進(jìn)行審核確認(rèn)，財(cái)務(wù)、供應(yīng)商管理系統(tǒng)再進(jìn)行人工詢價(jià)、供應(yīng)商報(bào)價(jià)、比價(jià)等過程，確定供應(yīng)商，如果需要開發(fā)新的供應(yīng)商還需要進(jìn)行供應(yīng)商資質(zhì)審核等流程，進(jìn)而進(jìn)行合同的簽訂、零部件驗(yàn)收、設(shè)備驗(yàn)收等，整個(gè)流程緩慢，容易卡頓、耽誤故障維修及后續(xù)生產(chǎn)經(jīng)營。這是因?yàn)樵诔杀竟芸剡^程中，傳統(tǒng)的工作方式大多數(shù)依靠內(nèi)部系統(tǒng)的流轉(zhuǎn)與已有供應(yīng)商的報(bào)價(jià)進(jìn)行。對(duì)于一些更加優(yōu)質(zhì)的報(bào)價(jià)，可能會(huì)因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系、未開發(fā)供應(yīng)商的關(guān)系導(dǎo)致未能及時(shí)納入管理、錯(cuò)失良機(jī)，導(dǎo)致成本提升。

在大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持下，可以同步進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的多維度處理，以變革傳統(tǒng)的成本管控工作方式。可以考慮引入不同的外部系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息互通，杜絕信息孤島效應(yīng)（圖4）。不僅財(cái)務(wù)系統(tǒng)與業(yè)務(wù)需求系統(tǒng)之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，其各自之間也可以和與其相對(duì)應(yīng)的外部系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)。例如，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生故障后，經(jīng)過大數(shù)據(jù)分析原因，得到相關(guān)的故障處理指導(dǎo)，急需購買相關(guān)設(shè)備，則業(yè)務(wù)系統(tǒng)可以同時(shí)在歷史數(shù)據(jù)中進(jìn)行查詢，同時(shí)也可以在外部系統(tǒng)如其他風(fēng)電機(jī)組的數(shù)據(jù)庫中尋找類似需求案例；而財(cái)務(wù)系統(tǒng)既可以在自身的供應(yīng)商庫中進(jìn)行檢索、要求供應(yīng)商報(bào)價(jià)，也可以同步在外部系統(tǒng)中進(jìn)行比對(duì)，快速解決問題，最終全方位覆蓋整個(gè)風(fēng)電機(jī)組成本的管控工作。

圖4 大數(shù)據(jù)背景下風(fēng)電機(jī)組成本管控工作方式

4 結(jié)論

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組愈發(fā)復(fù)雜精密，一旦發(fā)生故障停機(jī)將會(huì)給整個(gè)機(jī)組帶來巨大損失。本文從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行、維修等全流程討論影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的因素，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的手段建立起精準(zhǔn)有效的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組物理模型，探究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障診斷與狀態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)框架。同時(shí)探究大數(shù)據(jù)在風(fēng)電機(jī)組成本管控系統(tǒng)的應(yīng)用手段，創(chuàng)新性地提出引入不同的外部系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)信息互通的成本管控方式，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)、成本管控提供參考。