鄒繼行 張金雙 劉晨光

（華北理工大學）

0 引言

常規(guī)能源在世界的發(fā)展中有著不可磨滅的貢獻，隨著常規(guī)能源劣勢的顯現(xiàn)，新能源異軍突起，其中風能以其清潔和可再生的優(yōu)勢迅速崛起。風力發(fā)電在世界范圍內(nèi)發(fā)展迅速，很多地區(qū)都建設(shè)了大量的并網(wǎng)風力發(fā)電機組［1-4］。在風電場中風電機組是一個結(jié)構(gòu)復雜，各設(shè)備之間關(guān)聯(lián)關(guān)系密切的一個系統(tǒng)。在風機出現(xiàn)故障時應(yīng)該對故障進行及時有效的預測、解決，從而減少風機停機時間進而實現(xiàn)風電場效益最大化［5-6］。

在風電機組遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，當系統(tǒng)中設(shè)備參數(shù)超過設(shè)置的閾值時，很難確定是風電機組具體哪一設(shè)備發(fā)生了故障。這給風電場工作人員帶來了極大的不便，工作人員需要對整個風電機組進行診斷，這樣就浪費了大量時間，使得風電場經(jīng)濟效益降低。針對這一系列問題，行業(yè)內(nèi)專家進行了廣泛的研究和分析，力求在風機故障時能最大效率的解決問題，保證風機安全運轉(zhuǎn)［7］。

在現(xiàn)代風電機組系統(tǒng)中的變槳系統(tǒng)一般采用液壓變槳結(jié)構(gòu)形式，能夠在正常工況下進行工作。針對此情況本文針對風電機組容易出現(xiàn)故障的變槳系統(tǒng)進行分析，對影響風電機組變槳系統(tǒng)的因素進行權(quán)重分析，從而實現(xiàn)根據(jù)風電機組SCADA系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)綜合判斷是否是風電機組變槳系統(tǒng)出現(xiàn)了故障［8-9］。

1 基于SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)的故障診斷

1.1 風機故障模式及其原因

SCADA系統(tǒng)即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，它可以全天候的對風機進行數(shù)據(jù)采集和遙測控制。對于風機的故障診斷技術(shù)，其基礎(chǔ)就在于監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的遙測、遙調(diào)等信息，通過結(jié)合其他外在因素，對風機實時運行情況進行準確的判斷。如果風機突然出現(xiàn)異常情況，可以運用以上技術(shù)進行快速處理，最大程度的減小風機檢修時間。在工程實際中，風機可能會出現(xiàn)多種異常情況和突發(fā)故障，表1中為保定某風電場監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)常見的幾種故障和原因。

表1 風電場監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)常見的故障和原因

1.2 風電機組閾值設(shè)計

在風力發(fā)電機的SCADA系統(tǒng)中，有一個完善的報警機制。一旦風電場中的風電機組出現(xiàn)任何故障，相關(guān)的運行數(shù)據(jù)就會立刻超過預設(shè)的安全范圍。這時，監(jiān)控系統(tǒng)會立即觸發(fā)報警，同時顯示出異常情況，以便工作人員進行及時處理。對于在惡劣情況下，風電機組設(shè)備的閾值設(shè)置尤為重要，但是在有些條件下需要綜合考慮各方面的因素，才能完成對風電機組中某個設(shè)備準確診斷。

2 變槳系統(tǒng)故障分析

風力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)復雜且各個部分相互關(guān)聯(lián)，因此當某個檢測量超出閾值時，確定具體故障位置具有一定的挑戰(zhàn)性。為了解決這一問題，進行綜合判斷就顯得尤為重要。

風力發(fā)電機中的變槳系統(tǒng)受到多種參數(shù)的影響。隨著風速的變化，風電機組中發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)速度也會有所改變，再者，風機運轉(zhuǎn)中的有功和無功輸出也會干擾其變槳系統(tǒng)的參量。由此我們可以判斷出，只有對風機變槳系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要元件實現(xiàn)實時采集和控制，才能對其進行精確的故障診斷。這些元件包含驅(qū)動電流、散熱裝置和其他關(guān)鍵元件。通過實時收集和分析這些數(shù)據(jù)，我們可以更好地了解變槳系統(tǒng)的運行狀況，從而進行準確的故障診斷和維護。表2列舉出了監(jiān)控系統(tǒng)及變槳系統(tǒng)中相關(guān)的部分參數(shù)。

表2 監(jiān)控、變槳系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)

3 風機變槳系統(tǒng)權(quán)重分析

3.1 變槳系統(tǒng)扇葉歸類分析

結(jié)合工程實際，為了提高故障診斷系統(tǒng)的精確程度，本文引入有關(guān)風機變槳的某些元件的權(quán)重因素，通過分析，能夠簡潔快速的判斷風機變槳的實時情況。通過a號、b號、c號扇葉的變量進行權(quán)重計算時，考慮到它們的對稱性和一致性，我們可以將它們歸為同一類別。具體來說，我們把a～c號3個扇葉槳距角當做一個扇葉槳距角；把a～c號3個扇葉驅(qū)動電流當做一個扇葉驅(qū)動電流；把a～c號3個發(fā)動機溫度當做一個變槳發(fā)動機溫度。通過這種方式，我們可以更有效地進行權(quán)重計算和分析。

3.2 層次分析法在變槳系統(tǒng)中應(yīng)用

對風機系統(tǒng)進行權(quán)重分析時可采用多種方法，本文主要選取層次分析法（AHP）。層次分析法的應(yīng)用形式主要通過以下幾點來進行：

（1）構(gòu)建層次架構(gòu)

通過分析風機系統(tǒng)，需要針對實際工程問題需要來構(gòu)建一個分層的模型。通常這個模型結(jié)構(gòu)包含三個級別。最頂層是目標層，一般來說，在這一層中我們只關(guān)注一個關(guān)鍵因素。接下來的一層是準則層，這一層的數(shù)量可以根據(jù)實際需要來確定，可能包含多個層級，或者只有一層。最底層是方案層，方案層比較容易確認。

（2）建立判定矩陣

通過數(shù)值計算和分析判別，構(gòu)造出一個判斷矩陣A。矩陣A的表示方式如公式（1）所示：

公式（1）里aij的下角標注既體現(xiàn)了在矩陣A中的坐標，還體現(xiàn)了變量x和y之間的重要性比值［10-11］。通過AHP分析，通過對逐樣元素開展兩兩比較來賦予其相應(yīng)的權(quán)重。通過衡量某個屬性的相對權(quán)重，整合出1～9標度法，對比不同的元素來推導標度值，其解釋和意義見表3。矩陣A中，互為倒數(shù)的斜線兩旁互為對角的變量值，為1的是斜線上的變量值。

表3 比例標度量化表

（3）特征值同一性判斷

進行判斷矩陣計算時，最大特征根對應(yīng)的特征向量為權(quán)重值，對該特征向量進行歸一化處理的結(jié)果即為該層中各個元素相對于上一層因素的重要性排序［12］。為確保此理論所得結(jié)果的可靠性，應(yīng)對整體架構(gòu)與判別矩陣開展同一性判斷［13］。同一性的偏差通過公式（2）進行計算，其中CI被稱作同一性變量。

式中，λmax被稱作極大特征向量。

在對同一性偏差進行判別的過程中，為了考慮差異維數(shù)的矩陣可能對應(yīng)的同一性變量，我們使用平均任意同一性變量RI。而同一性比值CR反映了不同維數(shù)矩陣的同一性水平，CR＝CI／RI。若CR＜0.1，說明判別矩陣的同一性優(yōu)良，判別矩陣的架構(gòu)是合理的，無需調(diào)整。RI值見表4。

表4 平均任意同一性變量R I值

運用層次分析理論，我們可以對風力發(fā)電機中的變槳系統(tǒng)進行權(quán)重計算。在這個過程中，我們結(jié)合了定量計算和定性分析，對第二層的指標進行了全面的考慮。為了得到判斷矩陣，我們綜合了某風電場變槳系統(tǒng)近15月的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)和問題數(shù)據(jù)。表5為近15個月以來風機變槳系統(tǒng)發(fā)生的問題及故障匯總。

表5 變槳系統(tǒng)故障問題匯總

結(jié)合風場實際，對風機變槳系統(tǒng)所產(chǎn)生問題進行研判，得出以下7種指標。B1變槳發(fā)電機轉(zhuǎn)速、B2變槳系統(tǒng)IGBT的溫度、B3變槳系統(tǒng)的驅(qū)動電流、B4變槳系統(tǒng)的槳距角、B5變槳發(fā)動機溫度、B6電網(wǎng)有功功率、B7變槳散熱器溫度。根據(jù)以上7種指標的重要性由強到弱可以排列為B4、B3、B2、B1、B5、B6、B7，構(gòu)成矩陣見表6。

表6 目標層判別矩陣

4 變槳系統(tǒng)EXCEL權(quán)重計算

基于層次分析法的數(shù)據(jù)計算可以在EXCEL表格中進行計算得出相應(yīng)的結(jié)果，圖表明了干擾風機變槳系統(tǒng)不同變量權(quán)重的判斷矩陣，并對同一性進行了判斷。同一性比值CR為0.04895，小于0.1，判別矩陣的同一性優(yōu)良。

圖 矩陣權(quán)重及一致性檢驗指標計算

通過層次分析法利用表格得到的權(quán)重結(jié)果見表7。

表7 變槳系統(tǒng)權(quán)重因素

5 結(jié)束語

通過表7的數(shù)據(jù)，運用層次分析理論對風機變槳系統(tǒng)的問題研判，可以得出以下結(jié)論：變槳系統(tǒng)的驅(qū)動電流、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、IGBT溫度、槳距角這四個因素對風機變槳系統(tǒng)的權(quán)重共計0.881。這意味著此四項變量對變槳系統(tǒng)的潛在影響十分值得重視，所以在判斷系統(tǒng)問題故障時，必須先行檢測這些變量的異常情況。通過綜合分析這些因素的權(quán)重，可以準確判斷風電機組變槳系統(tǒng)的故障。

因此，為了準確診斷風電機組變槳系統(tǒng)的故障，應(yīng)該密切關(guān)注這些參數(shù)的變化。在實際操作中，可以通過監(jiān)控這些參數(shù)、定期檢查設(shè)備狀態(tài)、及時進行維修保養(yǎng)等措施來保障風電機組的正常運行。