適應于多種類型風力發電機的在線監測系統的開發

張偉鵬,徐健2,楊濤,高偉,陳杰,張聘亭

(1.華中科技大學 能源與動力工程學院，武漢 430074；2.上海瑞視儀表電子有限公司，上海 201612)

適應于多種類型風力發電機的在線監測系統的開發

張偉鵬1,徐健2,楊濤1,高偉1,陳杰1,張聘亭1

(1.華中科技大學 能源與動力工程學院，武漢 430074；2.上海瑞視儀表電子有限公司，上海 201612)

風力發電機由于其惡劣的工作環境以及其復雜多變的工況，在運行時經常出現故障，導致停機維修，造成了很大的經濟損失。而當前已經有開發了一些在線監測系統，大多是只針對一種形式結構的風力發電機，而往往風場中會存在多種類型的風機：如雙饋式的、直驅式的、還有半直驅式的，而每種風機的內部結構存在著很大的差別，各有優異。針對當前的實際情況，開發了一套針對多種類型的風力機在線監測系統。系統在數據庫設計、參數設置、監測界面都融合了多種形式的風力發電機，在自制的模擬風力發電機的臺架上試運行已經取得了理想的效果。

風力發電；故障診斷；在線監測；雙饋式；直驅式

0 引言

隨著全球能源短缺的問題日益突出，新能源的開發顯得更為迫切。核能、太陽能、風能等都憑借其各自優勢得到了一定的發展，核能因日本福島核電站事故的發生，安全性被各界所質疑，太陽能長期以來的因其穩定性及技術尚未成熟也在一定程度上扼制了其發展速度。而風電技術日趨成熟，且分布廣泛，近幾年得到了快速發展。但風電由于其一般地處沙漠、草原、海上等偏遠地區，且環境惡劣，造成風機經常出現故障，且維修不方便，在沒有遠程在線監測時，每當風力機發生故障時都需要去現場，長時間的停機維修，從而增加了機組的運行維護成本，降低了風電的經濟效益。因此，無論是從降低風力機的運行風險，還是減少運作成本的角度考慮，都需要大力發展風力機狀態監測和故障診斷技術[1]。而目前我國對狀態監測應用在風力發電機的研究還處在初始階段[2]。

由于每種風力發電機的類型和內部結構不同，造成了不同風力發電機的需要重點監測的位置也有所區別，對于直驅式的風力機發電機是其故障的主要來源，所以需要重點監測其電子與轉子間的間隙，而雙饋式的風力機齒輪箱是造成停機時間最長的故障，所以監測齒輪箱的運行狀態是重中之重。先前的大部分在線監測系統只考慮了其中一種類型的風力機，或者是將不同類型的風力機采用不同的在線監測系。針對當前實際情況開發了一套可遠程的適用于多種類型風機的在線監測系統。

1 在線監測系統總體結構

如圖1所示的在線監測系統的總體框架圖，振動數據與工藝數據由風力發電機經傳感器、數據采集器傳送到數據庫中保存，采集器和數據庫服務器放置于風場，客戶通過有線網絡的形式訪問服務器中的數據，這樣工作人員就可以遠程實現對風機的在線監測。不同的工作人員可以根據

自己的需求監測不同的風機，做不同的數據處理，互相之間不受影響。

圖1 系統總體示意圖Fig.1 System schematic diagram as a whole

2 測點布置

為了得到有效地監測，需要對整個風機全面監測，包括機艙、塔架、軸承、齒輪箱、發電機等[3]。風電機組現場測量點選擇的不同，對于監測系統信號分析具有很大的影響，根據目前風電機組的實際運行情況，通常齒輪箱齒輪及其軸承、發電機及其軸承是較容易發生故障的部件。因此在本文的監測中,將齒輪箱前后軸承、發電機前后軸承分別作為重點監測點，同時兼顧塔架等整個風機。根據發電機的類型不同采用不同的測點布置方式，如表1所示。

表1 風電機組測點選擇Table 1 The selecting of measuring point of wind turbines

3 系統數據采集與管理

為了能夠很好地反應出風機的故障，有時候需要長時間的保留風機運行時的數據，才能有效的提取出風機的故障特征，所以有效的采集和管理數據關系到整個風場的監測和診斷。

3.1數據采集

風機的振動數據經傳感器轉化為電信號，接入采集器的模擬通道，模擬通道電壓輸入范圍為-20V-20V，能夠適應各種在該電壓范圍內的各種振動傳感器。數字通道可以接入0～24V電平，根據高低電平值得設定用做脈沖計數和采集轉速信號 。一個采集器有多個數字通道和模擬通道，通過撥碼開關來選擇接入傳感器的類型。系統采樣方式分為定頻率、同步整周期、和連續采樣3種模式。當轉速信號接入正常時采用的是同步整周期采樣，而當轉速通道由于傳感器損壞等原因造成轉速信號異常時，系統自動切入定頻率采樣模式，防止數據丟失。連續采樣主要是為了實現故障數據追憶。

3.2數據管理

3.2.1 數據量的估算

雙饋式風力機存儲的是振動的原始波形及時域和頻域指標數據，波形數據采集1024個點，按照4KB計算，指標數據每條按照0.5KB計算。

直驅式風力發電機同時包含振動數據及氣隙數據，振動數據與雙饋式風力機一樣，氣隙數據每條128個點，按照0.5KB計算。

一個風場按100臺風機，根據測點布置可知一臺雙饋式風力機有14個振動測點。一臺直驅式風力發電機有8個振動測點和5個氣隙測點。

實時數據量保存前8條數據記錄，當前數據量保存近兩天的數據，每10min采集一條記錄，歷史數據保存一年的數據記錄。

假如一個風場都安裝雙饋式或者都安裝直驅式風力發電機的情況下，一個風場需要保存的數據量，如表2所示。

表2 數據庫中不同存儲方式下的數據量Table 2 The amount of data under different storage in a database

3.2.2 數據管理

一臺風力機測點很多，為了保證達到實時監測的效果，通常需要很高的采集密度，造成了數據庫的數據量龐大，因此必須具備完善的系統數據管理體制。之前的很多在線監測系統不能長時間的保存數據，且數據容易丟失，導致要進行故障診斷仍必須進行許多專門的試驗，這些無疑增加故障分析的難度和成本。該系統在數據庫中分有多

個數據庫，每臺風機根據各自相應的采集卡輸入到對應編號的數據庫中，這樣采用編號式的存儲方式能夠高效、合理的將數據存儲下來，而不會造成數據遺漏、紊亂、丟失，而且當需要相應的調取風機的歷史數據時，可以通過編號很方便快捷的找到該臺風機的數據。同時利用實時、當前和歷史保存模式，每種模式根據需要不一樣保存的數據時間長度和采集的時間密度也不一樣，實時數據因為要反應風機的實時運行狀況，所以采集的密度很大而保存的時間范圍小，而歷史數據保存的時間域度很大，每條數據保存的間隔相對較大。每條數據根據采樣時間都有一條時間刻度，這樣當需要查詢分析數據是可以根據時間刻度去查找。這種方式也從時間軸上很好的管理了數據庫，有助于后期的數據追憶。

4 系統的參數設置

4.1使用組態式參數設置需求分析

目前風力發電機有直驅式、雙饋式、半直驅式3種類型，每種類型的風機都有各自的特點和優勢，如直驅式發電機由于其沒有齒輪箱，減少了傳動耗損提高了機組的發電效率且相對雙饋式發電機而言傳動部件的故障率減少，提升了機組的運行可靠性，運行維護成本較低。于此相比，雙饋式的發電機由于存在齒輪箱，發電機的極數比直驅式的風機小很多，且直驅式發電機直接與低速風輪相連，各種沖擊載荷也全部由發電系統承受，發電機構非常復雜，因此雙饋式發電機對發電機的要求沒有直驅式的高[4]。由于不同類型的風力機各自都具有自身的優勢，目前風場中兩種類型的風力發電機都廣泛存在，甚至為了彌補兩者的缺陷，涌現了一種新型發電機，半直驅式發電機。因此鑒于各自的結構存在著很大的差異，所以對其的監測診斷方式也各有不同。直驅式的風力機由于載荷幾乎全由發電機承受，所以監測的重點即為發電機部分，即定子與轉子之間的間隙，而雙饋式發電機升速部位主要在齒輪箱，齒輪箱這時承受了大部分的載荷，因此齒輪箱是雙饋式發電機故障比例最高的傳動部件，不言而知齒輪箱是在線監測系統的主要監測對象。

不同的風機由于其監測的部位與對象不同，因此采用的傳感器也不一樣，對于雙饋式風力機監測的主要部位有高速軸、低速軸、齒輪箱，因此對應的傳感器也有適用于機組主軸承和機組齒輪箱輸入軸的低頻加速度傳感器以及適用于齒輪箱和發電機的加速度傳感器。對于直驅式風力機機組主軸承仍然利用的是低頻加速度傳感器，而定子與轉子之間的間隙監測采用電渦流傳感器。

4.2系統組態的設計與實現

本流程圖以一個風場為最基本單元，對一個風場進行管理，必要時可以增加風場。一個風場含有多臺不同類型的風機，一臺風機對應一個數據庫，可以增加和刪除數據庫實現對風機的增加或減少，一臺風機含有多個測點，其中包含有多個工藝測點和多個振動測點，工藝測點和振動測點在數據庫中分別使用不同的數據表進行數據存儲，對設備測點組態允許對測點的增加和刪除[5]。

圖2 組態流程圖Fig.2 The flow chart of the configuration

如圖3所示的測點分布示意圖，從圖中我們可以看出該臺風機的基本信息，如風機所屬的風場、風機類型、對應的采集器編號及對應的數據庫名稱。還可以對該臺風機中的測點參數進行設置，如測點的位置、使用的傳感器類型、采樣方式，還有系統分析軟件中使用的報警指標等等。模塊中還放有一張風力發電機的簡化圖，可以很直觀的了解到各測點的布局及該測點的振動指標值。

圖3 組態軟件示意圖Fig.3 Configuration software

5 系統的軟件實現

基于現實風場中風機類型種類多樣，單臺風機結構復雜，對每臺風機的監測手段都不能完全相同，因此對風機的實時監測與故障診斷系統，要求提供不同的監測方案以及分析診斷工具。本系統主要包含以下功能模塊：風場總貌圖、風機總貌圖、參數總表、振動棒圖、時域波形、頻譜分析、趨勢圖、倒譜分析、包絡分析、相關分析、瀑布圖、氣隙監測、報警監控參數、報警日志，如圖4 所示。

圖4 系統監測軟件的結構框架Fig.4 The structure of the system monitoring software framework

1）風場總貌：顯示該風場所有風機的當前工作狀態，以及每臺風機的基本信息及參數。

2）風機總貌：顯示具體某一臺風機的測點布局，測點的一些指標參數等。

3）氣隙監測：包括氣隙波形和雷達圖兩部分，主要監測直驅式風力機的發電機電子與轉子間的間隙。

4）報警監控：風電機組運行出現異常狀態時，將報警信息醒目的顯示在監測系統中，提醒運行人員注意。

5）故障診斷：確定設備故障的性質、程度、類別和部位，明確故障、征兆、原因和系統之間的相互關系，并指明故障發展趨勢。

6）動平衡計算：提供動平衡計算（最多可支持6平面11測點的平衡，附帶配重分解、試重參考、結果優化等工具）。

圖5和圖6為利用模擬信號現場軟件工作時的部分截圖。

圖5 時域波形圖Fig.5 The time domain waveform figure

圖6 氣隙波形及雷達圖Fig.6 Air-gap waveform and radar map

6 結束語

早期在我國風力發電技術剛剛起步的時候，風力發電機上還沒有安裝在線監測系統，所以不能很好的預示故障的來臨，當故障發生以后，只能大停機進行大面積的檢修，造成很長時間的停機，直接影響了風力發電機組的發電效率，造成了很大的經濟損失。安裝適用于各種類型的風機的在線監測系統有利于及早的判斷風機的運行狀態發現故障，盡早發現故障的位置及其類型，有計劃的做出故障處理。

[1]王瑞闖,林富洪．風力發電機在線監測與診斷系統研究[J]．華東電力,2009,37(1)．

[2]陳雪峰,李繼猛,程航,等．風力發電機狀態監測和故障診斷技術的研究與進展[J]．機械工程學報,2011,47(9)：46-48．

[3]張新燕,何山．風力發電機組主要部件故障診斷研究[J]．新疆大學學報,2009,26(2)：140-144．

[4]范磊．雙饋式,直驅式風力發電機的對比[J]．能源環境．

[5]劉俊華,孟清正,楊濤,等．船舶動力裝置可組態智能故障診斷系統設計[J] ．中國船艦研究,2011,6(2)：1-4．

Adapted to theVarious Types of WindTurbines on-line Monitoring System Development

Zhang Weipeng1,Xu Jian2,YangTao1,Gao Wei1,Chen Jie1,Zhang Pingting1
（1.School of Energy and Power Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074 China; 2.Shanghai RVIS Instrument & Electronics Co.,Ltd 201612 China）

due to the long-running in harsh environment, coupled with complex conditions, wind turbine runtime failure is also prominent, leading down for maintenance, resulting in great economic losses. Currently someone has developed a number of online monitoring system, mostly just a form of structure for wind turbines. However, wind farm often have many types of wind turbines such as double-fed type, direct drive, as well as semi-direct drive. And the internal structure of each of wind turbine has a big difference and advantage. For the current situation, we developed a set of wind turbine online monitoring system which suit for various forms of wind turbines. System database design, parameter setting, monitoring interfaces are integrated various forms of wind turbines, In the homemade wind turbine simulation bench has achieved the desired effect.

wind power; fault diagnosis; online monitoring; doubly-fed; direct drive

TM315

A

Doi：10.3969/j.issn.1671-1041.2014.03.011

2014-05-01

張偉鵬，男，碩士研究生，江西撫州人。主要研究方向：旋轉機械（風力機）狀態監測和故障診斷。

高偉，男，博導，教授，湖北漢川人。主要研究方向：熱工過程控制策略與控制系統的研究，火電廠計算機控制系統及應用，新能源技術與利用。