風電機組在線遠程故障診斷系統的應用

蘇衛東

（華電國際寧夏新能源發電有限公司，寧夏 銀川 750002）

風電機組在線遠程故障診斷系統的應用

蘇衛東

（華電國際寧夏新能源發電有限公司，寧夏 銀川 750002）

為便于實時檢測風電機組運行狀態，及時發現風機設備的異常和缺陷，風電機組應用了在線遠程故障診斷系統。介紹了該系統的構成和安裝布置，分析了系統的功能和應用特點。該系統應用實現了對風力發電機組的主動性維護，提高了風電場的安全性和經濟性。

風電機組；在線遠程；故障診斷

0 引言

風電場處在偏遠地區，占地面積大，風機布置分散，機艙位置高，風機設備巡檢工作量大。在風電場的運行過程中，往往因為設備檢查不到位，安全隱患沒有被及時發現，而造成發電機、風機葉片、齒輪箱等重大設備損壞，嚴重影響風電設備的安全運行，給風電場造成重大經濟損失。

因此，采用風電機組在線遠程故障診斷系統，對風機發電機、齒輪箱、風機塔筒等設備的振動情況進行在線監測，以便及時掌握風電機組設備的異常和缺陷，合理進行風機運行操作和檢修維護，防止重大事故的發生，減小檢修人員的勞動強度，對提高風電場運行可靠性和經濟性均具有十分重要的實際意義。

1 系統簡介

風電機組在線遠程故障診斷系統由控制單元、傳感器、電纜、軟件平臺組成，系統共有3級：

第1級為機艙采集設備，包括ICP加速度傳感器、數據采集器、光電轉換器、環網交換機等；

第2級為放置于升壓站中控室內的數據服務器，分析程序安裝于此服務器內，現場工程技術人員可以從這個服務器的終端獲取本風場的機組運行數據和狀態；

第3級為設立在公司總部的數據網絡，管理層、專業技術人員可以通過該數據網絡實現更高層次的分析診斷和管理。

每臺風機在主軸承45°徑向及軸向、齒輪箱行星級水平方向、齒輪箱直聯級垂直方向、齒輪箱直聯級軸向、齒輪箱第2行星級水平方向、發電機非驅動端水平方向、發電機驅動端水平方向共配置8個加速度振動傳感器。這些傳感器用于在線監測主軸軸承、齒輪箱、發電機等關鍵部件的振動。

通過風電機組在線遠程故障診斷系統對監測數據進行時域分析、頻域分析、多域變換分析，并通過故障數據庫、診斷知識庫、各種故障模式識別方法(神經網絡、模糊診斷和專家系統等)及故障趨勢預測，可實現精確的故障診斷，特別是實現早期故障預警與定量診斷，以便及早對設備進行檢查維護，避免故障擴大和設備損壞，延長維護和保養的周期，減少維護成本。

2 系統安裝布置

2.1 傳感器測點布置

依據VDI3884-2009《風力發電振動標準》中對振動測點的相關要求，不同機型的測點布置與點數也有所區別，一般布置8個及以上加速度傳感器振動測試點。

2.2 振動數據采集器的安裝

根據不同機型，振動數據采集器的安裝位置可作調整。安裝時應注意安全，并使其便于檢查清潔。

2.3 光電轉換器的安裝

機艙、塔基光電轉換器安裝于控制柜空置導軌上，其供電電源與數據采集器的供電電源從同一位置引入，并利用光纖的備用芯將光信號轉換成電信號后進入生產環網。

2.4 機組環網組網

通常情況下，環網交換機安裝于塔基下方，其供電電源從塔基控制柜中引入。光電轉換器將光信號轉換成電信號后進入生產環網。數據服務器安裝于風場監控中心，從升壓站二次室將環網的信號引入到風場監控中心。

3 系統主要功能

風電機組在線遠程故障診斷系統的主要功能有以下幾點。

(1) 監測和顯示功能。以監視圖、棒表、數據表格、曲線等方式實時動態顯示所監測機組的數據和狀態；可選擇顯示所有機組的測量信號變化趨勢、波形、棒圖、頻譜圖、三維譜圖等；故障報警顯示功能。

(2) 基本分析功能。具有時域振動波形、時域特征值(峰峰值、有效值、方差、峰值因數、峭度指標等)提取；信號概率分布和密度函數分析；振動信號頻譜和功率譜分析，沃爾什譜、相位譜、瀑布圖、細化譜、倒頻譜、包絡分析，共振解調分析，趨勢和相關趨勢分析等。

(3) 高級分析功能。包括基于多域變換及其與分類器組合的齒輪和滾動軸承振動信號的高級分析與故障診斷功能，實現故障精細診斷和準確定位。

(4) 故障診斷功能。建立風電機組故障數據庫和診斷知識庫。在界面工具欄點擊故障診斷，選擇需要診斷的風機，點擊開始診斷項目，軟件就能判斷設備在某一時段正常與否。

(5) 系統能夠自動監測各臺風機的運行狀況，保存各臺風機的運行檔案。當風機出現異常時，系統自動提示報警并給出異常部位的處理建議并指導檢修。

(6) 風機振動數據自動長期保存，可以形成風機振動情況的電子化檔案。

4 系統應用特點

(1) 該系統數據采集裝置兼容了高速數據采集和不間斷數據采集2種極端要求。高速數據采集器最高可以實現100 kb/s的數據采集速度，這樣可以在更高頻段分析齒輪箱的嚙合頻率。不間斷數據采集，即可以實現對全部通道不間斷數據采集，從而可以實現超低頻分析。

(2) 采用多種分析方法實現精確故障診斷與早期故障預警、故障定位。

(3) 該系統采集風機主軸、齒輪箱、發電機振動等數據并上傳，運用了包括時域波形分析、頻域波形分析、倒譜、共振解調、小波分析、細化頻譜等最適合于風電設備機械結構特點的分析技術。

(4) 該系統能夠診斷風電設備常見的故障，包括：軸平衡、軸對中、齒輪故障(齒面剝落、齒面點蝕、齒間隙不良、齒裂紋、斷齒)、軸承故障(保持架、滾動體、軸承外圈、軸承內圈的點蝕、磨損、凹坑、松動)、風機葉片不平衡、發電機聯軸器以及轉子偏心故障、共振問題等主要風機故障類型。

(5) 有利于運行人員監控。以總覽方式顯示所有風機的振動值和狀態，以列表顯示所有測點的峰峰值、有效值和峭度，以機組方式顯示一臺機組結構圖、測點布置位置、各測點的有效值和峭度。

(6) 有利于提高風電場發電量。在線檢測風機運行狀態，在無風時統一維護維修，保證風機在最優狀態，有效減少意外的故障停機，最大限度提高風電場發電量，提高公司經濟效益。

(7) 有利于減少人員工作量。遠程數據自動采集、設備的遠程故障診斷，減少了現場的日常巡視工作量。

(8) 建立新型設備管理維護模式。結合該系統制定公司的風電設備狀態檢修管理制度、設備檢修標準、檢修周期，達到降低設備維護維修成本，延長機組使用壽命，保證設備安全穩定運行的目的。

(9) 經濟效益明顯。該系統投運后，及時發現某風機發電機驅動側、非驅動側的峰峰值、有效值及峭度均嚴重超標。維護人員對發電機進行了對中調整，避免了發電機損壞。預期可減少發電機備件費用60萬元，運輸費用2萬元、吊裝費用5萬元、電量損失3.36萬kWh，共減少損失68.88萬元，可取得明顯的經濟效益。

5 結束語

該系統具有對風電機組故障的發現和診斷能力，能及早發現風機發電機、變速箱及軸承等重要部件的故障征兆，便于及時采取有效的預防措施，避免故障擴大，從而延長機械壽命，降低檢修維護費用。

同時，可以利用該系統隨時跟蹤故障的變化趨勢，根據故障的發展情況，合理安排消缺時間，利用小風期安排消缺，避免消缺造成大量電量損失；并可減少人工巡檢次數及備品的庫存，節省人力、物力，實現了對風力發電機組的主動性維護，提高了風電場的安全性和經濟性。

2014-10-14；

2014-12-12。

蘇衛東(1967-)，男，高級工程師，主要從事風力發電、太陽能發電故障、預測系統技術研究及安全生產管理工作，email：401728612@qq.com。