基于大數(shù)據(jù)分析的風(fēng)電機(jī)組健康狀態(tài)智能評估及診斷探索

趙祖龍

（大唐山東清潔能源開發(fā)有限公司，山東 青島 266500）

0 引言

一直以來，人們習(xí)慣于采用事后檢修和周期性維護(hù)的檢修方式，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維成本較高。為了加強(qiáng)對風(fēng)電機(jī)組健康狀態(tài)的評估分析，有必要建立專門的健康監(jiān)測系統(tǒng)，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的判斷了解風(fēng)電機(jī)組當(dāng)前所處的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而對風(fēng)電機(jī)組健康衰退趨勢做出預(yù)判，找出可能存在的故障點(diǎn)，對設(shè)備安排檢修與維護(hù)，降低風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行成本。基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，開發(fā)風(fēng)電機(jī)組的智能評估及診斷系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)在線健康狀態(tài)監(jiān)控，從而對風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行展開智能管理，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的事前控制。

1 風(fēng)電機(jī)組現(xiàn)狀及常見故障類型

風(fēng)電機(jī)組停機(jī)故障，會給風(fēng)電場造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。對故障種類進(jìn)行分析，常見故障如下。

1.1 齒輪箱故障

在風(fēng)電機(jī)組中，齒輪箱的故障率是最高的。一旦齒輪箱發(fā)生故障，會造成風(fēng)電機(jī)組停機(jī)，且時間較長。齒輪箱故障常見于齒輪故障與滾動軸承故障，新投產(chǎn)的風(fēng)電機(jī)組大多數(shù)配備了專門的振動監(jiān)測系統(tǒng)，一旦齒輪與滾動軸承部位出現(xiàn)異常，系統(tǒng)會進(jìn)行信號提示，提取信號特征可判斷出具體故障類型，確定故障部位。使用傅里葉變換與小波變換時頻分析方法能夠?qū)X輪箱故障進(jìn)行精準(zhǔn)的診斷，為接下來的故障解決提供重要參考。

1.2 發(fā)電機(jī)故障

一般情況下，風(fēng)電系統(tǒng)通常使用雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)等發(fā)電機(jī)型。機(jī)艙在高空中工作，發(fā)電機(jī)長期在工況復(fù)雜多變、電磁環(huán)境惡劣的環(huán)境下工作，在運(yùn)行中容易出現(xiàn)故障，如軸承故障或短路故障。發(fā)電機(jī)處于故障狀態(tài)時，電量會出現(xiàn)變化，技術(shù)人員主要通過發(fā)電機(jī)運(yùn)行中的物理量信號變化情況，應(yīng)用專門的信號處理技術(shù)確定故障種類。

1.3 電力裝置故障

風(fēng)電機(jī)組會在變頻器的作用下接入電網(wǎng)，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速發(fā)生變化時，風(fēng)電機(jī)組能夠輸送高質(zhì)量電能。永磁直驅(qū)式發(fā)電機(jī)需要在定子側(cè)通過變頻器與電網(wǎng)連接，而雙饋式風(fēng)電機(jī)組在轉(zhuǎn)子側(cè)通過變頻器與電網(wǎng)連接。相比之下，后者更容易發(fā)生電力電子裝置故障，功率元件也更容易受損。技術(shù)人員通常使用小波分析方法提取故障特征信息，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對故障法分類，判斷故障嚴(yán)重程度，以便進(jìn)行接下來的故障診斷與維修。

1.4 葉片故障

葉片屬于風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的基礎(chǔ)部分，受長期承受風(fēng)力帶來的沖擊荷載影響，葉片受力情況復(fù)雜，在運(yùn)行時激振力經(jīng)過葉片傳遞。技術(shù)人員通過應(yīng)用有限元分析方法為風(fēng)電機(jī)組建立動力學(xué)模型，經(jīng)過計(jì)算與模態(tài)分析了解葉片振動頻率，觀測頻率的變化情況，分析葉片是否存在裂紋，從而實(shí)現(xiàn)對葉片的故障診斷。

2 大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

在風(fēng)電機(jī)組中利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行智能監(jiān)控，對風(fēng)電機(jī)組展開健康狀態(tài)評價，這是保障設(shè)備安全運(yùn)行的一種評估方式。基于大數(shù)據(jù)技術(shù)建立健康狀態(tài)管理系統(tǒng)，可有效實(shí)現(xiàn)以下功能。①信號處理。傳感器與控制系統(tǒng)中傳入的數(shù)據(jù)主要包含風(fēng)電機(jī)組功能狀態(tài)指標(biāo)和系統(tǒng)提取的內(nèi)容特征信息，信號轉(zhuǎn)換后變?yōu)橄到y(tǒng)需要的信息格式。使用傅里葉變換和小波變換方法，可以將數(shù)據(jù)處理后輸出壓縮的信息，以便健康狀態(tài)管理系統(tǒng)對信息展開分析。②狀態(tài)監(jiān)測。技術(shù)人員對信號處理部分傳來的數(shù)據(jù)展開分析，按照數(shù)據(jù)測試報(bào)告了解風(fēng)電機(jī)組各子系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，以便對子系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境展開監(jiān)測。③健康狀態(tài)評價。技術(shù)人員對系統(tǒng)傳入的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)評估，分類判斷信息，了解系統(tǒng)健康狀態(tài)，根據(jù)評估結(jié)果對風(fēng)電機(jī)組展開故障處理或資源管理。④剩余壽命預(yù)測。根據(jù)數(shù)學(xué)模型與力學(xué)理論提出的觀點(diǎn)，系統(tǒng)對風(fēng)電機(jī)組剩余壽命進(jìn)行評估，為設(shè)備故障運(yùn)維決策提供參考信息。⑤運(yùn)維決策。基于以上子系統(tǒng)帶來的信息，系統(tǒng)為風(fēng)電機(jī)組維護(hù)提供建議，從而幫助管理層完成設(shè)備維護(hù)、部件更換與采購、工作人員分配等計(jì)劃。

3 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行智能評估及診斷

3.1 健康狀態(tài)評估

在風(fēng)電機(jī)組健康狀態(tài)評價中，整體上需要經(jīng)過評價指標(biāo)選擇、評價指標(biāo)體系構(gòu)建、評價算法選擇、健康狀態(tài)評價模型構(gòu)建、健康等級劃分、評價結(jié)果分析等流程。其中，健康指標(biāo)權(quán)重可以反映出健康評價系統(tǒng)的可靠程度，健康狀態(tài)評價模型的建立同時可以實(shí)現(xiàn)對評價決策的選擇，健康等級劃分也是對風(fēng)電機(jī)組健康狀態(tài)評價結(jié)果的分析，以便技術(shù)人員按照風(fēng)電機(jī)組健康等級確定故障情況，從而選擇相應(yīng)解決方案。

不同風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)的故障不同，使用壽命也會不同，但設(shè)備的故障與使用壽命變化規(guī)律大致相同。風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行初期階段的各個零部件與控制系統(tǒng)處于磨合階段，安裝調(diào)試時可能留下隱患問題。偶發(fā)故障時期是指風(fēng)電機(jī)組的有用壽命期，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組經(jīng)過磨合期后，其運(yùn)行逐漸處于穩(wěn)定狀態(tài)，這時設(shè)備故障率很低，在沒有出現(xiàn)突發(fā)事件的情況下，設(shè)備一般不會產(chǎn)生故障。突發(fā)事件主要指工作人員使用不當(dāng)、外界環(huán)境變化、操作失誤等，這些情況的出現(xiàn)具有偶然性。嚴(yán)重故障是指隨著風(fēng)電機(jī)組使用時間的增加，各部件在運(yùn)行中受物理或化學(xué)因素影響出現(xiàn)了不同程度的磨損和老化，這一階段的風(fēng)電機(jī)組故障率將會提升，甚至影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。如果不及時維修，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)將會增加，將會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。實(shí)時評估風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，及早干預(yù)維修，可將經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)控制在最低，降低機(jī)組運(yùn)行維護(hù)成本。

3.2 故障診斷

基于大數(shù)據(jù)分析展開風(fēng)電機(jī)組的健康狀態(tài)評估，大數(shù)據(jù)處理流程主要有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析、數(shù)據(jù)導(dǎo)入與預(yù)處理、數(shù)據(jù)挖掘4 個部分。當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組擁有較為完善的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA），可以對設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)視與控制，以此完成對風(fēng)電機(jī)組的數(shù)據(jù)采集。大數(shù)據(jù)系統(tǒng)會按照分鐘級或秒級間隔記錄設(shè)備運(yùn)行的原始數(shù)據(jù)。由于采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量十分龐大，運(yùn)行參數(shù)可達(dá)到幾百項(xiàng)，一臺風(fēng)電機(jī)組的每月記錄數(shù)據(jù)能夠達(dá)到幾百兆字節(jié)，對這些海量數(shù)據(jù)展開整理與分析，有利于判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

對數(shù)據(jù)展開分類匯總，對歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，可以得到數(shù)據(jù)正常運(yùn)行閾值和風(fēng)電機(jī)組健康運(yùn)行評判標(biāo)準(zhǔn)。在數(shù)據(jù)導(dǎo)入與預(yù)處理過程中，選擇對風(fēng)電機(jī)組內(nèi)各個子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)影響最明顯的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一模糊預(yù)處理，可以達(dá)到數(shù)據(jù)量化統(tǒng)一的目的。在數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)中，需要使用不同的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，對各項(xiàng)評價指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)的深入挖掘，得到風(fēng)電機(jī)組在不同健康狀態(tài)等級條件下的模糊分界區(qū)間，計(jì)算出評判指標(biāo)權(quán)值。應(yīng)用劣化度對健康狀態(tài)評估指標(biāo)統(tǒng)一處理，劣化度取值在0～1 之間，可對齒輪箱、軸承溫度和處理偏差值進(jìn)行分析，從而確定劣化度，或者根據(jù)槳葉角度指標(biāo)計(jì)算劣化度。技術(shù)人員通過遵循模糊性與最大隸屬度的原則，對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評判，實(shí)現(xiàn)指標(biāo)統(tǒng)一量化。在完成指標(biāo)評判后，按事件影響程度分配權(quán)重，依靠模糊綜合評判理論評估風(fēng)電機(jī)組的健康運(yùn)行狀態(tài)。由于三角形和半梯形的組合分段函數(shù)較為簡單，與其他隸屬度函數(shù)相比，計(jì)算結(jié)果接近，因此應(yīng)使用三角形和半梯形隸屬度函數(shù)對風(fēng)電機(jī)組健康狀態(tài)進(jìn)行智能診斷。

3.3 手機(jī)App 智能預(yù)警

使用Web 頁面設(shè)計(jì)App 終端，提供在線預(yù)警功能，可以進(jìn)行決策管理。手機(jī)便于攜帶，使用手機(jī)App 協(xié)助現(xiàn)場管理輔助在線監(jiān)測和預(yù)警，具有明顯優(yōu)勢。基于大數(shù)據(jù)環(huán)境進(jìn)行信息分析，App 可以顯示風(fēng)電機(jī)組電流、電壓、運(yùn)行功率以及環(huán)境溫度，便于工作人員可以快速了解風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境。App 可以實(shí)時呈現(xiàn)風(fēng)電機(jī)溫度，當(dāng)溫度超過設(shè)定閾值會自動報(bào)警，便于對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行管理。App 具備擴(kuò)展組建功能，根據(jù)不同風(fēng)電機(jī)組可以定制化設(shè)計(jì)管理需要，突出該風(fēng)電機(jī)組的重點(diǎn)管理項(xiàng)目。輸入風(fēng)電機(jī)組溫度、功率、發(fā)電量等參數(shù)后，App 可以實(shí)時生成報(bào)表，減少人工制作報(bào)表工作量，規(guī)避人為失誤。使用App 輔助風(fēng)電機(jī)組的管理，能夠減少維護(hù)手冊工作量，將風(fēng)電機(jī)組故障的所有數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫。App 終端和智能系統(tǒng)連接，可指導(dǎo)現(xiàn)場管理人員進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)作業(yè)，發(fā)揮決策功能。

4 結(jié)語

隨著我國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展和風(fēng)場數(shù)量的增加，風(fēng)電機(jī)組的容量不斷擴(kuò)大，對風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢查關(guān)系到風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的安全性與可靠性。風(fēng)電機(jī)組健康狀態(tài)評估可為故障檢修提供參考依據(jù)，降低設(shè)備維修成本。基于大數(shù)據(jù)分析建立設(shè)備健康狀態(tài)管理系統(tǒng)，具有重要的應(yīng)用價值，能夠?qū)︼L(fēng)電機(jī)組展開實(shí)時狀態(tài)管理，一旦風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)異常情況，智能系統(tǒng)能夠立即識別，發(fā)出報(bào)警并做出診斷，輔助維護(hù)人員進(jìn)行檢修。