基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的偏航系統(tǒng)故障診斷研究

趙洪莉，邢作霞，陳雷，厲偉

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

1 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)大多在多風(fēng)沙等惡劣環(huán)境下運(yùn)行。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)多部件協(xié)同工作，運(yùn)行工況隨著環(huán)境變化而隨機(jī)變化。運(yùn)行狀態(tài)頻繁切換，各部件的疲勞強(qiáng)度和運(yùn)行控制性能不可避免地隨著環(huán)境和運(yùn)行時(shí)間的變化而逐漸下降，導(dǎo)致故障發(fā)生。這種故障通常不會(huì)被風(fēng)機(jī)SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)報(bào)警，稱之為隱性故障。偏航系統(tǒng)在隱性故障下繼續(xù)運(yùn)行，偏航誤差將影響葉片及風(fēng)輪氣動(dòng)彈性、穩(wěn)定性，影響風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量，而且會(huì)造成機(jī)組機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)，威脅機(jī)組安全。所以，對(duì)風(fēng)機(jī)隱性故障研究可以提前預(yù)測(cè)風(fēng)機(jī)故障、減少停機(jī)時(shí)間、提升發(fā)電量。

文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)裝置，該裝置在功能上能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)偏航系統(tǒng)是否故障，也能獲取風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相關(guān)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。但是，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行的惡劣環(huán)境下，新增設(shè)該裝置會(huì)增加設(shè)備成本、增加檢測(cè)維修成本、增加出現(xiàn)故障的幾率。文獻(xiàn)[2]利用Excel軟件進(jìn)行VBA編程后可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)提取停機(jī)時(shí)段的風(fēng)速數(shù)據(jù)，并參照功率曲線對(duì)電能損失進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果接近實(shí)際數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了計(jì)算的準(zhǔn)確性，此方法只對(duì)風(fēng)機(jī)的一種特征數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，數(shù)據(jù)單一、存在偶然性。本文提出基于風(fēng)機(jī)運(yùn)行SCADA系統(tǒng)的特征數(shù)據(jù)提取方法僅在風(fēng)機(jī)后臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中提取歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，不需要增加傳感器；從風(fēng)機(jī)SCADA系統(tǒng)提取風(fēng)向標(biāo)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)、風(fēng)場(chǎng)風(fēng)向數(shù)據(jù)、偏航角度等多個(gè)特征數(shù)據(jù)，正常情況和故障情況對(duì)比分析，減少了診斷的偶然性和不確定性。

2 偏航故障分析

目前，中大型風(fēng)電機(jī)組通常釆用主動(dòng)式偏航，即風(fēng)向發(fā)生變化時(shí)，偏航系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向檢測(cè)裝置傳遞的信號(hào)主動(dòng)地將葉輪方向轉(zhuǎn)動(dòng)至迎風(fēng)位置。據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，由于偏航故障導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間占總停機(jī)時(shí)間的13.3%，而偏航系統(tǒng)故障率占12.5%[3]，風(fēng)向傳感器和偏航執(zhí)行機(jī)構(gòu)是偏航系統(tǒng)主要組成部分。因此，對(duì)偏航系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)與診斷應(yīng)圍繞這兩部分開(kāi)展。

(1)偏航執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障

偏航執(zhí)行機(jī)構(gòu)常見(jiàn)的故障有:偏航位置故障、右偏航反饋丟失、偏航位置傳感器故障、左偏航反饋丟失和偏航速度故障(偏航過(guò)載)[4]，這幾種故障出現(xiàn)時(shí)，SCADA系統(tǒng)失去正常電信號(hào)后會(huì)自動(dòng)報(bào)警，稱之為顯性故障。

(2)風(fēng)向標(biāo)故障

風(fēng)向標(biāo)的風(fēng)向傳感器檢測(cè)到風(fēng)向變化后給出偏航系統(tǒng)動(dòng)作信號(hào)，偏航系統(tǒng)根據(jù)此信號(hào)進(jìn)行主動(dòng)對(duì)風(fēng)。由于風(fēng)場(chǎng)大多建立在風(fēng)沙強(qiáng)的惡劣環(huán)境下，而風(fēng)向標(biāo)是采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)方式來(lái)測(cè)量風(fēng)向變化的，所以風(fēng)向標(biāo)極易被風(fēng)沙堵塞造成磨損，使風(fēng)向測(cè)量精度降低；或者風(fēng)向標(biāo)在低溫情況下會(huì)結(jié)冰使旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)異常，響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成偏航控制精度降低。

3 基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的偏航故障診斷研究

基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的偏航故障診斷方法的思路是從風(fēng)機(jī)SCADA系統(tǒng)中提取歷史及實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，挖掘其中可利用的特征數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法得出風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行模式和故障運(yùn)行模式，二者比較分析，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)的故障診斷。

偏航系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向標(biāo)測(cè)得的風(fēng)向變化角控制偏航動(dòng)作，由于偏航變化角和風(fēng)向的變化角具有線性的跟隨關(guān)系，因此兩者差值的平均值應(yīng)該趨近于0。基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的偏航系統(tǒng)故障診斷，即偏航系統(tǒng)跟隨性故障診斷，偏航跟隨性是通過(guò)計(jì)算一定時(shí)間內(nèi)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)向角度的變化量和偏航角度變化量的差值，如果其分布服從或近似服從正態(tài)分布，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出偏航跟隨誤差的均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ，就能用正態(tài)分布對(duì)偏航準(zhǔn)確性進(jìn)行分析，其評(píng)定方法如下:

將偏航變化角度和風(fēng)向變化角度的差值，即偏航誤差記為ξk，ξk的計(jì)算方法如下:

式中，dk(i)表示第k次采集風(fēng)向(direction)的第i個(gè)數(shù)值；pk(i)表示第k次采集機(jī)艙位置(position)的第i個(gè)數(shù)值。

風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行狀態(tài)下，偏航誤差是一個(gè)隨機(jī)變量，其概率分布如圖1所示。偏航誤差在y＝0處分布頻次最高，隨著偏航誤差的增大頻次分布越低。擬合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布如圖2所示，正態(tài)分布的置信區(qū)間用3σ準(zhǔn)則判定，通過(guò)偏航誤差值分布是否在實(shí)際數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)置信區(qū)間內(nèi)判斷偏航系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 偏航誤差概率分布

圖2 正態(tài)分布

對(duì)于正態(tài)分布，3σ準(zhǔn)則又稱為拉依達(dá)準(zhǔn)則，它是先假設(shè)一組檢測(cè)數(shù)據(jù)只含有隨機(jī)誤差，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算處理得到標(biāo)準(zhǔn)偏差，按一定概率確定一個(gè)區(qū)間，認(rèn)為超過(guò)這個(gè)區(qū)間的誤差，就不屬于隨機(jī)誤差而是粗大誤差，含有該誤差的數(shù)據(jù)應(yīng)予以剔除[5]。

4 案例分析

4.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及清洗

數(shù)據(jù)來(lái)自大連駝山風(fēng)電場(chǎng)SCADA監(jiān)控系統(tǒng)。大連駝山風(fēng)電場(chǎng)位于瓦房店市駝山鄉(xiāng)北部，中心地理位置約為北緯 39°48′，東經(jīng) 121°38′。 大連駝山風(fēng)電場(chǎng)一期工程風(fēng)電場(chǎng)采用金風(fēng)永磁直驅(qū)1500kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組33臺(tái)，裝機(jī)容量為49.5MW；二期工程采用東汽雙饋1500kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組33臺(tái)，裝機(jī)容量為49.5MW。

案例從33臺(tái)金風(fēng)風(fēng)機(jī)SCADA監(jiān)控系統(tǒng)選取24h偏航系統(tǒng)的時(shí)間、風(fēng)向角、偏航位置數(shù)據(jù)序列，如表1所示(僅列部分?jǐn)?shù)據(jù))。

表1 數(shù)據(jù)庫(kù)采取的三維數(shù)據(jù)序列樣本

數(shù)據(jù)清洗是數(shù)據(jù)預(yù)處理的第一步，也是保證后續(xù)結(jié)果正確的重要一環(huán)[6]。在excel中篩選出空值和異常數(shù)據(jù)，對(duì)于空值可以直接去除或者置0處理；對(duì)于異常值可以刪除明顯偏離正常值的數(shù)據(jù)點(diǎn)或者根據(jù)實(shí)際情況取均值替換異常數(shù)據(jù)。

4.2 計(jì)算偏航誤差ξk

案例針對(duì)金風(fēng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)向參數(shù)計(jì)算，計(jì)算方法如表2所示。應(yīng)用該方法可以計(jì)算式(1)、(2)中的dk(i)和pk(i)，再根據(jù)式(3)計(jì)算得到偏航誤差ξk。這樣可以計(jì)算此風(fēng)場(chǎng)所有風(fēng)機(jī)的dk(i)、pk(i)、ξk。

表2 風(fēng)機(jī)參數(shù)計(jì)算方法

由于SCADA系統(tǒng)中提取的數(shù)據(jù)是秒級(jí)的，為了計(jì)算方便、直觀，本文取均值計(jì)算獲得10min級(jí)數(shù)據(jù)，即對(duì)每10min的數(shù)據(jù)取平均值，得到24h內(nèi)144個(gè)數(shù)據(jù)，某一臺(tái)風(fēng)機(jī)的部分計(jì)算結(jié)果如表3所示，其24h偏航跟隨誤差散點(diǎn)圖如圖3所示。

表3 計(jì)算偏航跟隨誤差的樣本數(shù)據(jù)

圖3 偏航誤差的分布

由圖3偏航誤差的散點(diǎn)分布可以看出本文提出的計(jì)算方法符合風(fēng)機(jī)偏航運(yùn)行規(guī)律，正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差σ可以準(zhǔn)確的表述其離散性，σ越小散點(diǎn)分布越集中在x＝0處，其偏航誤差越小，偏航跟隨性能越好；反之則偏航跟隨性能越差。

4.3 分析結(jié)果

對(duì)每臺(tái)風(fēng)機(jī)的偏航誤差ξk求標(biāo)準(zhǔn)差σk，可以得出每一臺(tái)風(fēng)機(jī)偏航跟隨誤差的離散性。再對(duì)σk求均值μ′k和標(biāo)準(zhǔn)差σ′k，可以用正態(tài)分布的3σ原則確定σk的置信區(qū)間，σk超過(guò)3σ置信區(qū)間的風(fēng)機(jī)即為故障風(fēng)機(jī)。

33臺(tái)風(fēng)機(jī)偏航誤差的σk分布和3σ置信區(qū)間μ′k＋3σ′k如圖4 所示。 在σk＜μ′k＋3σ′k區(qū)間內(nèi)的風(fēng)機(jī)為偏航誤差離散性較小的風(fēng)機(jī)，在σk＞μ′k＋3σ′k區(qū)間內(nèi)的風(fēng)機(jī)為故障風(fēng)機(jī)，即本案例研究風(fēng)場(chǎng)的29＃風(fēng)機(jī)。

圖4 33臺(tái)風(fēng)機(jī)偏航誤差的標(biāo)準(zhǔn)差的分布

在MATLAB中導(dǎo)入數(shù)據(jù)，編寫(xiě)程序，畫(huà)出33臺(tái)風(fēng)機(jī)偏航誤差頻次分布直方圖，并擬合出正態(tài)分布曲線，本文選取了四臺(tái)不同均值μk和標(biāo)準(zhǔn)差σk的風(fēng)機(jī)進(jìn)行分析對(duì)比，如圖5和圖6所示。

圖5 偏航誤差頻次分布圖

從圖5可以看出，風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航誤差在0°處頻次最高，偏航誤差越接近于0°，說(shuō)明風(fēng)機(jī)能夠準(zhǔn)確對(duì)風(fēng)，偏航跟隨性能越好；反之，風(fēng)機(jī)偏航跟隨性能越差。 由計(jì)算結(jié)果可得 ｜μξ1｜＝ ｜μξ22｜＜ ｜μξ4｜＜｜μξ29｜，σξ1＜σξ22＜σξ4＜σξ29，圖 6 正態(tài)分布曲線可得1＃風(fēng)機(jī)的曲線圖形最“瘦高”，22＃和4＃次之，29＃風(fēng)機(jī)的曲線圖形最“扁平”，結(jié)合頻次分布直方圖和實(shí)際計(jì)算結(jié)果，可以得出風(fēng)機(jī)跟風(fēng)性能順序1＃＞22＃＞4＃＞29＃。群機(jī)分析已經(jīng)得出29＃風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障，單機(jī)分析結(jié)果驗(yàn)證了其正確性。

圖6 偏航誤差正態(tài)分布曲線

4.4 結(jié)果驗(yàn)證

偏航系統(tǒng)工作正常情況下，機(jī)組的偏航角度應(yīng)與風(fēng)場(chǎng)風(fēng)向的變化趨勢(shì)相同，如圖7所示。29＃風(fēng)機(jī)16時(shí)～17時(shí)的偏航角度與風(fēng)場(chǎng)風(fēng)向的變化趨勢(shì)如圖8所示。從圖8中可以看出在此時(shí)間段內(nèi)，機(jī)組偏航角度變化趨勢(shì)與風(fēng)向變化趨勢(shì)出現(xiàn)明顯差異。通過(guò)查看機(jī)組運(yùn)行日志發(fā)現(xiàn)，在案例計(jì)算的故障發(fā)生時(shí)段內(nèi)偏航系統(tǒng)運(yùn)行被人為限制，此結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的診斷方法的有效性。

圖7 風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行偏航跟隨曲線

圖8 29＃故障風(fēng)機(jī)偏航跟隨曲線

5 結(jié)論

本文提出的基于風(fēng)機(jī)運(yùn)行SCADA系統(tǒng)特征數(shù)據(jù)提取的偏航系統(tǒng)故障診斷方法能準(zhǔn)確的表征偏航系統(tǒng)的對(duì)風(fēng)性能，針對(duì)風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的偏航執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障和風(fēng)向標(biāo)故障進(jìn)行故障檢測(cè)，避免引起機(jī)組長(zhǎng)期疲勞和故障停機(jī)，對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、減少運(yùn)維成本、提升發(fā)電量有重要意義。