海上風(fēng)電機(jī)組故障監(jiān)測一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐孝峰，劉勁堯，夏曙光，林圣輝

（1.華電（福建）風(fēng)電有限公司，福建福州 350000；2.中國華電集團(tuán)有限公司福建分公司，福建福州 350000）

與陸地風(fēng)力發(fā)電相比，海上風(fēng)力發(fā)電具有較多優(yōu)勢，如資源豐富、風(fēng)力穩(wěn)定、可以大規(guī)模開發(fā)等，得到了極大的關(guān)注。

海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行和維護(hù)過程中，會(huì)受到不同環(huán)境的影響，如天氣因素、地理因素和運(yùn)輸環(huán)境等[1]。針對海上風(fēng)機(jī)設(shè)備的故障，文獻(xiàn)[2]提出基于動(dòng)態(tài)特征矩陣的k 近鄰風(fēng)電機(jī)組故障檢測方法，采用的監(jiān)測方式為定時(shí)巡查，保證海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，但只有當(dāng)海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)備出現(xiàn)較大故障，監(jiān)測系統(tǒng)才會(huì)發(fā)出報(bào)警，不能提前進(jìn)行預(yù)警，給風(fēng)電機(jī)組帶來損失。文獻(xiàn)[3]提出一種新的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)，但是受海上特殊環(huán)境影響，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)備早期故障。

為了解決以上問題，該文設(shè)計(jì)了海上風(fēng)電機(jī)組故障監(jiān)測一體化系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 采集模塊設(shè)計(jì)

監(jiān)測系統(tǒng)的采集模塊主要負(fù)責(zé)采集海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)備發(fā)生故障時(shí)的信號與故障數(shù)據(jù)。采集模塊選用三星公司生產(chǎn)的ADG6632 采集芯片，該款芯片具有較高的信號采集速率，最高可達(dá)228 kHz，轉(zhuǎn)換方式為Δ-Σ，不僅可以快速采集故障信號，還可以應(yīng)用144 kHz 的采集速率采集風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的故障數(shù)據(jù)[4-6]。采集模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 采集模塊結(jié)構(gòu)圖

在圖1 采集模塊的內(nèi)部，配置了高階穩(wěn)態(tài)斬波調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器可以有效降低風(fēng)電機(jī)組設(shè)備故障信號的偏移與噪聲，并可支持采集芯片進(jìn)行8 通道同步采樣；采集芯片包含4 種數(shù)據(jù)、信號采樣模式，分別是高分辨率、高速、低功耗、低速模式，采用哪種采集模式主要取決于采集模塊的輸入管腳電平；采集風(fēng)電機(jī)組設(shè)備數(shù)據(jù)以及信號時(shí)[7]，在直流標(biāo)定電路中，輸入標(biāo)準(zhǔn)工作電壓3.3 V，將采集到的風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)與信號輸入到電路中，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)與信號傳輸?shù)礁欕娐分校M(jìn)行跟蹤與保持，最后由通信接口將其輸出，完成一次風(fēng)電機(jī)組設(shè)備數(shù)據(jù)與信號的采集。

1.2 傳感器模塊設(shè)計(jì)

傳感器包括4 個(gè)振動(dòng)傳感器與2 個(gè)應(yīng)變傳感器，振動(dòng)傳感器是由三星公司生產(chǎn)，應(yīng)變傳感器由TI 公司生產(chǎn)。傳感器模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 傳感器模塊結(jié)構(gòu)圖

圖2 中，振動(dòng)傳感器主要用來監(jiān)測海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的發(fā)電機(jī)、主軸的振動(dòng)頻率，通過發(fā)電機(jī)與主軸的振動(dòng)頻率判斷海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的運(yùn)行情況。假設(shè)海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的發(fā)電機(jī)、主軸的額定振動(dòng)頻率為95 Hz，振動(dòng)傳感器安裝在風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的二級星型輪上，將應(yīng)變傳感器安裝在海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的齒輪箱一級星型輪上，應(yīng)變傳感器通過測量海上風(fēng)電機(jī)組齒輪箱與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，監(jiān)測海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的運(yùn)行情況，應(yīng)變傳感器的供電電路為8 mA 的比例調(diào)節(jié)差分電路，振動(dòng)傳感器的外圍電路為額定電壓為3.3 V 的恒流源電路[8-9]，比例差分電路與恒流源電路均可為應(yīng)變傳感器與振動(dòng)傳感器提供標(biāo)準(zhǔn)的工作電壓與電流，使振動(dòng)傳感器與應(yīng)變傳感器可以正常工作。

1.3 處理模塊設(shè)計(jì)

處理模塊主要對傳感器輸出的信號與風(fēng)電機(jī)組設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。處理模塊的芯片選用TI 公司生產(chǎn)的MPC8377 處理器，該款處理器具有較高的性價(jià)比與處理能力，對海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，獲得風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的發(fā)電機(jī)、主軸等器件的振動(dòng)頻率、頻譜、峭度等指標(biāo)，從而確定海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)備發(fā)生故障位置，例如齒輪箱、發(fā)電機(jī)、主軸等[10-11]。此外，對傳感器傳輸?shù)男盘栠M(jìn)行分壓處理，提升信號的信噪比，將信號傳輸至放大器內(nèi)進(jìn)行差分放大[12]，經(jīng)過8 階抗混疊低通濾波器的濾波處理后，將信號輸入到32 位6 通道的A/D 轉(zhuǎn)換器內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，完成傳感器輸出的信號處理。

1.4 電路模塊設(shè)計(jì)

電路模塊主要包括故障電壓采集電路與溫度補(bǔ)償電路，在故障電壓采集電路中設(shè)有兩級放大電路，電路圖如圖3 所示。

圖3 電機(jī)組故障監(jiān)測電路

圖3 中，第一級放大電路主要實(shí)現(xiàn)故障信號的適當(dāng)放大，降低加速度信號對故障信號的共模干擾；然后再利用第二級放大電路對故障信號進(jìn)行250 倍放大[13]，獲得電壓信號，在故障電壓采集電路中，設(shè)有電壓跟隨器，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。溫度補(bǔ)償電路主要實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)、主軸、齒輪箱等設(shè)備的溫度監(jiān)測，通過增加熱敏電阻來產(chǎn)生風(fēng)電機(jī)組各類器件的補(bǔ)償電壓。在增加熱敏電阻的過程中，電阻-溫度曲線屬于非線性曲線，風(fēng)電機(jī)組設(shè)備輸出電壓差與補(bǔ)償電壓差基本相同。為了降低海上多變的環(huán)境溫度對故障電壓采集電路與溫度補(bǔ)償電路的影響，在電路模塊中增設(shè)了運(yùn)算放大器[14]，對兩個(gè)電路進(jìn)行優(yōu)化。通過故障電壓電路與溫度補(bǔ)償電路，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備故障電壓與補(bǔ)償電壓的監(jiān)測。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的海上風(fēng)電機(jī)組故障監(jiān)測一體化系統(tǒng)的軟件流程如圖4 所示。

圖4 所設(shè)計(jì)的故障監(jiān)測一體化系統(tǒng)軟件流程

首先，在系統(tǒng)上電后，將采集程序的芯片進(jìn)行初始化，采集器接入無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，入網(wǎng)成功后，采集器進(jìn)入風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)與信號采集狀態(tài)。當(dāng)采集程序中的時(shí)鐘發(fā)送中斷請求時(shí)，采集器進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模式，采集振動(dòng)傳感器中的葉片、齒輪箱、主軸軸承、發(fā)電機(jī)的振動(dòng)數(shù)據(jù)。采集完成后，當(dāng)時(shí)鐘再次發(fā)送中斷請求時(shí)，采集器進(jìn)入信號采集模式，采集應(yīng)變傳感器中的加速度信號與故障信號。采集完成后進(jìn)入休眠模式。

然后，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)與信號進(jìn)行故障監(jiān)測。在風(fēng)電機(jī)組故障監(jiān)測過程中，其旋轉(zhuǎn)部件中的發(fā)電機(jī)、齒輪箱、主軸等長期進(jìn)行機(jī)械旋轉(zhuǎn)，極易出現(xiàn)異常情況，因此，需要根據(jù)采集的故障信號與設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，對旋轉(zhuǎn)部件的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行故障分析與預(yù)測。旋轉(zhuǎn)部件中的葉片經(jīng)過長期的風(fēng)吹雨打，很容易產(chǎn)生裂紋或者出現(xiàn)脫落狀況，可以采集到振動(dòng)數(shù)據(jù)，計(jì)算出葉片的振動(dòng)頻率，通過振動(dòng)頻率判斷葉片的健康狀態(tài)。葉片振動(dòng)頻率的計(jì)算公式為：

式中，f表示葉片的振動(dòng)頻率，t表示葉片的振動(dòng)時(shí)間，C表示葉片受到的噪聲。

通過振動(dòng)信號與扭矩的測量值對主軸軸承進(jìn)行監(jiān)測與判斷，通過扭矩值掌握主軸軸承的受力情況，主軸軸承受到的作用力大小為：

式中，F(xiàn)表示主軸軸承的受力值；μ表示摩擦系數(shù)；N表示測量出來的扭矩值。

發(fā)電機(jī)在風(fēng)電機(jī)組設(shè)備運(yùn)行過程中容易發(fā)生故障，受電磁場的作用，其電壓會(huì)發(fā)生變化，通過電壓值可監(jiān)測發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)電機(jī)電壓計(jì)算公式為：

式中，U表示發(fā)電機(jī)的電壓，I表示流經(jīng)發(fā)電機(jī)電流，R表示發(fā)電機(jī)電阻。

通過上述公式計(jì)算出來的葉片振動(dòng)頻率、主軸軸承受力值與發(fā)電機(jī)電壓值，判斷風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)計(jì)算出的數(shù)據(jù)異常時(shí)，風(fēng)電機(jī)組設(shè)備可能出現(xiàn)故障，需要對其進(jìn)行故障監(jiān)測。

最后，根據(jù)計(jì)算出的各項(xiàng)旋轉(zhuǎn)部件數(shù)據(jù)[15-16]，確定風(fēng)電機(jī)組設(shè)備中哪個(gè)設(shè)備出現(xiàn)了故障，將故障情況以遠(yuǎn)程傳輸?shù)姆绞絺鬏斨烈苿?dòng)終端，進(jìn)行故障預(yù)警，提示維修人員及時(shí)進(jìn)行維修。

3 實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證文中提出的海上風(fēng)電機(jī)組故障監(jiān)測一體化系統(tǒng)有效性，選用文中系統(tǒng)和文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)進(jìn)行對比。

選用的海上風(fēng)電機(jī)組加速度齒輪箱存在故障，監(jiān)測參數(shù)包括：兩臺測溫傳感器的工作電壓，分別為220 V 和150 V；一臺采集器的工作電流為200 A；4 對母線排解單元。3 種系統(tǒng)監(jiān)測得到的能量頻譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5-8 所示。

圖5 實(shí)際能量頻譜監(jiān)測結(jié)果

圖6 文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果

圖7 文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果

觀察圖5 可知，海上風(fēng)電機(jī)組加速度齒輪箱存在5 個(gè)能量峰值，能量間隔頻率為80 Hz，調(diào)制邊帶也為80 Hz。圖6-8 中，文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)的整體監(jiān)測能力，低于文中設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)，文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)監(jiān)測到多個(gè)能量峰值，監(jiān)測結(jié)果不穩(wěn)定，魯棒性較差，同時(shí)，文獻(xiàn)[3]監(jiān)測系統(tǒng)僅監(jiān)測到1 個(gè)能量峰值。文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)監(jiān)測到5 個(gè)能量峰值，能量間隔頻率為80 Hz，與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果完全吻合，監(jiān)測能力更好。

圖8 文中系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果

為更好地驗(yàn)證設(shè)計(jì)的海上風(fēng)電機(jī)組故障監(jiān)測一體化系統(tǒng)工作效果，設(shè)監(jiān)測數(shù)據(jù)量為35 GB，得到的響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示。

圖9 響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果

觀察圖9 可知，隨著響應(yīng)數(shù)據(jù)量的增加，監(jiān)測系統(tǒng)花費(fèi)的響應(yīng)時(shí)間也在不斷增加，但是文中系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間始終較少，當(dāng)響應(yīng)數(shù)據(jù)量超過35 GB 時(shí)，文中系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間小于6 s，更具備實(shí)時(shí)監(jiān)控的能力。

4 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)的報(bào)警誤報(bào)率高、不能進(jìn)行早期故障監(jiān)測等問題，文中設(shè)計(jì)了海上風(fēng)電機(jī)組故障監(jiān)測一體化系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備中出現(xiàn)安全隱患時(shí)，能夠通過文中系統(tǒng)及時(shí)給出報(bào)警信息，確保風(fēng)電機(jī)組設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行。