海上風(fēng)電設(shè)備運(yùn)維中的故障診斷與預(yù)防技術(shù)

摘要：以某海上風(fēng)電場(chǎng)為研究對(duì)象，深入探討海上風(fēng)電設(shè)備運(yùn)維中的故障診斷與預(yù)防技術(shù)。采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（deep neural network，DNN）和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（convolutional neural network，CNN）分析風(fēng)電設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)，并結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度特征提取，從而構(gòu)建故障預(yù)測(cè)模型。基于模型提供的決策輸入，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IoT）和人工智能（artificial intelligence， AI）技術(shù)，對(duì)潛在故障進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)與動(dòng)態(tài)運(yùn)維優(yōu)化，形成“監(jiān)測(cè)- 診斷- 維護(hù)”的全鏈條閉環(huán)體系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高效的運(yùn)維管理，進(jìn)一步提升海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)維效率。

關(guān)鍵詞：深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；故障檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

由于海上風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期暴露在風(fēng)浪、鹽霧等惡劣條件下導(dǎo)致設(shè)備故障頻發(fā)且維修難度大，這使得風(fēng)機(jī)的停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響電力輸出。此外，海上風(fēng)電設(shè)備的維護(hù)人員也往往面臨較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。在此背景下，傳統(tǒng)的故障檢測(cè)方法已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代海上風(fēng)電設(shè)備日益復(fù)雜的檢測(cè)需求。基于大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)的新興故障診斷技術(shù)逐漸成為解決這一問(wèn)題的有效手段。

1 案例介紹

某海上風(fēng)電場(chǎng)共安裝了30 臺(tái)風(fēng)機(jī)，其中1 臺(tái)風(fēng)機(jī)在運(yùn)行期間出現(xiàn)了發(fā)電量明顯下降的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)初步檢查，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉片的振動(dòng)值超出了正常范圍，電氣系統(tǒng)也出現(xiàn)了電壓不穩(wěn)定的情況。維護(hù)團(tuán)隊(duì)嘗試使用傳統(tǒng)的振動(dòng)分析法和電氣診斷方法進(jìn)行檢測(cè)，但未能及時(shí)檢測(cè)出故障原因，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)，進(jìn)而影響了整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電效率。

2 基于深度學(xué)習(xí)的故障診斷與應(yīng)用

2.1 故障診斷流程與模型設(shè)計(jì)

風(fēng)電機(jī)組故障診斷與預(yù)防系統(tǒng)構(gòu)建了覆蓋數(shù)據(jù)采集、特征提取、智能診斷到預(yù)測(cè)維護(hù)的全流程閉環(huán)體系。首先，利用多源異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)采集。在齒輪箱、主軸等關(guān)鍵部件部署采樣頻率為10 kHz 的三軸加速度傳感器，實(shí)時(shí)捕捉微米級(jí)機(jī)械振動(dòng)，采用精度為0.5 級(jí)的霍爾電流傳感器和帶寬為100 MHz 的差分電壓探頭監(jiān)測(cè)電氣信號(hào)，且同步記錄電壓諧波畸變率不超過(guò)3%。此外，利用激光測(cè)風(fēng)儀、紅外熱像儀等設(shè)備構(gòu)建三維環(huán)境監(jiān)測(cè)模型；同時(shí)，各傳感器經(jīng)由工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)時(shí)間同步。原始數(shù)據(jù)在預(yù)處理階段會(huì)經(jīng)歷多次清洗優(yōu)化，具體而言，運(yùn)用改進(jìn)的3σ 準(zhǔn)則動(dòng)態(tài)剔除振動(dòng)信號(hào)異常值，采用時(shí)空相關(guān)性插補(bǔ)法處理缺失數(shù)據(jù)，并通過(guò)小波包變換以及經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解- 獨(dú)立分量分析（empirical mode decompositionindependentcomponent analysis，EMD-ICA） 聯(lián)合降噪技術(shù)提升信噪比，最終使信噪比超過(guò)20 dB[1]。在特征工程階段，提取時(shí)域峭度系數(shù)、頻域齒輪嚙合頻率及其邊帶材質(zhì)等關(guān)鍵指標(biāo)。當(dāng)邊帶幅值超過(guò)基頻30% 時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)齒面磨損預(yù)警，并通過(guò)殘差網(wǎng)絡(luò)處理振動(dòng)頻譜圖像，利用雙向長(zhǎng)短期記憶（bidirectional long short-term memory，BiLSTM）網(wǎng)絡(luò)解析電氣時(shí)序信號(hào)，最終生成包含8 類(lèi)故障的診斷結(jié)果。

為了動(dòng)態(tài)量化風(fēng)電機(jī)組健康水平，引入了健康狀態(tài)評(píng)估模塊，通過(guò)加權(quán)計(jì)算各退化指標(biāo)與閾值的偏離度，動(dòng)態(tài)生成[0，1] 的健康指數(shù)，同時(shí)結(jié)合深度生存分析模型預(yù)測(cè)剩余使用壽命，輸出置信度為95% 的維護(hù)時(shí)間窗。三維虛擬孿生平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組狀態(tài)，對(duì)溫度超過(guò)80℃ 的異常區(qū)域進(jìn)行可視化展示；決策系統(tǒng)綜合評(píng)估發(fā)電損失、維修成本等因素以生成優(yōu)化方案。基于此，本文結(jié)合來(lái)自不同傳感器的數(shù)據(jù)，運(yùn)用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（deep neuralnetwork，DNN） 和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（convolutionalneural network，CNN）提取出更高層次的特征，構(gòu)建能夠識(shí)別并預(yù)測(cè)故障的模型，即DNN-CNN 模型，其具體計(jì)算公式如下：

yk（t）=ffusion{ fCNN [X1（t），X2（t），…，XM（t）]，fDNN [X1（t），X2（t），…，XM（t）]}。 （ 1）

式中，yk（t）為模型的輸出，即對(duì)于故障狀態(tài)的預(yù)測(cè)結(jié)果，該參數(shù)是一個(gè)多分類(lèi)值，不同的參數(shù)值代表不同的故障類(lèi)型；ffusion（·）為融合模塊，該函數(shù)將CNN 與DNN 提取的特征進(jìn)行融合，形成最終的故障識(shí)別輸出；fCNN（·）為CNN 模塊，用于從原始傳感器數(shù)據(jù)中提取空間特征；XM（t）為第M個(gè)傳感器在時(shí)刻t 獲取的數(shù)據(jù)序列；fDNN（·）為DNN 模塊，用于從各個(gè)傳感器的時(shí)間序列數(shù)據(jù)中提取出更高層次的全局特征。

在具體實(shí)踐中，該模型能夠從多維度、多傳感器數(shù)據(jù)中提取豐富的特征，從而進(jìn)行精確的故障識(shí)別。在模型的訓(xùn)練過(guò)程中，數(shù)據(jù)首先經(jīng)過(guò)CNN 層提取空間特征，再通過(guò)DNN 層捕捉全局、高階的時(shí)間序列特征[2]。最后，融合模塊將這些特征結(jié)合并進(jìn)行最終的分類(lèi)決策。

2.2 應(yīng)用效果

為了證明基于深度學(xué)習(xí)的故障診斷方法（DNNCNN模型）相較于傳統(tǒng)故障診斷方法具有顯著優(yōu)勢(shì)，詳細(xì)采集了海上風(fēng)電設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來(lái)源于風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的故障檢測(cè)與診斷任務(wù)，包括了傳統(tǒng)方法和DNN-CNN 模型在故障檢測(cè)中的表現(xiàn)數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)故障診斷方法與DNN-CNN 模型的故障診斷對(duì)比如表1 所示。

由表1 可知，DNN-CNN 模型顯著縮短了故障檢測(cè)所需的時(shí)間，平均耗時(shí)減少了約9 h。對(duì)于工業(yè)設(shè)備的故障診斷，減少檢測(cè)時(shí)間意味著能夠更快地開(kāi)展故障排查，減少停機(jī)時(shí)間，從而提升生產(chǎn)效率[3]。而在診斷準(zhǔn)確率方面，DNN-CNN 模型在所有故障類(lèi)型中均能顯著提高診斷準(zhǔn)確率，平均提升約23%，說(shuō)明該模型能夠在復(fù)雜多變的故障模式下提供精確的故障診斷，有效避免因誤診或漏診造成的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

3 診斷驅(qū)動(dòng)的預(yù)防性維護(hù)與動(dòng)態(tài)運(yùn)維優(yōu)化

基于深度學(xué)習(xí)的故障診斷模型不僅大幅提升了診斷效率和準(zhǔn)確性，還為預(yù)防性維護(hù)奠定了基礎(chǔ)。模型輸出可以直接轉(zhuǎn)化為可操作的運(yùn)維決策依據(jù)，為預(yù)防性維護(hù)與運(yùn)維優(yōu)化提供了決策輸入。此外，故障診斷階段獲得的實(shí)時(shí)特征通過(guò)三維虛擬孿生平臺(tái)可視化后，可映射到具體設(shè)備組件狀態(tài)，使得維護(hù)策略能針對(duì)性地聚焦高風(fēng)險(xiǎn)部位，進(jìn)而構(gòu)建“監(jiān)測(cè)- 診斷- 維護(hù)”的全鏈條閉環(huán)體系，推動(dòng)運(yùn)維模式從被動(dòng)響應(yīng)向主動(dòng)干預(yù)轉(zhuǎn)變。

基于本文的案例，該海上風(fēng)電場(chǎng)安裝了30 臺(tái)風(fēng)機(jī)，其中1 臺(tái)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)了發(fā)電量明顯下降的現(xiàn)象，由于傳統(tǒng)方法較依賴(lài)于人工檢查和基于經(jīng)驗(yàn)的判斷，無(wú)法實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)地捕捉到故障的早期征兆[4]。因此，本文引入了物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IoT）和人工智能（artificial intelligence， AI）技術(shù)用于預(yù)防性維護(hù)與動(dòng)態(tài)運(yùn)維優(yōu)化，旨在全面提升整體維護(hù)效率。

3.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸

在每臺(tái)風(fēng)機(jī)的葉片、齒輪箱和發(fā)電機(jī)等關(guān)鍵部位安裝多類(lèi)型傳感器，以全面監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。傳感器在安裝前需進(jìn)行嚴(yán)格的校準(zhǔn)，以確保其測(cè)量精度在±1% 以?xún)?nèi)且具有良好的抗電磁干擾能力，從而能適應(yīng)海上的惡劣環(huán)境。本文采用了具備自診斷功能的智能傳感器，其能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)自身工作狀態(tài)，確保數(shù)據(jù)采集的可靠性。利用LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、低功耗的數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸要求高的場(chǎng)景，可結(jié)合窄帶物聯(lián)網(wǎng)（narrow bandInternet of Things，NB-IoT）技術(shù)來(lái)確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部署邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步清洗，從而減少無(wú)效數(shù)據(jù)的傳輸，進(jìn)而有效降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)H 的計(jì)算公式如下：

式中，N 為風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)量；i 為風(fēng)力發(fā)電機(jī)編號(hào)；Di 為每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)每秒收集的數(shù)據(jù)量；Pclean 為數(shù)據(jù)清洗后有效數(shù)據(jù)的比例；Fi 為數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中有效數(shù)據(jù)的傳輸比率；Ti 為數(shù)據(jù)采集的周期；C 為邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的處理能力，即每秒可以處理的數(shù)據(jù)量；Rnet 為網(wǎng)絡(luò)帶寬，即每秒可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量；Ei 為第i 臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸能量消耗；Lnet 為網(wǎng)絡(luò)延遲。

在具體操作中，通過(guò)提高數(shù)據(jù)清洗有效比例來(lái)減少無(wú)效數(shù)據(jù)的傳輸。這種方式能夠通過(guò)減少邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)來(lái)減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力與網(wǎng)絡(luò)帶寬、數(shù)據(jù)傳輸效率相匹配[5]。為了最大化網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用效率，可以通過(guò)優(yōu)化路由、增加網(wǎng)絡(luò)帶寬或者在邊緣節(jié)點(diǎn)上增加緩存等方式來(lái)降低數(shù)據(jù)傳輸延遲。風(fēng)電場(chǎng)中不同風(fēng)力發(fā)電機(jī)的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)性能數(shù)據(jù)如表2 所示。

3.2 AI 模型訓(xùn)練與故障診斷

對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列分析，包括去除噪聲與異常值，并提取其時(shí)域及頻域特征。針對(duì)不同的故障模式，分別訓(xùn)練專(zhuān)門(mén)的診斷模型。AI 模型訓(xùn)練與風(fēng)電機(jī)故障診斷流程如圖1 所示。

在模型優(yōu)化的過(guò)程中，首先利用交叉驗(yàn)證技術(shù)對(duì)模型的泛化能力進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)使用不同數(shù)據(jù)子集對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練，確保模型在未見(jiàn)數(shù)據(jù)上表現(xiàn)穩(wěn)健。交叉驗(yàn)證技術(shù)不僅有助于檢測(cè)模型是否存在過(guò)擬合和欠擬合現(xiàn)象，還能夠確保訓(xùn)練數(shù)據(jù)的多樣性得到充分利用，從而提高模型的魯棒性。模型優(yōu)化完成后，結(jié)合設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)、歷史故障數(shù)據(jù)、環(huán)境因素、維護(hù)成本等多重因素，并且根據(jù)故障預(yù)測(cè)結(jié)果制定合理的維護(hù)策略。該策略不僅要考慮設(shè)備故障的預(yù)測(cè)精度，還需要優(yōu)化維護(hù)成本，確保停機(jī)時(shí)間最小化且維修費(fèi)用顯著降低。

4 結(jié)論

隨著海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模化發(fā)展，風(fēng)電設(shè)備的智能運(yùn)維已成為保障風(fēng)電系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。本文結(jié)合深度學(xué)習(xí)技術(shù)與物理傳感網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了創(chuàng)新性的故障診斷體系。在具體實(shí)踐中，優(yōu)化后的DNNCNN模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)齒輪箱早期磨損、軸承損壞和振動(dòng)超標(biāo)等故障的實(shí)時(shí)解析，故障診斷準(zhǔn)確率高達(dá)98%。基于深度學(xué)習(xí)的故障診斷模型為預(yù)防性維護(hù)與運(yùn)維優(yōu)化提供了決策輸入，利用IoT 技術(shù)和AI技術(shù)實(shí)現(xiàn)了故障的預(yù)防性維護(hù)。該設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)不僅攻克了惡劣海洋環(huán)境下設(shè)備健康管理的難題，更為風(fēng)電行業(yè)探索出一條由“預(yù)測(cè)性維護(hù)”向“自主性運(yùn)維”躍遷的實(shí)踐路徑，對(duì)推動(dòng)海上風(fēng)電可持續(xù)發(fā)展具有重要價(jià)值。

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