文 | 陳曉清 劉少明 張健 朱永峰 孔晶

基于設(shè)備故障相關(guān)參數(shù)篩選模型建立風(fēng)電機(jī)組故障預(yù)警體系

文 | 陳曉清 劉少明 張健 朱永峰 孔晶

傳統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組報(bào)警系統(tǒng)是以安裝在設(shè)備上的傳感器部件為基礎(chǔ)進(jìn)行報(bào)警，其結(jié)構(gòu)和原理如圖1所示。當(dāng)設(shè)備部件的部分指標(biāo)超過限定值時(shí)，就會(huì)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)的警報(bào)。觸發(fā)系統(tǒng)報(bào)警的條件包括：設(shè)備部件溫度驟升、液壓系統(tǒng)壓力過高過低、電流忽大忽小等。傳統(tǒng)系統(tǒng)預(yù)警能力十分薄弱，需要人為根據(jù)報(bào)警參數(shù)再次進(jìn)行分析找出存在的預(yù)計(jì)缺陷。傳統(tǒng)報(bào)警系統(tǒng)所提供的報(bào)警初始設(shè)定限值也是根據(jù)廣泛經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的值，忽略了綜合天氣、氣候、機(jī)型等多種因素進(jìn)行人為限值設(shè)定。

綜上所述，傳統(tǒng)報(bào)警系統(tǒng)存在的缺陷嚴(yán)重影響了風(fēng)電場(chǎng)人員對(duì)風(fēng)電設(shè)備運(yùn)行時(shí)的消缺、檢查工作，且不利于設(shè)備運(yùn)行壽命的增長(zhǎng)和生產(chǎn)效率的提高。因此，一套能夠利用現(xiàn)場(chǎng)豐富的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)資源，并能夠進(jìn)行自動(dòng)缺陷分析、自動(dòng)預(yù)警的設(shè)備故障偵查預(yù)警系統(tǒng)是很有必要的，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的提前預(yù)警、提前檢修規(guī)劃，達(dá)到延長(zhǎng)設(shè)備壽命、提高生產(chǎn)效率的目的。

故障預(yù)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

集團(tuán)公司風(fēng)電場(chǎng)集中數(shù)據(jù)管控中心的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了在滿足行業(yè)安全規(guī)定、要求的條件下，將風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組、氣象、升壓站中的數(shù)據(jù)傳送至集團(tuán)公司風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)中心，并能夠在集團(tuán)公司風(fēng)電場(chǎng)集中數(shù)據(jù)管控中心進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)各類數(shù)據(jù)的監(jiān)視、存儲(chǔ)。通過利用風(fēng)電場(chǎng)豐富的數(shù)據(jù)資源對(duì)風(fēng)電機(jī)組故障預(yù)警、不同型號(hào)的風(fēng)電機(jī)組分類建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)所轄風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行工況的有效管理以及不良工況的提前預(yù)警。因此，集團(tuán)公司可以利用風(fēng)電場(chǎng)集中監(jiān)控中心來整合所轄風(fēng)電場(chǎng)各種機(jī)型的運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)而提高自己在故障預(yù)警建模方面具有的建模依賴數(shù)據(jù)豐富、預(yù)警準(zhǔn)確率高的優(yōu)勢(shì)。

圖1 傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組預(yù)警原理結(jié)構(gòu)圖

風(fēng)電場(chǎng)集中數(shù)據(jù)管控中心結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

故障預(yù)警建模機(jī)制

一、風(fēng)電機(jī)組故障預(yù)警模型

圖3描繪了風(fēng)電機(jī)組故障預(yù)警體系從風(fēng)電機(jī)組故障模型建立、故障預(yù)警到風(fēng)電機(jī)組故障模型自動(dòng)優(yōu)化的整個(gè)過程。以下為各個(gè)過程的簡(jiǎn)要說明：

（一）基于設(shè)備故障相關(guān)參數(shù)篩選模型自動(dòng)對(duì)各種型號(hào)的風(fēng)電機(jī)組建立一套故障預(yù)警體系，從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度通過對(duì)歷史設(shè)備故障數(shù)據(jù)的提取分析建立故障相關(guān)參數(shù)信息挖掘模型，以該模型和已有的工業(yè)運(yùn)行庫為基礎(chǔ)，形成特定型號(hào)設(shè)備的故障相關(guān)參數(shù)信息知識(shí)庫。

（二）以故障相關(guān)參數(shù)信息知識(shí)庫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備特定故障相關(guān)的參數(shù)信息，建立一個(gè)設(shè)備故障偵查預(yù)警模型對(duì)符合知識(shí)庫參數(shù)值和邏輯的進(jìn)行預(yù)警。

（三）以歷史預(yù)警信息和預(yù)警效果評(píng)估為基礎(chǔ)，建立一個(gè)設(shè)備故障預(yù)警自優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)預(yù)警參數(shù)信息知識(shí)庫的優(yōu)化，從而達(dá)到預(yù)警信息準(zhǔn)確性的不斷提高。

（四）風(fēng)電機(jī)組故障預(yù)警體系同時(shí)開放用戶參數(shù)調(diào)整接口，保證權(quán)限的用戶可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)直接添加系統(tǒng)的故障相關(guān)參數(shù)信息知識(shí)庫等配置信息，以保證運(yùn)行人力智庫的充分利用。

二、風(fēng)電機(jī)組故障預(yù)警相關(guān)參數(shù)建模

設(shè)備故障預(yù)警相關(guān)參數(shù)篩選統(tǒng)計(jì)流程，如圖4所示。通過圖中所示流程，完成一系列建模后，風(fēng)電機(jī)組故障數(shù)據(jù)倉庫對(duì)故障模型信息進(jìn)行了統(tǒng)一存儲(chǔ)，模型涵蓋了風(fēng)電機(jī)組型號(hào)、所在地域、廠建時(shí)間、預(yù)警相關(guān)參數(shù)組、健康陣列等信息。

風(fēng)電機(jī)組故障相關(guān)參數(shù)預(yù)警設(shè)備建模過程，分為以下幾步：

圖2 風(fēng)電場(chǎng)集中數(shù)據(jù)管控中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖3 故障預(yù)警體系建立過程

圖4 設(shè)備故障預(yù)警相關(guān)參數(shù)篩選統(tǒng)計(jì)流程圖

（一）挖掘每個(gè)故障條目（如：變頻器加熱器故障）在統(tǒng)計(jì)時(shí)間段（一般為1年以上）的故障時(shí)間點(diǎn)，形成如下表1所示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

（二） 對(duì)特定型號(hào)風(fēng)電機(jī)組的故障條目進(jìn)行逐項(xiàng)遍歷，并在每個(gè)故障條目下通過大量的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)幅值相關(guān)性統(tǒng)計(jì)，將震蕩幅值較大且能影響風(fēng)電機(jī)組的故障情況進(jìn)行記錄。

（三）在調(diào)整過程中，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)存庫備查以及將預(yù)測(cè)依據(jù)參數(shù)信息完整入庫存儲(chǔ)。預(yù)測(cè)相關(guān)參數(shù)信息入庫存儲(chǔ)格式，如表2所示。

三、 風(fēng)電機(jī)組實(shí)時(shí)故障偵查預(yù)警及自優(yōu)化

設(shè)備故障偵查預(yù)警系統(tǒng)主要分為三個(gè)模塊，分別是實(shí)時(shí)故障預(yù)警模塊、實(shí)時(shí)預(yù)警評(píng)價(jià)模塊、自動(dòng)預(yù)警參數(shù)幅度優(yōu)化模塊。三個(gè)模塊的工作流程，如圖5所示。下面對(duì)三個(gè)模塊流程設(shè)計(jì)分別說明。

（一）實(shí)時(shí)故障預(yù)警模塊：

實(shí)時(shí)故障預(yù)警模塊是對(duì)設(shè)備故障項(xiàng)目相關(guān)的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)（觸發(fā)或小周期輪詢）監(jiān)測(cè)，對(duì)符合預(yù)警參數(shù)值和參數(shù)條件邏輯的xxx轉(zhuǎn)入預(yù)警處理，并對(duì)各設(shè)備故障項(xiàng)目依次進(jìn)行檢查。

預(yù)警觸發(fā)時(shí)，推送出相應(yīng)的彈出窗口，并以聲音報(bào)告、圖形閃動(dòng)形式報(bào)送給用戶；將產(chǎn)生預(yù)警的信息存儲(chǔ)歸檔以備預(yù)警評(píng)價(jià)。故障信息表見表3和表4。

（二）實(shí)時(shí)預(yù)警評(píng)價(jià)模塊：

實(shí)時(shí)預(yù)警評(píng)價(jià)模塊是對(duì)已經(jīng)預(yù)警，但還未出現(xiàn)預(yù)警結(jié)果的預(yù)警記錄進(jìn)行跟蹤評(píng)價(jià)的模塊。周期性（周期可配置，如20min）查詢預(yù)警信息中未評(píng)價(jià)的預(yù)警信息，檢查預(yù)警信息是否發(fā)生、發(fā)生的預(yù)警信息準(zhǔn)確方面統(tǒng)計(jì)（如：預(yù)警發(fā)生但推遲了5min）。每次檢查未評(píng)價(jià)的預(yù)警信息，除非預(yù)警記錄的時(shí)間已經(jīng)過去了很長(zhǎng)時(shí)間（可定義，如1天）。對(duì)于已經(jīng)評(píng)價(jià)的預(yù)警條目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)在目前的預(yù)警參數(shù)條件下預(yù)警的準(zhǔn)確性。預(yù)警的準(zhǔn)確性分多個(gè)方面，首先檢查是否全部準(zhǔn)確，其次檢查預(yù)警的故障條目是否準(zhǔn)確（人為不參與的情況下），再次是預(yù)警時(shí)間是否準(zhǔn)確。該評(píng)價(jià)信息存檔，以備優(yōu)化階段使用。

表1 故障條目數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表

表2 預(yù)測(cè)參數(shù)信息表

圖5 預(yù)警系統(tǒng)流程圖

（三）自動(dòng)預(yù)警參數(shù)幅度優(yōu)化模塊

周期性（如：7天）的對(duì)預(yù)警參數(shù)幅度進(jìn)行優(yōu)化，首先需要設(shè)定一個(gè)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率標(biāo)準(zhǔn)（如：85%），再根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對(duì)沒有達(dá)標(biāo)的參數(shù)幅值進(jìn)行自調(diào)整，主要針對(duì)不斷增加的歷史數(shù)據(jù)，對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行再統(tǒng)計(jì)，對(duì)幅值進(jìn)行細(xì)度的調(diào)整。

表3 故障信息表（1）

表4 故障信息表（2）

故障預(yù)警效果分析

一、 故障預(yù)警過程數(shù)據(jù)分析

依據(jù)故障相關(guān)參數(shù)篩選算法進(jìn)行參數(shù)幅值變化和相應(yīng)故障之間的關(guān)系研究。 “1槳葉正常收槳回風(fēng)暴位置太慢3”故障的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系表如表5所示。

圖6為某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)“1槳葉正常收槳回風(fēng)暴位置太慢3”故障時(shí)各參數(shù)的變化趨勢(shì)。橫軸為相應(yīng)參數(shù)振動(dòng)幅值的變化率，分0.02為調(diào)點(diǎn)進(jìn)行逐變，縱軸為上述故障“1槳葉正常收槳回風(fēng)暴位置太慢3”各個(gè)參數(shù)跳變過程中發(fā)生的概率。

下面是曲線分析：

（一）風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行實(shí)際：“槳葉正常收槳回風(fēng)暴位置太慢”是風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生的故障之一，且造成停機(jī)的次數(shù)高達(dá)800次/年以上。故障發(fā)生后，風(fēng)電場(chǎng)檢修人員一般需要爬至風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙中檢查和變槳相關(guān)的部件狀態(tài)。變槳軸承潤(rùn)滑不良、液壓系統(tǒng)缺陷、槳葉驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)熱磁退、SBP充電裝置故障、葉片蓄電池耗損等情況是該故障可能發(fā)生的原因。

（二）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析：圖6中的曲線為風(fēng)電機(jī)組故障時(shí)刻點(diǎn)，風(fēng)電機(jī)組主要測(cè)點(diǎn)躍動(dòng)幅值百分比（X軸）和故障發(fā)生率（Y軸）的變化關(guān)系。幅值百分比在小于2%時(shí)，各參數(shù)變化情況與發(fā)生的故障沒有明顯的相關(guān)性。

隨著限定幅值的逐步放開（X軸從右到左），故障發(fā)生概率逐步增大。曲線中，X軸測(cè)點(diǎn)幅值百分比有微小變化時(shí)，故障發(fā)生率有明顯變化的位置即說明相應(yīng)測(cè)點(diǎn)和故障相關(guān)，見表6。

表5 “1槳葉正常收槳回風(fēng)暴位置太慢3”的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系表

圖6 “1槳葉正常收槳回風(fēng)暴位置太慢3”時(shí)各參數(shù)的變化趨勢(shì)

二、某風(fēng)電場(chǎng)故障預(yù)警案例實(shí)際效果分析

如某風(fēng)電場(chǎng)生產(chǎn)日志部分的開票記錄中，43號(hào)風(fēng)電機(jī)組變頻器水冷系統(tǒng)壓力過高進(jìn)行了就地檢修。變頻器水冷系統(tǒng)壓力過高易發(fā)生管路爆液，嚴(yán)重造成變頻器IGBT模塊短路燒毀。

表6 “1槳葉正常收槳回風(fēng)暴位置太慢3”信息表

圖7 預(yù)警信息表

圖7 43號(hào)風(fēng)電機(jī)組變頻器水冷系統(tǒng)壓力的變化趨勢(shì)圖

圖8 43號(hào)風(fēng)電機(jī)組變頻器水冷系統(tǒng)壓力值正常情況下的變化走勢(shì)

表7為上述故障預(yù)警系統(tǒng)在故障發(fā)生之前給予的預(yù)警（由于預(yù)警時(shí)值班運(yùn)行人員對(duì)初上系統(tǒng)未引起足夠的關(guān)注，該預(yù)警信息只能從預(yù)警歷史記錄中查得）。

圖7為故障預(yù)警時(shí)間區(qū)間內(nèi)43號(hào)風(fēng)電機(jī)組變頻器水冷系統(tǒng)壓力的變化趨勢(shì)圖，該型號(hào)風(fēng)電機(jī)組使用的變頻器水冷部件正常情況下壓力限值在1.2－2.6之間，按照故障預(yù)警模型參數(shù)相關(guān)性預(yù)警根據(jù)了預(yù)警。

根據(jù)建立的預(yù)警模型可知正常情況下變頻器水冷系統(tǒng)的壓力值在1.2－2.6之間，圖8為壓力值正常情況下的變化走勢(shì)，在超過2.6時(shí)即易發(fā)生壓力過大引起的爆管，本系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)區(qū)間內(nèi)水冷壓力值的極值和變化趨勢(shì)，在超限時(shí)即給出預(yù)警。

結(jié)論

在數(shù)據(jù)就是財(cái)富的今天，保存有大量風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)的SIS、SCADA系統(tǒng)記錄了風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的各種工況和歷史數(shù)據(jù)，此為大部分風(fēng)電場(chǎng)都已完成的基建工程?；谝延械臍v史數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行建模分析，建立一套能自動(dòng)根據(jù)海量歷史數(shù)據(jù)模型、自動(dòng)生成特定型號(hào)風(fēng)電機(jī)組故障預(yù)警系統(tǒng)模型，能夠解決風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備故障缺少提前發(fā)覺，設(shè)備故障沒有合理預(yù)警等問題，整體上增加設(shè)備的可靠性和可利用程度，從而實(shí)現(xiàn)整體經(jīng)濟(jì)效益的提高。

（作者單位：北京岳能科技股份有限公司）