風(fēng)電設(shè)備機組維修理論和策略研究綜述

尋征軒1，陳玉晶2，馬慧民2

1. 上海電氣風(fēng)能有限公司，上海 200241

2. 上海電機學(xué)院電氣學(xué)院，上海 200240

摘要：闡述了維修理論和維修策略的發(fā)展背景、過程以及在風(fēng)電行業(yè)的應(yīng)用，重點介紹了風(fēng)電設(shè)備機組設(shè)備的預(yù)防性維修理論以及視情維修策略的發(fā)展，提出了目前中國風(fēng)電維修行業(yè)中依舊存在的許多問題，以及維修策略的優(yōu)化與研究將成為未來風(fēng)電維修行業(yè)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電設(shè)備； 維修策略； 視情維修

風(fēng)力發(fā)電目前在新能源和可再生能源領(lǐng)域發(fā)展迅速，就全球發(fā)展數(shù)據(jù)來看，近十年來風(fēng)電裝機容量均保持年增長25%以上。由《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》中的發(fā)展規(guī)劃可知，2020年我國計劃建成總裝機容量為100GW的風(fēng)力發(fā)電基地，計劃輸出200TW·h的電能，屆時風(fēng)力發(fā)電量將占到我國發(fā)電總量的10%左右。

風(fēng)力機絕大多數(shù)運行工況較差，運行環(huán)境十分惡劣。此外，風(fēng)速的不確定性造成復(fù)雜的運行工況，這些因素會造成風(fēng)力發(fā)電機組故障高發(fā)。根據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，陸上風(fēng)電機組每kW·h發(fā)電量的維修維護成本為總費用的20%～25%，海上風(fēng)電場則高達35%。

中國風(fēng)力發(fā)電累計裝機量已達到世界第一，目前許多風(fēng)電運營商、制造商都考慮成立獨立的維修維護公司。風(fēng)電場的設(shè)備檢修開始逐步舍棄單一的計劃檢修方式，而是采取與狀態(tài)檢修相結(jié)合的方式。

國際上對風(fēng)電機組維修策略與優(yōu)化的研究，主要集中在視情維修的狀態(tài)監(jiān)測部分。美國的“可靠性維修工程”、英國的“設(shè)備綜合工程”和前蘇聯(lián)的“計劃預(yù)維修制度”都是國外有代表性的研究。文獻對國內(nèi)外20多個風(fēng)電場的故障數(shù)據(jù)在進行統(tǒng)計后得出結(jié)論，單一的維修優(yōu)化策略并不能滿足風(fēng)電場這一復(fù)雜多部件的維修故障模式，只有統(tǒng)籌多種策略的優(yōu)化結(jié)合，才能帶來更好的維護效果，以及更高的經(jīng)濟收益。

本文以風(fēng)力機為對象，分析現(xiàn)代各種維修策略的發(fā)展及特點，總結(jié)其優(yōu)缺點，并結(jié)合風(fēng)電機組維修發(fā)展現(xiàn)狀，闡述各種維修策略在風(fēng)電機組維修優(yōu)化方面的最新應(yīng)用，為風(fēng)電機組維修改革提供參考。

1風(fēng)電設(shè)備定期維修

目前，風(fēng)電維修主要還是采用定期維修的方式，維修周期由運行歷史數(shù)據(jù)以及經(jīng)驗確定，維修服務(wù)通常由銷售方、第三方提供。定期維修周期不僅與外部運行環(huán)境有關(guān)，也與其內(nèi)部故障規(guī)律密切相關(guān)，定期維修最大的矛盾就是維修時間的固定性與設(shè)備故障的隨機性沖突，因此周期的制定非常重要。通常默認(rèn)的定期檢修制度有500h檢修、半年檢修和全年檢修，維修周期有半年、一年、三年或者五年。文獻采用等風(fēng)險策略及同一周期內(nèi)風(fēng)險函數(shù)積分?jǐn)?shù)值相等來制定維修周期，由于設(shè)備故障率會隨時間增長而增加，故該策略明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的固定周期制。文獻重點分析了定期維修的維修效果，由于實際維修并不能使設(shè)備恢復(fù)最初狀態(tài)，因此將維修分為預(yù)防性維修和預(yù)防性替換，前者只是改善設(shè)備狀態(tài)，延長工作時間，后者則是使設(shè)備恢復(fù)如新。文獻針對傳統(tǒng)預(yù)防性維修模型建立的不完善，考慮剩余時間，引入故障率遞增因子，對故障服從威爾分布的實例進行仿真，還討論了滿足可靠度約束條件下維護成本最低的優(yōu)化問題，得到最優(yōu)的預(yù)防性維修周期。

2風(fēng)電機組視情維修

通過對設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)測，獲得相關(guān)溫度、壓力、噪聲、振動、流量等參數(shù)，由專家系統(tǒng)對各種參數(shù)進行分析，安排維修周期，即為視情維修。這種基于狀態(tài)而采取動態(tài)時間間隔或者周期的維修方式稱為“第三代維修模式”，此種維修的檢測方式采用等周期檢測，維修方式采用 “更換”、“預(yù)防性維修”和“繼續(xù)工作”相結(jié)合的方式，分析各檢測點處部件有效年齡的狀態(tài)變化。其優(yōu)點是能提前安排維修需要的材料和人員，最大化設(shè)備的利用率，減少停工時間和二次損傷，在嚴(yán)重?fù)p傷發(fā)生前，停止工作，降低維修成本。其缺點是必須應(yīng)用先進技術(shù)，對機器狀態(tài)進行評估，需要特殊的專業(yè)設(shè)備和高昂的人員培訓(xùn)費用。

2.1　視情維修研究現(xiàn)狀

基于狀態(tài)的維修系統(tǒng)技術(shù)是一個新興的研究領(lǐng)域，其核心思想是在有證據(jù)表明故障將要發(fā)生時才對設(shè)備進行維護。目前，國內(nèi)還停留在定時維修階段，對視情維修還處在起步時期，主要是理論上的探討和定性的分析，以狀態(tài)檢測和故障診斷為主，對狀態(tài)模型和維修決策模型的建立、求解以及應(yīng)用都缺乏深入系統(tǒng)的研究。處于起步階段的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)主要集中在風(fēng)電機組的故障高發(fā)部件，如齒輪箱和發(fā)電機。國內(nèi)已有大型風(fēng)電企業(yè)安裝了實驗性的在線監(jiān)測設(shè)備，但都沒有規(guī)?；a(chǎn)，隨著風(fēng)機單機容量的加大，未來兆瓦級風(fēng)電配置檢測系統(tǒng)必然成為一種趨勢。目前從事風(fēng)電狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的單位較少，主要有華北電力大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)等。另外，新疆風(fēng)能有限公司、新疆金風(fēng)科技股份有限公司等一些公司已開發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品，對傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)機械振動狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)進行了改造，并應(yīng)用到了風(fēng)力發(fā)電機組上。

文獻10]以風(fēng)機各部件為研究對象，對近年來狀態(tài)監(jiān)測的方法進行了分析和綜述。文獻11]和文獻12]均以視情維修為主要維修策略，前者突出視情維修對風(fēng)機葉片的維修優(yōu)化，后者則以齒輪箱為研究對象，采用半馬爾科夫決策過程建立模型。文獻13]重點探討了齒輪箱的視情維修策略，解決如何高效地從被檢測信號中獲取齒輪故障特征的問題，采用隨機變量的數(shù)字信號處理方法。文獻仍以齒輪箱為研究對象，采用非線性狀態(tài)估計方法建立NSET模型，合理構(gòu)造過程記憶矩陣，使模型覆蓋正常工作空間，運用溫度趨勢分析方法進行溫度預(yù)測。當(dāng)齒輪箱發(fā)生故障時，觀察模型的分布特性即可預(yù)測殘差，根據(jù)滑動窗口方法可進行實時計算，當(dāng)殘差均值或者標(biāo)準(zhǔn)差的置信區(qū)間超出預(yù)設(shè)閾值時，發(fā)出警報，實現(xiàn)實時在線監(jiān)測。

國外關(guān)于視情維修的研究已頗為成熟，主要可分為兩類。

第一類是從理論上的研究，使視情維修能夠更多應(yīng)用于實際。視情維修決策的理論研究都是首先建立描述系統(tǒng)狀態(tài)的模型，然后建立優(yōu)化模型，最后求解指定目標(biāo)下優(yōu)化的系統(tǒng)維修策略。決策通常是基于數(shù)理統(tǒng)計和隨機過程理論，理論基礎(chǔ)又有兩個分支： 第一分支采用數(shù)理統(tǒng)計理論，建立設(shè)備狀態(tài)和壽命曲線的統(tǒng)計分布，以費用為目標(biāo)作出經(jīng)濟最優(yōu)化；第二分支著重對以經(jīng)濟為目標(biāo)的策略進行求解，采用馬爾科夫或者半馬爾科夫決策過程，系統(tǒng)運用離散數(shù)值。

第二類主要是針對視情維修整體決策系統(tǒng)的研究，包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備和相應(yīng)的軟件分析等，目前在這方面研究比較深入的是美國和加拿大。美國國防部海軍研究辦公室已經(jīng)研制開發(fā)了機械預(yù)測與診斷系統(tǒng)MPROS，該系統(tǒng)綜合了許多當(dāng)時已有的先進技術(shù)，是一個分布式的開放可擴展監(jiān)測與診斷的工具。加拿大多倫多大學(xué)的兩位教授組建了專門從事視情維修研究的辦公室，開發(fā)了采用比例故障為模型、以費用為優(yōu)化目標(biāo)的軟件包EXAKT；阿爾貝塔大學(xué)則將小波和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機械視情維修優(yōu)化系統(tǒng)。原來研究故障診斷和監(jiān)測的機構(gòu)現(xiàn)在也開始注重視情維修的研究，賓夕法尼亞州立大學(xué)系統(tǒng)與運行自動化實驗室視情維修部目前已經(jīng)具備了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的先進診斷技術(shù)14]，挪威的RCDEIAS公司、馬來西亞的CAIDMARK公司等則從事視情維修的研究和推廣工作15]。這些機構(gòu)在信號處理的基礎(chǔ)上增加維修策略規(guī)劃，重點在于研究信號處理的方法。

2.2　視情維修下維修策略優(yōu)化

風(fēng)機是一個多部件復(fù)雜系統(tǒng)，多部件之間存在經(jīng)濟相關(guān)性、結(jié)構(gòu)相關(guān)性和隨機相關(guān)性，因此多部件的模型建立更加具備實用價值，視情維修條件下的多部件維修策略的模型也開始備受關(guān)注?，F(xiàn)有的文獻主要關(guān)注齒輪箱、電力系統(tǒng)和葉片等故障高發(fā)的單部件，多部件的優(yōu)化模型還很少16]。關(guān)于多部件模型的優(yōu)化決策主要有三種： 機會維修、分組維修和批量維修，其中，又以機會維修研究最多。文獻17]綜述了多部件維修系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，分析闡述了其難點和趨勢。文獻18]則通過研究表明，考慮風(fēng)力機的多部件，以費用為優(yōu)化目標(biāo)的維修策略可以有效降低維修成本。文獻19]建立風(fēng)力機串聯(lián)的多部件維修模型，采用動態(tài)規(guī)劃方法求解。文獻20]采用風(fēng)力機為對象，研究了多部件系統(tǒng)的維修決策與優(yōu)化問題，建立了基于有效年齡的多部件維修優(yōu)化模型?？紤]風(fēng)力機多部件之間的經(jīng)濟相關(guān)性，建立風(fēng)力機維修成本的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，采用分支定界算法求解檢測點處系統(tǒng)部件的最優(yōu)維修策略。目前，多部件維修優(yōu)化主要有兩種模型： ① 以系統(tǒng)可用度為約束條件實現(xiàn)經(jīng)濟最優(yōu)化；② 以經(jīng)濟為關(guān)注條件實現(xiàn)系統(tǒng)可用度最大化。對于風(fēng)力機多部件系統(tǒng)，以上兩種模型均不能完全有效定義其故障特性，為使模型可用性更高，考慮多部件維修的相互關(guān)系，并且以注重費用、機組可用度、風(fēng)險承受度等多目標(biāo)建模，在風(fēng)電廠系統(tǒng)層面進行總體分析優(yōu)化，將成為后續(xù)研究工作的重點。

以往大多基于狀態(tài)維修策略優(yōu)化模型的研究中，都是在假設(shè)預(yù)防性維修為完全維修的前提下進行的，也就是假設(shè)系統(tǒng)可以“修復(fù)如新”。然而實際情況并非如此，大多數(shù)情況下，維修措施并非完全維修，即不能使設(shè)備或者系統(tǒng)恢復(fù)到全新狀態(tài)，但也不是使設(shè)備保持故障前的狀態(tài)，而是可使設(shè)備恢復(fù)到上述兩個極端之間的一個狀態(tài)，即不完全維修。維修的不完全性是由設(shè)備系統(tǒng)天生具有的性質(zhì)特點所決定的21]，文獻22]通過引入維修效果系數(shù)來表示維修效果的不完全性，如預(yù)防性替換的等效維修效果系數(shù)為1，而不完全維修的等效維修效果系數(shù)小于1。文獻23]考慮維修措施對風(fēng)力設(shè)備狀態(tài)改善的不完全性，將檢測時間間隔作為一個與狀態(tài)相關(guān)的決策變量引入維修策略優(yōu)化過程中，當(dāng)設(shè)備處于不同狀態(tài)時，考慮多個不同的維修措施種類和機會維修策略，優(yōu)化兩部件系統(tǒng)的維修策略優(yōu)化模型，在“不完全維修”的情況下，建立可用于基于狀態(tài)維修策略優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，相比當(dāng)前諸多基于狀態(tài)維修策略優(yōu)化模型，該模型描述實際情況更為準(zhǔn)確且具有實際參考價值。另外，該模型對基于狀態(tài)維修方法的應(yīng)用具有指導(dǎo)作用，文章還建立了在不完全維修前提下的單部件和多部件維修模型，幫助決策者制定和改進維修策略。模型選用設(shè)備長期運行的最小時間成本為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化了維修措施的選擇及設(shè)備檢測時間間隔長度的制定。選用馬爾科夫隨機過程描述故障劣化過程，將問題轉(zhuǎn)化為馬爾科夫決策問題，得出求解方法，最后成功驗證了基于狀態(tài)維修策略下的單部件、兩部件失效不相關(guān)和兩部件失效相關(guān)的優(yōu)化過程。

3風(fēng)電機組可靠性維修

以可靠性為中心的維修是第三代維修模式發(fā)展的最新階段，主要是針對維修項目的可靠性分析，以維修工作的經(jīng)濟性、有效性和適用性為決斷準(zhǔn)則，在故障模式影響分析的基礎(chǔ)上，決定是否進行預(yù)防維修以及維修工作的內(nèi)容、維修級別和維修時機。

目前，在風(fēng)力發(fā)電整機系統(tǒng)的可靠性研究中，裝置的運行優(yōu)化維護策略的研究還相對較少，而現(xiàn)代可靠性科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展使風(fēng)電設(shè)備運行可靠性預(yù)測成為可能24-25]。文獻26]通過對德國和丹麥的風(fēng)電場運行數(shù)據(jù)進行可靠性建模，實現(xiàn)了可靠性預(yù)測。文獻27]提出一種新的可靠性建模方法，建立了基于蒙特卡羅仿真模型。文獻28]通過對風(fēng)力發(fā)電機組電氣部分的拆分及計算，建立了基于馬爾科夫過程的可靠性模型。文獻29]在風(fēng)力發(fā)電機組功率和負(fù)荷關(guān)系上，研究了系統(tǒng)可靠性。文獻30]通過繪制風(fēng)力發(fā)電機組的可靠性模型，對系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)備份，從而提高風(fēng)電機組的可靠性。

4結(jié)論

本文通過閱讀關(guān)于風(fēng)電設(shè)備維修理論和策略的文獻，對文獻進行歸納整理，對風(fēng)電設(shè)備的維修策略進行分類，并且就相關(guān)發(fā)展和應(yīng)用進行了總結(jié)。

風(fēng)電作為今后重點發(fā)展對象，其維修策略優(yōu)化問題日益突出，對比國內(nèi)外研究可以得出中國在該方面的研究稍顯滯后。對比各種研究方法可以得出，在優(yōu)化周期的前提下定期維修要優(yōu)于事后維修；在掌握相關(guān)技術(shù)的前提下視情維修要優(yōu)于定期維修。視情維修還存在許多問題，比如對各部件、多目標(biāo)優(yōu)化研究甚少，對于不完全維修的重視程度不夠。作為未來發(fā)展趨勢的以可靠性為目標(biāo)的維修，現(xiàn)在的研究也尚不成熟。

綜上所述，風(fēng)電機組設(shè)備的維修策略是隨技術(shù)的進步而逐步演化的,但是,這種發(fā)展并不代表著某種維修策略可以完全取代或者淘汰另一種維修策略。風(fēng)電企業(yè)要針對設(shè)備采取動態(tài)靈活的維修策略，未來的狀態(tài)維修策略應(yīng)該對不同的設(shè)備，甚至對同一臺設(shè)備的不同部件采取不同的維修策略。

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“高性能磨床專用數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用”通過項目驗收

項目獲5項知識產(chǎn)權(quán)受理和登記，其中發(fā)明專利3項

日前，由上海開通數(shù)控有限公司承擔(dān)的上海市引進技術(shù)吸收與創(chuàng)新計劃“高性能磨床專用數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用”通過項目驗收。

該項目得到上海市經(jīng)濟和信息化委員會、上海市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化促進中心和上海電氣集團股份有限公司的大力扶持和幫助。市經(jīng)信委對本次項目驗收高度重視，組成了以姚俊為組長的4位技術(shù)專家和1位財務(wù)專家的技術(shù)財務(wù)專家評審組，從技術(shù)和財務(wù)兩方面共同對項目進行驗收。

該項目由上海開通數(shù)控有限公司牽頭、上海交通大學(xué)參加共同研發(fā)。通過磨削工藝與數(shù)控技術(shù)的集成，開發(fā)了高性能磨床專用數(shù)控系統(tǒng)，在數(shù)控內(nèi)外圓磨床、軸承磨床以及工具磨床上實現(xiàn)示范應(yīng)用。同時，掌握了磨床數(shù)控系統(tǒng)核心技術(shù)，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，主要技術(shù)指標(biāo)達到國際同類數(shù)控系統(tǒng)水平，形成研究開發(fā)與專業(yè)化應(yīng)用技術(shù)團隊，建立了高檔數(shù)控和伺服技術(shù)產(chǎn)學(xué)研研發(fā)平臺。

項目實施過程中，開通公司組織專題科研攻關(guān)小組，圍繞科技攻關(guān)目標(biāo)，提高自主創(chuàng)新能力，通過幾年努力使產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)達到并超過了任務(wù)書規(guī)定的要求；完成具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能磨床專用數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)。該數(shù)控系統(tǒng)具有開放的體系結(jié)構(gòu)，集成了磨削加工工藝數(shù)據(jù)庫，可以采用參數(shù)化編程的方式實現(xiàn)內(nèi)外圓、端面、錐面等多種類型的加工。實現(xiàn)了五軸聯(lián)動控制，在上?；荻樉芄ぞ哂邢薰镜呐渲米詣由舷铝蠙C械手臂的工具磨床上進行了示范應(yīng)用。

在項目進行過程中，形成了一批具有核心競爭力和高技術(shù)含量的知識產(chǎn)權(quán)和科技成果，在積極開展專利工作、創(chuàng)建品牌產(chǎn)品方面也取得了豐碩的成果。項目共獲得5項知識產(chǎn)權(quán)受理和登記，其中： 發(fā)明專利3項。

經(jīng)中國科學(xué)院上?？萍疾樾伦稍冎行牟樾拢趪鴥?nèi)處于領(lǐng)先，項目總體上達到了國際先進水平。

專家評審組審查了相關(guān)技術(shù)文件和參觀技術(shù)展示，充分肯定了課題組整個項目執(zhí)行期間的工作，并在技術(shù)和財務(wù)兩方面提出了指導(dǎo)性意見。專家評審組一致同意通過項目驗收。

(開通數(shù)控)

An Overview on Maintenance Theory and Strategy for Wind Turbine Unit

XunZhengxuan1,ChenYujing2,MaHuimin2

1. Shanghai Electric Wind Energy Co.,Ltd. Shanghai 200241, China

2. School of Electrical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 200240, China

Abstract:Gived a representation on the background and course involving the development of maintenance theory and strategy and its application in wind turbine industry and a introduction focusing the theory for preventive maintenance of wind turbine equipment and the development of the strategy for on-condition maintenance. And the conclusion revealed that the wind power service industry in current China still has many problems, optimization and examination of maintenance strategy for wind turbine service industry will become the trend in future.

Key Words:Wind Turbine Equipment; Maintenance Strategy; On-condition Maintenance

中圖分類號:TM 315；TM 07

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號：1674-540X(2015)01-004-05

作者簡介：尋征軒(1981-)，男，碩士，工程師，主要從事風(fēng)力發(fā)電機組電控系統(tǒng)的設(shè)計及研發(fā)工作，
E-mail： xunzhx@shanghai-electric.com

收稿日期：2014-12-10