李濤濤，賈嶸，尹浩霖，董開松，黨建（.西安理工大學(xué)，陜西西安　70048；.中國水電顧問集團(tuán)投資有限公司，北京　000；.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅蘭州　70050）

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風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李濤濤1，賈嶸1，尹浩霖2，董開松3，黨建1
（1.西安理工大學(xué)，陜西西安710048；2.中國水電顧問集團(tuán)投資有限公司，北京100101；3.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅蘭州730050）

KEY W0RDS：wind turbine generator set；condition moni -toring；fau1t diagnosis

摘要：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以有效降低機(jī)組的檢修維護(hù)費(fèi)用，保障機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，設(shè)計(jì)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能。通過系統(tǒng)在大型風(fēng)力發(fā)電場的成功應(yīng)用，驗(yàn)證了其對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測與診斷的有效性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；狀態(tài)監(jiān)測；故障診斷

近年來，全球能源危機(jī)日益突出，尋找一種可以替代傳統(tǒng)能源的新能源問題成為了人類所面臨的共同挑戰(zhàn)?？稍偕茉淳哂星鍧嵭?、可重復(fù)使用性等諸多優(yōu)點(diǎn)，許多國家均把可再生能源的發(fā)展提高到了國家戰(zhàn)略層面，以風(fēng)能和太陽能等為代表的可再生能源得到了迅速的發(fā)展。我國風(fēng)電裝機(jī)容量迅猛增長，其占總裝機(jī)容量的比例逐年增加，單機(jī)容量為兆瓦級(jí)的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及上百兆瓦風(fēng)電場正得到大力發(fā)展。然而，我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的成熟程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多處于邊遠(yuǎn)地區(qū)，環(huán)境惡劣，機(jī)組運(yùn)行工況復(fù)雜，極易發(fā)生各種故障，尤其是風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)系統(tǒng)，在交變載荷的作用下，相比其他部件發(fā)生故障的可能性更高，傳動(dòng)系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，往往造成機(jī)組停機(jī)，維護(hù)檢修費(fèi)用極高[2-4]。

因此，針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組惡劣的運(yùn)行狀況和復(fù)雜的故障特征，設(shè)計(jì)一套風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與診斷就顯得十分重要[5-7]。筆者對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，設(shè)計(jì)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，通過系統(tǒng)在大型風(fēng)力發(fā)電場的成功應(yīng)用，驗(yàn)證了整套系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的可靠性，從而保障了風(fēng)電機(jī)組的安全、穩(wěn)定與可靠運(yùn)行。

1　狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)的總體架構(gòu)

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集服務(wù)器獲取風(fēng)電機(jī)組SCADA中故障信號(hào)數(shù)據(jù)，利用Modbus、OPC、IEC102、IEC103、IEC104等規(guī)約實(shí)現(xiàn)SCADA系統(tǒng)與狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的連接和傳輸。中控室SCADA系統(tǒng)通過現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)來獲取中控室系統(tǒng)已經(jīng)在風(fēng)機(jī)上安裝的傳感器的信號(hào)，診斷服務(wù)器還需要的信號(hào)可通過重新安裝的振動(dòng)、溫度和轉(zhuǎn)速傳感器采集，SCADA系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)采集箱中的數(shù)據(jù)通過中控室交換機(jī)傳輸?shù)皆\斷服務(wù)器系統(tǒng)中。最后診斷及決策服務(wù)器系統(tǒng)可將診斷和處理結(jié)果通過Internet網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)GPRS，將數(shù)據(jù)傳給風(fēng)電場運(yùn)行維護(hù)人員，或是傳給遠(yuǎn)方管理人員，以提高整個(gè)系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷功能的響應(yīng)速度，圖1是其總體架構(gòu)圖。

圖1　系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Flg. 1 The archltecture dlagram of the overall system

1.2子系統(tǒng)功能介紹

該狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)共有系統(tǒng)測點(diǎn)及傳感器設(shè)置、現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和故障診斷分析服務(wù)器系統(tǒng)等4個(gè)子系統(tǒng)。

1.2.1系統(tǒng)測點(diǎn)及傳感器設(shè)置

傳感器的主要功能是獲取風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，是狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的測點(diǎn)設(shè)置應(yīng)充分結(jié)合機(jī)組的實(shí)際特點(diǎn)和運(yùn)行方式，以及已發(fā)生故障和異常的部位和狀態(tài)，同時(shí)也要根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測的功能需要，進(jìn)行設(shè)置和安裝，圖2為本次設(shè)計(jì)傳感器的布置結(jié)構(gòu)圖。

圖2　傳感器的布置結(jié)構(gòu)圖Flg. 2 The arrangement dlagram of the sensor

1.2.2現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)

現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是依靠從設(shè)備上的傳感器采集相關(guān)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工作信號(hào)，經(jīng)過初步的整理后傳送給上層數(shù)據(jù)處理單元。同步采集方式可以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)采集，能夠保證系統(tǒng)故障診斷和故障處理決策依據(jù)的及時(shí)和準(zhǔn)確。因此，現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用同步采集方式對(duì)現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行獲取，圖3為現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖3　現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)Flg. 3 The structure dlagram of the local data acqulsltlon system

1.2.3數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過各種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議負(fù)責(zé)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的連接、采集和傳輸。SCADA系統(tǒng)通過現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)信號(hào)，并進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，并傳給故障診斷服務(wù)器系統(tǒng)進(jìn)行診斷和處理，診斷和處理的結(jié)果可以通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳給遠(yuǎn)方運(yùn)行人員和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

1.2.4故障診斷分析服務(wù)器系統(tǒng)

故障診斷服務(wù)器是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的核心，其主要由數(shù)據(jù)庫組成。本次數(shù)據(jù)庫采用的是SQL Server 2008，根據(jù)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)類型，以及軟件功能實(shí)現(xiàn)所需的數(shù)據(jù)分類，通過設(shè)置SQL Server的數(shù)據(jù)源和SQL Server用戶訪問權(quán)限，診斷服務(wù)器系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫就可以遠(yuǎn)程通訊并存儲(chǔ)現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集的信息數(shù)據(jù)，以及通過OPC協(xié)議訪問風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自帶的SCADA監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)。本次數(shù)據(jù)保存方式也非常靈活，現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集單元可以選擇和配置信息使用同一個(gè)數(shù)據(jù)庫，也可配置在多個(gè)數(shù)據(jù)庫中，降低整個(gè)系統(tǒng)服務(wù)器的壓力。

2　應(yīng)用

以某大型風(fēng)力發(fā)電場1.5 MW雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例，安裝8個(gè)振動(dòng)傳感器和1個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器，表1為傳感器在該風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)側(cè)點(diǎn)的分布表。

表1　1.5 MW雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)測點(diǎn)分布表Tab. 1 The dlstrlbutlon table of vlbratlon measurlng polnts of the 1.5 MW double-fed wlnd turblne

2.1主軸運(yùn)行狀況診斷

主軸軸承位置共裝有兩個(gè)振動(dòng)傳感器1H、1A，用于監(jiān)測主軸葉輪側(cè)軸承，圖4為1H、1A傳感器的固定位置及線纜敷設(shè)路徑圖。

圖5為主軸1H、1A加速度波形（2～20 kHz）總值趨勢圖，從總值趨勢圖中可以看出，主軸位置加速度總值相對(duì)較低，在監(jiān)測期間總值能量有所上升，說明主軸軸承位置受到頻繁的沖擊，目前能量相對(duì)較小，趨勢特征穩(wěn)定，齒輪箱測點(diǎn)有所傳遞。外圈自監(jiān)控初期即存在點(diǎn)蝕現(xiàn)象，后內(nèi)圈也出現(xiàn)點(diǎn)蝕。建議現(xiàn)場進(jìn)行主軸軸承拆端蓋（增速機(jī)側(cè)）檢查內(nèi)圈、外圈（增速機(jī)側(cè)單列）的磨損情況。

圖4　主軸1H、1A傳感器固定位置及線纜敷設(shè)路徑Flg. 4 The sensor mountlng locatlon and cable run of Splndles 1 H and 1 A

圖5　主軸1H、1A加速度波形（2～20 kHz）總值趨勢圖Flg. 5 Splndle 1H，1A acceleratlon waveform（2～20 kHz）Gross Trend

2.2齒輪箱運(yùn)行狀況診斷

齒輪箱采用二級(jí)行星一級(jí)平行式三級(jí)增速設(shè)計(jì)，圖6為2H、3V、4A和5H傳感器在齒輪箱上的固定位置及線纜敷設(shè)路徑圖。

圖7為齒輪箱2H、3V、4A和5H加速度波形（2～20 kHz）總值趨勢圖，從中可以看出，自檢測以來齒輪箱各個(gè)測點(diǎn)振動(dòng)總值較小，趨勢變化平穩(wěn)。圖8為其對(duì)應(yīng)的頻譜結(jié)構(gòu)圖，說明頻譜結(jié)構(gòu)以高速軸嚙合頻率為主，齒輪箱運(yùn)行良好。

2.3發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀況診斷

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)共裝有兩個(gè)振動(dòng)傳感器6H和7H，用于監(jiān)測發(fā)電機(jī)兩端的軸承故障及定子、轉(zhuǎn)子故障，圖9為6H和7H傳感器在發(fā)電機(jī)上的固定位置及線纜敷設(shè)路徑圖。

圖6　齒輪箱2H、3V、4A和5H傳感器固定位置及線纜敷設(shè)路徑Flg. 6 The sensor mountlng locatlon and cable laylng path of Gearboxes 2H，3V，4A and 5H

圖10為發(fā)電機(jī)6H和7H加速度波形（2～20 kHz）總值趨勢圖，從中可以看出，發(fā)電機(jī)兩端振動(dòng)總值較小，且趨勢平穩(wěn)，發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。

圖7　齒輪箱2 H、3 V、4 A和5 H加速度波形（2～20 kHz）總值趨勢圖Flg. 7 Gearbox 2 H，3 V，4 A and 5 H acceleratlon waveform（2～20 kHz）Gross Trend

圖8　齒輪箱2 H、3 V、4 A和5 H加速度波形（2～20 kHz）頻譜圖Flg. 8 Acceleratlon waveform（2～20 kHz）spectrum of Gearboxes 2 H，3 V，4 A and 5 H

圖9　發(fā)電機(jī)6H和7H傳感器固定位置及線纜敷設(shè)路徑Flg. 9 The sensor mountlng locatlon and cable path of Generators 6H and 7H

3　結(jié)語

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)某大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主抽、齒輪箱和發(fā)電機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行了實(shí)時(shí)可靠的狀態(tài)監(jiān)測與診斷，驗(yàn)證了整套狀態(tài)系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與診斷的有效性，從而保障了大型風(fēng)力發(fā)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] Association Wor1d Wide Energy. WWEA ha1f year rePort 2014[R]. 2014.

[2]周志剛，秦大同，楊軍，等.變載荷下風(fēng)力發(fā)電機(jī)行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪軸承耦合動(dòng)力學(xué)特性[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，35（12）：7-14. ZHOU Zhigang，QIN Datong，YANG Jun，et a1. Transmission gear bearing couP1ing dynamic characteristics of the wind turbine P1anetary gear under variab1e 1oad[J]. The Learned Journa1 of Chongqing University，2012，35（12）：7-14（in Chinese）.

[3] RIBRANT，BERTLING L M. Survey of fai1ures in wind Power systems with focus on swedish wind Power P1ants during 1997-2005[J]. IEEE Transaction on Energy Conversion，2007（1）：167-173.

[4]陳雪峰，李繼猛，程航，等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的研究與進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47 （9）：45-52. CHEN Xuefeng，LI Jimeng，CHENG Hang，et a1. Research and deve1oPment of wind turbine condition monitoring and fau1t diagnosis techno1ogy[J]. The Learned Journa1 of Mechanica1 Engineering，2011，47（9）：45-52 （in Chinese）.

[5]馬婧華，湯寶平，韓延.風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，38 （1）：37-44. MA Qianhua，TANG BaoPing，HAN Yan. Wind turbine transmission network status monitoring and fau1t diagnosis system design[J]. The Learned Journa1 of Chongqing University，2015，38（1）：37-44（in Chinese）.

[6]孟恩隆，郭東杰，王靈梅，等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測與智能故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].華東電力，2012，40（3）：0507-0510. MENG En1ong，GUO Dongjie，WANG Lingmei，et a1. Design and imP1ementation of wind turbine condition monitoring and inte11igent fau1t diagnosis system[J]. East China E1ectric Power，2012，40（3）：0507-0510（in Chinese）.

[7]楊文廣，蔣東翔.大型風(fēng)力機(jī)組遠(yuǎn)程智能監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].中國工程科學(xué)，2015（3）：24-29.

YANG Wenguang，JIANG Dongxiang. Research and deve-1oPment of 1arge -sca1e wind turbine inte11igent remote monitoring and diagnostic system[J]. China Engineering Science，2015（3）：24-29（in Chinese）.

李濤濤（1992—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)新能源；

賈嶸（1971—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化；

尹浩霖（1987—），男，碩士，工程師，運(yùn)營管理主管，中國水電顧問集團(tuán)投資有限公司運(yùn)行業(yè)務(wù)部，主要從事發(fā)電企業(yè)運(yùn)營管理工作；

董開松（1966—），男，碩士，高級(jí)工程師，國網(wǎng)工程技術(shù)專家，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電及并網(wǎng)技術(shù)；

黨建（1991—），男，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化。

（編輯李沈）

Project SuPPorted by Science and Techno1ogy Project of China HydroPower Engineering Consu1ting GrouP CorPoration（CHC-KJ-2011-22）；Science and Techno1ogy Project of SGCC（104-400231368）.

Deslgn and Appllcatlon of Condltlon Monltorlng System for Wlnd Turblne Generator Unlt

LI Taotao1，JIA Rong1，YIN Hao1in2，DONG Kaisong3，DANG Jian1
（1. Xi＇an University of Techno1ogy，Xi’an 710048，Shaanxi，China；2. China’s HydroPower Consu1ting GrouP Investment Co.，Ltd.，Beijing 100101，China；3. Gansu E1ectric Power Research Institute，Lanzhou 730050，Gansu，China）

ABSTRACT：The design of the condition monitoring system of the wind turbine can effective1y reduce the maintenance cost and ensure the safe and stab1e oPeration of the unit. This PaPer Presents an in-dePth study of the condition monitoring and fau1t diagnosis techno1ogy of the wind turbine and designs a condition monitoring system with a detai1ed introduction of its structure and functions. The successfu1 aPP1ication of the system in a 1arge-sca1e wind farm has verified the effectiveness of the system in terms of monitoring and diagnosis of the wind turbine.

作者簡介：

收稿日期：2015-06-19。

基金項(xiàng)目：中國水電工程顧問集團(tuán)公司科技項(xiàng)目（CHC-KJ-2011-22）；國家電網(wǎng)科技項(xiàng)目（104-400231368）。

文章編號(hào)：1674-3814（2016）01-0095-05

中圖分類號(hào)：TM614

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A