包洪印 劉文斌 周博偉 謝麗蓉

摘 要：為了實現(xiàn)高效率發(fā)電、低運維成本，文章研究了風電機組振動在線監(jiān)測系統(tǒng)。當監(jiān)測系統(tǒng)接收到各個部件的振動頻率時，與正常數(shù)據(jù)進行比較，當超出正常頻率范圍時可以發(fā)出預警并顯示相關故障部件，維護人員能夠及時對設備進行檢查或維修。

關鍵詞：風力發(fā)電機組；在線振動檢測；振動；故障

風電機組在線振動系統(tǒng)遠程采用傳感器采集數(shù)據(jù)，遠程診斷中心利用平臺分析處理與診斷，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和處理。本系統(tǒng)包括傳感器采集和軟件系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對轉速、長波形數(shù)據(jù)、時域指標的查看，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進行頻譜分析、趨勢分析、倒譜分析、瀑布圖等，實現(xiàn)少人或無人監(jiān)控，遠端處理。

1 系統(tǒng)原理及相關組成部分

1.1 系統(tǒng)的監(jiān)測原理

大型風力發(fā)電機組的主要故障信號有振動、聲發(fā)射、應力、轉矩、溫度、油液、電信號和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）信號等。風機的振動信號監(jiān)測已經用于風機齒輪箱、發(fā)電機、主軸、葉片、塔架等監(jiān)測。如Waters等[1]提出的基于振動的實時方法檢測、定位和識別電機的齒輪故障；Sarvajith等[2]使用傅里葉和離散小波變換對軸承滾動元件狀態(tài)的信號進行預處理，再利用支持向量機進行故障和健康軸承的分類識別實現(xiàn)其故障識別。AE監(jiān)測技術已經用于風機葉片、齒輪箱和軸承故障診斷。

本系統(tǒng)主要是通過遠端監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測風機（齒輪、軸、軸承）等部件的振動，從而預判斷部件振動頻率是否在安全范圍內。當不在安全范圍時，判斷部件是否發(fā)生形變或損壞。當發(fā)生形變或損壞時，監(jiān)測系統(tǒng)及時報警，并顯示損壞部件，保留損壞的數(shù)據(jù)。得知損壞部件，及時安排相關技術人員更換相應部件。此系統(tǒng)既節(jié)約了維護的成本，又為維修減少了不必要的麻煩，極大地簡化了當前的風機維護工作。

1.2 系統(tǒng)的總體設計

本系統(tǒng)主要由振動加速度傳感器、轉速傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、現(xiàn)場服務器以及分析與診斷軟件組成。系統(tǒng)針對風電場現(xiàn)場維護人員和機組分析與診斷人員分別提供不同的應用程序接口。針對現(xiàn)場維護人員提供Web方式的狀態(tài)監(jiān)測軟件，針對分析與診斷人員提供專業(yè)化的分析診斷軟件，實現(xiàn)了監(jiān)控多點數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線標準，保護用電側核心資源和用電安全，采用了工業(yè)以太網標準，采集數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心，實現(xiàn)人機交互界面。

監(jiān)控端通過振動加速度傳感器采集傳動鏈上垂直、水平與軸向方向的振動信號，針對不同結構類型的機組，選用不同配置的加速度傳感器安裝在風機主軸上。增速機能夠采集風電機組主傳動鏈（主軸、齒輪箱、發(fā)電機）中各軸承、齒輪等位置的振動信號和運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)軸承、齒輪箱及發(fā)電機故障的早期征兆，監(jiān)測每個測點振動趨勢的變化，超出預定報警門限值時觸發(fā)報警，精確定位故障部件、故障類型以及嚴重程度，并可通過郵件和短信實現(xiàn)自動報警信息推送。

在線監(jiān)測站是針對風電機組非穩(wěn)態(tài)特點，采用全采樣專利技術而設計的。監(jiān)測站具備16路振動、16路溫度、4路晃動量、4路工藝量和2路轉速量通道，采集并監(jiān)測風電機組的振動及轉速。根據(jù)長期監(jiān)測的數(shù)據(jù)結果實時監(jiān)測設備的運行狀態(tài)，在設備運行發(fā)生異?；蚬收蠒r及時自動報警并進行診斷，及時將設備的使用情況置于監(jiān)控狀態(tài)下，對防止事故，保持正常生產，降低成本有重要意義。振動監(jiān)測可以在不拆卸設備的情況下判斷設備是否存在故障并大致確定故障部位。根據(jù)風電機組的特點，主要監(jiān)測部位有：齒輪箱、發(fā)電機、主軸承、其他軸承、偏航及塔筒。

設備上監(jiān)測的部件進行組建（軸、齒輪、軸承、葉片），明確各部件關系和整體設備的形態(tài)，為后續(xù)計算不同軸的轉頻、齒輪嚙合和軸承特征做準備。采集單一的轉速，需要設置采集轉速的位置（轉速是哪個軸上）。

1.3 控制端的軟件設計

1.3.1 采集定義組

采集定義組是用來設置動態(tài)量數(shù)據(jù)采集的各項參數(shù)，如分析頻率、波形長度等。系統(tǒng)提供兩種類型采集定義組：系統(tǒng)和自定義類型。系統(tǒng)類型的采集定義組是系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場的一些實際工作情況，將用戶常用的采集定義組設置、保存為系統(tǒng)類型的采集定義組，用戶可以直接添加使用。自定義采集定義組的功能是針對一些特殊的情況，方便用戶通過自定義采集定義組來實現(xiàn)。

采集定義組中包括以下參數(shù)：（1）信號類型?？蛇x擇加速度、速度、位移、電壓量和電流量。（2）波形類型。可選擇時域波形或頻譜。（3）下限頻率。低于下限頻率的信號將被抑止。（4）上限頻率。即最大分析頻率，此設置實際上定義了低通濾波器的截止頻率和采樣頻率。（5）譜線數(shù)。定義了頻譜數(shù)據(jù)的長度。（6）波形長度。定義了波形數(shù)據(jù)的長度。

1.3.2 設備的特征頻率

針對構建的設備部件信息和采集數(shù)據(jù)的轉頻，計算出所有部件的信息（轉頻、嚙合頻率、缺陷頻率、軸承特征頻率），給出設備特征頻率功能予以顯示，包括輸入轉頻重新計算特征頻率、在特征頻率中搜索指定的頻率、在圖譜上標注特征頻率等功能。

主要軸承和齒輪箱輸入軸的頻率范圍0.5～1.0 Hz，故采用低頻加速度振動傳感器，其靈敏度為500 mv/g，頻率范圍為0.1～3 000 Hz。齒輪箱中間軸和輸出軸、發(fā)電機的輸入軸和輸出軸旋轉頻率比主軸旋轉頻率高50～60倍，故要使用通用型加速度傳感器，其靈敏度為100 mv/g，頻率范圍為0.5～15 000 Hz。設備特征頻率總覽，包括轉頻、嚙合頻率、缺陷頻率、軸承特征頻率等，可以在系統(tǒng)軟件當中集中顯示。

2 監(jiān)測指標與報警處理

測點監(jiān)測指標是將設備的測點與需要監(jiān)測的指標內容建立對應關系，每個傳感器在采集時域波形后，可以計算多個指標，在一臺設備上面可能會有很多傳感器，也會獲取其他位置的指標，但是每個傳感器對不同位置測試精準度是不一樣的，因此，需要整體考慮每個測點關聯(lián)的指標值，必須由專業(yè)的診斷人員進行相關設置。振動信號的分析主要依靠安裝在現(xiàn)場設備上的傳感器以及遠程診斷中心?，F(xiàn)場服務器及時有效地保存故障振動信息，且實時顯示各風機通道的時域和頻域信號，便于風場管理人員掌握風機工作狀態(tài)。遠在異地的診斷專家和管理員可以通過Internet網絡訪問現(xiàn)場服務器，隨時隨地掌握風力發(fā)電機組運行狀態(tài)，并對故障信息進行分析判斷，提出故障原因及解決辦法。

針對各添加的設備部件，計算其各個指標從而監(jiān)測其變化。將測點和部件一一對應，就得到每個測點對應的部件上的指標。當檢測據(jù)不在正常范圍時發(fā)出報警，監(jiān)測指標報警分為“報警”和“危險”兩種。

3 結語

風電機組振動在線監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了監(jiān)測人員只需要通過監(jiān)測軟件的反饋就可以對各個風電機組的各個部件進行實時監(jiān)測，通過傳感器監(jiān)測相關部件的振動頻率，從而判斷部件的運行狀態(tài)。狀態(tài)監(jiān)測是減少故障率、降低運維成本、提高調度水平的有效手段。研發(fā)并應用先進的風電機組健康狀態(tài)監(jiān)控調度技術，是順應國家發(fā)展“智慧風機”的緊迫需求，也是風電場智能運行與管理的發(fā)展趨勢。此系統(tǒng)極大地簡化了維修人員的維修工作，擺脫了傳統(tǒng)的巡邏方式，對維修機組和維修部件可以做出針對性的維修，從而進一步提高了風電場參與電網調度的準確性和靈活性。

[參考文獻]

[1]于輝，鄧英.變速風力發(fā)電機變流器故障診斷方法[J].可再生能源，2010（3）：89-92.

[2]SARVAJITH M，BRIJESH S，SADANAND K，et al.Condition monitoring of rolling element bearing using wavelet transform and support vector machine[C].Beijing：NCCM，2013.