武麗君　高偉　張海平　劉衍選　蔡曉峰

摘要：實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷是確保大型風(fēng)力發(fā)電場安全運(yùn)行和降低維護(hù)成本的重要手段。文章設(shè)計了振動狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，分別從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和特點三個方面闡述了系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)。在振動信號特點和信號處理的基礎(chǔ)上，論證了幾種故障診斷方法。實際風(fēng)電場運(yùn)行情況表明，該系統(tǒng)能夠滿足風(fēng)電場運(yùn)行、維護(hù)的需要。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電組；狀態(tài)監(jiān)測；故障診斷；振動信號；系統(tǒng)設(shè)計 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM315 文章編號：1009-2374（2015）36-0006-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.36.003

大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組常應(yīng)用于偏僻偏遠(yuǎn)的地區(qū)，如丘陵、草原、近海、戈壁灘等，氣候惡劣、環(huán)境復(fù)雜且分布面積廣，遠(yuǎn)離監(jiān)控中心。受風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境和復(fù)雜的電力設(shè)備因素影響，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備很容易損壞且維修成本高，增加了風(fēng)電場的運(yùn)營成本。目前，已有一些通用的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，但缺乏一個面向整機(jī)所有重要關(guān)鍵部件參數(shù)測量的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，且現(xiàn)有的故障診斷系統(tǒng)分析功能較薄弱，因此研究開發(fā)完善的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，在機(jī)組20年的正常使用壽命期間實時監(jiān)測運(yùn)行狀態(tài)并及時分析狀態(tài)參數(shù)，準(zhǔn)確判斷故障和隱患，合理安排維護(hù)方案，降低風(fēng)電場運(yùn)營維護(hù)成本，具有十分重要的意義。

本文根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，介紹了狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的組成、風(fēng)力機(jī)主要部件的故障以及故障診斷方法，并通過該系統(tǒng)在風(fēng)電場的實際應(yīng)用舉例，證明了該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、高效，完全能夠滿足風(fēng)電場運(yùn)行、維護(hù)的需要。

1 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是通過安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備上的傳感器監(jiān)測風(fēng)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)評估設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)決定了傳感器的安裝位置，傳感器的精度和安裝工藝影響了狀態(tài)監(jiān)測量的準(zhǔn)確度。數(shù)據(jù)采集器是狀態(tài)監(jiān)測的硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，采集器的精度和數(shù)據(jù)處理能力直接影響故障診斷系統(tǒng)的功能。

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備主要包括風(fēng)輪、機(jī)艙、塔筒和基礎(chǔ)等部分，其中機(jī)艙主要部件包括主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等關(guān)鍵部件。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組驅(qū)動形式，主要分為雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、半直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。市場上大部分運(yùn)行的是雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其基本結(jié)構(gòu)見圖1所示：

風(fēng)輪吸收風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能傳遞給機(jī)艙中的傳動鏈系統(tǒng)。雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的傳動鏈系統(tǒng)按照能量傳遞順序依次是主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)，輪轂帶動主軸轉(zhuǎn)動，主軸作為齒輪箱的輸入端帶動齒輪箱低速旋轉(zhuǎn)，齒輪箱具有增速作用，通過內(nèi)部齒輪傳動將主軸的低速提升到發(fā)電機(jī)能夠正常發(fā)電的高速，齒輪箱高速軸驅(qū)動雙饋發(fā)電機(jī)發(fā)電。雙饋發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能通過塔筒底部的變流器接入電網(wǎng)。塔筒和基礎(chǔ)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的支撐結(jié)構(gòu)，使其獲得充足、穩(wěn)定的風(fēng)力來發(fā)電。

1.2 振動狀態(tài)監(jiān)測量

振動狀態(tài)監(jiān)測量的選擇必須滿足能夠全面監(jiān)測到機(jī)組關(guān)鍵部件的振動的條件，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的振動主要包括塔筒、機(jī)艙、葉片、主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)的振動。其中，主軸轉(zhuǎn)動引起的機(jī)艙和振動振動頻率低，需采用低頻加速度傳感器，齒輪箱、發(fā)電機(jī)的振動采用壓電式加速度傳感器測量。傳感器的安裝分為磁座式安裝和螺栓安裝兩種方式，兩種安裝方式都要求傳感器安裝表面平穩(wěn)。為了能充分獲得有效的故障信息，必須選擇最合理的監(jiān)測分布。在設(shè)備運(yùn)行過程中，振動具有傳遞性，因此可以通過安裝在設(shè)備表面的傳感器獲得設(shè)備內(nèi)在的故障信息。安裝在主軸徑向和軸向的加速度傳感器測量葉輪和塔筒振動的同時還可以測量安裝在軸承座內(nèi)的滾動軸承振動情況。在風(fēng)電齒輪箱中，齒輪嚙合、軸和軸承的轉(zhuǎn)動都會產(chǎn)生相應(yīng)的振動，而這些振動都會間接的傳遞到軸承上，因此只要在軸承部位對應(yīng)的殼體上安裝振動傳感器，就可以采集到相應(yīng)軸承和齒輪的振動。發(fā)電機(jī)前后軸承振動可以通過安裝徑向傳感器測量。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動受風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響較大，故需要在高速軸安裝轉(zhuǎn)速傳感器。綜上所述，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組典型測點布置如圖2所示，測點布置方向和監(jiān)測量如表1所示：

1.3 振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

風(fēng)電場振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集、中央監(jiān)控和遠(yuǎn)程訪問一體化的系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由三部分組成：（1）機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)。由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和布置在機(jī)艙控制柜內(nèi)的前置通信子系統(tǒng)組成。傳感器測量風(fēng)力機(jī)設(shè)備振動信號，采集模塊實現(xiàn)傳感器輸出信號的采集、抗混疊濾波、A/D轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)輸出功能。采集模塊輸出的數(shù)據(jù)通過機(jī)艙柜內(nèi)的光纖轉(zhuǎn)換器由塔筒傳遞到塔底并通過風(fēng)場光纖環(huán)網(wǎng)傳遞到中控室；（2）中央監(jiān)控系統(tǒng)。

中央監(jiān)控部分是指布置在風(fēng)電場控制室內(nèi)的現(xiàn)場服務(wù)器，它負(fù)責(zé)接收風(fēng)場所有風(fēng)機(jī)的振動數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行和整理后顯示在人機(jī)界面上，供風(fēng)場維護(hù)人員實時監(jiān)控每臺風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況；（3）遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程終端是指用戶或診斷專家利用Web服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能通過遠(yuǎn)程訪問瀏覽現(xiàn)場服務(wù)器界面，并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

2 故障診斷系統(tǒng)

在中央監(jiān)控服務(wù)器中建立故障診斷系統(tǒng)實現(xiàn)故障診斷和發(fā)現(xiàn)機(jī)組隱患，故障診斷系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)，并通過時域分析、頻域分析、包絡(luò)分析等方法找出信號的內(nèi)在規(guī)律。

2.1 風(fēng)電機(jī)組主要部件的故障

風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行階段設(shè)備的故障率很高，葉片、發(fā)電機(jī)、齒輪箱最常見。故障形式表現(xiàn)為風(fēng)機(jī)葉片不平衡、不對中、基礎(chǔ)薄弱、機(jī)械松動、軸彎曲、軸承故障、齒輪缺陷和破損等。

葉片是機(jī)組中最昂貴的部件，由于風(fēng)力和風(fēng)向變化帶來氣動載荷變化，葉片在運(yùn)動過程中將會出現(xiàn)不規(guī)則的振動，引起葉片的斷裂和疲勞失效。

主軸是連接輪轂和齒輪箱的關(guān)鍵部件，屬于低速軸，其主要功能是傳遞驅(qū)動扭矩，將葉輪載荷傳遞給機(jī)艙。高速軸是連接齒輪箱和發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件，兩端采用柔性聯(lián)軸器安裝。低速軸和高速軸的故障主要有質(zhì)量不平衡、軸彎曲、軸不對中、機(jī)械松動、動靜摩擦等。

齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要部件，其作用是將葉輪在風(fēng)力下產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機(jī)，其常見的失效形式有輪齒折斷、齒面點蝕、齒面膠合和擦傷、齒面磨損和塑性變形。

發(fā)電機(jī)軸承故障是發(fā)電機(jī)故障的重要原因，軸承故障主要是軸與軸承內(nèi)圈、軸承外圈與端蓋軸承室之間的相互傳動造成的磨損。

2.2 故障診斷方法

故障診斷可預(yù)測機(jī)組將來的故障，實現(xiàn)故障預(yù)警，避免或降低故障造成的損失。目前，常用的故障診斷方法有時域分析方法、頻域分析方法、小波分析方法、數(shù)據(jù)挖掘方法等。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測測得的信號都是非確定的隨機(jī)信號和非平穩(wěn)的信號，無法用精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá)，只能用數(shù)理統(tǒng)計和離散數(shù)字信號處理的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行闡述。時域分析只能粗略地判斷設(shè)備是否有故障，不能明確故障發(fā)生的類型和故障部位。

頻譜分析是故障診斷最常用的方法，時域信號經(jīng)過傅里葉變換得到頻域信號，通過在數(shù)據(jù)庫中建立故障特征頻率庫，包括主軸和齒輪箱各軸的轉(zhuǎn)頻、軸承特征頻率、齒輪嚙合頻率，從頻率的異常變化來診斷機(jī)組的故障部位、原因及嚴(yán)重程度。

小波分析是處理非平穩(wěn)或時變信號最理想的分析方法，尤其對局部故障分析優(yōu)于傅里葉變換，它在低頻部分有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率，在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率，這種特性適用于對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動頻率變化范圍廣的工況。

數(shù)據(jù)挖掘是指從海量的數(shù)據(jù)中提取或抽取出知識。風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)組海量的故障數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)挖掘方法提取故障規(guī)則，滿足故障診斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷中常用的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)有決策樹挖掘技術(shù)和關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘

技術(shù)。

2.3 故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

故障診斷系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)，通過時域參數(shù)、頻域變換、包絡(luò)解調(diào)、細(xì)化頻譜、對比故障頻率等方法診斷故障類型和故障部位，故障診斷流程見圖4。

3 振動狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用

在一個風(fēng)場33臺1.5MW雙饋機(jī)組上安裝振動狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，試運(yùn)行一年，完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置（采樣頻率、存儲時間間隔、加速度包絡(luò)頻譜的頻寬范圍等）、振動故障頻率收集、振動報警值的設(shè)定，逐步實現(xiàn)智能監(jiān)測的要求。

圖5是風(fēng)場1#機(jī)組高速軸垂直徑向測點在時頻域波形圖，從圖上可以看到以高速軸轉(zhuǎn)頻30Hz為周期的沖擊較明顯，對其進(jìn)行包絡(luò)分析，圖6是該信號的包絡(luò)圖，從包絡(luò)圖中可以看到高速軸轉(zhuǎn)頻及諧波，說明高速級齒輪可能存在嚙合不良現(xiàn)象。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)是針對大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷設(shè)計的，設(shè)計包括兩部分：一是狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控的功能；二是故障診斷系統(tǒng)，確定故障的部位、原因、類型、性質(zhì)，并對維修提供參考建議。該系統(tǒng)已經(jīng)在多個風(fēng)電場應(yīng)用，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中，故障判斷準(zhǔn)確率高，為機(jī)組的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了可靠的技術(shù)保障，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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（責(zé)任編輯：周 瓊）