姜超

(東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

關(guān)于風(fēng)機(jī)預(yù)警分析的可行性研究

姜超

(東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

文章研究的風(fēng)機(jī)預(yù)警分析為預(yù)先判斷機(jī)組部件是否出現(xiàn)故障提供了可能，它從大部件預(yù)警、基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律的預(yù)警、功率曲線預(yù)警、CMS振動(dòng)檢測(cè)預(yù)警、損壞件預(yù)警、運(yùn)行分析預(yù)警等6個(gè)方面進(jìn)行了可行性分析，通過(guò)綜合機(jī)組部件歷史故障前的數(shù)據(jù)，以及它們的運(yùn)行原理等相關(guān)理論依據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘找出部件正常運(yùn)行的數(shù)據(jù)規(guī)律，以及機(jī)組部件故障前一段時(shí)間的數(shù)據(jù)規(guī)律。當(dāng)該部件再次出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)，機(jī)組會(huì)自動(dòng)預(yù)警，現(xiàn)場(chǎng)人員可立即檢查部件是否出現(xiàn)故障。防患于未然，降低故障率，降低成本，保障風(fēng)機(jī)正?？煽窟\(yùn)行。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，預(yù)警分析，數(shù)據(jù)規(guī)律

0 引言

預(yù)警系統(tǒng)在當(dāng)前社會(huì)的使用越來(lái)越廣，從森林火災(zāi)、高溫干旱等災(zāi)害預(yù)警到財(cái)務(wù)預(yù)警，從金融投資風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警到疲勞駕駛預(yù)警，預(yù)警系統(tǒng)的功能多元化發(fā)展，作用也越來(lái)越大。

近幾年，隨著風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組裝配企業(yè)初期粗放式搶占市場(chǎng)帶來(lái)的弊病逐漸呈現(xiàn)，暴露了許多問(wèn)題，也留下了很多隱患。風(fēng)機(jī)的故障率偏高，風(fēng)場(chǎng)的可利用率較差，風(fēng)機(jī)頻繁出現(xiàn)的故障增多，這些問(wèn)題已經(jīng)成為風(fēng)電機(jī)組的通病。風(fēng)電場(chǎng)大部件損壞增多，例如主軸軸承、發(fā)電機(jī)軸承等，損壞后停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致機(jī)組的利用率和發(fā)電量降低，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主和機(jī)組廠家都造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。

目前風(fēng)場(chǎng)服務(wù)人員依然停留在出現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題的階段，后知后覺的工作習(xí)慣制約了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。將預(yù)警分析方法引入風(fēng)電行業(yè)，在機(jī)組某部件出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)預(yù)警時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)人員立即檢查機(jī)組該部件是否正常工作，是否出現(xiàn)異常現(xiàn)象。若是機(jī)組部件存在問(wèn)題，可立即進(jìn)行修理，避免因小失大，影響風(fēng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，這樣既可以提高風(fēng)機(jī)的可利用率，降低風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行成本，同時(shí)也可增加發(fā)電量。

因此，為了提高風(fēng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，降低風(fēng)機(jī)的故障率，對(duì)風(fēng)機(jī)故障預(yù)警分析的可行性研究是很有必要的【1-2】。

1 預(yù)警分析介紹

1.1 預(yù)警、分析的概念

預(yù)警功能是指在對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和運(yùn)行數(shù)據(jù)的處理基礎(chǔ)上對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)生故障的可能性進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而提高設(shè)備的運(yùn)行壽命，提前發(fā)現(xiàn)重大故障的征兆并及時(shí)處理，提高可利用率，保證風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行。

分析則是通過(guò)風(fēng)機(jī)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)或?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度數(shù)據(jù)挖掘，通過(guò)數(shù)據(jù)模型來(lái)研究各個(gè)數(shù)據(jù)量的相互關(guān)系以及將來(lái)可能的趨勢(shì)，進(jìn)而分析風(fēng)機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)或故障原因。

1.2 預(yù)警、分析的應(yīng)用

1.2.1 大部件預(yù)警

風(fēng)機(jī)大部件的成本較高，而且更換大部件周期較長(zhǎng)（至少一周時(shí)間），機(jī)組因大部件更換引起的長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)會(huì)影響風(fēng)場(chǎng)發(fā)電量，對(duì)風(fēng)場(chǎng)業(yè)主造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

大部件通過(guò)預(yù)警分析方法來(lái)進(jìn)行故障預(yù)判，主要是對(duì)大部件運(yùn)行的溫度、振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)綜合風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、功率、機(jī)艙溫度、艙外溫度等相應(yīng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，提前發(fā)現(xiàn)故障前兆。當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，若某大部件溫度（振動(dòng)值）超過(guò)了所設(shè)定的報(bào)警定義，系統(tǒng)給出預(yù)警信息，提醒現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行檢修。

如何設(shè)定這個(gè)大部件的“報(bào)警定義”成為了預(yù)警分析中最重要也是最難的一項(xiàng)工作，由于風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的各個(gè)狀態(tài)量之間并沒有一個(gè)嚴(yán)格的函數(shù)關(guān)系，在目前對(duì)機(jī)組的認(rèn)識(shí)上，甚至可以說(shuō)沒有辦法確定所有為大部件設(shè)定“報(bào)警定義”的相關(guān)狀態(tài)量，也就是，機(jī)組的所有狀態(tài)量都有可能為大部件故障預(yù)警提供參考值，因此，相關(guān)狀態(tài)量種類多無(wú)法確認(rèn)、各個(gè)狀態(tài)量與大部件故障的函數(shù)關(guān)系模糊等問(wèn)題成為了現(xiàn)階段對(duì)機(jī)組的認(rèn)知水平下難以明確的攻關(guān)難點(diǎn)。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大部件的預(yù)警，要拋開固定思維，放棄絕對(duì)的精確預(yù)警，以廣義的預(yù)警為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行設(shè)定“預(yù)警定義”標(biāo)準(zhǔn)。以發(fā)電機(jī)軸承損壞為例，搜集500個(gè)同一發(fā)電機(jī)廠家的同一型號(hào)前軸承在損壞前三個(gè)月（損壞時(shí)間為同一時(shí)間段）的風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，如發(fā)電機(jī)前后軸承溫度、風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、功率、環(huán)境溫度、發(fā)電機(jī)風(fēng)扇動(dòng)作次數(shù)、發(fā)電機(jī)繞組溫度等，通過(guò)對(duì)這些狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，得出一條或者幾條比較集中的規(guī)律曲線，同時(shí)，用同樣的方法統(tǒng)計(jì)500個(gè)同樣配置的健康軸承在同一時(shí)間段內(nèi)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，500個(gè)不同配置的損壞軸承在同一時(shí)間段的運(yùn)行數(shù)據(jù)，500個(gè)不同配置的健康軸承在同一時(shí)間段的運(yùn)行數(shù)據(jù)，以上4種軸承情況在不同時(shí)間段的運(yùn)行數(shù)據(jù)，也可以分別得出一條或幾條比較集中的規(guī)律曲線，通過(guò)對(duì)8種情況的數(shù)據(jù)對(duì)比，分析判斷，理論上可以得出一條或幾條規(guī)律曲線，這就是需要的“預(yù)警定義”模糊標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)該段類似數(shù)據(jù)，可以對(duì)發(fā)電機(jī)軸承故障進(jìn)行預(yù)警，同時(shí)提醒現(xiàn)場(chǎng)人員去檢修出現(xiàn)異常的部件，防止因發(fā)電機(jī)軸承抱死，導(dǎo)致更換發(fā)電機(jī)。

而其他小部件預(yù)警原理類似，大多數(shù)都是以溫度、電流值等作為預(yù)警條件，不過(guò)均需要大量的數(shù)據(jù)作為分析依據(jù)，而且絕對(duì)的預(yù)警在目前實(shí)現(xiàn)比較困難，只有在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)下，有可能得出較為準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)，然后在后續(xù)的運(yùn)行中不斷地檢測(cè)和更新該標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.2 基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律的預(yù)警

基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律的預(yù)警是一個(gè)較為宏觀的預(yù)警，主要是以風(fēng)機(jī)歷史故障記錄為依據(jù)，采用時(shí)間序列預(yù)測(cè)等技術(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)故障的可能性進(jìn)行預(yù)測(cè)，生成各故障發(fā)生可能性表格，從而針對(duì)性地進(jìn)行巡檢、維保，減小故障發(fā)生的概率。

統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)是在機(jī)組大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，預(yù)測(cè)時(shí)應(yīng)綜合考慮風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)的歷史故障記錄統(tǒng)計(jì)規(guī)律，故障相關(guān)性，該風(fēng)場(chǎng)可能存在的批量故障，各部件的大范圍統(tǒng)計(jì)故障率，運(yùn)行年限等因素。為了保證數(shù)據(jù)的有效性，應(yīng)盡可能搜集2年以上（有利于同比各個(gè)時(shí)間段的數(shù)據(jù)）的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。單臺(tái)風(fēng)機(jī)的單個(gè)電氣故障發(fā)生的歷史數(shù)據(jù)隨機(jī)性較強(qiáng)，不具備可參考性。

同一個(gè)故障應(yīng)收集該風(fēng)場(chǎng)所有風(fēng)機(jī)2年以上的歷史報(bào)出記錄，通過(guò)記錄來(lái)預(yù)測(cè)各個(gè)時(shí)間段報(bào)出故障的情況，或是否已出現(xiàn)該故障的批量問(wèn)題，由于故障次數(shù)屬于一個(gè)主觀認(rèn)識(shí)較強(qiáng)的數(shù)據(jù)，可人為設(shè)定警戒標(biāo)識(shí)，當(dāng)數(shù)據(jù)超過(guò)警戒值，進(jìn)行預(yù)警，引起現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)該故障的重視。

同樣方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)全場(chǎng)機(jī)組的所有故障，得到不同時(shí)間段故障的觸發(fā)次數(shù)規(guī)律，通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)同比和環(huán)比，找出故障多發(fā)期和高頻次故障種類，有利于提前安排該風(fēng)場(chǎng)的巡檢和維保內(nèi)容，提高維護(hù)質(zhì)量。

1.2.3 功率曲線預(yù)警

風(fēng)電機(jī)組的功率曲線除了和主控的算法有關(guān)外，還與風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速儀、葉片零度位置、變頻器力矩信號(hào)等狀態(tài)信息有關(guān)，也受到空氣湍流、空氣密度等氣象因素影響，而同時(shí)每個(gè)風(fēng)場(chǎng)的功率曲線也因?yàn)榈乩砦恢?、風(fēng)況、環(huán)境等原因各不相同，因此功率曲線的預(yù)警可以直接根據(jù)功率曲線的“風(fēng)速-功率”對(duì)應(yīng)表來(lái)進(jìn)行預(yù)警。

功率曲線是根據(jù)風(fēng)機(jī)一定時(shí)間（至少半個(gè)月）的實(shí)時(shí)發(fā)電數(shù)據(jù)10 min平均值繪制而成，在預(yù)警系統(tǒng)中加入風(fēng)場(chǎng)的合同功率曲線表值，同時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)控風(fēng)機(jī)的發(fā)電數(shù)據(jù)10 min平均值。如果某一風(fēng)速下，采集的發(fā)電數(shù)據(jù)10 min平均值低于所要求的功率超過(guò)5次時(shí)，預(yù)警系統(tǒng)給出報(bào)警，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員可及時(shí)調(diào)出功率曲線數(shù)據(jù)，以查看問(wèn)題所在，若有必要，檢查風(fēng)機(jī)端影響功率曲線的各個(gè)因素。

對(duì)功率曲線的預(yù)警功能可以及時(shí)提醒功率曲線不達(dá)標(biāo)情況，提前解決功率曲線不達(dá)標(biāo)問(wèn)題，保證風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主的發(fā)電量，也有利于風(fēng)電廠家后期質(zhì)保交機(jī)的順利執(zhí)行。

1.2.4 CMS振動(dòng)檢測(cè)預(yù)警

風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題已經(jīng)成為了目前風(fēng)電行業(yè)的一個(gè)普遍隱患，它能提前發(fā)現(xiàn)機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題，有助于增強(qiáng)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的能力，降低維護(hù)費(fèi)用，準(zhǔn)確判斷故障原因以改變風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)等。CMS系統(tǒng)通過(guò)傳感器采集風(fēng)機(jī)主要部件（如主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等）的振動(dòng)信號(hào)，如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)CMS系統(tǒng)采集示意圖

在風(fēng)場(chǎng)服務(wù)器端進(jìn)行信號(hào)處理，然后根據(jù)實(shí)際振動(dòng)頻譜與典型故障頻譜比較，進(jìn)行預(yù)警判定。典型故障頻譜也是來(lái)源于由大量的歷史故障頻譜記錄形成的軸承庫(kù)，軸承庫(kù)支持?jǐn)?shù)千種主流軸承數(shù)據(jù)，在頻譜中能自動(dòng)計(jì)算出故障頻率，便于故障分析，如圖2所示。

圖2 主軸前軸承徑向震動(dòng)監(jiān)測(cè)

目前已經(jīng)有很多專業(yè)公司在做CMS的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，也有專業(yè)的故障頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)，風(fēng)電業(yè)主或生產(chǎn)廠家可以與他們合作，通過(guò)直接調(diào)用CMS振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警，以便及時(shí)檢查維護(hù)處理【3-4】。

1.2.5 損壞件預(yù)警

風(fēng)電機(jī)組的損壞件也是一個(gè)反映風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)故障率的有力數(shù)據(jù)，同時(shí)也是風(fēng)電企業(yè)最重要的運(yùn)行成本之一。它可以是因?yàn)楸旧碣|(zhì)量問(wèn)題損壞，也有可能是機(jī)組運(yùn)行或電網(wǎng)故障等其他外因引起。通過(guò)對(duì)風(fēng)場(chǎng)損壞件的統(tǒng)計(jì)，根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)風(fēng)場(chǎng)更換備件的型號(hào)和數(shù)量，有助于預(yù)警風(fēng)場(chǎng)的批量故障、典型故障，若某型號(hào)備件使用數(shù)量超過(guò)警戒線，有可能存在批量故障，也有可能備件質(zhì)量出現(xiàn)了批量問(wèn)題，損壞件預(yù)警后，引起運(yùn)行人員重視，并對(duì)損壞件的損壞信息分析并處理。同時(shí)，通過(guò)損壞件的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)也可以分析各時(shí)間段受到氣溫、大小風(fēng)期等影響的新增損壞件的數(shù)量規(guī)律，在每個(gè)季節(jié)段到來(lái)前，提前進(jìn)行巡檢維保，對(duì)易損件或部套進(jìn)行重點(diǎn)檢查，改變后知后覺的工作習(xí)慣，提前處理，降低故障率，并對(duì)批次故障可以讓同類的風(fēng)場(chǎng)開展針對(duì)性檢查。

比如，在每次機(jī)組維護(hù)完半年后，齒輪箱濾芯堵塞出現(xiàn)的幾率會(huì)大幅提高，通過(guò)預(yù)警系統(tǒng)，可以及時(shí)提醒現(xiàn)場(chǎng)人員應(yīng)該關(guān)注機(jī)組的齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)，若堵塞，及時(shí)更換濾芯，避免引起風(fēng)機(jī)故障停機(jī)和降低齒輪箱的使用壽命。

1.2.6 運(yùn)行分析預(yù)警

運(yùn)行分析預(yù)警主要是指實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行預(yù)警，可以通過(guò)“趨勢(shì)圖分析”、“歷史數(shù)據(jù)”等模塊分析風(fēng)機(jī)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，并初步探索風(fēng)機(jī)各點(diǎn)位之間的關(guān)系。

當(dāng)風(fēng)機(jī)趨勢(shì)圖數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常點(diǎn)時(shí)，很有可能存在故障，進(jìn)行人為預(yù)警，運(yùn)行人員可通過(guò)查閱該臺(tái)機(jī)組之前的維護(hù)檢修記錄和歷史故障記錄進(jìn)行預(yù)判斷，若已報(bào)出故障，則可通過(guò)故障前后3 min的20 ms數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

比如，圖3中的發(fā)電機(jī)軸承1和2的溫度趨勢(shì)圖，若趨勢(shì)圖中發(fā)電機(jī)軸承1，2溫度差異較大，并且溫度在80℃以上，則現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員需要對(duì)發(fā)電機(jī)相關(guān)部件進(jìn)行檢查，是否存在溫度傳感器異常，或者發(fā)電機(jī)散熱系統(tǒng)存在異常等問(wèn)題。例如圖4中的齒輪箱油泵壓力趨勢(shì)圖，若趨勢(shì)圖中齒輪箱油泵壓力值在正常運(yùn)行中持續(xù)保持在4 bar以下，可以預(yù)判齒輪箱油泵可能存在濾芯堵塞、漏油等現(xiàn)象，此時(shí)，運(yùn)行檢修人員應(yīng)及時(shí)對(duì)該臺(tái)機(jī)組進(jìn)行檢查。

圖4 齒輪箱油泵壓力趨勢(shì)圖

圖3 發(fā)電機(jī)軸承1，2溫度趨勢(shì)圖

2 結(jié)論

本文主要是以概念性的角度提出預(yù)警分析的可行性，關(guān)于風(fēng)機(jī)的預(yù)警分析主要從大部件預(yù)警、基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律預(yù)警、功率曲線預(yù)警、CMS振動(dòng)檢測(cè)預(yù)警、損壞件預(yù)警、運(yùn)行分析預(yù)警等6個(gè)方面進(jìn)行展開，基本可以應(yīng)用到風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的各個(gè)情況預(yù)警。

預(yù)警分析在各個(gè)行業(yè)都已經(jīng)開始應(yīng)用，在風(fēng)電行業(yè)的應(yīng)用卻還沒有做成系統(tǒng)，預(yù)警的準(zhǔn)確性依托于強(qiáng)大的數(shù)據(jù)，也要熟悉預(yù)警內(nèi)容的原理，同時(shí)還有很多硬件設(shè)施需專門為風(fēng)電環(huán)境設(shè)計(jì)，因此，預(yù)警系統(tǒng)的成熟使用還有很長(zhǎng)一段路走。

本文舉例的6個(gè)方面中，功率曲線預(yù)警、基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律預(yù)警、損壞件預(yù)警、運(yùn)行分析預(yù)警因?yàn)樗璧臄?shù)據(jù)比較清晰，因此相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)比較容易實(shí)現(xiàn)，而大部件預(yù)警、CMS振動(dòng)檢測(cè)預(yù)警是需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)挖掘工作的，而且就目前的技術(shù)水平，無(wú)法去準(zhǔn)確定義大部件故障、振動(dòng)檢測(cè)的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)量，不過(guò)，模糊的預(yù)警還是可以實(shí)現(xiàn)，相信能夠在后續(xù)的數(shù)據(jù)中實(shí)現(xiàn)自我修正，最終實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能。

風(fēng)電行業(yè)在快速發(fā)展過(guò)后，隱患慢慢暴露出來(lái)，需要的是風(fēng)電企業(yè)冷靜的自我反省，并盡快采取措施，將損失降低到最小，預(yù)警分析將成為降低風(fēng)機(jī)故障率，提高風(fēng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行能力的強(qiáng)有力方法。

[1]何顯富,盧霞.風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)行[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

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Study on Feasibility of Wind Turbine Early Analysis

Jiang Chao

（Dongfang Electric Wind Power Co.,Ltd.，Deyang Sichuan,618000）

In this paper,wind turbine warning analysis can prejudge whether or not there is a fault to the unit's components,it's based on the warning of large parts,warning of the statistical rule,the power curve early warning,CMS vibration detection of early warning,a warning of damaged parts,warning of operation analysis early for feasibility analysis.Based on the data before the fault of unit,the princle of the operation and the soon,the rules for normal operation are found,and the data rule before failure for a period of time also are found.When the part returns the abnormal data again,wind turbine can automatically warn,the field staff can immediately check if the parts fail.Nip in the bud,reduce the failure rate and lost,ensure normal and reliable operation of wind turbine.

wind turbine,warning analysis,law of the data

TM614

A

1674-9987（2017）02-0056-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.02.013

姜超（1985-），男，本科，從事風(fēng)電現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)及風(fēng)電機(jī)組技術(shù)工作。