風(fēng)場級風(fēng)力發(fā)電機軸承在線監(jiān)測系統(tǒng)

隋新，劉春陽，馬偉

(河南科技大學(xué) a.河南省機械設(shè)計與傳動系統(tǒng)重點實驗室;b.機電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

風(fēng)能為一種綠色能源,因而,風(fēng)力發(fā)電是未來能源電力發(fā)展的趨勢之一[1]。截至2013年底，我國累計風(fēng)電裝機容量7 716萬千瓦；預(yù)計到2020年，將建設(shè)千萬千瓦級風(fēng)電基地7個[2]。但由于風(fēng)電場、風(fēng)機大多位于荒山、野地、海灘、沙漠等條件惡劣、人煙稀少的地方，導(dǎo)致維護人員出入不便，設(shè)備狀態(tài)信息采集不完整，容易造成設(shè)備安全隱患不能及時發(fā)現(xiàn)，嚴重時將導(dǎo)致設(shè)備損毀、系統(tǒng)癱瘓等嚴重后果。因此，研發(fā)風(fēng)力發(fā)電機在線監(jiān)測系統(tǒng)就顯得格外重要和必要[3]。

近年來，越來越多的專家學(xué)者、企業(yè)機構(gòu)展開了針對大規(guī)模風(fēng)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)的研究。文獻[4]結(jié)合數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(Super-Visory Control And Data Acquisition,SCADA)給出了一種能夠監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電機狀態(tài)的方法，其中包括數(shù)據(jù)預(yù)處理方法和基于SCADA的風(fēng)機狀態(tài)監(jiān)控策略。文獻[5]針對風(fēng)力發(fā)電機組和監(jiān)控系統(tǒng)中多廠商標(biāo)準共存、數(shù)據(jù)兼容困難等問題提出了一種基于IEC 61400-25標(biāo)準的信息模型、信息交換模型和相應(yīng)的Web服務(wù)模型。文獻[6]針對遠程監(jiān)測風(fēng)電場設(shè)備的需求，以現(xiàn)有風(fēng)電場SCADA系統(tǒng)為基礎(chǔ)利用虛擬局域網(wǎng)(VLAN)技術(shù)設(shè)計構(gòu)建了統(tǒng)一監(jiān)測風(fēng)電場中多類設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。文獻[7-9]從各自需求出發(fā)，針對風(fēng)場中風(fēng)力發(fā)電機遠程監(jiān)控這一共性要求，利用SCADA技術(shù)設(shè)計了集中式遠程風(fēng)電設(shè)備監(jiān)控平臺，并取得一定的示范應(yīng)用。

上述風(fēng)力發(fā)電機集中式遠程監(jiān)控系統(tǒng)依賴于對SCADA系統(tǒng)的利用，對監(jiān)控系統(tǒng)所面臨的多風(fēng)場設(shè)備分布廣泛、監(jiān)控設(shè)備較多、采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息量大等特點研究不夠深入，較少介紹風(fēng)力發(fā)電機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)細節(jié)。下文從軟件體系架構(gòu)與實現(xiàn)技術(shù)角度出發(fā)，提出一整套大規(guī)模風(fēng)場級風(fēng)機軸承在線監(jiān)控系統(tǒng)框架，為提高分布式風(fēng)力發(fā)電機監(jiān)控的可預(yù)測性、可靠性和可控性構(gòu)建相應(yīng)的軟件支撐服務(wù)平臺。

1 通用分布式風(fēng)力發(fā)電機監(jiān)測系統(tǒng)

在現(xiàn)有的多數(shù)解決方案中，分布式風(fēng)力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)整體方案應(yīng)該由4層結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。

圖1 分布式風(fēng)力發(fā)電機監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

由圖1可知，機載數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)安裝在風(fēng)機的機艙內(nèi)，由機載主機、傳動數(shù)據(jù)采集器、傳感器和傳輸網(wǎng)絡(luò)等組成，負責(zé)采集、分析風(fēng)機工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)傳送至風(fēng)場級故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。安裝在風(fēng)場控制中心的風(fēng)場級風(fēng)機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，負責(zé)實時分析和診斷來自各風(fēng)機的數(shù)據(jù)，依據(jù)故障的嚴重程度分級報警，并允許本地監(jiān)測人員查詢、瀏覽和打印監(jiān)測數(shù)據(jù)；企業(yè)級故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置在風(fēng)電企業(yè)的管理或技術(shù)中心，使企業(yè)管理和技術(shù)人員在遠離風(fēng)電場的辦公室中也能及時了解風(fēng)場運行情況；系統(tǒng)供應(yīng)商遠程技術(shù)支持中心能夠綜合分析其制造的風(fēng)機的運行狀態(tài)，提早發(fā)現(xiàn)風(fēng)機的運行故障，負責(zé)為風(fēng)機提供技術(shù)咨詢等售后服務(wù)。

2 風(fēng)機軸承在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)場級風(fēng)機軸承在線監(jiān)測系統(tǒng)基于面向?qū)ο笈c可插拔組件框架思想設(shè)計，具有良好的兼容性與可拓展性，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 風(fēng)場級風(fēng)電軸承在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)機軸承在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由系統(tǒng)控制核心、數(shù)據(jù)模型管理、設(shè)備管理框架、設(shè)備通信管理、數(shù)據(jù)持久化、風(fēng)電監(jiān)測管理及圖形用戶界面等6部分組成，各部分功能如下:

(1)系統(tǒng)控制核心 主要負責(zé)管理監(jiān)測系統(tǒng)運行情況及系統(tǒng)各功能組件的啟動與停止，同時負責(zé)適配系統(tǒng)運行環(huán)境、操作系統(tǒng)等。

(2)數(shù)據(jù)模型管理 將風(fēng)電在線監(jiān)測系統(tǒng)中用到的各類數(shù)據(jù)模型進行抽象統(tǒng)一，實現(xiàn)系統(tǒng)控制核心與其他功能模塊解耦，以便于軟件重用與拓展。這些模型包括系統(tǒng)配置信息模型、設(shè)備信息模型、采樣信息模型及采樣配置模型等。

(3)設(shè)備管理框架 主要管理與監(jiān)控系統(tǒng)相連的各類采集裝置的運行情況，包括控制采集裝置的工作狀態(tài)、實時狀態(tài)監(jiān)測等功能。

(4)設(shè)備通信管理 主要負責(zé)與各采集裝置的數(shù)據(jù)通信，現(xiàn)有系統(tǒng)采用基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)通信方案，能夠應(yīng)用于Internet/Intranet環(huán)境。該組件也負責(zé)解析與采集裝置之間的數(shù)據(jù)/命令報文，實現(xiàn)數(shù)據(jù)模型與通信報文之間的雙向轉(zhuǎn)換。

(5)數(shù)據(jù)持久化 主要負責(zé)基于數(shù)據(jù)庫的采樣數(shù)據(jù)持久化，能夠?qū)⑺袛?shù)據(jù)模型及系統(tǒng)運行時的參數(shù)保存至本地或異地數(shù)據(jù)庫，方便不同級別的監(jiān)控中心查詢、管理、分析風(fēng)電設(shè)備狀態(tài)信息。

(6)風(fēng)電監(jiān)測管理 為了有效管理風(fēng)場內(nèi)多風(fēng)機、多設(shè)備的信號數(shù)據(jù)源，風(fēng)電監(jiān)測管理組件從邏輯上將風(fēng)場管理劃分為監(jiān)測項目、監(jiān)測裝備、監(jiān)測模塊及監(jiān)測通道4個層次。

(7)圖形用戶界面 是與用戶交互的系統(tǒng)主界面窗體，用戶可以通過該界面多層次、直觀高效地實時監(jiān)視風(fēng)場內(nèi)各風(fēng)機的運行情況、采集系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并實時設(shè)置各采集裝置的工作參數(shù)。

2.2 多級監(jiān)控對象的組織結(jié)構(gòu)

在風(fēng)場內(nèi)同時存在有多類監(jiān)控設(shè)備，按照其范圍由小到大可劃分為監(jiān)控通道、監(jiān)控模塊、監(jiān)控裝備和監(jiān)控項目4個層次，同時利用軟件設(shè)計模式中的合成模式[10]構(gòu)建樹形結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 多層次監(jiān)控對象類結(jié)構(gòu)

在該結(jié)構(gòu)中，將4類監(jiān)控對象統(tǒng)一為抽象概念“監(jiān)控節(jié)點”，類“抽象監(jiān)控節(jié)點”提供了監(jiān)控節(jié)點的抽象實現(xiàn)，包括監(jiān)控節(jié)點所需的基本功能和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時支持接口“樹形節(jié)點”。類“監(jiān)控通道”、“監(jiān)控模塊”、“監(jiān)控裝備”和“監(jiān)控項目”是對4層監(jiān)控節(jié)點的具體實現(xiàn)。

監(jiān)控通道對應(yīng)于機載采集裝置的信號采集通道，以風(fēng)機主軸軸承為主要監(jiān)控對象，同時兼顧包括齒輪箱等模塊的振動、溫度、電流、電壓信號；監(jiān)控模塊對應(yīng)于信號采集與處理硬件模塊，每個采集模塊包含8個采集通道；監(jiān)控裝備對應(yīng)于1臺特定的風(fēng)力發(fā)電機，裝有多個信號采集模塊；監(jiān)控項目是對風(fēng)場內(nèi)所有風(fēng)力發(fā)電機的邏輯劃分，可以包括幾臺或全部風(fēng)力發(fā)電機。

樹形結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)對物理實體的虛擬劃分，即不同監(jiān)控項目的監(jiān)控裝備或監(jiān)控模塊可以關(guān)聯(lián)至同一物理風(fēng)機或信號采集模塊，便于多角度、多層次監(jiān)測風(fēng)場內(nèi)所有風(fēng)機設(shè)備的運行狀況。例如，當(dāng)需要比較多臺風(fēng)機同一軸承位置的振動信號時，可以靈活地將不同風(fēng)機的監(jiān)控模塊劃分至同一監(jiān)控項目中作橫向比較。

2.3 信號特征值選擇

風(fēng)力發(fā)電機葉片旋轉(zhuǎn)頻率約為15～30 r/min。根據(jù)文獻[11]研究結(jié)果，能夠反映風(fēng)機各部件振動特征或主軸軸承故障信息的信號頻率主要集中于0～2 kHz，依據(jù)Shannon采樣定理并兼顧今后可能的功能拓展，將采樣頻率設(shè)定為0～10 kHz。每臺裝置最多監(jiān)控8個通道，單通道采樣精度16位，如每小時進行1 min采樣，則產(chǎn)生約為10K×60×8=4.8M個16位浮點數(shù)，每天產(chǎn)生數(shù)據(jù)量約為4.8M×24=115.2M。若保存原始采樣點則數(shù)據(jù)量較大，有必要處理該信號并僅存儲少量能夠反映信號的特征數(shù)據(jù)。每個信號采集通道在一個采樣周期內(nèi)獲得的采樣信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為

struct ChSamplingDat {

DateTime TimeStamp; //采樣時間戳

String DevID,ChID;//裝置ID、通道ID

float SampCycle;//采樣時間間隔

float[] StaticDat; //時域特征

float[] DynFreq,DynMag; //動態(tài)幅頻

float[] CustFreq,CustMag; //自定義幅頻

float[] Samples; //原始采樣點，可能空

}

監(jiān)控系統(tǒng)選定的信號特征為：(1)數(shù)據(jù)標(biāo)識與采樣參數(shù)，如采樣時間戳，采集裝置ID，通道ID和采樣周期間隔；(2)時域特征數(shù)組StaticDat，其中包含了每次采樣的平均值、最大最小值、峰峰值、峭度、均方根值，以及可能的原始時域采樣數(shù)組Samples；(3)頻域特征，對原始信號FFT得到8個幅度最大的幅頻(DynFreq，DynMag)和8個自定義特定頻率的幅頻(CustFreq，CustMag)。

不包括原始采樣數(shù)據(jù)的最小采樣模式將保留約40個數(shù)值(8個時域特征、8對動態(tài)幅頻和8對自定義幅頻)，與每小時記錄10K個采樣點相比，數(shù)據(jù)占用空間大大縮小，僅為原來的1/250。上述特征信號可以完整反映該通道狀態(tài)，為故障診斷提供依據(jù)。

2.4 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化

即使在工作最小采樣模式下，數(shù)據(jù)采集模塊在1個月內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)也約達13M個浮點值，往往導(dǎo)致風(fēng)場級風(fēng)電監(jiān)測系統(tǒng)年數(shù)據(jù)量達到幾十G字節(jié)以上。因此，有必要對數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)、查詢等進行設(shè)計優(yōu)化。

與存儲采樣數(shù)據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)如圖4所示?！霸O(shè)備明細”和“設(shè)備類型”存儲了與監(jiān)控系統(tǒng)相連的所有信號采集模塊屬性，如設(shè)備ID、設(shè)備IP地址等；監(jiān)控節(jié)點與2.2節(jié)實體類監(jiān)控節(jié)點相對應(yīng)，同時存放4類監(jiān)控對象的基本信息，通過列“節(jié)點類型”加以區(qū)分，并使用列“父節(jié)點ID”維系樹形結(jié)構(gòu)的上下層關(guān)系，列“自定義屬性”中以JSon字符串形式存放了監(jiān)控節(jié)點的特定屬性；“監(jiān)控設(shè)備”是表示某邏輯監(jiān)控節(jié)點與信號采集模塊的關(guān)聯(lián)表；“采樣數(shù)據(jù)”存放了由采集設(shè)備獲取的所有通道采樣數(shù)據(jù)，為兼顧今后通道采樣數(shù)據(jù)中動態(tài)特征、動態(tài)幅頻等數(shù)組可能的長度變化及數(shù)據(jù)訪問效率，沒有按數(shù)據(jù)庫設(shè)計原則將該表中存儲采樣數(shù)據(jù)的列“靜態(tài)特征”、“動態(tài)幅度”固定設(shè)計成多列來對應(yīng)存儲數(shù)組中的每個元素，而是以二進制方式存儲序列化后的數(shù)組，提高了數(shù)據(jù)存儲與檢索效率。

圖4 采樣數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計

此外針對“采樣數(shù)據(jù)”數(shù)據(jù)量大的特點，專門為其設(shè)定了物理分區(qū)和關(guān)鍵字段索引，同時將對表的增、刪、改、查操作編寫為數(shù)據(jù)庫存儲過程，提高了數(shù)據(jù)訪問效率。

3 系統(tǒng)實用情況

以上述系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計為指導(dǎo)，在Windows環(huán)境下使用Microsoft Visual Studio Express 2008和SQL Server Express 2005作為開發(fā)環(huán)境，開發(fā)了風(fēng)場級風(fēng)力發(fā)電機軸承在線監(jiān)測系統(tǒng)，并在河南省某風(fēng)場投入實際使用，運行狀態(tài)良好，運行界面如圖5所示。

圖5 風(fēng)場級風(fēng)電軸承監(jiān)測系統(tǒng)界面

圖5a為結(jié)合風(fēng)場衛(wèi)星地圖的風(fēng)場內(nèi)所有風(fēng)機運行總覽，同時可以詳細查看來自于單臺風(fēng)機齒輪箱、發(fā)電機、主軸、偏航、變槳等部位軸承的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)以查看風(fēng)機運行狀態(tài)；圖5b以圖形化方式展示信號歷史數(shù)據(jù)，可詳細瀏覽以往特定部位的時域、頻域等特征數(shù)據(jù)，供專家分析風(fēng)機運行狀態(tài)和診斷故障。

4 結(jié)束語

風(fēng)場級風(fēng)力發(fā)電機軸承在線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，能夠有效采集、存儲來自于風(fēng)場內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機的實際運行狀態(tài)信息，為進一步分析風(fēng)機主軸、齒輪箱、發(fā)電機、主軸、偏航、變槳等部位軸承的故障原因，評估風(fēng)機各部件運行狀態(tài)，預(yù)警零部件故障等，起到了支撐作用。在下一步的工作中，將把采集到的風(fēng)機運行數(shù)據(jù)與實際風(fēng)機運行狀況結(jié)合做進一步分析，研究建立相應(yīng)的專家級故障診斷模型，達到降低風(fēng)場運維成本、提高風(fēng)機運行效率與產(chǎn)能的目的。