關(guān)于風(fēng)機預(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，618000)

關(guān)于風(fēng)機預(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，618000)

文章研究的風(fēng)機預(yù)警分析為預(yù)先判斷機組部件是否出現(xiàn)故障提供了可能，它從大部件預(yù)警、基于統(tǒng)計規(guī)律的預(yù)警、功率曲線預(yù)警、CMS振動檢測預(yù)警、損壞件預(yù)警、運行分析預(yù)警等6個方面進行了可行性分析，通過綜合機組部件歷史故障前的數(shù)據(jù)，以及它們的運行原理等相關(guān)理論依據(jù)，通過數(shù)據(jù)挖掘找出部件正常運行的數(shù)據(jù)規(guī)律，以及機組部件故障前一段時間的數(shù)據(jù)規(guī)律。當該部件再次出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時，機組會自動預(yù)警，現(xiàn)場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)機正常可靠運行。

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

0 引言

預(yù)警系統(tǒng)在當前社會的使用越來越廣，從森林火災(zāi)、高溫干旱等災(zāi)害預(yù)警到財務(wù)預(yù)警，從金融投資風(fēng)險預(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，作用也越來越大。

近幾年，隨著風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，國內(nèi)風(fēng)電機組裝配企業(yè)初期粗放式搶占市場帶來的弊病逐漸呈現(xiàn)，暴露了許多問題，也留下了很多隱患。風(fēng)機的故障率偏高，風(fēng)場的可利用率較差，風(fēng)機頻繁出現(xiàn)的故障增多，這些問題已經(jīng)成為風(fēng)電機組的通病。風(fēng)電場大部件損壞增多，例如主軸軸承、發(fā)電機軸承等，損壞后停機時間較長，導(dǎo)致機組的利用率和發(fā)電量降低，對風(fēng)電場業(yè)主和機組廠家都造成了很大的經(jīng)濟損失。

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

因此，為了提高風(fēng)機的經(jīng)濟性，降低風(fēng)機的故障率，對風(fēng)機故障預(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)警功能是指在對風(fēng)機運行狀態(tài)的監(jiān)控和運行數(shù)據(jù)的處理基礎(chǔ)上對風(fēng)機發(fā)生故障的可能性進行預(yù)測，從而提高設(shè)備的運行壽命，提前發(fā)現(xiàn)重大故障的征兆并及時處理，提高可利用率，保證風(fēng)機安全運行。

分析則是通過風(fēng)機的歷史運行數(shù)據(jù)或?qū)崟r數(shù)據(jù)進行深度數(shù)據(jù)挖掘，通過數(shù)據(jù)模型來研究各個數(shù)據(jù)量的相互關(guān)系以及將來可能的趨勢，進而分析風(fēng)機的當前狀態(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)機大部件的成本較高，而且更換大部件周期較長（至少一周時間），機組因大部件更換引起的長時間停機會影響風(fēng)場發(fā)電量，對風(fēng)場業(yè)主造成嚴重的經(jīng)濟損失。

大部件通過預(yù)警分析方法來進行故障預(yù)判，主要是對大部件運行的溫度、振動情況進行監(jiān)測，同時綜合風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、功率、機艙溫度、艙外溫度等相應(yīng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)分析，提前發(fā)現(xiàn)故障前兆。當風(fēng)機運行時，若某大部件溫度（振動值）超過了所設(shè)定的報警定義，系統(tǒng)給出預(yù)警信息，提醒現(xiàn)場人員進行檢修。

如何設(shè)定這個大部件的“報警定義”成為了預(yù)警分析中最重要也是最難的一項工作，由于風(fēng)機運行時的各個狀態(tài)量之間并沒有一個嚴格的函數(shù)關(guān)系，在目前對機組的認識上，甚至可以說沒有辦法確定所有為大部件設(shè)定“報警定義”的相關(guān)狀態(tài)量，也就是，機組的所有狀態(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)量種類多無法確認、各個狀態(tài)量與大部件故障的函數(shù)關(guān)系模糊等問題成為了現(xiàn)階段對機組的認知水平下難以明確的攻關(guān)難點。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)對大部件的預(yù)警，要拋開固定思維，放棄絕對的精確預(yù)警，以廣義的預(yù)警為基礎(chǔ)來進行設(shè)定“預(yù)警定義”標準。以發(fā)電機軸承損壞為例，搜集500個同一發(fā)電機廠家的同一型號前軸承在損壞前三個月（損壞時間為同一時間段）的風(fēng)機運行數(shù)據(jù)，如發(fā)電機前后軸承溫度、風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、功率、環(huán)境溫度、發(fā)電機風(fēng)扇動作次數(shù)、發(fā)電機繞組溫度等，通過對這些狀態(tài)進行數(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，用同樣的方法統(tǒng)計500個同樣配置的健康軸承在同一時間段內(nèi)的運行數(shù)據(jù)，500個不同配置的損壞軸承在同一時間段的運行數(shù)據(jù)，500個不同配置的健康軸承在同一時間段的運行數(shù)據(jù)，以上4種軸承情況在不同時間段的運行數(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，通過對8種情況的數(shù)據(jù)對比，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”模糊標準，當風(fēng)機運行時出現(xiàn)該段類似數(shù)據(jù)，可以對發(fā)電機軸承故障進行預(yù)警，同時提醒現(xiàn)場人員去檢修出現(xiàn)異常的部件，防止因發(fā)電機軸承抱死，導(dǎo)致更換發(fā)電機。

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，不過均需要大量的數(shù)據(jù)作為分析依據(jù)，而且絕對的預(yù)警在目前實現(xiàn)比較困難，只有在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)下，有可能得出較為準確的標準，然后在后續(xù)的運行中不斷地檢測和更新該標準。

1.2.2 基于統(tǒng)計規(guī)律的預(yù)警

基于統(tǒng)計規(guī)律的預(yù)警是一個較為宏觀的預(yù)警，主要是以風(fēng)機歷史故障記錄為依據(jù)，采用時間序列預(yù)測等技術(shù)對風(fēng)機故障的可能性進行預(yù)測，生成各故障發(fā)生可能性表格，從而針對性地進行巡檢、維保，減小故障發(fā)生的概率。

統(tǒng)計預(yù)測是在機組大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行的，預(yù)測時應(yīng)綜合考慮風(fēng)場風(fēng)機的歷史故障記錄統(tǒng)計規(guī)律，故障相關(guān)性，該風(fēng)場可能存在的批量故障，各部件的大范圍統(tǒng)計故障率，運行年限等因素。為了保證數(shù)據(jù)的有效性，應(yīng)盡可能搜集2年以上（有利于同比各個時間段的數(shù)據(jù)）的數(shù)據(jù)進行分析。單臺風(fēng)機的單個電氣故障發(fā)生的歷史數(shù)據(jù)隨機性較強，不具備可參考性。

同一個故障應(yīng)收集該風(fēng)場所有風(fēng)機2年以上的歷史報出記錄，通過記錄來預(yù)測各個時間段報出故障的情況，或是否已出現(xiàn)該故障的批量問題，由于故障次數(shù)屬于一個主觀認識較強的數(shù)據(jù)，可人為設(shè)定警戒標識，當數(shù)據(jù)超過警戒值，進行預(yù)警，引起現(xiàn)場人員對該故障的重視。

同樣方法進行統(tǒng)計全場機組的所有故障，得到不同時間段故障的觸發(fā)次數(shù)規(guī)律，通過較長時間的數(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)場的巡檢和維保內(nèi)容，提高維護質(zhì)量。

1.2.3 功率曲線預(yù)警

風(fēng)電機組的功率曲線除了和主控的算法有關(guān)外，還與風(fēng)向標、風(fēng)速儀、葉片零度位置、變頻器力矩信號等狀態(tài)信息有關(guān)，也受到空氣湍流、空氣密度等氣象因素影響，而同時每個風(fēng)場的功率曲線也因為地理位置、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”對應(yīng)表來進行預(yù)警。

功率曲線是根據(jù)風(fēng)機一定時間（至少半個月）的實時發(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)場的合同功率曲線表值，同時，實時監(jiān)控風(fēng)機的發(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5次時，預(yù)警系統(tǒng)給出報警，現(xiàn)場運行人員可及時調(diào)出功率曲線數(shù)據(jù)，以查看問題所在，若有必要，檢查風(fēng)機端影響功率曲線的各個因素。

對功率曲線的預(yù)警功能可以及時提醒功率曲線不達標情況，提前解決功率曲線不達標問題，保證風(fēng)電場業(yè)主的發(fā)電量，也有利于風(fēng)電廠家后期質(zhì)保交機的順利執(zhí)行。

1.2.4 CMS振動檢測預(yù)警

風(fēng)電機組振動問題已經(jīng)成為了目前風(fēng)電行業(yè)的一個普遍隱患，它能提前發(fā)現(xiàn)機組振動問題，有助于增強機組安全穩(wěn)定運行的能力，降低維護費用，準確判斷故障原因以改變風(fēng)機的設(shè)計等。CMS系統(tǒng)通過傳感器采集風(fēng)機主要部件（如主軸、齒輪箱、發(fā)電機等）的振動信號，如圖1所示。

圖1 風(fēng)機CMS系統(tǒng)采集示意圖

在風(fēng)場服務(wù)器端進行信號處理，然后根據(jù)實際振動頻譜與典型故障頻譜比較，進行預(yù)警判定。典型故障頻譜也是來源于由大量的歷史故障頻譜記錄形成的軸承庫，軸承庫支持數(shù)千種主流軸承數(shù)據(jù)，在頻譜中能自動計算出故障頻率，便于故障分析，如圖2所示。

圖2 主軸前軸承徑向震動監(jiān)測

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

1.2.5 損壞件預(yù)警

風(fēng)電機組的損壞件也是一個反映風(fēng)場風(fēng)機故障率的有力數(shù)據(jù)，同時也是風(fēng)電企業(yè)最重要的運行成本之一。它可以是因為本身質(zhì)量問題損壞，也有可能是機組運行或電網(wǎng)故障等其他外因引起。通過對風(fēng)場損壞件的統(tǒng)計，根據(jù)一定時間內(nèi)風(fēng)場更換備件的型號和數(shù)量，有助于預(yù)警風(fēng)場的批量故障、典型故障，若某型號備件使用數(shù)量超過警戒線，有可能存在批量故障，也有可能備件質(zhì)量出現(xiàn)了批量問題，損壞件預(yù)警后，引起運行人員重視，并對損壞件的損壞信息分析并處理。同時，通過損壞件的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計也可以分析各時間段受到氣溫、大小風(fēng)期等影響的新增損壞件的數(shù)量規(guī)律，在每個季節(jié)段到來前，提前進行巡檢維保，對易損件或部套進行重點檢查，改變后知后覺的工作習(xí)慣，提前處理，降低故障率，并對批次故障可以讓同類的風(fēng)場開展針對性檢查。

比如，在每次機組維護完半年后，齒輪箱濾芯堵塞出現(xiàn)的幾率會大幅提高，通過預(yù)警系統(tǒng)，可以及時提醒現(xiàn)場人員應(yīng)該關(guān)注機組的齒輪箱運行狀態(tài)，若堵塞，及時更換濾芯，避免引起風(fēng)機故障停機和降低齒輪箱的使用壽命。

1.2.6 運行分析預(yù)警

運行分析預(yù)警主要是指實時監(jiān)測風(fēng)機運行情況進行預(yù)警，可以通過“趨勢圖分析”、“歷史數(shù)據(jù)”等模塊分析風(fēng)機的歷史運行數(shù)據(jù)，并初步探索風(fēng)機各點位之間的關(guān)系。

當風(fēng)機趨勢圖數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常點時，很有可能存在故障，進行人為預(yù)警，運行人員可通過查閱該臺機組之前的維護檢修記錄和歷史故障記錄進行預(yù)判斷，若已報出故障，則可通過故障前后3 min的20 ms數(shù)據(jù)進行分析處理。

比如，圖3中的發(fā)電機軸承1和2的溫度趨勢圖，若趨勢圖中發(fā)電機軸承1，2溫度差異較大，并且溫度在80℃以上，則現(xiàn)場運維人員需要對發(fā)電機相關(guān)部件進行檢查，是否存在溫度傳感器異常，或者發(fā)電機散熱系統(tǒng)存在異常等問題。例如圖4中的齒輪箱油泵壓力趨勢圖，若趨勢圖中齒輪箱油泵壓力值在正常運行中持續(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，運行檢修人員應(yīng)及時對該臺機組進行檢查。

圖4 齒輪箱油泵壓力趨勢圖

圖3 發(fā)電機軸承1，2溫度趨勢圖

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)機的預(yù)警分析主要從大部件預(yù)警、基于統(tǒng)計規(guī)律預(yù)警、功率曲線預(yù)警、CMS振動檢測預(yù)警、損壞件預(yù)警、運行分析預(yù)警等6個方面進行展開，基本可以應(yīng)用到風(fēng)機運行狀態(tài)的各個情況預(yù)警。

預(yù)警分析在各個行業(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)警的準確性依托于強大的數(shù)據(jù)，也要熟悉預(yù)警內(nèi)容的原理，同時還有很多硬件設(shè)施需專門為風(fēng)電環(huán)境設(shè)計，因此，預(yù)警系統(tǒng)的成熟使用還有很長一段路走。

本文舉例的6個方面中，功率曲線預(yù)警、基于統(tǒng)計規(guī)律預(yù)警、損壞件預(yù)警、運行分析預(yù)警因為所需的數(shù)據(jù)比較清晰，因此相對來說會比較容易實現(xiàn)，而大部件預(yù)警、CMS振動檢測預(yù)警是需要進行大量的數(shù)據(jù)挖掘工作的，而且就目前的技術(shù)水平，無法去準確定義大部件故障、振動檢測的相關(guān)技術(shù)指標量，不過，模糊的預(yù)警還是可以實現(xiàn)，相信能夠在后續(xù)的數(shù)據(jù)中實現(xiàn)自我修正，最終實現(xiàn)預(yù)警功能。

風(fēng)電行業(yè)在快速發(fā)展過后，隱患慢慢暴露出來，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)機故障率，提高風(fēng)機安全穩(wěn)定運行能力的強有力方法。

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

[2]王志新.現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2010.

[3]李智輝,文元雄.風(fēng)機振動監(jiān)測系統(tǒng)[J].風(fēng)機技術(shù),2002,（6）：56-58.

[4]汪光陽,周義蓮.風(fēng)機振動故障診斷綜述[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2006,（1）：64-68.

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)場服務(wù)及風(fēng)電機組技術(shù)工作。