風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

包洪印 劉文斌 周博偉 謝麗蓉

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)高效率發(fā)電、低運(yùn)維成本，文章研究了風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收到各個(gè)部件的振動(dòng)頻率時(shí)，與正常數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)超出正常頻率范圍時(shí)可以發(fā)出預(yù)警并顯示相關(guān)故障部件，維護(hù)人員能夠及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查或維修。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；在線振動(dòng)檢測(cè)；振動(dòng)；故障

風(fēng)電機(jī)組在線振動(dòng)系統(tǒng)遠(yuǎn)程采用傳感器采集數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程診斷中心利用平臺(tái)分析處理與診斷，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速、長(zhǎng)波形數(shù)據(jù)、時(shí)域指標(biāo)的查看，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析、趨勢(shì)分析、倒譜分析、瀑布圖等，實(shí)現(xiàn)少人或無人監(jiān)控，遠(yuǎn)端處理。

1 系統(tǒng)原理及相關(guān)組成部分

1.1 系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)原理

大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要故障信號(hào)有振動(dòng)、聲發(fā)射、應(yīng)力、轉(zhuǎn)矩、溫度、油液、電信號(hào)和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）信號(hào)等。風(fēng)機(jī)的振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)已經(jīng)用于風(fēng)機(jī)齒輪箱、發(fā)電機(jī)、主軸、葉片、塔架等監(jiān)測(cè)。如Waters等[1]提出的基于振動(dòng)的實(shí)時(shí)方法檢測(cè)、定位和識(shí)別電機(jī)的齒輪故障；Sarvajith等[2]使用傅里葉和離散小波變換對(duì)軸承滾動(dòng)元件狀態(tài)的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，再利用支持向量機(jī)進(jìn)行故障和健康軸承的分類識(shí)別實(shí)現(xiàn)其故障識(shí)別。AE監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)用于風(fēng)機(jī)葉片、齒輪箱和軸承故障診斷。

本系統(tǒng)主要是通過遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)（齒輪、軸、軸承）等部件的振動(dòng)，從而預(yù)判斷部件振動(dòng)頻率是否在安全范圍內(nèi)。當(dāng)不在安全范圍時(shí)，判斷部件是否發(fā)生形變或損壞。當(dāng)發(fā)生形變或損壞時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及時(shí)報(bào)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(shí)安排相關(guān)技術(shù)人員更換相應(yīng)部件。此系統(tǒng)既節(jié)約了維護(hù)的成本，又為維修減少了不必要的麻煩，極大地簡(jiǎn)化了當(dāng)前的風(fēng)機(jī)維護(hù)工作。

1.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由振動(dòng)加速度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器以及分析與診斷軟件組成。系統(tǒng)針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員和機(jī)組分析與診斷人員分別提供不同的應(yīng)用程序接口。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員提供Web方式的狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件，針對(duì)分析與診斷人員提供專業(yè)化的分析診斷軟件，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控多點(diǎn)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)用電側(cè)核心資源和用電安全，采用了工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，采集數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面。

監(jiān)控端通過振動(dòng)加速度傳感器采集傳動(dòng)鏈上垂直、水平與軸向方向的振動(dòng)信號(hào)，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)類型的機(jī)組，選用不同配置的加速度傳感器安裝在風(fēng)機(jī)主軸上。增速機(jī)能夠采集風(fēng)電機(jī)組主傳動(dòng)鏈（主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)）中各軸承、齒輪等位置的振動(dòng)信號(hào)和運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)軸承、齒輪箱及發(fā)電機(jī)故障的早期征兆，監(jiān)測(cè)每個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)趨勢(shì)的變化，超出預(yù)定報(bào)警門限值時(shí)觸發(fā)報(bào)警，精確定位故障部件、故障類型以及嚴(yán)重程度，并可通過郵件和短信實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警信息推送。

在線監(jiān)測(cè)站是針對(duì)風(fēng)電機(jī)組非穩(wěn)態(tài)特點(diǎn)，采用全采樣專利技術(shù)而設(shè)計(jì)的。監(jiān)測(cè)站具備16路振動(dòng)、16路溫度、4路晃動(dòng)量、4路工藝量和2路轉(zhuǎn)速量通道，采集并監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組的振動(dòng)及轉(zhuǎn)速。根據(jù)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)結(jié)果實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，在設(shè)備運(yùn)行發(fā)生異?；蚬收蠒r(shí)及時(shí)自動(dòng)報(bào)警并進(jìn)行診斷，及時(shí)將設(shè)備的使用情況置于監(jiān)控狀態(tài)下，對(duì)防止事故，保持正常生產(chǎn)，降低成本有重要意義。振動(dòng)監(jiān)測(cè)可以在不拆卸設(shè)備的情況下判斷設(shè)備是否存在故障并大致確定故障部位。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的特點(diǎn)，主要監(jiān)測(cè)部位有：齒輪箱、發(fā)電機(jī)、主軸承、其他軸承、偏航及塔筒。

設(shè)備上監(jiān)測(cè)的部件進(jìn)行組建（軸、齒輪、軸承、葉片），明確各部件關(guān)系和整體設(shè)備的形態(tài)，為后續(xù)計(jì)算不同軸的轉(zhuǎn)頻、齒輪嚙合和軸承特征做準(zhǔn)備。采集單一的轉(zhuǎn)速，需要設(shè)置采集轉(zhuǎn)速的位置（轉(zhuǎn)速是哪個(gè)軸上）。

1.3 控制端的軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 采集定義組

采集定義組是用來設(shè)置動(dòng)態(tài)量數(shù)據(jù)采集的各項(xiàng)參數(shù)，如分析頻率、波形長(zhǎng)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(chǎng)的一些實(shí)際工作情況，將用戶常用的采集定義組設(shè)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(duì)一些特殊的情況，方便用戶通過自定義采集定義組來實(shí)現(xiàn)。

采集定義組中包括以下參數(shù)：（1）信號(hào)類型。可選擇加速度、速度、位移、電壓量和電流量。（2）波形類型。可選擇時(shí)域波形或頻譜。（3）下限頻率。低于下限頻率的信號(hào)將被抑止。（4）上限頻率。即最大分析頻率，此設(shè)置實(shí)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(zhǎng)度。（6）波形長(zhǎng)度。定義了波形數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。

1.3.2 設(shè)備的特征頻率

針對(duì)構(gòu)建的設(shè)備部件信息和采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)頻，計(jì)算出所有部件的信息（轉(zhuǎn)頻、嚙合頻率、缺陷頻率、軸承特征頻率），給出設(shè)備特征頻率功能予以顯示，包括輸入轉(zhuǎn)頻重新計(jì)算特征頻率、在特征頻率中搜索指定的頻率、在圖譜上標(biāo)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(dòng)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(jī)的輸入軸和輸出軸旋轉(zhuǎn)頻率比主軸旋轉(zhuǎn)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(shè)備特征頻率總覽，包括轉(zhuǎn)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(dāng)中集中顯示。

2 監(jiān)測(cè)指標(biāo)與報(bào)警處理

測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)是將設(shè)備的測(cè)點(diǎn)與需要監(jiān)測(cè)的指標(biāo)內(nèi)容建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，每個(gè)傳感器在采集時(shí)域波形后，可以計(jì)算多個(gè)指標(biāo)，在一臺(tái)設(shè)備上面可能會(huì)有很多傳感器，也會(huì)獲取其他位置的指標(biāo)，但是每個(gè)傳感器對(duì)不同位置測(cè)試精準(zhǔn)度是不一樣的，因此，需要整體考慮每個(gè)測(cè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的指標(biāo)值，必須由專業(yè)的診斷人員進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。振動(dòng)信號(hào)的分析主要依靠安裝在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上的傳感器以及遠(yuǎn)程診斷中心?，F(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器及時(shí)有效地保存故障振動(dòng)信息，且實(shí)時(shí)顯示各風(fēng)機(jī)通道的時(shí)域和頻域信號(hào)，便于風(fēng)場(chǎng)管理人員掌握風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)。遠(yuǎn)在異地的診斷專家和管理員可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)訪問現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器，隨時(shí)隨地掌握風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)故障信息進(jìn)行分析判斷，提出故障原因及解決辦法。

針對(duì)各添加的設(shè)備部件，計(jì)算其各個(gè)指標(biāo)從而監(jiān)測(cè)其變化。將測(cè)點(diǎn)和部件一一對(duì)應(yīng)，就得到每個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的部件上的指標(biāo)。當(dāng)檢測(cè)據(jù)不在正常范圍時(shí)發(fā)出報(bào)警，監(jiān)測(cè)指標(biāo)報(bào)警分為“報(bào)警”和“危險(xiǎn)”兩種。

3 結(jié)語

風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)人員只需要通過監(jiān)測(cè)軟件的反饋就可以對(duì)各個(gè)風(fēng)電機(jī)組的各個(gè)部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過傳感器監(jiān)測(cè)相關(guān)部件的振動(dòng)頻率，從而判斷部件的運(yùn)行狀態(tài)。狀態(tài)監(jiān)測(cè)是減少故障率、降低運(yùn)維成本、提高調(diào)度水平的有效手段。研發(fā)并應(yīng)用先進(jìn)的風(fēng)電機(jī)組健康狀態(tài)監(jiān)控調(diào)度技術(shù)，是順應(yīng)國(guó)家發(fā)展“智慧風(fēng)機(jī)”的緊迫需求，也是風(fēng)電場(chǎng)智能運(yùn)行與管理的發(fā)展趨勢(shì)。此系統(tǒng)極大地簡(jiǎn)化了維修人員的維修工作，擺脫了傳統(tǒng)的巡邏方式，對(duì)維修機(jī)組和維修部件可以做出針對(duì)性的維修，從而進(jìn)一步提高了風(fēng)電場(chǎng)參與電網(wǎng)調(diào)度的準(zhǔn)確性和靈活性。

[參考文獻(xiàn)]

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