基于風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維數(shù)據(jù)的故障統(tǒng)計(jì)及CMS系統(tǒng)振動(dòng)數(shù)據(jù)評(píng)估分析

劉洪凱

（大唐山東發(fā)電有限公司新能源分公司，山東 濟(jì)南 250000）

風(fēng)力發(fā)電作為促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要推動(dòng)力，如何提升風(fēng)力發(fā)電效率，已經(jīng)成為能源行業(yè)熱議的話題。經(jīng)過多年的發(fā)展，風(fēng)能設(shè)備不斷升級(jí)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也越發(fā)完善，相關(guān)配套設(shè)施越發(fā)健全，運(yùn)維制度逐步確立。在肯定中國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)所取得的成果的同時(shí)，我們也要正視該行業(yè)目前所存在的一些問題，例如目前還沒有形成較為成熟的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)體系，早期投入使用的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備較為陳舊，沒有得到及時(shí)的更新，其后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組經(jīng)常發(fā)生故障。想要妥善解決這些問題，就需要相關(guān)從業(yè)人員依靠風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)CMS系統(tǒng)的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，以此為風(fēng)電機(jī)組技術(shù)革新提供數(shù)據(jù)支撐。

1 風(fēng)電機(jī)組故障統(tǒng)計(jì)分析

每一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的生產(chǎn)廠家、規(guī)格以及運(yùn)行參數(shù)存在很大差異，不同地區(qū)布置風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)時(shí)會(huì)依據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況綜合考慮投入成本，選擇不同品牌、不同型號(hào)的風(fēng)電機(jī)組。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過程中所出現(xiàn)的故障模式、故障率會(huì)存在很大差異。由于不同地區(qū)風(fēng)力發(fā)電企業(yè)的管理模式不同，無法對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的收集與分析，導(dǎo)致一些常見的問題遲遲得不到解決。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，依靠傳統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)收集方式，很容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)遺漏問題。加之一些工作人員在記錄故障數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)人為失誤，進(jìn)一步降低了風(fēng)電機(jī)組故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)精度。針對(duì)這一問題，相關(guān)工作人員要準(zhǔn)確記錄風(fēng)電機(jī)組故障數(shù)據(jù)，在實(shí)際工作中要遵循以下原則：將非結(jié)構(gòu)性故障數(shù)據(jù)量化為可以進(jìn)行橫向?qū)Ρ鹊墓收蠑?shù)據(jù)[1]；在相同的時(shí)間跨度內(nèi)統(tǒng)計(jì)不同風(fēng)電機(jī)組故障的類型及故障發(fā)生的概率；故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)應(yīng)真實(shí)可靠。

不同的風(fēng)力發(fā)電企業(yè)其運(yùn)行模式以及管理模式存在很大差異，故障類型以及故障發(fā)生的頻率也各不相同，研究人員通過對(duì)建設(shè)時(shí)間不超過2年的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障信息進(jìn)行歸類與整理，總結(jié)國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組常見故障模式。由于風(fēng)電機(jī)組所處環(huán)境較為惡劣，對(duì)于故障信息的收集較為困難且故障數(shù)據(jù)繁雜，為了確保故障信息的有效性，應(yīng)確保收集的故障信息滿足以下要求：確保收集的故障信息具有可比性；針對(duì)在不同風(fēng)力發(fā)電廠采集的故障信息，確保其所處的時(shí)間段應(yīng)一致；確保數(shù)據(jù)信息的真實(shí)性。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由電氣系統(tǒng)、葉片系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)組、傳動(dòng)系統(tǒng)等組成，相關(guān)工作人員對(duì)國內(nèi)外425臺(tái)發(fā)電機(jī)組的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制出了如圖1所示的風(fēng)電機(jī)組子系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)圖。

圖1 國內(nèi)外風(fēng)電機(jī)組子系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)圖

由此可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)安裝的風(fēng)電機(jī)組各子系統(tǒng)故障發(fā)生概率與國外風(fēng)電機(jī)組子系統(tǒng)故障發(fā)生概率相似，其中電氣系統(tǒng)發(fā)生故障的概率最高，葉片以及發(fā)電機(jī)發(fā)生故障的概率也基本保持一致。

2 CMS系統(tǒng)振動(dòng)數(shù)據(jù)研究

2．1 SCADA數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

通常情況下，數(shù)據(jù)信號(hào)的相關(guān)性，主要是指不同信號(hào)之間所存在的線性關(guān)系。針對(duì)確定的信號(hào)，可以將兩個(gè)信號(hào)變量看作一組具有函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)，而隨機(jī)變量不存在函數(shù)關(guān)系。針對(duì)風(fēng)電機(jī)組而言，如果CMS系統(tǒng)振動(dòng)數(shù)據(jù)的兩個(gè)變量之間存在物理關(guān)聯(lián)，則借助海量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)能夠確定兩個(gè)變量之間的關(guān)系，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系雖不準(zhǔn)確，但可以展現(xiàn)其特性。單一的隨機(jī)數(shù)據(jù)，其相關(guān)函數(shù)能夠在不同時(shí)間跨度內(nèi)表現(xiàn)出不同的變化幅度，而兩項(xiàng)隨機(jī)數(shù)據(jù)，則需要定義相關(guān)函數(shù)關(guān)系來確定這兩項(xiàng)隨機(jī)數(shù)據(jù)之間的依賴關(guān)系。

研究人員將兩項(xiàng)隨機(jī)數(shù)據(jù)的時(shí)差設(shè)定為變量τ，其相關(guān)函數(shù)如下：

得到公式（3）之后，就能夠在大量干擾數(shù)據(jù)中，準(zhǔn)確找到瞬時(shí)信號(hào)以及周期信號(hào)。將變量τ的取值延長，就會(huì)讓噪聲信號(hào)中的周期分量更好地顯現(xiàn)出來[3]。例如在分析風(fēng)電機(jī)組子系統(tǒng)故障的過程中，如果機(jī)組處于帶病工作狀態(tài)，或者出現(xiàn)故障，那么干擾數(shù)據(jù)中就會(huì)出現(xiàn)周期性的脈沖信號(hào)，該信號(hào)的

在得到兩個(gè)變量的函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系公式之后，可以設(shè)定兩項(xiàng)隨機(jī)數(shù)據(jù)為x（t）、y（t），則可以得到Rxy（τ）的相關(guān)函數(shù)式如下：強(qiáng)度要顯著高于普通的干擾信號(hào)，利用上述公式就可以發(fā)現(xiàn)故障信號(hào)的周期分量，以波動(dòng)頻率以及幅值為基礎(chǔ)，可確定故障來源以及故障類型。

2．2 SCADA數(shù)據(jù)特征分析

研究人員首先對(duì)齒輪箱運(yùn)行SCADA數(shù)據(jù)特征進(jìn)行了分析，列出了齒輪箱SCADA系統(tǒng)中溫度、振動(dòng)、風(fēng)速等數(shù)據(jù)，并繪制23小時(shí)內(nèi)，齒輪箱CSADA數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)圖。依據(jù)每一組參數(shù)的變化趨勢(shì)，分析齒輪箱的振動(dòng)幅度變化，以及齒輪箱故障與其運(yùn)行狀態(tài)之間的關(guān)系。

根據(jù)風(fēng)速與風(fēng)電機(jī)組功率關(guān)系，以及變槳設(shè)備轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩關(guān)系圖，可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的功率曲線散點(diǎn)較為分散，不存在線性關(guān)系。但是變槳設(shè)備的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系較為明顯。說明風(fēng)電機(jī)組依照變槳設(shè)備的轉(zhuǎn)速調(diào)整功率，當(dāng)變槳設(shè)備的轉(zhuǎn)速在10～18轉(zhuǎn)/分，轉(zhuǎn)速與功率之間的關(guān)系為平方關(guān)系，而轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間則呈現(xiàn)線性關(guān)系。

2．3 SCADA數(shù)據(jù)與CMS數(shù)據(jù)對(duì)比

相關(guān)工作人員截取相同的時(shí)間跨度、兩臺(tái)機(jī)組的CMS數(shù)據(jù)及SCADA數(shù)據(jù)，制作數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)圖，對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，借助這種方式探究?jī)山M電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)之間是否存在關(guān)聯(lián)。此外，通過CMS數(shù)據(jù)與SCADA數(shù)據(jù)的對(duì)比，觀察機(jī)組CMS數(shù)據(jù)運(yùn)行變化的趨勢(shì)，為系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷做準(zhǔn)備。

2．3．1 SCADA數(shù)據(jù)分析

測(cè)驗(yàn)風(fēng)電機(jī)組在正常工作狀態(tài)下，其葉片的轉(zhuǎn)速與輸出功率產(chǎn)生較大的起伏，風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)裝置，長時(shí)間處于變速狀態(tài)之中，且風(fēng)電機(jī)組荷載變化范圍非常大，使得對(duì)于CMS系統(tǒng)的分析變得更加困難。將CSADA數(shù)據(jù)與CMS振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)齒輪箱工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速以及荷載參數(shù)存在關(guān)聯(lián)。

2．3．2 CMS數(shù)據(jù)分析

測(cè)驗(yàn)1號(hào)風(fēng)電機(jī)組CMS系統(tǒng)振動(dòng)數(shù)據(jù)，并得到相應(yīng)趨勢(shì)圖。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，該機(jī)組CMS中，6個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的有效值變化以及檢測(cè)時(shí)間范圍，與SCADA系統(tǒng)一致。在CMS系統(tǒng)中，風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)幅度與輸出功率以及變槳裝置的轉(zhuǎn)速存在線性關(guān)系。因此，工作人員在進(jìn)行日常故障檢測(cè)工作過程中，如果只依靠傳動(dòng)裝置的振動(dòng)幅度，來判定風(fēng)電機(jī)組是否存在故障，會(huì)出現(xiàn)疏漏。其原因在于風(fēng)電機(jī)組的振動(dòng)幅度，與其實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)存在直接聯(lián)系。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備所在區(qū)域風(fēng)力提高，變槳裝置以及葉片的轉(zhuǎn)速就會(huì)提高，電能輸出功率也隨之提高，相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置荷載也會(huì)變大。傳動(dòng)裝置荷載變大，令風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)幅度顯著提高，當(dāng)振動(dòng)幅度超過設(shè)定好的安全閾值，安裝在風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部的振動(dòng)檢測(cè)裝置判定風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)了故障，就會(huì)發(fā)送故障報(bào)告[4]。

測(cè)驗(yàn)2號(hào)風(fēng)電機(jī)組CMS系統(tǒng)振動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)，工作人員需要借助布置在傳動(dòng)鏈上的8個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，收集2號(hào)風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)有效值變化情況。在檢測(cè)時(shí)間之內(nèi)，8個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)幅度，均隨著時(shí)間的推移而產(chǎn)生明顯變化，由此可以說明2號(hào)風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈上布置的檢測(cè)點(diǎn)（主要包括發(fā)電機(jī)、軸承以及齒輪箱等），其振動(dòng)的幅度會(huì)隨著風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)的工況變化而改變。

通過實(shí)驗(yàn)可以證明，1號(hào)風(fēng)電機(jī)組與2號(hào)風(fēng)電機(jī)組在單位時(shí)間內(nèi)的CMS振動(dòng)數(shù)據(jù)，其振動(dòng)信號(hào)有效值范圍趨同，振動(dòng)狀態(tài)較為相似。此外，通過分析兩組風(fēng)電機(jī)組CMS振動(dòng)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，CMS振動(dòng)數(shù)據(jù)的變化會(huì)受到風(fēng)機(jī)主軸承的轉(zhuǎn)速及風(fēng)電機(jī)組荷載變化的影響。因此，工作人員基于故障診斷及狀態(tài)監(jiān)測(cè)需求，嘗試在機(jī)組處于高速運(yùn)行狀態(tài)下收集CMS數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行了分析。

2．4 CMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

工作人員調(diào)取兩組風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，在其中截取時(shí)長為10min的高負(fù)荷運(yùn)行數(shù)據(jù)，并記錄齒輪箱上6個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)幅度變化情況，其中檢測(cè)點(diǎn)1、檢測(cè)點(diǎn)2、檢測(cè)點(diǎn)3分布在1號(hào)機(jī)組與2號(hào)機(jī)組的低速端，檢測(cè)點(diǎn)4、檢測(cè)點(diǎn)5、檢測(cè)點(diǎn)6分布在高速端。對(duì)比各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)振動(dòng)的有效值，機(jī)組采集數(shù)據(jù)時(shí)段見表1，各檢測(cè)點(diǎn)機(jī)組振動(dòng)有效值見表2。

表1 機(jī)組采集數(shù)據(jù)時(shí)段

表2 各檢測(cè)點(diǎn)機(jī)組振動(dòng)有效值

通過分析表1與表2的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：①帶有齒輪箱的風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)檢測(cè)，已經(jīng)成為目前國內(nèi)風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)裝置故障檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)。在該標(biāo)準(zhǔn)體系下，齒輪箱的振動(dòng)加速度正常值為0～7.5m/m2，頻率范圍為10Hz～2000Hz。以此為基礎(chǔ)觀察1號(hào)機(jī)組與2號(hào)機(jī)組的振動(dòng)加速度，兩組風(fēng)電機(jī)組的振動(dòng)加速度均遠(yuǎn)低于該標(biāo)準(zhǔn)的上限，因此可以證明兩組風(fēng)電機(jī)組的振動(dòng)均不明顯，通常情況下不會(huì)引發(fā)故障。②在相同機(jī)組中，齒輪箱各個(gè)部位檢測(cè)點(diǎn)所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)存在較大差異，而不同齒輪箱上相同部位檢測(cè)點(diǎn)所收集到的數(shù)據(jù)差異不大，這表明兩組齒輪箱高速端的振動(dòng)要明顯高于低速端的振動(dòng)，且兩臺(tái)齒輪箱的工作狀態(tài)大抵相同[5]。

3 結(jié)論

為了確保風(fēng)電機(jī)組始終處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，相關(guān)工作人員需要對(duì)其運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析容易發(fā)生故障的子系統(tǒng)，并探究該系統(tǒng)發(fā)生故障的主要原因。此外，工作人員需要對(duì)風(fēng)電機(jī)組CMS數(shù)據(jù)與SCADA數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的振動(dòng)做出評(píng)估，得出風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)與運(yùn)行故障之間的關(guān)系，為風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維工作提供數(shù)據(jù)支撐，提升故障監(jiān)測(cè)維修效率。