風電機組振動監測與故障預測系統

吉慶昌 劉文貴 李愛寧

摘要：由于社會經濟的不斷發展，我國對綠色能源的重視度越來越高，而風能就是一種非常清潔的能源。通過風能機組，可以把風能轉化為電能，進而使這種綠色能源得到廣泛應用。為了保證風電機組的正常安全運行，必須研制一種風電機組振動的監測系統，同時還需要對其可能發生的故障進行預測。而在整個系統中，主要部分包含振動信號采集模塊、遠程監控診斷模塊和風電場監控中心。該系統可以通過振動信號來確定風電機組的運行狀態，并且可以通過一定的算法對故障進行預測，總之可以達到預定的要求。

關鍵詞：風電機組；振動監測；故障預測系統

1緒論

隨著國家綠色發展理念的不斷深入，風能這種綠色能源逐漸受到國家的重視。而在我們國家風能主要集中西部或者一些地形比較惡劣的山區，這就給風電機組的安裝帶來了一定的難度。并且在這些風電機組的正常運行過程中很可能受到環境及其它因素的影響而造成機械結構或者電子元件的損壞，為此如果能夠在故障發生的初期及時檢查到可能發生的故障，并對其進行維修，這就可以在很大程度上降低風電機組故障的發生率，從而提高風電機組的運行效率和經濟效益。總之，對風能發電中的風電機組進行振動監測與故障預測對于風能的廣泛使用有著很大的意義。

2振動監測與故障預測系統的組成

2.1基本原理及監測策略

風能發電中的風電機組振動監測與故障預測系統通常包含三個組成部分，分別為信號采集模塊、遠程監控診斷中心、風電場監控中心。當風能經過風電機組的葉片時，該能量就會通過傳動系統傳導到發電機組，從而完成風能向電能的轉換。而在整個傳動系統中由于機械結構復雜，載荷變化大，轉速不穩定等原因，就會使得風電機組中的軸承和齒輪等部件發生較大的振動而影響整體的性能。

其基本的監測策略為：在每臺風電機組上安裝一些振動信號采集傳感器，在經過一定的處理之后由網線或者無線網絡發送到風場監控中心；此時該監控中心就可以實時顯示風電機組中關鍵部件的振動情況，而該監控中心再通過服務器與遠程監控診斷中心建立連接，對異常的風電機組進行故障診斷。

2.2振動信號采集模塊

該模塊在整個風電機組振動監測系統中起著非常關鍵的作用，它可以對原始的振動信號進行采集、數字濾波和信號傳輸。該模塊具有四路信號采集電路和對應的信號調整電路，當完成信號采集之后可以通過內部總線將其傳送到下一個單元。其中信號采集電路主要為模數轉換電路和測溫電路；而信號調整電路可以對得到的數字信號進行數字濾波，并將其調制成差分信號以便于信號傳輸。

2.3風電場監控中心

該監控系統與可以對風電系統中的故障進行數據保存并分析，其主要包含設備管理、信號監測、數據存儲分析和故障分析四個部分。

（1）設備管理。對于種類不同的風電機組，該系統可以計算出相應的振動頻率參數并進行存儲。

（2）信號監測。該部分可以根據不同的情況遠程調節信號采集通道的采樣頻率，同時可以利用時域波形圖和頻譜圖來監測信號，并且在系統異常時可以起到報警作用。

（3）數據存儲分析。在風能發電系統中存在著幾百臺風機，所以監測的數據會很多，有時就不能及時對這些數據進行分析，此時就需要對這些數據先進行存儲，然后再采用一定的手段對振動信號進行時域和頻域分析。

（4）故障預測。系統的故障預測采用的是數據模型方法，具體使用了自學習算法、粒子濾波算法和隨機子空間等。其中，自學習算法是系統的主要算法，可以通過以往的數據來獲取風電機組的振動參數，進而將其作為故障預測的參考標準。

2.4遠程監控診斷中心

該中心可以根據現實的需求直接對風電機組振動監測與故障分析預測進行操控，這樣就可以對風電機組不同部位的振動情況進行了解。同時，該系統也為總公司級別的設計人員了解風電機組的運行情況提供了方便，這樣專業技術人員就可以遠程對各個設備的運行情況進行分析診斷，大大提高了風電機組故障的處理速度。同時，由于風電機組是一個復雜的機械系統，要對其可能發生的故障進行預測，必須結合各種參數和以往的經驗，而這些工作就需要專家在遠程來實現。

3風電機組振動信號分析與故障預測

3.1振動信號分析

采集模塊采集得到的振動信號是以時間為序列的，此時就可以提取信號中的振動峰值和頻率等特征參數，再通過時域和頻域的分析，來對風電機組的運行狀態進行判斷。在分析過程中，系統可以使用振動峰值、有效值、峰值因數和峭度系數等參數來判斷齒輪箱等關鍵部位的運行狀態。

3.2故障預測

在對風電機組的故障進行預測時，可以通過隨機子空間的方法對采集到的振動信號進行分析，進而對風電機組可能發生的故障進行預測。基本思路如下：

（1）首先建立風電機組中齒輪箱的隨機狀態空間模型；

（2）利用原先計算得到的穩態振動數據來推導出該模型中需要的參數，并以此作為齒輪箱線性動態系統的參考參數。當齒輪箱運行異常時，此時經過計算得到的數據就會與原先的參考參數發生偏差，此時就可以初步判斷是齒輪箱發生了故障。

（3）當初步確定風電機組發生故障的部件后，就需要安排維修人員進行現場檢查并對可能損壞的部件進行更換維修，這樣就可以做到早期的預警處理。

4結語

隨著風能這種綠色能源的不斷應用，振動監測與故障預測系統也受到了專業人士的重視。通過該系統可以對風電機組的振動特征進行分析，從而達到遠程監控的目的。同時該系統還可以提高機組的運行效率和運行時間，對于風能的廣泛利用有著很大的積極意義。

參考文獻：

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[2]楊明莉.劉三明.基于振動分析的風力機齒輪箱故障診斷[J]電機應用，2016（1）.42：44.

項目：本文系河北水利電力學院學校科技項目研究成果，項目編號：SYKJ1703

作者簡介：第一作者：吉慶昌（1982），男，漢族，河北滄州人，碩士，講師，研究方向：自動控制技術、大學生就業。