風(fēng)電機(jī)組故障振動數(shù)據(jù)有效性的研究與實(shí)現(xiàn)

文|李德雄，李斌，齊會娟，李瑩瑩，王銘

風(fēng)電機(jī)組故障振動數(shù)據(jù)有效性的研究與實(shí)現(xiàn)

文|李德雄，李斌，齊會娟，李瑩瑩，王銘

風(fēng)電行業(yè)經(jīng)過幾年高速增長之后，也迎來了成長的煩惱。雖然風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計及制造技術(shù)已日臻完善，但是機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)成為當(dāng)前急需解決的關(guān)鍵問題。由于機(jī)組地處高山、海灘、海島等風(fēng)口處，在強(qiáng)陣風(fēng)的沖擊以及極端溫差的影響下，機(jī)組故障時有發(fā)生。研究表明齒輪箱、傳動鏈和發(fā)電機(jī)等部件的故障是導(dǎo)致停機(jī)時間最長、經(jīng)濟(jì)損失最大的原因。

故障診斷技術(shù)是一門融合電子、計算機(jī)、信號分析與數(shù)據(jù)處理、人工智能等多學(xué)科的技術(shù)。隨著風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的不斷發(fā)展，如何降低機(jī)組故障率，提高風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)效益成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。在這個背景下機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測與故障自診斷技術(shù)的研究顯得十分重要。

通過采集，風(fēng)電機(jī)組故障數(shù)據(jù)通過數(shù)字信息存儲，一般需要存儲3年-5年。數(shù)據(jù)分析要求高頻采樣，大規(guī)模數(shù)據(jù)的存儲，成為亟待解決的問題。

本文從風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀況和振動數(shù)據(jù)采集模式的角度，在不擴(kuò)充存儲容量的情況下，分析提高存儲有效數(shù)據(jù)，覆蓋無效數(shù)據(jù)的可行性。

風(fēng)電機(jī)組振動數(shù)據(jù)采集

一、采集器硬件結(jié)構(gòu)

風(fēng)電機(jī)組在線振動機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行，是通過在機(jī)組不同位置安裝振動傳感器，傳感器類型和安裝位置依據(jù)現(xiàn)場情況決定，采集器采集振動傳感器的信息，采集的振動信息通過光纖環(huán)網(wǎng)上傳到中央監(jiān)控室的服務(wù)器中。風(fēng)電機(jī)組振動信息采集硬件配置示意圖如圖1。

二、故障頻率和采集頻率

依據(jù)采樣定理，為滿足數(shù)據(jù)分析要求，采樣頻率要大于等于有效信號最高頻率的兩倍，采樣信息才包含原始信號的所有信息。

機(jī)組在線振動監(jiān)測系統(tǒng)主要關(guān)注機(jī)組主軸、齒輪箱和發(fā)電機(jī)振動故障，這三類部件的故障特征頻率和各部分的結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)和軸承座傳遞的外界激勵信號有關(guān)，其主要頻率成分為滾動軸承的特征頻率。

特征頻率可根據(jù)軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)計算:

式中：d為滾珠直徑，a為接觸角，z為滾珠數(shù)量，N為軸的轉(zhuǎn)速（r/min），D為軸承節(jié)徑。

通過上述公式可計算故障特征頻率值范圍最大值為700Hz，分析4倍頻諧波成分2800Hz，根據(jù)采樣定理，采集頻率為最大特征頻率值的兩倍，即為5600Hz，為便于做頻譜分析，通常設(shè)置加速度傳感器通道的采集頻率為8192Hz。

對于一個采集通道而言，采樣頻率為8192Hz，那么1S單通道的點(diǎn)數(shù)為8192個，采樣浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)存儲，占16K字節(jié)的存儲空間。

一般風(fēng)電機(jī)組振動監(jiān)測點(diǎn)位為8個，8個通道一天的數(shù)據(jù)量為：

計算可知，1059200K＝10.54G。

采集數(shù)據(jù)存儲

一、實(shí)時數(shù)據(jù)庫

實(shí)時數(shù)據(jù)庫，存儲的數(shù)據(jù)是從加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)，無間斷實(shí)時數(shù)據(jù)存儲信號的波形，不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)的丟失。

根據(jù)故障頻率和采集頻率一節(jié)計算可知，一個4T的硬盤，如果全部用于存儲實(shí)時數(shù)據(jù)，存儲時間長度為：

一個風(fēng)電場33臺機(jī)組，11.7天采集的實(shí)時數(shù)據(jù)可存滿4T的硬盤。

二、 歷史數(shù)據(jù)庫

歷史數(shù)據(jù)庫，存儲各種特征參數(shù)，每隔300s抽樣保存一次實(shí)時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，在存儲容量允許的范圍內(nèi)，查看歷史數(shù)據(jù)庫可查看所有特征值和實(shí)時數(shù)據(jù)波形。歷史數(shù)據(jù)庫存儲的是稀釋后的實(shí)時數(shù)據(jù)。

根據(jù)故障頻率和采集頻率一節(jié)計算可知，一個4T的硬盤，如果全部用于存儲歷史數(shù)據(jù)，存儲時間長度為：

一個風(fēng)電場33臺機(jī)組，3532.8天采集的歷史數(shù)據(jù)可存滿4T的硬盤。

三、故障數(shù)據(jù)庫

根據(jù)故障頻率和采集頻率一節(jié)計算可知，一個1T的硬盤，如果全部用于存儲故障數(shù)據(jù)，允許的故障次數(shù)：

一個風(fēng)電場33臺機(jī)組，284.7次故障數(shù)據(jù)可存滿1T的硬盤。

提高數(shù)據(jù)有效性策略

根據(jù)第二節(jié)的計算和分析可知，風(fēng)電機(jī)組振動數(shù)據(jù)量很大，硬盤的存儲空間有限。擴(kuò)充存儲容量，增大存儲空間固然可解決此類問題，但這一策略會極大增加硬件成本。

為監(jiān)測風(fēng)電機(jī)組振動故障的在線監(jiān)測設(shè)備，應(yīng)考慮機(jī)組本身的運(yùn)行特性，根據(jù)實(shí)際情況，在軟件上采用相應(yīng)的存儲策略，覆蓋或者屏蔽無效數(shù)據(jù)，是增加數(shù)據(jù)存儲空間和提高數(shù)據(jù)有效性的有效手段。

一、數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)

數(shù)據(jù)壓縮是指在不丟失信息的前提下，縮減數(shù)據(jù)量以減少存儲空間，提高其傳輸、存儲和處理效率的一種技術(shù)方法。或按照一定的算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組織，減少數(shù)據(jù)的冗余和存儲的空間。

眾所周知，計算機(jī)采用的是二進(jìn)制系統(tǒng)。一個連續(xù)的n位二進(jìn)制數(shù)集，就可以用來表示 2n 個字符。目前的國際標(biāo)準(zhǔn)是ASCII碼：用一個字節(jié)即8位數(shù)的2進(jìn)制碼，來表示各種字符和字母。

在使用微信平臺對學(xué)生進(jìn)行輔導(dǎo)階段，輔導(dǎo)員要持續(xù)給予學(xué)生關(guān)注，對學(xué)生生活中出現(xiàn)的問題有全面的認(rèn)識。同時，互聯(lián)網(wǎng)仍處于高速發(fā)展?fàn)顟B(tài)，各種實(shí)用性強(qiáng)、操作便捷的程序仍在不斷出現(xiàn)，輔導(dǎo)員要從學(xué)生的角度對互聯(lián)網(wǎng)以及相關(guān)方面的發(fā)展有深入的了解，使思政教育工作保持良好的狀態(tài)。

現(xiàn)在我們只使用2位二進(jìn)制碼，來簡單地演示由4個符號組成的字符串的壓縮過程。

假設(shè)我們有這么一串20個字母的數(shù)據(jù)：

壓縮過程如下：

1.注明每個字符的出現(xiàn)次數(shù)。把兩個出現(xiàn)次數(shù)最小的字符圈到一起，看作一個新字符，新字符的次數(shù)為兩個組成字符的次數(shù)之和。

2.重復(fù)上述操作，直至完成對所有字符的處理。這種操作形成的結(jié)構(gòu)看起來像棵樹（如圖2），被稱為霍夫曼（Huffman）樹。

對于一個采集通道而言，采樣頻率為8192Hz，那么1S單通道的點(diǎn)數(shù)為8192個，采樣浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)存儲，原來占16K字節(jié)的存儲空間，采樣數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，重新組織數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的存儲空間為8K，由此可見，存儲空間與常規(guī)存儲箱變，存儲容量提高了1倍，相對節(jié)省了存儲空間。

二、歷史數(shù)據(jù)庫-自動優(yōu)選覆蓋

歷史數(shù)據(jù)庫是用于查看機(jī)組振動趨勢的，當(dāng)風(fēng)速小、風(fēng)電場限電、機(jī)組檢修時，機(jī)組的振動數(shù)據(jù)對于數(shù)據(jù)分析而言沒有意義，該部分采集的振動數(shù)據(jù)可覆蓋。另外，根據(jù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷經(jīng)驗，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在額定狀態(tài)下時，振動數(shù)據(jù)有效性是最高的。

針對上述風(fēng)電場狀態(tài)，在上位機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件中建立數(shù)據(jù)有效性判據(jù)：

1.轉(zhuǎn)速判據(jù)。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組實(shí)際轉(zhuǎn)速大于1/3的額定轉(zhuǎn)速后，歷史數(shù)據(jù)庫存儲機(jī)制開始工作。這樣可排除風(fēng)速小、風(fēng)電場限電、機(jī)組檢修等原因造成停機(jī)而采集的無效數(shù)據(jù)，節(jié)省存儲空間，同時提高了數(shù)據(jù)有效性。

2.有效值判據(jù)。根據(jù)VDI3834標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)組振動通道的數(shù)值超過I級限值后，需要引起重視。因此，在歷史數(shù)據(jù)庫存儲機(jī)制開始工作后，對于該機(jī)組所有通道一定時間內(nèi)的有效值累計值與額定有效值的累積做比較，高于額定累計值的數(shù)據(jù)存儲，低于額定累計值的數(shù)據(jù)自動被覆蓋，并在數(shù)據(jù)庫中做標(biāo)記，節(jié)省存儲空間，同時提高了數(shù)據(jù)有效性。

三、故障數(shù)據(jù)庫-頻發(fā)性故障數(shù)據(jù)屏蔽

故障數(shù)據(jù)庫是用于存儲故障點(diǎn)位前后900s的實(shí)時數(shù)據(jù)，便于后期故障診斷。由于風(fēng)電機(jī)組地處高山、海灘、海島等風(fēng)口處，當(dāng)機(jī)組發(fā)生故障時，故障數(shù)據(jù)庫開始數(shù)據(jù)存儲。如果現(xiàn)場不能及時處理并解決該故障，那么該故障會一直存在，故障數(shù)據(jù)會一直存儲，同一故障數(shù)據(jù)會占用大量存儲空間。因此，在故障數(shù)據(jù)庫中建立判據(jù)：

1.偏航啟動判據(jù)。根據(jù)風(fēng)電場運(yùn)行控制經(jīng)驗，風(fēng)電機(jī)組在偏航過程中，偏航引起的振動一般會超過振動限制，引起上位機(jī)軟件誤判，增加故障數(shù)據(jù)存儲次數(shù)和占用存儲空間。偏航啟動時，將偏航信號作為開啟屏蔽故障信號的觸發(fā)開關(guān)，屏蔽偏航過程中產(chǎn)生的故障數(shù)據(jù)。

2.存儲間隔判據(jù)。故障發(fā)生后，存儲前300s和后600s的數(shù)據(jù)。在300s再次檢測當(dāng)前的振動是否超過限值，如果未超過，則結(jié)束存儲；如果超過，再次存儲。節(jié)省存儲空間，同時提高了數(shù)據(jù)有效性。

3.限次數(shù)梯次存儲判據(jù)。設(shè)置單通道故障存儲次數(shù)。多次超過限值后存儲的多組數(shù)據(jù)，對于這些組有效值的累計值大小進(jìn)行排序，保留前20組數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)刪除，節(jié)省存儲空間，同時提高了數(shù)據(jù)有效性。

結(jié)論

機(jī)組故障診斷是一個復(fù)雜而長期的過程，本文針對振動數(shù)據(jù)存儲問題，介紹了一種振動數(shù)據(jù)采集上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)處理的優(yōu)化方法，在節(jié)省空間的同時，也提高了數(shù)據(jù)的有效性，為后期數(shù)據(jù)分析和故障分析打下了良好的基礎(chǔ)。

（作者單位：李德雄，齊會娟：石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院；李斌：北京鼎好鑫源科技有限公司；李瑩瑩：北京英邁語言文化咨詢公司；王銘：中國航天萬源國際（集團(tuán)）有限公司）