風電機組振動在線監測系統研究

包洪印 劉文斌 周博偉 謝麗蓉

摘 要：為了實現高效率發電、低運維成本，文章研究了風電機組振動在線監測系統。當監測系統接收到各個部件的振動頻率時，與正常數據進行比較，當超出正常頻率范圍時可以發出預警并顯示相關故障部件，維護人員能夠及時對設備進行檢查或維修。

關鍵詞：風力發電機組；在線振動檢測；振動；故障

風電機組在線振動系統遠程采用傳感器采集數據，遠程診斷中心利用平臺分析處理與診斷，實現遠程監控和處理。本系統包括傳感器采集和軟件系統，可以實現對轉速、長波形數據、時域指標的查看，并根據采集的數據進行頻譜分析、趨勢分析、倒譜分析、瀑布圖等，實現少人或無人監控，遠端處理。

1 系統原理及相關組成部分

1.1 系統的監測原理

大型風力發電機組的主要故障信號有振動、聲發射、應力、轉矩、溫度、油液、電信號和數據采集與監視控制（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）信號等。風機的振動信號監測已經用于風機齒輪箱、發電機、主軸、葉片、塔架等監測。如Waters等[1]提出的基于振動的實時方法檢測、定位和識別電機的齒輪故障；Sarvajith等[2]使用傅里葉和離散小波變換對軸承滾動元件狀態的信號進行預處理，再利用支持向量機進行故障和健康軸承的分類識別實現其故障識別。AE監測技術已經用于風機葉片、齒輪箱和軸承故障診斷。

本系統主要是通過遠端監測系統監測風機（齒輪、軸、軸承）等部件的振動，從而預判斷部件振動頻率是否在安全范圍內。當不在安全范圍時，判斷部件是否發生形變或損壞。當發生形變或損壞時，監測系統及時報警，并顯示損壞部件，保留損壞的數據。得知損壞部件，及時安排相關技術人員更換相應部件。此系統既節約了維護的成本，又為維修減少了不必要的麻煩，極大地簡化了當前的風機維護工作。

1.2 系統的總體設計

本系統主要由振動加速度傳感器、轉速傳感器、數據采集單元、現場服務器以及分析與診斷軟件組成。系統針對風電場現場維護人員和機組分析與診斷人員分別提供不同的應用程序接口。針對現場維護人員提供Web方式的狀態監測軟件，針對分析與診斷人員提供專業化的分析診斷軟件，實現了監控多點數據。系統采用現場總線標準，保護用電側核心資源和用電安全，采用了工業以太網標準，采集數據到監控中心，實現人機交互界面。

監控端通過振動加速度傳感器采集傳動鏈上垂直、水平與軸向方向的振動信號，針對不同結構類型的機組，選用不同配置的加速度傳感器安裝在風機主軸上。增速機能夠采集風電機組主傳動鏈（主軸、齒輪箱、發電機）中各軸承、齒輪等位置的振動信號和運行狀態，發現軸承、齒輪箱及發電機故障的早期征兆，監測每個測點振動趨勢的變化，超出預定報警門限值時觸發報警，精確定位故障部件、故障類型以及嚴重程度，并可通過郵件和短信實現自動報警信息推送。

在線監測站是針對風電機組非穩態特點，采用全采樣專利技術而設計的。監測站具備16路振動、16路溫度、4路晃動量、4路工藝量和2路轉速量通道，采集并監測風電機組的振動及轉速。根據長期監測的數據結果實時監測設備的運行狀態，在設備運行發生異常或故障時及時自動報警并進行診斷，及時將設備的使用情況置于監控狀態下，對防止事故，保持正常生產，降低成本有重要意義。振動監測可以在不拆卸設備的情況下判斷設備是否存在故障并大致確定故障部位。根據風電機組的特點，主要監測部位有：齒輪箱、發電機、主軸承、其他軸承、偏航及塔筒。

設備上監測的部件進行組建（軸、齒輪、軸承、葉片），明確各部件關系和整體設備的形態，為后續計算不同軸的轉頻、齒輪嚙合和軸承特征做準備。采集單一的轉速，需要設置采集轉速的位置（轉速是哪個軸上）。

1.3 控制端的軟件設計

1.3.1 采集定義組

采集定義組是用來設置動態量數據采集的各項參數，如分析頻率、波形長度等。系統提供兩種類型采集定義組：系統和自定義類型。系統類型的采集定義組是系統根據現場的一些實際工作情況，將用戶常用的采集定義組設置、保存為系統類型的采集定義組，用戶可以直接添加使用。自定義采集定義組的功能是針對一些特殊的情況，方便用戶通過自定義采集定義組來實現。

采集定義組中包括以下參數：（1）信號類型。可選擇加速度、速度、位移、電壓量和電流量。（2）波形類型。可選擇時域波形或頻譜。（3）下限頻率。低于下限頻率的信號將被抑止。（4）上限頻率。即最大分析頻率，此設置實際上定義了低通濾波器的截止頻率和采樣頻率。（5）譜線數。定義了頻譜數據的長度。（6）波形長度。定義了波形數據的長度。

1.3.2 設備的特征頻率

針對構建的設備部件信息和采集數據的轉頻，計算出所有部件的信息（轉頻、嚙合頻率、缺陷頻率、軸承特征頻率），給出設備特征頻率功能予以顯示，包括輸入轉頻重新計算特征頻率、在特征頻率中搜索指定的頻率、在圖譜上標注特征頻率等功能。

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、發電機的輸入軸和輸出軸旋轉頻率比主軸旋轉頻率高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。設備特征頻率總覽，包括轉頻、嚙合頻率、缺陷頻率、軸承特征頻率等，可以在系統軟件當中集中顯示。

2 監測指標與報警處理

測點監測指標是將設備的測點與需要監測的指標內容建立對應關系，每個傳感器在采集時域波形后，可以計算多個指標，在一臺設備上面可能會有很多傳感器，也會獲取其他位置的指標，但是每個傳感器對不同位置測試精準度是不一樣的，因此，需要整體考慮每個測點關聯的指標值，必須由專業的診斷人員進行相關設置。振動信號的分析主要依靠安裝在現場設備上的傳感器以及遠程診斷中心。現場服務器及時有效地保存故障振動信息，且實時顯示各風機通道的時域和頻域信號，便于風場管理人員掌握風機工作狀態。遠在異地的診斷專家和管理員可以通過Internet網絡訪問現場服務器，隨時隨地掌握風力發電機組運行狀態，并對故障信息進行分析判斷，提出故障原因及解決辦法。

針對各添加的設備部件，計算其各個指標從而監測其變化。將測點和部件一一對應，就得到每個測點對應的部件上的指標。當檢測據不在正常范圍時發出報警，監測指標報警分為“報警”和“危險”兩種。

3 結語

風電機組振動在線監測系統實現了監測人員只需要通過監測軟件的反饋就可以對各個風電機組的各個部件進行實時監測，通過傳感器監測相關部件的振動頻率，從而判斷部件的運行狀態。狀態監測是減少故障率、降低運維成本、提高調度水平的有效手段。研發并應用先進的風電機組健康狀態監控調度技術，是順應國家發展“智慧風機”的緊迫需求，也是風電場智能運行與管理的發展趨勢。此系統極大地簡化了維修人員的維修工作，擺脫了傳統的巡邏方式，對維修機組和維修部件可以做出針對性的維修，從而進一步提高了風電場參與電網調度的準確性和靈活性。

[參考文獻]

[1]于輝，鄧英.變速風力發電機變流器故障診斷方法[J].可再生能源，2010（3）：89-92.

[2]SARVAJITH M，BRIJESH S，SADANAND K，et al.Condition monitoring of rolling element bearing using wavelet transform and support vector machine[C].Beijing：NCCM，2013.