基于風(fēng)機(jī)葉片遠(yuǎn)程聽診的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

國(guó)電電力新疆新能源開發(fā)有限公司 韓小地 徐榮鵬 李 偉 華風(fēng)數(shù)據(jù)（深圳）有限公司 黎 濤 黃文廣 陳 文 張研祥

風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組核心部件之一，是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備，其狀態(tài)對(duì)整機(jī)的性能和發(fā)電質(zhì)量有直接的影響[1]。由于長(zhǎng)期運(yùn)行于變負(fù)載及惡劣的環(huán)境下導(dǎo)致其故障頻發(fā)，因此對(duì)葉片進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)于確保風(fēng)電機(jī)組的效率和提高機(jī)組安全可靠性具有非常重要的作用。

當(dāng)前基于風(fēng)機(jī)葉片狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方法有振動(dòng)檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、聲發(fā)射檢測(cè)等方法。A.Joshuva等[2]利用振動(dòng)信號(hào)和機(jī)器學(xué)習(xí)的方法能夠識(shí)別風(fēng)機(jī)葉片的故障類型；André Lamarre等[3]將超聲波相控陣技術(shù)用于風(fēng)機(jī)葉片內(nèi)部缺陷的檢測(cè)；袁洪芳等[4]針對(duì)風(fēng)機(jī)葉片裂紋位置及其強(qiáng)度難確定的問題，提出了用聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行裂紋位置及其強(qiáng)度的定位方法。以上方法在風(fēng)機(jī)葉片故障診斷中得到廣泛應(yīng)用，但振動(dòng)檢測(cè)采集到的信號(hào)源復(fù)雜多變，很難檢測(cè)到葉片的早期故障。超聲波檢測(cè)探傷結(jié)果不便保存且較難對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片實(shí)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。聲發(fā)射和振動(dòng)檢測(cè)需安裝傳感器在葉片上，會(huì)破壞葉片固有結(jié)構(gòu)且安裝困難。針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)出一套便攜式風(fēng)機(jī)葉片遠(yuǎn)程聽診的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 風(fēng)機(jī)葉片氣動(dòng)噪聲信號(hào)分析

當(dāng)葉片存在損傷時(shí)，在凸起的部位氣流與葉片由于摩擦的作用，相比于正常狀態(tài)下會(huì)發(fā)出尖銳的高頻呼嘯聲。此時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻域分析，風(fēng)噪的頻譜能量一般集中分布在200Hz以下，且損傷葉片的氣動(dòng)噪聲在時(shí)頻域圖上高頻段能量比機(jī)組正常葉片明顯增大。在正常情況下，這個(gè)高頻噪聲能量很小，而發(fā)生機(jī)組葉片損傷事件時(shí)將變得很大。

2 風(fēng)電葉片狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

葉片便攜式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器、便攜式工控機(jī)組成，其中工控機(jī)內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊，數(shù)據(jù)分析軟件和監(jiān)控管理中心。風(fēng)機(jī)葉片損傷產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲與葉片正常狀態(tài)下的氣動(dòng)噪聲有明顯區(qū)別，通過人耳能夠分辨出兩種狀態(tài)，因此傳聲器頻率響應(yīng)應(yīng)覆蓋在20～20kHz頻段。多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，相比于葉片旋轉(zhuǎn)的上風(fēng)側(cè)下風(fēng)側(cè)的信噪比更高。因此，為了獲取較高的信噪比傳聲器可安裝在風(fēng)場(chǎng)的主導(dǎo)風(fēng)方向。

2.1 硬件實(shí)現(xiàn)

選用YG-201型陣列傳聲器，其工作原理是傳聲器接收聲波并將其轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。該型傳聲器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、高輸入阻抗、大動(dòng)態(tài)范圍、低噪聲、低功耗、相位一致性好等特點(diǎn)，適于精確噪聲測(cè)量、高噪聲測(cè)量、戶外和陣列使用。具體參數(shù)：1/2英寸駐極體傳聲器，聲場(chǎng)類型為自由場(chǎng)，頻率響應(yīng)20Hz～20kHz，靈敏度50mV/Pa(±1.5dB)，使用溫度-25℃～55℃（工業(yè)級(jí)），外徑13.2mm（戴保護(hù)罩）、12.7mm（不戴保護(hù)罩），高度17.2mm（戴保護(hù)罩）、16mm（不戴保護(hù)罩）。

便攜式工控機(jī)為風(fēng)機(jī)葉片遠(yuǎn)程聽診系統(tǒng)的核心單元，集成了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、信號(hào)處理及機(jī)器學(xué)習(xí)算法等模塊。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

風(fēng)電機(jī)組葉片的損傷可看成模式識(shí)別問題，由信號(hào)處理、特征提取、分類器設(shè)計(jì)三個(gè)部分組成。具體的診斷流程如圖1。

2.2.1 信號(hào)處理

采集器采集的葉片聲學(xué)信號(hào)包含機(jī)械噪聲、環(huán)境噪聲和氣動(dòng)噪聲[5]。機(jī)械噪聲主要來(lái)自機(jī)艙，包括偏航電機(jī)、變槳系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、變頻器等設(shè)備發(fā)出的噪聲。將采集器安裝在塔底，使之遠(yuǎn)離機(jī)械噪聲源，可消除機(jī)械噪聲對(duì)葉片聲學(xué)信號(hào)的干擾。環(huán)境噪聲包含風(fēng)噪聲、雷擊、雨聲等，相比于氣動(dòng)噪聲的寬頻分布（200～20kHz），環(huán)境噪聲幾乎處于數(shù)百Hz的低頻范圍，因此可通過高通濾波器予以去除。為使通帶內(nèi)頻率響應(yīng)曲線盡可能平坦，選用巴特沃斯帶通濾波器，濾波器的階數(shù)取30～50，下限截止頻率為50～200Hz，上限截止頻率為10～15kHz，其平方幅頻響應(yīng)函數(shù)為：

式中N為濾波器的階數(shù)，Ωc為3dB截止頻率，Ωu為上限截止頻率，Ωl為下限截止頻率。N越大通帶內(nèi)特性越平坦，過渡帶越窄濾波效果越好，但也帶來(lái)計(jì)算量的顯著增加。信號(hào)去噪后，使用滑動(dòng)窗口和能量閾值方法來(lái)檢測(cè)去噪后信號(hào)的瞬時(shí)脈沖信號(hào)，當(dāng)平均窗能量連續(xù)地大于設(shè)定的能量閾值時(shí)，就認(rèn)為信號(hào)中存在有效的脈沖。

2.2.2 特征提取及優(yōu)化

工程實(shí)際中常用倍頻程描述噪聲信號(hào)的頻譜變化趨勢(shì)[6]，綜合考慮算法的魯棒性及倍頻程的高低頻表征的能力，采用1/6倍頻程刻畫噪聲信號(hào)的差異性，經(jīng)過特征提取后，特征向量維數(shù)較高，可能包含大量的冗余信號(hào)。為去除冗余信息并提取主要信息，采用主成分分析法對(duì)所有能量比特征進(jìn)行降維。

2.2.3 分類器的設(shè)計(jì)

風(fēng)電機(jī)組在實(shí)現(xiàn)運(yùn)行中發(fā)生葉片損傷的幾率很小，因此獲取故障樣本難度很大，且不同的風(fēng)機(jī)葉片故障面積的大小、故障類型不同，故障特征難以聚類，實(shí)際采集到的為大量的正常樣本數(shù)據(jù)。因此提出基于支持向量數(shù)據(jù)描述（SVDD）的單分類故障診斷算法（圖2），假設(shè)數(shù)據(jù)集X=[x1,x2,…,xl]，其中[x1,x2,…,xl]表示樣本集，用符號(hào)“o”表示，[xl+1,…,xn]表示非目標(biāo)樣本集，用符號(hào)“+”表示，樣本xi=[t1,t2,t3]，其中t1,t2,t3表示特征。通過訓(xùn)練目標(biāo)樣本集建立最小超球體，使其盡可能地包圍所有的目標(biāo)樣本而排除其它非目標(biāo)樣本。

3 風(fēng)機(jī)葉片狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試

為訓(xùn)練SVDD模型，現(xiàn)場(chǎng)采集了瑪依塔斯風(fēng)電場(chǎng)、風(fēng)雨殿風(fēng)電場(chǎng)正常與故障風(fēng)機(jī)的聲學(xué)信號(hào)，其中瑪依塔斯風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)型號(hào)為UP2000-96，機(jī)組容量1.5MW，葉片故障類型為前緣開裂，風(fēng)雨殿風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)型號(hào)為UP2000-115，機(jī)組容量為2MW，葉片故障類型為后緣開裂。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由YG-201型傳聲器、集成在工控機(jī)中的采集卡及采集程序構(gòu)成，源數(shù)據(jù)經(jīng)過信號(hào)處理后，以三個(gè)連續(xù)的短時(shí)脈沖信號(hào)為一個(gè)樣本周期（表1）。

表1 數(shù)據(jù)集信息

從Data3數(shù)據(jù)集中以一段信號(hào)做時(shí)域分析（圖3），信號(hào)去噪前，由于低頻風(fēng)噪的影響在原信號(hào)中看不出有短時(shí)脈沖信號(hào)，經(jīng)高通濾波后信號(hào)周期和短時(shí)脈沖信號(hào)能夠直觀顯示，最后以連續(xù)三個(gè)脈沖信號(hào)作為一個(gè)樣本周期進(jìn)行特征提取。最后經(jīng)過特征提取及優(yōu)化之后的數(shù)據(jù)集用于SVDD模型的訓(xùn)練，模型分類結(jié)果達(dá)98%以上。

4 結(jié)語(yǔ)

為了驗(yàn)證本文所提風(fēng)機(jī)葉片遠(yuǎn)程聽診系統(tǒng)是否有效，對(duì)瑪依塔斯風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試，分別測(cè)試了登錄、實(shí)時(shí)信號(hào)時(shí)域分析、頻域分析、信號(hào)特征曲線、故障報(bào)警等各項(xiàng)功能，實(shí)地測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠應(yīng)用于大型風(fēng)電機(jī)組葉片損傷的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有潛在的工程應(yīng)用價(jià)值。