基于多采樣率的風電多機組遠程監(jiān)測?

楊彥利, 苗長云

(天津工業(yè)大學電子與信息工程學院 天津,300387)

引 言

隨著人類環(huán)保意識的提高以及不可再生資源的日益枯竭,風能受到了廣泛關注,已成為國際上可再生能源領域發(fā)展最快的清潔能源之一。截止到2009年底,全球風機的發(fā)電量已占用電總量的 2%,我國的裝機總量已位居世界第2位[1]。風電機組維護的高成本阻礙著風力發(fā)電行業(yè)的健康發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計,陸上和海上風電機組的維護費用分別約占其收入的10%～ 15%和 20%～ 25%[2]。除了改進風電機組相關部件的設計來提高可靠性外,降低風電成本的一個有效途徑是對風電機組實施有效的狀態(tài)監(jiān)測[3-4]。但風力機故障監(jiān)測存在其特殊性,大型風力電場多布置于寬闊邊遠地區(qū),惡劣的自然環(huán)境對風電機組的維護構成挑戰(zhàn),而且經(jīng)常需要多位知名專家對風電機組進行異地診斷[5],因此有必要開發(fā)風電機組的遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

目前,在線式風電機組狀態(tài)監(jiān)測和遠程故障診斷系統(tǒng)已在風力發(fā)電設備中得到應用[6-7],部分應用還實現(xiàn)了基于廣域網(wǎng)的遠程狀態(tài)監(jiān)測;但是,這些基于廣域網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)一般只能實現(xiàn)對功率、轉(zhuǎn)速、電流和風速等參數(shù)的監(jiān)測,無振動量監(jiān)測,存在故障預警功能欠缺等缺點[8]。由于風電機組振動信息的數(shù)據(jù)量非常大,受網(wǎng)絡傳輸速度慢的制約,基于振動信號的廣域網(wǎng)多機組遠程實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)還有待進一步開發(fā)。筆者利用多采樣率信號處理技術來研究基于廣域網(wǎng)的風電多機組遠程狀態(tài)監(jiān)測。

1 風電機組振動監(jiān)測

機械振動是工程技術中普遍存在的一種現(xiàn)象。當機器發(fā)生異常時,一般都會隨之出現(xiàn)振動加大并引起工作性能的變化,如影響工作精度、加劇磨損、加速疲勞破壞等,繼而進一步加劇振動,造成惡性循環(huán),直至發(fā)生故障和破壞[9]。大型變速風電機組的振動問題主要集中在4個方面[10]:a.風輪的氣彈效應;b.機械傳動鏈的扭曲振動,可能會受到氣動效應和電氣特性的激勵;c.偏航運動引起的振動問題;d.風輪塔架耦合的整機振動。

雖然風電機組的診斷方法有振動監(jiān)測、超聲監(jiān)測、溫度監(jiān)測、潤滑油監(jiān)測等多種方法,但由于風力機故障經(jīng)常以振動形式表現(xiàn)出來,根據(jù)振動信號進行監(jiān)測與診斷是目前風電機組維護管理的主要手段[5]。振動監(jiān)測是設備狀態(tài)監(jiān)測領域最常用的方法之一,通過從時域、頻域、時頻域等角度對振動信號進行分析,進而深入了解風電機組的運行狀態(tài),及時發(fā)現(xiàn)設備出現(xiàn)或即將出現(xiàn)的故障。

對于風電機組,振動監(jiān)測主要用于監(jiān)測發(fā)電機的軸承、主軸承、齒輪箱的齒輪和軸承,以及機艙等部件的振動情況[11]。風力機的振動監(jiān)測具有低轉(zhuǎn)速、動載荷等特點,低速軸和機艙的振動頻率通常低于 10 Hz[11]。由于風力渦輪機組的低速運轉(zhuǎn)限制了振動監(jiān)測方法對于早期故障的識別,有效地提取風電機組的低頻振動信號已成為風電機組遠程狀態(tài)監(jiān)測的關鍵。

2 多采樣率信號處理技術

多采樣率信號處理技術就是通過在一個信號處理系統(tǒng)中采用2個或2個以上的采樣速率,其目的是減少存儲量,降低計算復雜度,以便于信號的存儲、傳遞和處理等。多采樣率系統(tǒng)已在通信、語音信號處理、頻譜分析、雷達系統(tǒng)和天線系統(tǒng)等領域得到成功應用[12]。

抽取和插值是多采樣率信號處理的基本模塊[13],如圖1所示。抽取就是取出信號序列x(n)位于整數(shù)倍抽取因子位置上的值作為新的序列,而插值則是在信號x(n)的相鄰樣本間插入p-1個樣本值,通常是插入零值。抽取過程可表示為

圖1 多采樣率信號處理的基本模塊

假設信號x(n)的離散采樣率為fs,那么經(jīng)抽取后,信號yd(n)采樣率變?yōu)閒s/D;經(jīng)插值后,信號yp(n)采樣率為fp/D。為了避免抽取過程產(chǎn)生混疊和插值過程產(chǎn)生鏡像,通常需要在抽取前和插值后加入低通濾波器。

3 多機組遠程振動診斷

基于多采樣率處理技術的風電多機組遠程監(jiān)測系統(tǒng)如圖2所示,整個系統(tǒng)包括信號采集及預處理、多采樣率處理、廣域網(wǎng)傳輸、數(shù)據(jù)接收與信號處理、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷等模塊。每臺風電機組上需要安裝多個傳感器,分別用于采集風電機組的低速軸、高速軸和齒輪箱等關鍵零部件的軸向、徑向振動信號和轉(zhuǎn)速信號。針對風力發(fā)電廠的若干發(fā)電機組,整個系統(tǒng)的工作過程如下:首先,通過傳感器分別采集每臺風電機組的振動信號和轉(zhuǎn)速信號,并將采集到的振動信號經(jīng)預處理后變成離散信號;然后,根據(jù)轉(zhuǎn)速信號計算抽樣因子,對離散振動信號進行多采樣率處理,通過廣域網(wǎng)將多采樣率處理后的振動信號發(fā)送到遠程接收端;最后,通過在遠程接收端分析接收到的振動信號來識別設備的狀態(tài)并進行故障診斷,從而實現(xiàn)對風電多機組狀態(tài)的遠程實時監(jiān)測。在進行廣域網(wǎng)傳輸?shù)耐瑫r,將數(shù)據(jù)文件保存于本地局域網(wǎng)內(nèi),以免由于網(wǎng)絡故障而導致數(shù)據(jù)的丟失,既起到備份數(shù)據(jù)的作用,也可以用于設備狀態(tài)的本地診斷。

圖2 風電多機組遠程監(jiān)測系統(tǒng)框圖

多采樣率信號處理模塊如圖 3所示,首先計算得到抽樣因子,再根據(jù)抽樣因子來構造低通濾波器,對振動信號抗混疊低通濾波后進行二次抽樣處理。對于低速軸和高速軸,抽樣因子D的計算公式為

其中:c≥ 2,為一常數(shù);m為諧波次數(shù);nr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

對于齒輪箱,抽樣因子D應滿足

其中:fm為轉(zhuǎn)子速度為nr時齒輪的嚙合頻率。

圖3 多采樣率信號處理模塊

圖3中的低通濾波器起抗混疊濾波的作用。理想的抗混疊低通濾波器h(n)的幅頻響應特性[13]為

其中:k=2 πf/fs。

這意味著在抽取前,低通濾波器濾掉了信號中頻率高于k=π/D的成分,進而在二次抽樣后,以較低的采樣頻率采集到了風電機組不同監(jiān)測對象的低頻振動信號。

實際應用中,風速隨時間的變化會導致風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速具有時變性。根據(jù)式(2)和式(3)可知,抽樣因子能夠自適應地變化,但抽樣因子的時變性與其穩(wěn)定性構成一對矛盾。抽樣因子的快速變化會增加后續(xù)信號處理的難度。為了便于后續(xù)的頻譜分析,對于長度為 2冪次方的原始數(shù)據(jù),可以取抽樣因子為2的冪次方。這樣,在兼顧抽樣因子自適應變化的同時,在一定程度上穩(wěn)定了抽樣因子。另外,抽樣因子太大,會造成相鄰兩個離散點的時間間隔過大,而遠程接收到的數(shù)據(jù)長度就會很小,這不便于設備的狀態(tài)監(jiān)測。由此可知,為了減少數(shù)據(jù)量需要盡可能增大抽樣因子,而從設備監(jiān)測的角度則限制了大抽樣因子的使用,故需要綜合考慮來選擇抽樣因子。

二次采樣后的振動信號經(jīng)廣域網(wǎng)發(fā)送到遠程接收端,實現(xiàn)振動數(shù)據(jù)的異地分析。用于振動信號分析的方法有:時域波形、軸心軌跡、瀑布圖、全息譜、全頻譜、包絡分析、AR譜分析、趨勢分析、統(tǒng)計分析、自相關分析、自功率譜分析、倒譜分析、細化譜分析、解調(diào)分析、幅值譜分析、頻譜分析、短時傅里葉變換、小波變換、小波包變換、分數(shù)階傅里葉變換、Wigner-Ville分布、經(jīng)驗模態(tài)分解信號處理、高階統(tǒng)計量信號處理和基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的專家系統(tǒng)等分析方法。通過時域、頻域、時頻域等角度從振動信號中提取出風電機組的狀態(tài)特征信息,進而利用振動監(jiān)測技術實現(xiàn)風電機組的遠程狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。

4 仿真分析

以德國 Repower公司的 5 M風力發(fā)電裝置為例,其主要參數(shù)為[14]:風輪轉(zhuǎn)速6.9～ 12.1 r/min,發(fā)電機轉(zhuǎn)速670～ 1 170 r/min。假如每個機組布置 32個傳感器,其中 24個電渦流傳感器,其采樣頻率為10 kHz,用于低速軸和高速軸等零部件的振動信號采集;其余 8個為加速度傳感器,其采樣頻率為 20 kHz,用于齒輪箱的振動信號采集。

經(jīng)每個電渦流傳感器采集形成整數(shù)型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量為40 kB/s,經(jīng)每個加速度傳感器采集形成整數(shù)型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量為每秒鐘 80 kB/s,這樣,每秒鐘就會產(chǎn)生 1 600 kB的整數(shù)型數(shù)據(jù)。假定壓縮成 rar格式,按照標準壓縮方式進行壓縮,壓縮比大致為 7∶1,對于 4 MB帶寬的網(wǎng)絡,其網(wǎng)絡速度理想值大致為 364 kB/s,只能實現(xiàn)1臺風電機組振動數(shù)據(jù)的廣域網(wǎng)遠距離實時傳輸。在轉(zhuǎn)速為12.1 r/min的情況下,不同部件振動信號的數(shù)據(jù)量及二次抽樣后數(shù)據(jù)量的對比如表1所示。由表1可知,1 600 kB的數(shù)據(jù)經(jīng)二次抽樣處理后縮減為 85 kB,可實現(xiàn) 29臺風電機組振動數(shù)據(jù)在4 MB帶寬的廣域網(wǎng)上進行遠距離實時傳輸。

表1 不同部件振動信號數(shù)據(jù)量與抽樣后數(shù)據(jù)量的對比

在轉(zhuǎn)速為12.1 r/min情況下,發(fā)電機軸的仿真振動信號如圖 4所示,經(jīng)多采樣率處理模塊抽樣后的仿真振動信號如圖 5所示。由圖 4和圖 5可以看出,經(jīng)二次抽樣后,發(fā)電機軸的振動信號及其諧頻得到了很好的保留,結合表 1可知數(shù)據(jù)量的減小十分明顯。

圖4 發(fā)電機軸的仿真振動信號及其頻譜

圖5 二次抽樣后的仿真振動信號及其頻譜

5 結束語

網(wǎng)絡速度是基于廣域網(wǎng)的遠程實時狀態(tài)檢測的瓶頸,針對風力發(fā)電機組振動信號的低頻特性,設計了用多采樣率信號處理技術來處理振動信號,以減小包含振動信號的數(shù)據(jù)文件所占用的存儲空間。經(jīng)仿真對比可知,多采樣率信號處理技術處理后的振動信號數(shù)據(jù)量減小十分明顯。借助于多采樣率信號處理技術,在現(xiàn)有網(wǎng)絡條件下可實現(xiàn)基于振動信號的廣域網(wǎng)風電多機組狀態(tài)的遠程實時監(jiān)測。

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