智能化風電機組在線監(jiān)測技術(shù)研究

張亞洲

摘 要：發(fā)展清潔、可再生能源是新時期可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。近年來，風能發(fā)展迅速，如何確保風電機組的穩(wěn)定運行，是確保風能有效利用的重要前提。文章分析智能化風電機組在線監(jiān)測的技術(shù)原理、技術(shù)要點，并在此基礎(chǔ)上，闡述了智能化風電機組在線監(jiān)測技術(shù)的價值和社會效益。文章一方面強化了對智能化風電機組在線監(jiān)測技術(shù)的認識，另一方面深入研究了智能化風電機組在線監(jiān)測系統(tǒng)的建立，對于推動風能事業(yè)發(fā)展起到重要作用。

關(guān)鍵詞：風電機組；智能化；在線監(jiān)測技術(shù)

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）27-0066-02

1 風能機組

風能是一種干凈的、可再生的能源，在當前國家大力保護環(huán)境、節(jié)約能源的背景下，利用風能發(fā)電是極為重要且極具有發(fā)展?jié)摿Φ陌l(fā)電方式。然而隨著風電機組裝機容量及機組單機容量不斷增長的同時，又對風電機組的安全、可靠性提出了更高的要求。

據(jù)統(tǒng)計，大兆瓦級風力發(fā)電機組的故障主要集中在齒輪箱、發(fā)電機、葉片、電氣系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)等關(guān)鍵部件。

這些關(guān)鍵部件一旦出現(xiàn)故障，會造成風電機組停機損失發(fā)電量，再加上風電場所處的地理位置比較偏僻，氣候條件比較惡劣，而且機組處于高空運行，維修維護成本較高，嚴重影響風力發(fā)電的經(jīng)濟效益。

因此，對于機組的主要部件進行連續(xù)監(jiān)控，第一時間了解機組的健康狀態(tài)，具有重要的社會經(jīng)濟價值。

本文所闡述的智能化在線監(jiān)測系統(tǒng)目前在國內(nèi)3 MW機組上實現(xiàn)批量安裝。

據(jù)分析，使用在線監(jiān)測系統(tǒng)，由于齒輪箱故障導致的維修費用相比沒有安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)，可節(jié)省59%的費用。

可見，安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)，對于風電行業(yè)的經(jīng)濟效益有著顯著的影響。

2 智能化風電機組在線監(jiān)測的技術(shù)原理

針對當前控制機組安全運行、降低風電機組的維護成本，提高機組利用率的需求，開發(fā)智能化的風電機組在線監(jiān)測系統(tǒng)，以便更及時、更準確的對風電機組健康狀態(tài)進行評估，保證機組安全、可靠、經(jīng)濟的運行，同時系統(tǒng)經(jīng)過長期運行，可以獲得機組的狀態(tài)數(shù)據(jù)，對機組設(shè)計的改進及現(xiàn)場維護有積極的指導意義。

高、低頻加速度傳感器的參數(shù)表，見表1、2。

從表中可以看出，智能化風電機組在線監(jiān)測器系統(tǒng)的高、低頻加速度傳感器具有更高的靈敏度，并且，在頻響范圍上有了較大的改善，在很大程度上提高了傳感器的應(yīng)用效率。

此外，在溫度范圍上，-50～+120 ℃進一步提高了傳感器的應(yīng)用性。

根據(jù)風電機組的機械結(jié)構(gòu)特點，在風電機組的主要傳動鏈部件上安裝振動傳感器，結(jié)合風電機組主要部件的振動特性，定制專門的數(shù)據(jù)采集策略來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，在研究部件振動機理的理論基礎(chǔ)上，采用智能化的數(shù)據(jù)處理方法來實現(xiàn)部件特征信息的提取，建立起適用于風電機組故障的專家知識庫，進而實現(xiàn)系統(tǒng)的自動智能診斷。智能化風電機組在線監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集單元的參數(shù)表，見表3。

從表中可以知道，數(shù)據(jù)采集單元的優(yōu)越性更加顯著，-30～65 ℃的運行環(huán)境、-40～70 ℃的儲存環(huán)境溫度，這對于確保數(shù)據(jù)有效采集是至關(guān)重要的。榆次同時，在IP等級和防腐等級方面，為進一步確保數(shù)據(jù)采集單位的有效工作，防腐登記和IP等級都有了較大的提高，進而體現(xiàn)在線監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)越性。

3 智能化風電機組在線監(jiān)測的技術(shù)要點

相比于其他的在線監(jiān)測系統(tǒng)，智能化風電機組在線監(jiān)測的技術(shù)要點更加顯著、更有助于提高在線監(jiān)測的有效性。

具體而言，智能化風電機組在線監(jiān)測的技術(shù)要點，集中表現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1 高可靠性的硬件設(shè)計與開發(fā)技術(shù)

智能化風電機組在線監(jiān)測所開發(fā)的硬件系統(tǒng)，具有穩(wěn)定好，可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性好等特點。同時在數(shù)據(jù)采集方面，針對傳動鏈不同部件的振動特性，定制適用于該測點的采集策略，通過通訊的方式從風電機組主控系統(tǒng)獲取相關(guān)參數(shù)信息（功率、風速、軸承溫度等），實現(xiàn)這些參數(shù)信息與振動數(shù)據(jù)的同步采集。

3.2 風電機組振動故障特征信息的提取方法

風電機組由于其變轉(zhuǎn)速、變載荷的特性，加上其運行過程中會受到變槳、偏航等的影響，使得其振動信號比較復雜。本課題通過分析研究風電機組傳動鏈各部件的振動機理及故障特征，在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，采用智能化的數(shù)據(jù)處理方法從復雜的信號中提取部件的故障特征特征頻率，為建立專家數(shù)據(jù)庫，準確的判斷機組的運行情況提供有力的依據(jù)。

3.3 故障診斷專家知識庫的建立

故障診斷是風電機組在線監(jiān)測系統(tǒng)的重要部分，故障診斷的準確性直接關(guān)系到系統(tǒng)的應(yīng)用情況。本課題在風電機組主要機械部件振動機理研究的理論基礎(chǔ)上，結(jié)合長期的振動數(shù)據(jù)的積累及故障案例的分析總結(jié)，建立基于風電機組的故障診斷專家知識庫，進而實現(xiàn)系統(tǒng)的自動智能診斷功能。

3.4 準確的報警設(shè)置方法

針對不同風電機組在不同工況下的振動特性，建立基于工況的數(shù)據(jù)存儲策略，通過分析各工況下風電機組的振動數(shù)據(jù)，自動設(shè)置報警值，避免發(fā)生誤報漏報的情況，提高系統(tǒng)報警的準確性，為現(xiàn)場維護提供更為可靠的建議。

3.5 良好的系統(tǒng)集成性

本系統(tǒng)可以兼容油液傳感器的數(shù)據(jù)分析，與振動數(shù)據(jù)的分析互相支撐、互相補充；同時系統(tǒng)軟件可以與風場SCADA系統(tǒng)兼容，即在SCADA界面上可以實時顯示風電機組主要部件的運行狀態(tài)，以便于風場管理人員對整個風電機組的管理與控制。

4 智能化風電機組在線監(jiān)測的技術(shù)價值

在實際中，在線監(jiān)測系統(tǒng)已作為3 MW機組的標準配置，實現(xiàn)批量化應(yīng)用。如西班牙Laloma風電場、南非Metro Wind風電場、上海東海大橋風電場、江蘇東風電場等。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能實現(xiàn)對風電機組主要部件進行實時監(jiān)測，對機組的健康狀況做出準確的判斷與評估的功能，為現(xiàn)場維護提供了指導性的建議。

未來該系統(tǒng)也會成5 MW、6 MW以及更大機型上作為標準配置。

國家《風力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測導則》中明確規(guī)定，對于2 MW及以上風力發(fā)電機組，必須安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)?？梢姡S著風力發(fā)電機組裝機容量的不斷增加，在線監(jiān)測系統(tǒng)也有著廣闊的市場空間。

目前，關(guān)于智能化的風電機組在線監(jiān)測技術(shù)，國內(nèi)外均已開展相關(guān)工作。在線監(jiān)測系統(tǒng)的目的是通過對數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)風電機組主要部件運行過程中可能存在的隱患?？梢姡收显\斷的準確性是評價在線監(jiān)測系統(tǒng)好壞的主要指標之一。

然而，準確的故障診斷又與所采集數(shù)據(jù)的準確性、采集策略、對風電機組特性的了解、數(shù)據(jù)處理方法等環(huán)節(jié)都有著密切的關(guān)系。與其他在線監(jiān)測系統(tǒng)對比，本文所研究的監(jiān)測系統(tǒng)，其價值主要體現(xiàn)在以下幾方面。

4.1 數(shù)據(jù)采集策略的多樣性

針對風電機組主要部件的振動機理，針對不同 部件不同測點采取不同的采集策略，同時實現(xiàn)機組主控參數(shù)信息、振動信息的同時采集，從而獲得有效的數(shù)據(jù)。

4.2 報警值設(shè)置的準確性

當前大多在線監(jiān)測系統(tǒng)報警值的設(shè)置基本上基于VDI3834標準，但是由于風電機組有其不同的振動特性，用統(tǒng)一的標準來設(shè)定報警值，效果極其不理想。本系統(tǒng)采用基于不同工況的報警值設(shè)置方法，使得報警更準確。

4.3 數(shù)據(jù)處理方法的先進性

目前大部分在線監(jiān)測系統(tǒng)都采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，本課題在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法的基礎(chǔ)上，采用了一些智能化的數(shù)據(jù)處理方法，為故障診斷提供有力的工具。

4.4 故障診斷的自動化、智能化

目前大部分在線監(jiān)測系統(tǒng)都是通過人工的分析方法，故障的發(fā)展是一個循序漸進的過程，僅通過人工的方法定期分析數(shù)據(jù)，這樣會花費較高的人工和時間成本。智能化風電機組在線監(jiān)測系統(tǒng)可以對常規(guī)的故障實現(xiàn)智能診斷，對于比較復雜的故障，還需要專業(yè)的工程師進行分析。

5 智能化風電機組在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用的社會效益

隨著風電機組裝機容量的增加，以及風電機組向大兆瓦級的方向發(fā)展，由于風電機組故障停機導致的發(fā)電量損失、維護維修成本過高等問題已成為風電行業(yè)比較關(guān)注的問題。

如陸上一臺3 MW機組，塔架高達90 m左右，齒輪箱重量20 t左右，如果齒輪箱發(fā)生故障，僅拆裝費用可高達100萬元以上，如果再加上運輸和維修費用，則高達200萬元，這相當于風力發(fā)電機組生產(chǎn)成本的13%，而且還會導致機組停機數(shù)月，影響發(fā)電量。海上機組由于拆裝的困難，維護需要出動大型輪船，其維護成本至少是陸上的2倍以上。

因此，在風電機組上安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)控風電機組的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的隱患，采取有效措施避免重大事故的發(fā)生，同時可將當前風電場定期維護和事后維護的模式改為預(yù)測維護模式，可以有效的降低運行維護成本。

6 結(jié) 語

總而言之，風能作為一種可再生清潔能源，近年來得到了快速發(fā)展，成為電力行業(yè)發(fā)展的重要部分。風電機組的安全穩(wěn)定運行，是確保風能有效利用的重要前提，如何構(gòu)建智能化的在線監(jiān)測系統(tǒng)，是確保風電機安全穩(wěn)定運行的重要工作。

本文通過智能化在線監(jiān)測技術(shù)的研究，并建立智能化風電機組在線監(jiān)測系統(tǒng)，在很大程度上優(yōu)化了在線監(jiān)測技術(shù)，對于進一步推動風電機組在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，起到了重要的作用。

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