基于SCADA數(shù)據(jù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析

成立峰，萬(wàn)書(shū)亭，繩曉玲

（華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003）

基于SCADA數(shù)據(jù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析

成立峰，萬(wàn)書(shū)亭，繩曉玲

（華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003）

風(fēng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，受風(fēng)特性和控制策略、制造安裝誤差等因素影響經(jīng)常出現(xiàn)振動(dòng)超限報(bào)警甚至停機(jī)等工程問(wèn)題。通過(guò)風(fēng)特性建模，以及提取風(fēng)電場(chǎng)海量的SCADA數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)據(jù)修正等統(tǒng)計(jì)方法對(duì)SCADA數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的豐富內(nèi)容進(jìn)行分析，研究了風(fēng)速統(tǒng)計(jì)平均值、湍流強(qiáng)度以及風(fēng)輪轉(zhuǎn)速統(tǒng)計(jì)平均值對(duì)風(fēng)機(jī)振動(dòng)的影響關(guān)系。結(jié)果表明，相關(guān)各量對(duì)風(fēng)機(jī)振動(dòng)的影響差異明顯?？蔀轱L(fēng)電場(chǎng)SCADA數(shù)據(jù)分析、風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估及現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)等提供有益參考。

振動(dòng)與波；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；風(fēng)電場(chǎng)；SCADA數(shù)據(jù)；振動(dòng)監(jiān)測(cè)；湍流

風(fēng)力發(fā)電是目前世界上發(fā)展最快的新能源產(chǎn)業(yè)，大中型風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)技術(shù)日趨成熟。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（supervisory control and data acquisition，SCADA）作為遠(yuǎn)程連接每臺(tái)風(fēng)機(jī)及主控機(jī)房的綜合監(jiān)控系統(tǒng)［1］，應(yīng)用已非常普遍，技術(shù)成熟，具有遠(yuǎn)程控制與參數(shù)調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)以及報(bào)警等諸多功能，是風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的重要組成部分［2-3］。

風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，SCADA系統(tǒng)會(huì)以較低的采樣頻率（如每10分鐘）采集記錄風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)。由于采樣頻率低，SCADA數(shù)據(jù)通常被忽視，其中蘊(yùn)含的豐富內(nèi)容被閑置或丟棄，沒(méi)能得到充分認(rèn)識(shí)和利用。其實(shí)，海量的SCADA數(shù)據(jù)中記錄了風(fēng)機(jī)多種類型的運(yùn)行數(shù)據(jù)：有些數(shù)據(jù)可直接反映風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，有些數(shù)據(jù)則可轉(zhuǎn)換成反映風(fēng)機(jī)性能的特征曲線，利用價(jià)值巨大［4-7］。

本文根據(jù)SCADA數(shù)據(jù)低頻采集、海量存儲(chǔ)的特點(diǎn)，以中國(guó)某風(fēng)場(chǎng)為例，對(duì)若干臺(tái)機(jī)組的SCADA數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集和調(diào)用。通過(guò)進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選和修正、數(shù)據(jù)相關(guān)性分析等方法，分析了風(fēng)機(jī)振動(dòng)狀態(tài)的相關(guān)特征，研究了機(jī)組振動(dòng)產(chǎn)生的原因，可為風(fēng)電場(chǎng)SCADA數(shù)據(jù)分析、風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估及現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)等提供參考。

1　風(fēng)電場(chǎng)及SCADA系統(tǒng)模型

1.1風(fēng)特性及建模

風(fēng)是風(fēng)力發(fā)電的源動(dòng)力，風(fēng)特性決定了風(fēng)電場(chǎng)的類型和優(yōu)劣。風(fēng)特性主要包括風(fēng)速和風(fēng)向，都具有隨機(jī)性和間歇性。

風(fēng)速模型是風(fēng)電場(chǎng)建模的重要部分，最常見(jiàn)的風(fēng)速分布模型是Weibull分布，如式（1）

式中Pw（ν0）為累積概率函數(shù)；ν0為風(fēng)速；C為Weibull分布函數(shù)的尺度參數(shù)；k為Weibull分布函數(shù)的形狀參數(shù)［8］。

Weibull風(fēng)速分布模型側(cè)重對(duì)風(fēng)能資源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，它描述了風(fēng)速在10 min或更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的平均值?，F(xiàn)在最常采用平均風(fēng)速和湍流分量疊加的風(fēng)速模型：以一定時(shí)間尺度內(nèi)的風(fēng)速均值為基準(zhǔn)，用湍流分量對(duì)其變化進(jìn)行修正。

風(fēng)速10 min統(tǒng)計(jì)平均值由式（2）得到

湍流強(qiáng)度是描述大氣湍流運(yùn)動(dòng)特性的特征量，它描述了風(fēng)速的時(shí)域和空域變化程度。湍流強(qiáng)度越大，風(fēng)速波動(dòng)越大，氣流不穩(wěn)，風(fēng)輪所受氣動(dòng)載荷變化越大。其數(shù)學(xué)定義是風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均風(fēng)速之比，如式（3）所示

式中IT為湍流強(qiáng)度；σ為風(fēng)速10 min統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

1.2風(fēng)場(chǎng)SCADA系統(tǒng)及數(shù)據(jù)修正模型

風(fēng)電場(chǎng)配置模型根據(jù)實(shí)際需求一般分為三個(gè)層次：本地監(jiān)控、中央監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控。如圖1所示。所含信息主要有：風(fēng)速、溫度、氣壓等風(fēng)場(chǎng)環(huán)境信息；風(fēng)電機(jī)組、升壓站、氣象站等設(shè)備的定位及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息；本地及遠(yuǎn)程通信連接等。

圖1　風(fēng)電場(chǎng)配置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

針對(duì)風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題，利用SCADA系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)的查詢功能，采集調(diào)用了風(fēng)場(chǎng)氣象數(shù)據(jù)（風(fēng)速、風(fēng)向、湍流強(qiáng)度、氣溫等）和機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)（有功功率、無(wú)功功率、驅(qū)動(dòng)方向振動(dòng)、非驅(qū)動(dòng)方向振動(dòng)、葉輪轉(zhuǎn)速等）用于本文分析。為了使分析結(jié)果正確、可靠，必須對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，對(duì)于測(cè)試階段以及故障停機(jī)和人工停機(jī)等工況下的數(shù)據(jù)要予以剔除。

因受風(fēng)速、湍流、氣溫、氣壓以及空氣密度、濕度等自然環(huán)境的影響，經(jīng)篩選后的數(shù)據(jù)還要經(jīng)過(guò)必要的數(shù)據(jù)修正，對(duì)相關(guān)量作標(biāo)準(zhǔn)化處理，如式（4）和式（5）

2　數(shù)據(jù)源

文中算例風(fēng)電場(chǎng)地處中國(guó)中部丘陵地帶，地形高低起伏，表面植被繁茂，湍流強(qiáng)度很大。受季風(fēng)氣候影響，風(fēng)資源呈季節(jié)性變化，春冬兩季風(fēng)速較大，夏秋兩季風(fēng)速較??；同時(shí)風(fēng)速的日變化規(guī)律也比較明顯，日出后風(fēng)速開(kāi)始緩慢增大，至中午達(dá)到最大后又緩慢減小，晚間風(fēng)速維持在相對(duì)較小的水平；年有效風(fēng)能密度均值約為100 W/m2，年有效風(fēng)速時(shí)長(zhǎng)約3 000 h。該風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量為40 MW，裝機(jī)類型為2 MW變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參數(shù)

該風(fēng)場(chǎng)SCADA系統(tǒng)記錄監(jiān)測(cè)到的某時(shí)段機(jī)組數(shù)據(jù)包括時(shí)間、風(fēng)速、風(fēng)向、湍流、發(fā)電量、功率、風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)振動(dòng)加速度等各類參數(shù)總計(jì)有218個(gè)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)處理，得到的風(fēng)速、湍流強(qiáng)度和風(fēng)向玫瑰圖等風(fēng)況數(shù)據(jù)如圖2、圖3和圖4所示。

圖2　風(fēng)速

圖3　湍流強(qiáng)度

圖4　風(fēng)向玫瑰圖

3　風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析

根據(jù)機(jī)組SCADA系統(tǒng)采集到的機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，得到了機(jī)組驅(qū)動(dòng)方向與非驅(qū)動(dòng)方向的振動(dòng)加速度曲線，如圖5所示。

圖5　風(fēng)機(jī)振動(dòng)加速度曲線

可以看出，機(jī)組的振動(dòng)加速度幅值隨風(fēng)機(jī)運(yùn)行的時(shí)間歷程波動(dòng)明顯，通過(guò)大量的SCADA數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和分析，風(fēng)速、湍流、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速是造成機(jī)組振動(dòng)的主要影響因素。

3.1平均風(fēng)速對(duì)風(fēng)機(jī)振動(dòng)的影響

平均風(fēng)速的波動(dòng)使風(fēng)輪所受的氣動(dòng)載荷也發(fā)生波動(dòng)：在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)，產(chǎn)生變化的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩；而在軸向上，產(chǎn)生變化的俯仰載荷。

圖6為經(jīng)數(shù)據(jù)修正和標(biāo)準(zhǔn)化后的散點(diǎn)圖，揭示了風(fēng)速10 min平均值與風(fēng)機(jī)振動(dòng)的影響關(guān)系?？梢钥闯觯S著平均風(fēng)速的增大，機(jī)組在驅(qū)動(dòng)方向和非驅(qū)動(dòng)方向上的振動(dòng)加速度均隨之增大，但振動(dòng)加速度的統(tǒng)計(jì)均值變化率不同，驅(qū)動(dòng)方向的振動(dòng)變化率較大，非驅(qū)動(dòng)方向的振動(dòng)變化率較小，即驅(qū)動(dòng)方向的振動(dòng)對(duì)平均風(fēng)速的變化更加敏感。在低風(fēng)速段，驅(qū)動(dòng)方向與非驅(qū)動(dòng)方向的振動(dòng)幅值相差不大，加速度散點(diǎn)彼此混疊在一起；而在高風(fēng)速階段，尤其是高于額定風(fēng)速以后，加速度散點(diǎn)分離的趨勢(shì)非常清晰，驅(qū)動(dòng)方向的振動(dòng)加速度明顯高于非驅(qū)動(dòng)方向。

圖6　平均風(fēng)速對(duì)風(fēng)機(jī)振動(dòng)的影響

可見(jiàn)，平均風(fēng)速波動(dòng)引起的交變載荷是風(fēng)機(jī)振動(dòng)的主要激勵(lì)源，也是導(dǎo)致風(fēng)機(jī)振動(dòng)幅值波動(dòng)的重要因素。

3.2湍流對(duì)風(fēng)機(jī)振動(dòng)的影響

湍流反映了風(fēng)速的波動(dòng)，湍流強(qiáng)度越大，氣流波動(dòng)越大，風(fēng)速越不穩(wěn)定。風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于湍流的存在，風(fēng)輪所受的氣動(dòng)載荷變成了交變載荷，并通過(guò)整條傳動(dòng)鏈以變化的彎矩和推力的形式作用在機(jī)組上。

圖7是湍流分量對(duì)風(fēng)機(jī)振動(dòng)的影響散點(diǎn)圖。可以看出，隨著湍流強(qiáng)度的增大，機(jī)組在驅(qū)動(dòng)方向和非驅(qū)動(dòng)方向上的振動(dòng)加速度逐漸增大，但振動(dòng)加速度的統(tǒng)計(jì)均值變化率相差很大。湍流分量較小時(shí)，機(jī)組在兩個(gè)方向上的振動(dòng)加速度散點(diǎn)基本混疊在一起，驅(qū)動(dòng)方向的振動(dòng)略大；當(dāng)湍流分量較大時(shí)，兩個(gè)方向的振動(dòng)加速度散點(diǎn)漸趨分離，驅(qū)動(dòng)方向的振動(dòng)明顯大于非驅(qū)動(dòng)方向。與平均風(fēng)速對(duì)風(fēng)機(jī)振動(dòng)的影響相似，驅(qū)動(dòng)方向的振動(dòng)對(duì)湍流強(qiáng)度的變化更加敏感。

盡管風(fēng)輪可以通過(guò)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行變槳和偏航，但湍流與風(fēng)向的多變以及控制策略、硬件本身的誤差等帶來(lái)的影響使得風(fēng)輪所受的俯仰彎矩以及偏航力矩始終交變存在，進(jìn)而加劇機(jī)組的振動(dòng)。因此，湍流既是風(fēng)機(jī)振動(dòng)的主要激勵(lì)源，同樣也是風(fēng)機(jī)振動(dòng)幅值波動(dòng)的重要因素。

圖7　湍流對(duì)風(fēng)機(jī)振動(dòng)的影響

3.3風(fēng)輪轉(zhuǎn)速對(duì)風(fēng)機(jī)振動(dòng)的影響

風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈從前至后包括主軸、軸承、齒輪箱、聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)等傳動(dòng)部件以及相應(yīng)的支撐部件。氣流驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪帶動(dòng)整條傳動(dòng)鏈運(yùn)轉(zhuǎn)，而機(jī)械部件運(yùn)轉(zhuǎn)是風(fēng)機(jī)振動(dòng)的最直接的激勵(lì)源。

圖8是風(fēng)輪轉(zhuǎn)速統(tǒng)計(jì)均值對(duì)風(fēng)機(jī)振動(dòng)的影響散點(diǎn)圖。

圖8　風(fēng)輪轉(zhuǎn)速統(tǒng)計(jì)均值對(duì)風(fēng)機(jī)振動(dòng)的影響

可以看出，盡管該機(jī)組采用變速恒頻發(fā)電技術(shù)，風(fēng)輪以變速運(yùn)行，但受風(fēng)況等因素影響，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速在切入轉(zhuǎn)速9.4 r/min和額定轉(zhuǎn)速16 r/min兩個(gè)值較為集中，中間轉(zhuǎn)速值與風(fēng)速隨機(jī)性密切相關(guān)。在切入轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速上，風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方向和非驅(qū)動(dòng)方向的振動(dòng)加速度變化范圍均很寬，很難判定轉(zhuǎn)速與風(fēng)機(jī)振動(dòng)的關(guān)系，但統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，中間轉(zhuǎn)速值對(duì)應(yīng)的振動(dòng)加速度統(tǒng)計(jì)均值變化率存在很大差異。說(shuō)明機(jī)艙振動(dòng)與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速存在一定的相關(guān)性，但有其他因素（如上所述的風(fēng)特性、機(jī)組控制參數(shù)變化、系統(tǒng)誤差等）的影響耦合在其中不可忽略。

4　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)建立風(fēng)特性模型和SCADA數(shù)據(jù)修正模型，通過(guò)對(duì)某風(fēng)場(chǎng)SCADA運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、篩選、修正處理，研究了風(fēng)速、湍流以及風(fēng)輪轉(zhuǎn)速對(duì)機(jī)組振動(dòng)產(chǎn)生的影響。研究結(jié)果表明：

（1）隨著平均風(fēng)速的增大，機(jī)組在驅(qū)動(dòng)方向和非驅(qū)動(dòng)方向上的振動(dòng)加速度均隨之增大，振動(dòng)加速度的統(tǒng)計(jì)均值變化率不同。驅(qū)動(dòng)方向的振動(dòng)對(duì)平均風(fēng)速的波動(dòng)相對(duì)更敏感。

（2）隨著湍流強(qiáng)度的增大，機(jī)組在驅(qū)動(dòng)方向和非驅(qū)動(dòng)方向上的振動(dòng)加速度幅值逐漸增大，振動(dòng)加速度的統(tǒng)計(jì)均值變化率差異明顯，驅(qū)動(dòng)方向的振動(dòng)對(duì)湍流強(qiáng)度的變化更加敏感。

（3）風(fēng)輪轉(zhuǎn)速統(tǒng)計(jì)均值與機(jī)艙振動(dòng)存在一定的相關(guān)性，但有其他耦合因素的影響。

綜上所述，平均風(fēng)速的波動(dòng)和湍流的存在是風(fēng)機(jī)振動(dòng)最根本最主要的激勵(lì)源，不受任何其他因素的影響。而風(fēng)輪轉(zhuǎn)速對(duì)風(fēng)機(jī)的振動(dòng)雖有最直接的影響，但因傳動(dòng)系統(tǒng)（包括風(fēng)輪、主軸、軸承、齒輪箱和發(fā)電機(jī)等）低速或高速運(yùn)轉(zhuǎn)受控于風(fēng)的特性、控制系統(tǒng)參數(shù)以及機(jī)械硬件自身誤差等因素，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與風(fēng)機(jī)振動(dòng)的關(guān)系復(fù)雜，耦合因素不可忽略。本文研究結(jié)果可為風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)分析、風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)等提供有益參考。

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Monitoring andAnalysis of Wind Turbine Vibration Based on SCADAData

CHENG Li-feng，WAN Shu-ting，SHENG Xiao-ling
（College of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei China）

Wind turbines often suffer from a series of engineering issues such as vibration overruns and turbine downtime etc.due to the wind characteristic change，unsuitable control strategy，manufacturing and installation errors and so on.In this paper，the wind characteristic model is established and the SCADA data of the wind farm is extracted.Then，using the statistical methods such as data correction，rich contents of the SCADA data are analyzed.The influence of the statistical mean value of wind speed，turbulence intensity and the statistical mean value of rotor speed on the wind turbine vibration is studied.The results indicate that the influences of these factors on wind turbine vibration are quite different.The results provide a useful reference for wind farm SCADA data analysis，wind turbine operation assessment and on-site maintenance etc.

vibration and wave；wind turbines；wind farm；SCADAdata；vibration monitoring；turbulence

TM6

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.05.033

1006-1355（2016）05-0160-04

2016-03-31

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（2014XS82）；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（E2015502008）

成立峰（1981-），男，河北省定州市人，博士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性、故障診斷與控制策略。E-mail:clf2001_0@163.com

萬(wàn)書(shū)亭（1970-），山西省長(zhǎng)子縣人，男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:13582996591@139.com

繩曉玲（1982-），女，河北省無(wú)極縣人，博士研究生，講師，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組信號(hào)檢測(cè)與故障診斷。