風(fēng)力發(fā)電機葉片不平衡監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

郭洪濤 李路兵 蔣 靖 郭 濤

（1、國家電投集團東北電力開發(fā)有限公司，遼寧 沈陽110181 2、華北電力大學(xué)控制與計算機工程學(xué)院，北京102206 3、中電投東北新能源發(fā)展有限公司，遼寧 沈陽110181）

1 概述

因為風(fēng)機長期工作在負載快速變化和惡劣環(huán)境條件下，隨著時間推移，可能導(dǎo)致疲勞損傷，葉輪偏載等結(jié)構(gòu)健康性能指標(biāo)下降，輕則使風(fēng)機偏離原來的設(shè)計指標(biāo)造成捕風(fēng)效率下降，重則可能使葉片性能不斷惡化直至發(fā)展為嚴(yán)重故障。有資料顯示，造成風(fēng)機性能下降或故障的原因絕大多數(shù)都與葉片性能下降或變槳系統(tǒng)故障有關(guān)[1]。葉片不平衡故障占風(fēng)機全部故障的很大一部分。通過對風(fēng)機葉片不平衡故障的檢測與分析，可以早期發(fā)現(xiàn)葉片的各類故障。及早發(fā)現(xiàn)其潛在故障征兆，對降低其故障率和減少其運行維修成本，加強風(fēng)力發(fā)電機組的可靠運行具有重要意義[2-3]。

風(fēng)機的不平衡故障在所有的風(fēng)機故障中占有很大的一部分，并且不平衡故障通常發(fā)生在葉片或轉(zhuǎn)軸上。葉片的不平衡故障一般是由安裝操作過程中的失誤、老化所導(dǎo)致的變形、磨損和疲勞、以及覆冰等情況所引起的[4]。另一種常見的不平衡等故障氣動不對稱性，它可以由幾個因素，包括高速風(fēng)切變和控制機構(gòu)中的錯誤引起的。如果由于控制機構(gòu)中的錯誤，導(dǎo)致一個葉片的間距與其他兩個葉片有些許不同，則轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩將會產(chǎn)生不平衡，導(dǎo)致空氣動力不對稱[5]。針對以上問題，本文采用了一種基于階比分析的不平衡故障分析方法，可以較好地快速檢測不平衡故障的發(fā)生。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集處理單元設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要有信號調(diào)理單元、同步信號采集單元、系統(tǒng)控制器以及以太網(wǎng)傳輸單元，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。信號調(diào)理單元主要將被測信號通過傳感器的轉(zhuǎn)換、電路的放大濾波等處理，轉(zhuǎn)換成適合AD 輸入的電壓信號。同步信號采集單元對調(diào)理后的多路信號進行同步采樣，采樣完成后將數(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)控制器。系統(tǒng)控制器是整個系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣控制、葉片不平衡診斷等功能。系統(tǒng)最后通過以太網(wǎng)傳輸單元將診斷結(jié)果上傳至監(jiān)控室上位機。

2.2 系統(tǒng)控制器

系統(tǒng)控制器采用TI 公司TMS320F2812 DSP 處理芯片。該控制器具有強大的數(shù)字信號處理功能、完善的事件管理能力和嵌入式控制功能：擁有150MHz 主頻、32 位字長和18K*16 位片內(nèi)RAM和128K*16 位片內(nèi)Flash，以及串行通信接口SCI、串行外設(shè)接口SPI、增強型控制器局域網(wǎng)通信接口eCAN 等諸多通信接口。

圖1 數(shù)據(jù)采集處理單元結(jié)構(gòu)圖

2.3 信號調(diào)理

2.3.1 發(fā)電機轉(zhuǎn)速

采用高精度、高分辨率的轉(zhuǎn)速編碼器，放置于機組齒輪箱高速軸測量發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。目前常用的光電轉(zhuǎn)速傳感器一般輸出共有A、B、Z 三路脈沖信號，該系統(tǒng)只需要測量轉(zhuǎn)速，不需要檢測Z 路單圈脈沖，故只需要其中的A、B 兩路脈沖信號。由于該監(jiān)測系統(tǒng)需要同步采樣各傳感器的信號，所以以上2 路脈沖信號經(jīng)光電隔離與電平轉(zhuǎn)換后送至同步采樣單元進行AD 轉(zhuǎn)換，在數(shù)據(jù)處理單元中計算轉(zhuǎn)速。

2.3.2 發(fā)電機電壓電流

對于雙饋機組，其轉(zhuǎn)子和定子都可能向電網(wǎng)送電，需要同時測量其轉(zhuǎn)子和定子的電壓與電流，故需要2 路電流采樣和2路電壓采樣。電流傳感器選用HIB-C15-200P2O10 霍爾電流傳感器，輸入200A，輸出電流0-100mA 電流信號。電壓傳感器選用EV-C53-1000P5O9，輸入0-1000V，輸出0- 正負50mA 電流信號。以上4 路電流信號經(jīng)前置放大器、濾波電路、增益/增益量程調(diào)整電路的調(diào)理，送入同步采樣單元。

2.4 同步采樣

對上述6 路模擬信號進行同步采樣，采樣結(jié)果通過并行數(shù)據(jù)總線送入DSP 處理器。系統(tǒng)同步采樣芯片采用DAS-AD7606，擁有8 個輸入通道、16 位精度以及200KSPS 采樣率。

2.5 網(wǎng)絡(luò)傳輸

以太網(wǎng)傳輸單元采用AX11025，通過光端機接入風(fēng)電場光纖網(wǎng)絡(luò)，最終傳輸?shù)奖O(jiān)控室上位機。AX11025 具有高性能嵌入式微控制器、TCP/IP 協(xié)議棧以及豐富的通信外設(shè)，提供了一種經(jīng)濟有效的網(wǎng)絡(luò)解決方案。在通信方面，AX11025 擁有UART、I2C、SPI 、1-Wire、CAN 總線等通信接口，由于需要傳輸?shù)脑\斷結(jié)果數(shù)據(jù)量較小，選擇通過串行總線與DSP 通信。

2.6 系統(tǒng)架構(gòu)

主控中心服務(wù)器，接收數(shù)據(jù)處理單元發(fā)送的各風(fēng)機數(shù)據(jù)，利用OPC 接口單元訪問風(fēng)電場SCADA 系統(tǒng)，獲取各機組的運行參數(shù)。由于風(fēng)機機組工況復(fù)雜，其非平穩(wěn)特性決定傳統(tǒng)的故障診斷方法無法有效的檢測其故障。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)采用基于階比分析的不平衡故障分析方法，實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機葉片不平衡的診斷。此方法能夠?qū)μ崛≌駝有盘栔信c轉(zhuǎn)速有關(guān)的信息，同時對與轉(zhuǎn)速無關(guān)的信號進行抑制，起到了再次濾波的作用。同時，分析信號不再使用電流信號，而是使用估計的輸入氣動轉(zhuǎn)矩，使得故障特征頻率成分更明顯。

TMS320F2812 具有強大的控制與信號處理能力，可控制AD 同步采樣和實現(xiàn)不平衡故障診斷算法，具體軟件流程如下圖所示：

圖3 葉片不平衡診斷系統(tǒng)流程圖

其中，r 為齒輪箱升速比，J 為葉輪轉(zhuǎn)動慣量，η 為發(fā)電機轉(zhuǎn)換效率；

（5）根據(jù)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)對氣動轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)進行階比分析與信號重構(gòu)，得到重新采樣氣動轉(zhuǎn)矩T2：

其中：TS為采樣時間間隔，N 為采樣的點數(shù)，ωc根據(jù)需要設(shè)定的低通濾波器截止頻率；tk為指定角度的采樣時間。

（6）對階比分析重構(gòu)后的信號進行功率譜計算，突出信號中的主要頻率部分：

其中：0≤m≤M-1 ,j 表示取虛數(shù)，conj（y（m））為y（m）的共軛。

（7）進行特征提?。禾崛」β首V中1 倍頻Q（1）和3 倍頻Q（3）幅值作為特征信號。

（8）比較特征信號，實現(xiàn)葉片不平衡故障診斷：

比較1 倍頻功率譜幅值Q（1）與3 倍頻功率譜幅值Q（3），若Q（1）大于Q（3），判斷發(fā)生了不平衡故障。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種風(fēng)力發(fā)電機葉片不平衡檢測系統(tǒng)，以DSP為控制器，通過AD 同步采樣風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速和電流電壓信號，利用階比分析方法檢測葉片的不平衡故障，并通過以太網(wǎng)將診斷結(jié)果發(fā)送到上位機，最終實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機葉片不平衡的監(jiān)測。