基于SCADA故障告警數(shù)據(jù)的風電機組隱患分析及處理方法

文 | 孟鵬飛，李強

由于目前風電機組SCADA系統(tǒng)的故障報警功能不夠完善（未包含重復性故障的統(tǒng)計分析功能），而且當前還存在現(xiàn)場運行維護人員故障分析水平較低的情況，如果無法及時發(fā)現(xiàn)重復性故障及其背后隱藏的安全隱患，最終將導致風電場無法有效掌握機組的運營水平和健康狀態(tài)。若主軸或發(fā)電機軸承溫度高、機艙振動等關(guān)鍵告警或故障未及時引起注意，可能會導致軸承損壞甚至機艙著火、葉片折斷等重大事故發(fā)生。

針對以上情況，本文提供了基于SCADA故障告警數(shù)據(jù)的風電機組隱患分析及處理方法，通過使用Excel的數(shù)據(jù)透視表功能快速對機組的故障報警記錄進行系統(tǒng)的統(tǒng)計分析，標定出重復性告警或故障，發(fā)現(xiàn)機組的安全隱患，由此開展針對性的閉環(huán)消缺，并以處理V52-850kW風電機組的“油過濾錯誤故障”為例，闡述該方法的操作流程。該方法不僅可以快速定位機組的潛在隱患、高效地開展運行消缺、提高機組可靠性、避免設(shè)備的進一步惡化損壞，而且可提升運行維護人員的故障分析、處理能力。

案例分析

風電機組隱患的分析及處理方法分為以下三個步驟：（1）發(fā)現(xiàn)隱患：通過對SCADA系統(tǒng)中的告警和故障記錄進行分析，找到重復性告警或故障；（2）消除隱患：“診治”潛在隱患機組，通過油樣檢測、振動檢測、磨損狀況檢測、探傷檢測等手段進行專項檢查，再結(jié)合檢查或檢測結(jié)果給出診斷意見（檢修維護的建議）；（3）隱患跟蹤回訪：對“診治”后隱患機組的健康狀況進行分析和跟蹤，直至轉(zhuǎn)為健康機組。

下文將以處理“某風電場風電機組油過濾錯誤故障”為例，闡述隱患分析及處理方法的具體步驟。

表1 隱患總表

一、發(fā)現(xiàn)隱患

首先對全場風電機組告警和故障記錄進行分析，分析工具為Excel中的“數(shù)據(jù)透視表”。數(shù)據(jù)透視表可以根據(jù)不同的關(guān)鍵字對數(shù)據(jù)源進行分類匯總，匯總方法包括計數(shù)、求和、平均、方差統(tǒng)計等。進行風電機組體檢的數(shù)據(jù)源，為風電機組SCADA系統(tǒng)采集的告警和故障記錄數(shù)據(jù)，包含風電機組編號、故障名稱、故障代碼、觸發(fā)時間、故障恢復時間、嚴重等級等，不同風電制造商的SCADA系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)類別不同。利用數(shù)據(jù)透視表可以對SCADA告警和故障記錄按照機組編號、故障類型、嚴重等級、故障時間等分類進行統(tǒng)計分析，從而判斷出全場機組運行狀態(tài)。以樣本量、統(tǒng)計時間范圍的大小來選定重復性告警或故障次數(shù)，判定機組是否處于隱患狀態(tài)。在本文隱患總表（表1）中，將單臺機組重復性告警或故障次數(shù)達10次以上的告警或故障標定為紅色，表示機組處于隱患狀態(tài)；當初次消缺后，標定為黃色，表示運行待觀察；后續(xù)跟蹤此告警或故障已完全消除，則標定為綠色。

表2 機組隱患排名表

表3 故障總數(shù)排名表

以某風電場機組2017年1－4月的SCADA告警和故障記錄作為數(shù)據(jù)源進行數(shù)據(jù)透視，分別得到該風電場的風電機組隱患總表（表1）、機組隱患排名表（表2）、故障總數(shù)排名表（表3）、單臺機組隱患排名表（表4）。因風電機組數(shù)目、告警或故障種類較多，不便一一列出，故以上各表只顯示部分風電機組數(shù)據(jù)。

從表1中得出報“油過濾錯誤故障”的風電機組有：QA34#(348次)、QA38#(277次)、QA40#（2次，2017年3月2日和3日各報1次，3月中旬已更換齒輪箱）、QA41#（46次）、QA48#（329次）、QA50#（298次），共計1300次。

由表2可以看出整個風電場部分風電機組對應(yīng)告警或故障總數(shù)的排名情況，其中故障次數(shù)排在第一位的是QA48#機組，故障總數(shù)為1812次；由表3得出部分風電機組具體故障情況，其中排在第一位的是“油過濾器錯誤”故障；由表4得出單臺風電機組（QA34#）告警或故障次數(shù)分布情況，排在第一位的為“油過濾錯誤”故障。

表4 QA34隱患排名表

由表1可知，“油過濾錯誤故障”為各類告警或故障中出現(xiàn)次數(shù)最多的故障，涉及的風電機組有：QA34#、QA38#、QA41#、QA48#、QA50#，應(yīng)對這些機組進行專項檢查消缺。

二、消除隱患

齒輪箱潤滑系統(tǒng)中設(shè)有用于對油液中的雜質(zhì)進行過濾的過濾器，在其出口處（即過濾器下端）設(shè)有壓差開關(guān)，可通過持續(xù)檢測過濾器入口與出口油壓差值（通常的設(shè)定值為3.5bar）來判斷組合過濾器中濾芯的清潔度，并向主控發(fā)出檢測信號。當齒輪箱油溫小于等于40℃時，系統(tǒng)忽略過濾器壓差開關(guān)發(fā)出的信號；當齒輪箱油溫大于40℃時，主控開始判斷過濾器壓差開關(guān)信號，當過濾器入口與出口油壓差值大于3.5bar時，壓差開關(guān)會向主控發(fā)出報警信號，主控會報出該故障；當過濾器入口與出口油壓差值小于等于3.5bar時，壓差開關(guān)會向主控發(fā)出正常信號，主控不會報出故障。

可能導致此故障的原因有：（1）壓差開關(guān)實際選型與程序中配置型號不符；（2）濾芯堵死；（3）齒輪箱壓差開關(guān)損壞。

解決方案：（1）壓差開關(guān)類型分為常開、常閉型，檢查是否與程序設(shè)置一致；（2）檢查濾芯是否堵塞，油液中是否有較多雜質(zhì)。若濾芯堵塞且油液中雜質(zhì)較多，則需更換濾芯并根據(jù)油液雜質(zhì)情況考慮是否進行油液檢驗；（3）檢查壓差開關(guān)是否損壞，若損壞則予以更換。

（一）隱患初次消缺

2017年5月22日，現(xiàn)場運行維護人員處理QA34#風電機組報油過濾錯誤故障，檢查發(fā)現(xiàn)齒輪箱濾芯堵塞，故排除“可能導致此故障的原因中的（1）和（3）”。更換濾芯時，發(fā)現(xiàn)濾芯的油液中有較多鐵屑以及黑色橡膠雜質(zhì)，如圖1和圖2所示。更換齒輪箱濾芯后風電機組恢復運行，待觀察。同時，抽取了該齒輪箱油樣進行送檢化驗。

（二）隱患原因預(yù)判

通過初次消缺處理，預(yù)判可能的原因如下：（1）QA34#風電機組齒輪箱齒面因磨損而產(chǎn)生鐵屑，而黑色橡膠雜質(zhì)可能來源于齒輪箱加油口、空氣過濾器的密封圈或者外部潤滑系統(tǒng)軟油管的內(nèi)壁；（2）其他4臺風電機組（QA48#、QA50#、QA38#、QA41#）的齒輪箱情況可能類似，齒輪箱內(nèi)有鐵屑以及橡膠雜質(zhì)，導致濾芯無法過濾，進而報油濾芯錯誤故障。

（三）預(yù)判結(jié)果驗證

風電場運行維護人員于2017年5月23－25日對上述4臺機組進行了專項檢查，檢查結(jié)果為：（1）濾芯堵塞，濾芯的油液中均含有少量的鐵屑和黑色橡膠雜質(zhì)；（2）因齒輪箱的加油口、空氣過濾器無黑色密封圈等橡膠，故初步判定黑色橡膠雜質(zhì)來自于外部潤滑系統(tǒng)軟油管的內(nèi)壁，因橡膠油管內(nèi)壁長時間受熱老化運行脫落，在齒輪箱內(nèi)部被嚙碎產(chǎn)生黑色橡膠雜質(zhì)。

（四）專項檢查消缺

1.齒輪箱內(nèi)窺鏡檢查

為找到故障發(fā)生的具體原因，避免故障擴大，5月25日暫時停運了以上5臺風電機組（QA34#、QA38#、QA41#、QA48#、QA50#），對 QA34#、QA38#、QA48# 風電機組齒輪箱使用內(nèi)窺鏡（型號：IPLEX RX工業(yè)內(nèi)窺鏡）進行檢查，檢查結(jié)果如下：

圖1 鐵屑和黑色橡膠雜質(zhì)

圖2 黑色橡膠雜質(zhì)

（1）QA34#風電機組：太陽輪輕微點蝕；行星輪輕微磨損，如圖3－圖5所示。

（2）QA38#風電機組：中速軸大齒輪輕微點蝕。

（3）QA48#風電機組：行星齒輪面磨損，輕微點蝕；太陽輪齒面輕微點蝕。

（4）檢查判定黑色橡膠雜質(zhì)來自于外部潤滑系統(tǒng)軟油管的內(nèi)壁。

由上文分析可得結(jié)論：（1）齒輪箱運行磨損產(chǎn)生的鐵屑和外部潤滑系統(tǒng)軟油管內(nèi)壁脫落的黑色橡膠雜質(zhì)（被齒輪嚙合碾壓后產(chǎn)生）導致濾芯堵塞；（2）齒輪箱運行情況待觀察，需定期做內(nèi)窺鏡檢查；（3）潤滑油應(yīng)送檢化驗。

內(nèi)窺鏡檢查完畢后，陸續(xù)使以上5臺風電機組恢復運行，并根據(jù)油樣檢測結(jié)果作進一步處理。

2.油樣化驗

本次專項檢查更換了QA48#、QA50#、QA38#、QA41#風電機組齒輪箱的濾芯，并抽取齒輪箱油樣進行送檢化驗。油化驗使用的儀器及型號具體如下：滴定儀（型號：702/瑞士萬通）、光譜儀（型號：PRODIGY XP ICP/美國LEEMAN）、自動粘度測試儀（型號：美國SPECTRO）、水份測定儀（型號：831KF /瑞士萬通）、分析式鐵譜儀（維克森北京科技有限公司）、顆粒計數(shù)儀（美國太平洋-HACH）、鐵屑分析儀（型號：ANALEXPQ-M / KITTIWAKE公司）。QA34#風電機組的油樣監(jiān)測報告如圖6所示，其中，油品理化、污染、磨損指標均正常，光譜分析情況也正常；且由對比歷年數(shù)據(jù)變化幅度較小可知系統(tǒng)潤滑情況正常，該齒輪油可繼續(xù)使用。其他4臺風電機組機組油樣結(jié)果相同，故不再贅述。

三、隱患跟蹤回訪

此后繼續(xù)觀察以上5臺風電機組齒輪箱的運行情況，根據(jù)運行情況開展進一步工作，若持續(xù)性報“油過濾錯誤故障”，應(yīng)及時化驗監(jiān)測齒輪箱油液，并做內(nèi)窺鏡檢查；若更換老化的外部潤滑系統(tǒng)軟油管以及多次更換油濾芯仍然無效，需考慮過濾或者更換齒輪箱油。

隱患分析及處理的有效方法

利用數(shù)據(jù)透視表能夠及時發(fā)現(xiàn)機組運行中的一些缺陷及異常，以便及時控制和處理，使問題在萌芽狀態(tài)就得到處理，從而保證風電機組安全穩(wěn)定的運行。下文主要闡述了運行維護人員應(yīng)如何利用好隱患分析及處理方法，以便更加高效地做好機組運行維護及相關(guān)管理工作。

圖3 QA34#風電機組太陽輪齒面輕微點蝕

圖4 QA34#風電機組行星齒部分齒面存在黑線

圖5 QA34#風電機組行星齒部分齒面劃痕、磨損

（1）定期對風電機組做數(shù)據(jù)透視，周期可為月、季度、年，形成月/季度/年隱患報告。

（2）做好隱患報告后，對機組重復性告警或故障進行標定，便于閉環(huán)處理跟蹤。

（3）建立隱患消缺臺賬，便于后續(xù)跟蹤對比分析。建議日常消缺時，若某故障處理完畢后，查找隱患報告中與此故障相同的機組進行一并處理。遇到嚴重重復性的告警或故障，需及時開展專項檢查整改工作。

圖6 QA34#風電機組齒輪箱油樣監(jiān)測報告

（4）建議定期檢修維護某臺風電機組前，查找隱患報告中該臺風電機組的重復性告警或故障，定檢時一并消缺處理，提高工作效率，減少停機率，降低維護成本。

（5）日常運行維護期間，若當日無故障，可核對隱患報告中重復性告警或故障，做好消缺計劃安排。

（6）重復性告警或故障處理完畢后，運行人員務(wù)必做好分析總結(jié)及分享交流，以此來提高其故障分析、處理能力，積累維護經(jīng)驗。

結(jié)論

本文提出了基于SCADA告警數(shù)據(jù)的風電機組隱患分析及處理方法，包括發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、故障跟蹤回訪三部分，并以具體事例對該方法進行全面論述。該方法有利于風電場運行維護人員快速全面掌握機組健康狀況，及時發(fā)現(xiàn)隱患，對風電機組的安全穩(wěn)定運行具有重要的意義。此外，也可提升運行維護人員的技術(shù)水平。