基于大數(shù)據(jù)統(tǒng)計的海上風(fēng)電機組遠程故障診斷分析

吳曉晨　郭小青

[摘? ? 要] 本文簡單分析了大數(shù)據(jù)統(tǒng)計在遠程故障診斷中的作用，并以遠程故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計背景入手強調(diào)了系統(tǒng)設(shè)計的必要性。同時，結(jié)合江蘇海上龍源風(fēng)力發(fā)電有限公司的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，提出了一種基于大數(shù)據(jù)統(tǒng)計的海上風(fēng)電機組遠程故障診斷系統(tǒng)設(shè)計方案，并著重對其中基于大數(shù)據(jù)統(tǒng)計的遠程故障診斷的實現(xiàn)展開闡述。

[關(guān)鍵詞]大數(shù)據(jù)統(tǒng)計;海上風(fēng)場;風(fēng)電機組;遠程故障診斷

[中圖分類號]TM315 [文獻標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）06–00–03

Analysis of Remote Fault Diagnosis of offshore Wind Turbines

Based on Big Data Statistics

Wu Xiao-chen， Guo Xiao-qing

[Abstract]This article briefly analyzes the role of big data statistics in remote fault diagnosis， and starts with the design background of remote fault diagnosis system and emphasizes the necessity of system design. At the same time， combined with the production experience of Jiangsu Offshore Longyuan Wind Power Co.， Ltd.， a design scheme of remote fault diagnosis system for offshore wind turbines based on big data statistics is proposed， and the implementation of remote fault diagnosis based on big data statistics is emphasized. Elaborate.

[Keywords]big data statistics; offshore wind farm; wind turbine; remote fault diagnosis

在風(fēng)力發(fā)電，特別是海上風(fēng)力發(fā)電中，發(fā)電機組所面對的工況相對惡劣，風(fēng)電機組的可利用率與使用年限呈現(xiàn)出明顯降低的趨勢。在這樣的條件下，某一數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤也極有可能引發(fā)重大事故?；诖?，必須要對風(fēng)電機組的運行展開實時性監(jiān)測，實現(xiàn)對其故障情況的遠程診斷，以此維護整個海上風(fēng)電場的安全性。所以，設(shè)計一種基于大數(shù)據(jù)統(tǒng)計的海上風(fēng)電機組遠程故障診斷系統(tǒng)極為必要。

1 大數(shù)據(jù)統(tǒng)計在遠程故障診斷中的作用分析

大數(shù)據(jù)統(tǒng)計主要依托人工智能、信息技術(shù)以及統(tǒng)計學(xué)原理，對數(shù)據(jù)進行收集、整理與分析，最終形成決策。在海上風(fēng)電機組的遠程故障診斷中，大數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)對發(fā)電機組運行數(shù)據(jù)的采集與分析，以此為基礎(chǔ)完成對可能發(fā)生故障位置的確定，形成更為精準(zhǔn)的故障情況判斷。

基于大數(shù)據(jù)統(tǒng)計的遠程故障診斷可以劃分為以下幾步驟：數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備與篩選-數(shù)據(jù)的預(yù)處理-數(shù)據(jù)縮減-確定目標(biāo)及算法-數(shù)據(jù)挖掘-模式識別-形成故障診斷，經(jīng)過整合可以歸納為兩大環(huán)節(jié)，即采集與存儲數(shù)據(jù)，為后續(xù)的故障判斷提供充足的數(shù)據(jù)信息支持;深入挖掘數(shù)據(jù)中包含的價值信息，實現(xiàn)對故障的定位與診斷。

在大數(shù)據(jù)統(tǒng)計的支持下，可以針對海上風(fēng)電機組完成大規(guī)模數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，以此實現(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、訪問、分析及處理，整體提升數(shù)據(jù)分析的效率效果。同時，形成對海上風(fēng)電機組故障的智能化、及時判斷，維護海上風(fēng)電場的安全。

2 海上風(fēng)電機組遠程故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計背景分析

在海上風(fēng)力發(fā)電中，發(fā)電機組所面對的工況相對惡劣，環(huán)境條件復(fù)雜程度更高，且電網(wǎng)條件更加嚴(yán)格，某一數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤、某一信息受到忽略也極有可能引發(fā)重大事故，促使風(fēng)電機組的可利用率與使用年限呈現(xiàn)出明顯降低的趨勢。同時，由于風(fēng)場的選址受到地理條件及風(fēng)能資源的限制，各風(fēng)場之間的距離可能會非常遙遠，特別是對于海上風(fēng)場的情況。在這樣的前提下，如何方便快捷地對各風(fēng)場運行狀況進行監(jiān)測和分析，強化對海上風(fēng)電機組的遠程故障診斷受到重點關(guān)注。基于此，本文依據(jù)風(fēng)力發(fā)電機組遠程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的需求，提出一種基于大數(shù)據(jù)統(tǒng)計的海上風(fēng)電機組遠程故障診斷系統(tǒng)技術(shù)方案。

3 基于大數(shù)據(jù)統(tǒng)計的海上風(fēng)電機組遠程故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

依托風(fēng)電機組的技術(shù)特點，形成了以遠程在線狀態(tài)監(jiān)測和分析診斷以及風(fēng)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測分析為主要手段的海上風(fēng)電機組遠程故障診斷系統(tǒng)。在該方案中，引入了大數(shù)據(jù)統(tǒng)計技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及先進監(jiān)測技術(shù)等，完成對風(fēng)電機組的遠程故障診斷、修復(fù)。該系統(tǒng)是基于INTERNET網(wǎng)絡(luò)/內(nèi)部虛擬網(wǎng)建立的一個集數(shù)據(jù)采集傳輸和管理、機組狀態(tài)監(jiān)測、事件報警管理、故障分析診斷、設(shè)備性能評估的系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，現(xiàn)場一層是由傳感器、數(shù)據(jù)采集單元Drivetrain DAU、現(xiàn)場服務(wù)器等構(gòu)成，本地診斷中心Local Care Centre組成的系統(tǒng)，每一臺本地診斷中心LocalCare Centre都可以經(jīng)Internet向遠程診斷中心服務(wù)器上傳數(shù)據(jù)。

在本系統(tǒng)的運行中，主要完成以下兩項風(fēng)電機組運行信號的監(jiān)測，即風(fēng)力發(fā)電機組振動監(jiān)測、風(fēng)力發(fā)電機組油液監(jiān)測。在監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電機組振動情況時，設(shè)定的測點包括：機組主軸承、齒輪箱輸油軸，監(jiān)測信號數(shù)量為2，使用的傳感器為專用低頻加速度傳感器;齒輪箱外側(cè)圈、輸出軸，監(jiān)測信號數(shù)量為2，使用的傳感器為加速度傳感器;發(fā)電機前后軸承，監(jiān)測信號數(shù)量為2，使用的傳感器為加速度傳感器;齒輪箱輸出軸轉(zhuǎn)速，監(jiān)測信號數(shù)量為1，使用的傳感器由監(jiān)控系統(tǒng)接入或測速傳感器;發(fā)電機功率，監(jiān)測信號數(shù)量為1，使用的傳感器由監(jiān)控系統(tǒng)接入。在監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電機組油液情況時，設(shè)定的測點包括：油質(zhì)監(jiān)測，監(jiān)測信號數(shù)量為1，使用的傳感器為油液監(jiān)測傳感器;油液金屬顆粒監(jiān)測，監(jiān)測信號數(shù)量為1，使用的傳感器為油液監(jiān)測傳感器。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.2.1 數(shù)據(jù)采集監(jiān)測站（Drivetrain DAU）

其屬于智能化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要將多種傳感器信號轉(zhuǎn)化為A/D就可以接受的信號，性能參數(shù)如下所示：連接信號包括加速度傳感器信號、油液監(jiān)測信號、過程量信號、鍵相信號;供電要求為AC85-256 V;工作溫度為-40～70℃。

3.2.2 數(shù)據(jù)服務(wù)器

數(shù)據(jù)服務(wù)器主要承擔(dān)的工作任務(wù)包括：數(shù)據(jù)的長期存儲與管理、基于 B/S結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸功能、專業(yè)的診斷分析圖譜、系統(tǒng)管理及設(shè)置。

3.2.3 傳感器

結(jié)合前文的分析能夠了解到，在本系統(tǒng)中設(shè)定的傳感器大多為加速度傳感器，其性能參數(shù)主要如下：最大線性測量程穩(wěn)定在±5 g左右;靈敏度控制在1000 mV/g;諧振頻率穩(wěn)定在12 kHz;工作頻響范圍為0.3～4 kHz;幅值非線性度不高于5%;工作溫度控制在0～130℃之間。

3.3 系統(tǒng)各功能單元設(shè)計

3.3.1 實時監(jiān)測功能單元

該功能單元主要承擔(dān)著監(jiān)測并同步顯示風(fēng)電機組實時運行情況的任務(wù)，主要以圖表、數(shù)值、曲線等形式展示相關(guān)數(shù)據(jù)信息，完成在線監(jiān)測與分析，并從多角度顯示風(fēng)電機組的顯示運行狀態(tài)。此時，現(xiàn)場工作人員可以獲取到的數(shù)據(jù)圖表形式包括：總貌圖、棒圖、波形頻譜圖、沖擊譜圖、趨勢跟蹤圖。

3.3.2 分析診斷功能單元

以風(fēng)電機組齒輪、軸承位置發(fā)生故障為例進行說明，由于在該位置出現(xiàn)故障后，其靈敏程度的差別相對明顯，因此可以依托傳感器的信號傳遞以及后續(xù)數(shù)據(jù)分析完成故障診斷。在齒輪、軸承發(fā)生輕微磨損故障后，所產(chǎn)生的沖擊信號幅度偏低，且持續(xù)時間更短，因此不適合使用傳統(tǒng)的信號處理方式。基于此，引入了沖擊能量技術(shù)（引導(dǎo)信號通過帶通濾波剔除低頻信號;引導(dǎo)所得高頻信號通過峰檢波器實施整流濾波;對獲得信號展開FFT運算，形成沖擊譜圖），完成對風(fēng)電機組齒輪、軸承早期損壞的診斷，避免產(chǎn)生更為嚴(yán)重的負(fù)面影響。

3.3.3 數(shù)據(jù)管理功能單元

該功能單元主要承擔(dān)著記錄數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)、備份數(shù)據(jù)的任務(wù)，并為現(xiàn)場工作人員、專家進行風(fēng)電機組運行數(shù)據(jù)的提取、檢索提供入口。在進行數(shù)據(jù)的記錄過程中，主要應(yīng)用了按年、月、周、日的存儲辦法，為建立機組運行的日常歷史資料、形成趨勢跟蹤圖提供全面且真實的數(shù)據(jù)支持。同時，在該功能單元中，引入了事故黑匣子功能，當(dāng)風(fēng)電機組發(fā)生運行事故后，此功能可以為工作人員提供事故發(fā)生前后長時間段內(nèi)的機組動態(tài)運行數(shù)據(jù)，且可以形成趨勢跟蹤圖，方便工作人員分析事故發(fā)生原因并及時完成準(zhǔn)確有效的處理。另外，出于對數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性的考量，在本地緩存區(qū)域內(nèi)可以完成對一段時間內(nèi)機組運行數(shù)據(jù)的保留，防止由于網(wǎng)絡(luò)中斷而導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)丟失的問題發(fā)生。

3.3.4 遠程監(jiān)測與診斷功能單元

該功能單元主要承擔(dān)著監(jiān)測風(fēng)電機組實際運行情況以及完成機組的遠程故障判斷、自我修復(fù)的任務(wù)，具體實現(xiàn)在下文中詳細闡述。

3.4 基于大數(shù)據(jù)統(tǒng)計的遠程故障診斷的實現(xiàn)

3.4.1 主要方法

在對機組設(shè)備展開運行監(jiān)測的過程中提取運行數(shù)據(jù)，分析運行規(guī)律，以此為基礎(chǔ)確定出風(fēng)電機組的實際運行情況，并完成對機組設(shè)備中隱含或已經(jīng)存在故障的判斷。此時，可以將遠程故障診斷的決策模型設(shè)定為RDDM={M，K，D，E，P}，其中，M代表著故障判斷方法的集合;K代表著故障診斷中所涉及到的知識;D代表著風(fēng)電機組設(shè)備的原始數(shù)據(jù)信息;E代表著實驗設(shè)施;P代表著專家知識的集合。此時，機組遠程故障診斷的決策目標(biāo)可以用maxC=f（RDDM）-f（{M，K，D，E，P}）進行表達。其中，C代表著故障診斷效益。

在系統(tǒng)中融入大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以實現(xiàn)對更為完善的知識、更先進技術(shù)的應(yīng)用，對多類型數(shù)據(jù)信息展開歸納分析，最終獲取與風(fēng)電機組故障診斷相關(guān)的控制規(guī)則。此時，該系統(tǒng)的遠程故障診斷流程為：對風(fēng)力發(fā)電機組的運行數(shù)據(jù)進行采集;實施大量運行數(shù)據(jù)的處理與分析;形成故障診斷，并將相應(yīng)故障信息傳遞至故障處理模塊、本地數(shù)據(jù)庫以及數(shù)據(jù)通信模塊，完成故障信息記錄保存的同時自動展開故障處理，并向相關(guān)工作人員發(fā)出故障提示及其信息。

3.4.2 遠程故障診斷步驟

在海上風(fēng)電機組中設(shè)置多種傳感器，采集其運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并實時傳遞至數(shù)據(jù)采集站中，完成對風(fēng)電機組故障征兆信息的備份;網(wǎng)絡(luò)信息與推理判斷服務(wù)器為診斷中心作出正確的故障診斷決策提供數(shù)據(jù)支持，在監(jiān)控分析軟件、故障診斷軟件的共同作用下，診斷服務(wù)器實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中數(shù)據(jù)信息的提取，完成風(fēng)電機組故障情況的遠程診斷，并將相應(yīng)診斷結(jié)果反饋至現(xiàn)場工作人員。

系統(tǒng)實際的運行中，若是判斷風(fēng)電機組的故障情況具有極高的復(fù)雜性，則可以向系統(tǒng)中心發(fā)出信號，并由系統(tǒng)中心向遠程診斷中心發(fā)出申請;依托互聯(lián)網(wǎng)，行業(yè)專家可以完成對相應(yīng)故障的診斷、分析以及處理，并將結(jié)果反饋至診斷中心以及現(xiàn)場工作人員。對于診斷服務(wù)器來說，主要參考征兆信息，展開對風(fēng)電機組故障診斷的推理，并在獲取推理結(jié)果后立即傳遞至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器;網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器根據(jù)相應(yīng)信息形成有關(guān)風(fēng)電機組故障診斷結(jié)果的網(wǎng)頁，授權(quán)用戶可以通過登錄系統(tǒng)獲取相關(guān)電子版診斷報告。

作為局域網(wǎng)的服務(wù)器直接面向海上風(fēng)電場局域網(wǎng)，基于此，現(xiàn)場工作人員可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器完成對風(fēng)電機組振動情況、運行變化情況的監(jiān)測;遠程故障中心中的服務(wù)器與本地診斷中心服務(wù)器的功能具有一致性，其中的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器內(nèi)保存著所有風(fēng)力發(fā)電機組的運行數(shù)據(jù)，促使數(shù)據(jù)共享成為現(xiàn)實;推理機承擔(dān)著對相應(yīng)共享數(shù)據(jù)展開分析與診斷推理的任務(wù)，確保海上風(fēng)電場中的所有風(fēng)電機組均可以享受專家級別的故障診斷服務(wù)，避免故障誤判、錯判等問題的發(fā)生，提高遠程故障診斷的效率效果。另外，在本系統(tǒng)的運行中，若是診斷中心無法迅速、準(zhǔn)確完成風(fēng)電機組故障的遠程診斷以及修復(fù)，則能夠在互聯(lián)網(wǎng)的支持下，向遠程故障診斷中心發(fā)出求助信息，由行業(yè)專家接手風(fēng)電機組遠程故障診斷以及處理的工作。

4 結(jié)束語

綜上所述，在海上風(fēng)力發(fā)電中，發(fā)電機組所面對的工況相對惡劣，必須要對風(fēng)電機組的運行展開實時性監(jiān)測，實現(xiàn)對其故障情況的遠程診斷。依托數(shù)據(jù)采集監(jiān)測站、數(shù)據(jù)服務(wù)器、傳感器的布設(shè)，結(jié)合實時監(jiān)測功能、分析診斷功能、數(shù)據(jù)管理功能的實現(xiàn)，并依托大數(shù)據(jù)分析技術(shù)完成遠程故障診斷，降低了風(fēng)電機組運行故障的發(fā)生概率。

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