基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計的偏航系統(tǒng)故障診斷研究

趙洪莉，邢作霞，陳雷，厲偉

(沈陽工業(yè)大學電氣工程學院，遼寧 沈陽 110870)

1 引言

風力發(fā)電機大多在多風沙等惡劣環(huán)境下運行。風機系統(tǒng)內(nèi)多部件協(xié)同工作，運行工況隨著環(huán)境變化而隨機變化。運行狀態(tài)頻繁切換，各部件的疲勞強度和運行控制性能不可避免地隨著環(huán)境和運行時間的變化而逐漸下降，導致故障發(fā)生。這種故障通常不會被風機SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)報警，稱之為隱性故障。偏航系統(tǒng)在隱性故障下繼續(xù)運行，偏航誤差將影響葉片及風輪氣動彈性、穩(wěn)定性，影響風電機組發(fā)電量，而且會造成機組機械結(jié)構(gòu)振動，威脅機組安全。所以，對風機隱性故障研究可以提前預測風機故障、減少停機時間、提升發(fā)電量。

文獻[1]設計了一種風力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)故障監(jiān)測裝置，該裝置在功能上能夠?qū)崿F(xiàn)實時準確監(jiān)測偏航系統(tǒng)是否故障，也能獲取風力發(fā)電機組相關關鍵數(shù)據(jù)。但是，在風機運行的惡劣環(huán)境下，新增設該裝置會增加設備成本、增加檢測維修成本、增加出現(xiàn)故障的幾率。文獻[2]利用Excel軟件進行VBA編程后可實現(xiàn)自動提取停機時段的風速數(shù)據(jù)，并參照功率曲線對電能損失進行計算，結(jié)果接近實際數(shù)據(jù)，驗證了計算的準確性，此方法只對風機的一種特征數(shù)據(jù)進行對比分析，數(shù)據(jù)單一、存在偶然性。本文提出基于風機運行SCADA系統(tǒng)的特征數(shù)據(jù)提取方法僅在風機后臺監(jiān)測系統(tǒng)中提取歷史運行數(shù)據(jù)，不需要增加傳感器；從風機SCADA系統(tǒng)提取風向標測風數(shù)據(jù)、風場風向數(shù)據(jù)、偏航角度等多個特征數(shù)據(jù)，正常情況和故障情況對比分析，減少了診斷的偶然性和不確定性。

2 偏航故障分析

目前，中大型風電機組通常釆用主動式偏航，即風向發(fā)生變化時，偏航系統(tǒng)根據(jù)風向檢測裝置傳遞的信號主動地將葉輪方向轉(zhuǎn)動至迎風位置。據(jù)相關調(diào)查顯示，由于偏航故障導致的停機時間占總停機時間的13.3%，而偏航系統(tǒng)故障率占12.5%[3]，風向傳感器和偏航執(zhí)行機構(gòu)是偏航系統(tǒng)主要組成部分。因此，對偏航系統(tǒng)故障監(jiān)測與診斷應圍繞這兩部分開展。

(1)偏航執(zhí)行機構(gòu)故障

偏航執(zhí)行機構(gòu)常見的故障有:偏航位置故障、右偏航反饋丟失、偏航位置傳感器故障、左偏航反饋丟失和偏航速度故障(偏航過載)[4]，這幾種故障出現(xiàn)時，SCADA系統(tǒng)失去正常電信號后會自動報警，稱之為顯性故障。

(2)風向標故障

風向標的風向傳感器檢測到風向變化后給出偏航系統(tǒng)動作信號，偏航系統(tǒng)根據(jù)此信號進行主動對風。由于風場大多建立在風沙強的惡劣環(huán)境下，而風向標是采用機械旋轉(zhuǎn)方式來測量風向變化的，所以風向標極易被風沙堵塞造成磨損，使風向測量精度降低；或者風向標在低溫情況下會結(jié)冰使旋轉(zhuǎn)機構(gòu)異常，響應時間過長，造成偏航控制精度降低。

3 基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計的偏航故障診斷研究

基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計的偏航故障診斷方法的思路是從風機SCADA系統(tǒng)中提取歷史及實時運行數(shù)據(jù)，挖掘其中可利用的特征數(shù)據(jù)，運用數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法得出風機的正常運行模式和故障運行模式，二者比較分析，從而實現(xiàn)風機偏航系統(tǒng)的故障診斷。

偏航系統(tǒng)根據(jù)風向標測得的風向變化角控制偏航動作，由于偏航變化角和風向的變化角具有線性的跟隨關系，因此兩者差值的平均值應該趨近于0?；跀?shù)據(jù)統(tǒng)計分析的偏航系統(tǒng)故障診斷，即偏航系統(tǒng)跟隨性故障診斷，偏航跟隨性是通過計算一定時間內(nèi)風場風向角度的變化量和偏航角度變化量的差值，如果其分布服從或近似服從正態(tài)分布，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得出偏航跟隨誤差的均值μ和標準差σ，就能用正態(tài)分布對偏航準確性進行分析，其評定方法如下:

將偏航變化角度和風向變化角度的差值，即偏航誤差記為ξk，ξk的計算方法如下:

式中，dk(i)表示第k次采集風向(direction)的第i個數(shù)值；pk(i)表示第k次采集機艙位置(position)的第i個數(shù)值。

風電機組正常運行狀態(tài)下，偏航誤差是一個隨機變量，其概率分布如圖1所示。偏航誤差在y＝0處分布頻次最高，隨著偏航誤差的增大頻次分布越低。擬合標準正態(tài)分布如圖2所示，正態(tài)分布的置信區(qū)間用3σ準則判定，通過偏航誤差值分布是否在實際數(shù)據(jù)統(tǒng)計置信區(qū)間內(nèi)判斷偏航系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

圖1 偏航誤差概率分布

圖2 正態(tài)分布

對于正態(tài)分布，3σ準則又稱為拉依達準則，它是先假設一組檢測數(shù)據(jù)只含有隨機誤差，對其進行計算處理得到標準偏差，按一定概率確定一個區(qū)間，認為超過這個區(qū)間的誤差，就不屬于隨機誤差而是粗大誤差，含有該誤差的數(shù)據(jù)應予以剔除[5]。

4 案例分析

4.1 數(shù)據(jù)來源及清洗

數(shù)據(jù)來自大連駝山風電場SCADA監(jiān)控系統(tǒng)。大連駝山風電場位于瓦房店市駝山鄉(xiāng)北部，中心地理位置約為北緯 39°48′，東經(jīng) 121°38′。 大連駝山風電場一期工程風電場采用金風永磁直驅(qū)1500kW風力發(fā)電機組33臺，裝機容量為49.5MW；二期工程采用東汽雙饋1500kW風力發(fā)電機組33臺，裝機容量為49.5MW。

案例從33臺金風風機SCADA監(jiān)控系統(tǒng)選取24h偏航系統(tǒng)的時間、風向角、偏航位置數(shù)據(jù)序列，如表1所示(僅列部分數(shù)據(jù))。

表1 數(shù)據(jù)庫采取的三維數(shù)據(jù)序列樣本

數(shù)據(jù)清洗是數(shù)據(jù)預處理的第一步，也是保證后續(xù)結(jié)果正確的重要一環(huán)[6]。在excel中篩選出空值和異常數(shù)據(jù)，對于空值可以直接去除或者置0處理；對于異常值可以刪除明顯偏離正常值的數(shù)據(jù)點或者根據(jù)實際情況取均值替換異常數(shù)據(jù)。

4.2 計算偏航誤差ξk

案例針對金風風機的風向參數(shù)計算，計算方法如表2所示。應用該方法可以計算式(1)、(2)中的dk(i)和pk(i)，再根據(jù)式(3)計算得到偏航誤差ξk。這樣可以計算此風場所有風機的dk(i)、pk(i)、ξk。

表2 風機參數(shù)計算方法

由于SCADA系統(tǒng)中提取的數(shù)據(jù)是秒級的，為了計算方便、直觀，本文取均值計算獲得10min級數(shù)據(jù)，即對每10min的數(shù)據(jù)取平均值，得到24h內(nèi)144個數(shù)據(jù)，某一臺風機的部分計算結(jié)果如表3所示，其24h偏航跟隨誤差散點圖如圖3所示。

表3 計算偏航跟隨誤差的樣本數(shù)據(jù)

圖3 偏航誤差的分布

由圖3偏航誤差的散點分布可以看出本文提出的計算方法符合風機偏航運行規(guī)律，正態(tài)分布的標準差σ可以準確的表述其離散性，σ越小散點分布越集中在x＝0處，其偏航誤差越小，偏航跟隨性能越好；反之則偏航跟隨性能越差。

4.3 分析結(jié)果

對每臺風機的偏航誤差ξk求標準差σk，可以得出每一臺風機偏航跟隨誤差的離散性。再對σk求均值μ′k和標準差σ′k，可以用正態(tài)分布的3σ原則確定σk的置信區(qū)間，σk超過3σ置信區(qū)間的風機即為故障風機。

33臺風機偏航誤差的σk分布和3σ置信區(qū)間μ′k＋3σ′k如圖4 所示。 在σk＜μ′k＋3σ′k區(qū)間內(nèi)的風機為偏航誤差離散性較小的風機，在σk＞μ′k＋3σ′k區(qū)間內(nèi)的風機為故障風機，即本案例研究風場的29＃風機。

圖4 33臺風機偏航誤差的標準差的分布

在MATLAB中導入數(shù)據(jù)，編寫程序，畫出33臺風機偏航誤差頻次分布直方圖，并擬合出正態(tài)分布曲線，本文選取了四臺不同均值μk和標準差σk的風機進行分析對比，如圖5和圖6所示。

圖5 偏航誤差頻次分布圖

從圖5可以看出，風力發(fā)電機偏航誤差在0°處頻次最高，偏航誤差越接近于0°，說明風機能夠準確對風，偏航跟隨性能越好；反之，風機偏航跟隨性能越差。 由計算結(jié)果可得 ｜μξ1｜＝ ｜μξ22｜＜ ｜μξ4｜＜｜μξ29｜，σξ1＜σξ22＜σξ4＜σξ29，圖 6 正態(tài)分布曲線可得1＃風機的曲線圖形最“瘦高”，22＃和4＃次之，29＃風機的曲線圖形最“扁平”，結(jié)合頻次分布直方圖和實際計算結(jié)果，可以得出風機跟風性能順序1＃＞22＃＞4＃＞29＃。群機分析已經(jīng)得出29＃風機出現(xiàn)故障，單機分析結(jié)果驗證了其正確性。

圖6 偏航誤差正態(tài)分布曲線

4.4 結(jié)果驗證

偏航系統(tǒng)工作正常情況下，機組的偏航角度應與風場風向的變化趨勢相同，如圖7所示。29＃風機16時～17時的偏航角度與風場風向的變化趨勢如圖8所示。從圖8中可以看出在此時間段內(nèi)，機組偏航角度變化趨勢與風向變化趨勢出現(xiàn)明顯差異。通過查看機組運行日志發(fā)現(xiàn)，在案例計算的故障發(fā)生時段內(nèi)偏航系統(tǒng)運行被人為限制，此結(jié)果驗證了本文提出的診斷方法的有效性。

圖7 風機正常運行偏航跟隨曲線

圖8 29＃故障風機偏航跟隨曲線

5 結(jié)論

本文提出的基于風機運行SCADA系統(tǒng)特征數(shù)據(jù)提取的偏航系統(tǒng)故障診斷方法能準確的表征偏航系統(tǒng)的對風性能，針對風電機組偏航系統(tǒng)的偏航執(zhí)行機構(gòu)故障和風向標故障進行故障檢測，避免引起機組長期疲勞和故障停機，對機組經(jīng)濟運行、減少運維成本、提升發(fā)電量有重要意義。