基于SCADA 系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈特性分析方法

王金娜

（甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 甘肅 蘭州 730050）

0 引言

當(dāng)今世界，人類賴以生存的地球所面臨的兩大主要問題為能源問題和環(huán)境問題。能源是提供人們生產(chǎn)和生活的主要動力來源，而傳統(tǒng)的能源如煤、石油、天然氣等的開采是十分有限的。過度的對傳統(tǒng)能源的開采十分有悖于環(huán)境保護(hù)理念，會加劇全球資源環(huán)境的惡化，不利于可持續(xù)發(fā)展。因此，新能源的利用成為當(dāng)今能源問題研究的主要課題，而風(fēng)能這種可再生能源在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用又備受關(guān)注。風(fēng)能是一種取之不盡用之不竭的可再生能源，它具有無污染、會再生的特點(diǎn)，并且地球上具有十分可觀的風(fēng)能儲備量。目前，世界各國都在加快對風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而我國，由于擁有廣闊的地形，豐富的地貌，所以我國風(fēng)能儲量大，覆蓋面積廣，這些強(qiáng)大的自然優(yōu)勢都給我國的風(fēng)電事業(yè)發(fā)展創(chuàng)造廣闊的空間[1]。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈概述

開發(fā)和利用風(fēng)能的主要載體是風(fēng)力發(fā)電機(jī)。而風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主傳動鏈?zhǔn)峭瓿娠L(fēng)電轉(zhuǎn)換功能的核心部分。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主傳動鏈從輸入端至輸出端主要包括葉片、風(fēng)電齒輪箱輸入軸、低速級行星齒輪系、中速級斜齒輪組、高速級斜齒輪組、風(fēng)電齒輪箱輸出軸等部件。某風(fēng)電場1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主傳動鏈結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1 所示。

對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作要求是可靠性要高、故障率要低。但風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般都在沙漠、海上等氣溫較低、沙塵較多常有冰雪及海水腐蝕等惡劣環(huán)境中工作，現(xiàn)實(shí)情況是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠性較低、故障率較高。而風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈中的葉片、風(fēng)電齒輪箱輸入軸、風(fēng)電齒輪箱輸出軸和風(fēng)電齒輪箱是導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障、停機(jī)以及產(chǎn)生事故的主要部件[2]。所以對風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈工作狀態(tài)的監(jiān)測與分析十分重要。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈的工作特性

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈所受載荷特性

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組利用的能源主要為風(fēng)能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈所受載荷主要來源于風(fēng)載。而風(fēng)自身具有出現(xiàn)頻率隨機(jī)性、速度變化性的特點(diǎn)。尤其風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要在一些惡劣環(huán)境下工作，所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈所受的載荷比較復(fù)雜，主要包含大小隨風(fēng)速變化的正常工作載荷、極端風(fēng)況導(dǎo)致的極端載荷和緊急停機(jī)導(dǎo)致的沖擊載荷等[3]。當(dāng)風(fēng)速處于切入與切出風(fēng)速之間的數(shù)值時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主傳動鏈所承受的載荷為正常工作載荷，它的大小隨風(fēng)速的改變而變化，可以用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的相關(guān)分布模型來描述。極端載荷是由于極端風(fēng)況導(dǎo)致的，極端風(fēng)況的出現(xiàn)比較罕見（大約50 ～60 年一次），所以極端載荷的出現(xiàn)也比較罕見，但極端載荷的大小遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)載荷，會給風(fēng)電機(jī)組造成很嚴(yán)重的不可逆的破壞。沖擊載荷的出現(xiàn)相對于極端載荷較多，主要伴隨著發(fā)電機(jī)的切入切出以及發(fā)電機(jī)的制動而發(fā)生，沖擊載荷出現(xiàn)是隨機(jī)的，無法用典型的數(shù)理分布規(guī)律描述，它是一種瞬間載荷，但載荷值很大會導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的破壞。風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈的載荷的多樣性以及隨機(jī)性以及規(guī)律不確定性嚴(yán)重影響到風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈的疲勞強(qiáng)度和壽命。

2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈工作環(huán)境氣候特性

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作的環(huán)境多為低溫甚至高濕的環(huán)境，在這樣的環(huán)境下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組極易產(chǎn)生嚴(yán)重的覆冰問題，這些覆冰問題導(dǎo)致了長時(shí)間段的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的停機(jī)情況。由于多次反復(fù)結(jié)冰，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的氣動性能發(fā)生變化，可導(dǎo)致風(fēng)能利用效率不高，發(fā)電量降低。風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈中的各個(gè)部件均為金屬制成而金屬在低溫高濕環(huán)境下，其材料特性會發(fā)生變化，容易發(fā)生金屬材料組織脆變。這種金屬材料組織的變化將會降低風(fēng)電齒輪箱輸入輸出軸、齒輪等部件的表面疲勞強(qiáng)度，從而導(dǎo)致各金屬部件的故障產(chǎn)生及壽命的減少[4]。

2.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈的故障特性

據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常工作的情況下，其主傳動鏈上的關(guān)鍵零部件的使用年限不應(yīng)少于20年[5-6]。而實(shí)際上，風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈的相關(guān)零部件故障發(fā)生率卻很高。主要原因有以下幾點(diǎn)：①工作溫度過低導(dǎo)致不能充分潤滑，從而引起的零件損壞；②正常工作載荷的速度及方向的不確定導(dǎo)致的交變載荷引起零部件疲勞破壞；③緊急制動及正常啟動時(shí)產(chǎn)生的疲勞沖擊和扭轉(zhuǎn)沖擊導(dǎo)致的零部件破壞；④隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的容量的增大，其主傳動鏈所采用的零部件也越來越多，從而增加了故障環(huán)節(jié)。以上四點(diǎn)均為風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈所發(fā)生的機(jī)械故障，除此之外，還會發(fā)生電氣故障。與機(jī)械故障相比，電氣故障更為頻發(fā)但比較容易排查和解決，而機(jī)械故障的成因比較復(fù)雜，處理和分析起來比較困難。

故障就會導(dǎo)致停機(jī)，其導(dǎo)致的維修費(fèi)用和停機(jī)造成的發(fā)電效率大大降低，將嚴(yán)重增加運(yùn)行和維護(hù)成本，所以對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈的故障分析和零部件運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測有著十分重要的意義。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈理論分析方法及存在的問題

3.1 載荷分析

對于傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈所承受的載荷分析，主要是基于理論方法和仿真模擬。有學(xué)者通過建立隨機(jī)風(fēng)速模型，進(jìn)而通過公式推導(dǎo)出風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈所受的載荷，對于極端載荷和沖擊載荷無法建立典型模型，僅僅設(shè)置一個(gè)系數(shù)來考慮這兩種載荷的存在。但實(shí)際上，這兩種載荷一旦發(fā)生，其瞬時(shí)性和高載性都會對風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈造成致命的損害。有學(xué)者利用模擬仿真軟件，模擬出沖擊載荷和極端載荷出現(xiàn)的時(shí)間和數(shù)值，利用模擬結(jié)果建立仿真模型，從而分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈相關(guān)部件的載荷規(guī)律[7]。這種方法考慮到了載荷的多樣性，并且進(jìn)行了分析，但無法確定是否與實(shí)際相符。風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作環(huán)境具有多樣性，僅用仿真模擬得出的結(jié)果無法通用，具有很強(qiáng)的局限性。

3.2 葉片氣動性能分析

葉片容易在低濕高溫的環(huán)境下出現(xiàn)覆冰現(xiàn)象，覆冰現(xiàn)象會影響風(fēng)能利用率和功率特性。有學(xué)者依據(jù)動量-葉素理論并利用Fluent 軟件計(jì)算出覆冰現(xiàn)象進(jìn)程與風(fēng)能利用率和功率特性之間的關(guān)系[8]。但其也是通過理論計(jì)算的方法得出結(jié)果，而且所取位置比較典型，不能代表所有實(shí)際情況；未對覆冰狀態(tài)下的葉片材料的實(shí)際金相組織變化進(jìn)行監(jiān)測，不能準(zhǔn)確描述實(shí)際情況中葉片材料的疲勞強(qiáng)度變化。

3.3 振動信號故障分析

對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈的故障分析，之前的學(xué)者主要是仿真模擬出振動信號，然后用小波分析或小波包分析進(jìn)行降噪，從而判斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈故障的發(fā)生[9]。這種方法僅提供了根據(jù)振動信號判斷故障發(fā)生的方法，并沒有體現(xiàn)出實(shí)際中對故障狀態(tài)的監(jiān)測及預(yù)防，如對溫度進(jìn)行監(jiān)測以預(yù)防潤滑不良造成的故障、對交變載荷和沖擊載荷進(jìn)行監(jiān)測以預(yù)防這兩種載荷引發(fā)的疲勞損傷造成的故障。

4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組SCADA系統(tǒng)簡介

4.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組SCADA 系統(tǒng)組成

SCADA 系統(tǒng)即數(shù)據(jù)監(jiān)視與控制系統(tǒng)，主要由現(xiàn)場監(jiān)控中心（上位機(jī)）、下位機(jī)、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心和通信設(shè)備等組成，它們之間的關(guān)系如圖2 所示。

（1）現(xiàn)場監(jiān)控中心

現(xiàn)場監(jiān)控中心又稱上位機(jī)，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組SCADA 系統(tǒng)中起到的是上傳下達(dá)的作用，是SCADA 系統(tǒng)的核心。它可以接收從下位機(jī)傳送過來的數(shù)據(jù)和信號，也可以向下位機(jī)傳送相應(yīng)的指令。它可以實(shí)現(xiàn)的功能有：停機(jī)、啟動、關(guān)機(jī)等。

（2）下位機(jī)

下位機(jī)主要負(fù)責(zé)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行現(xiàn)場監(jiān)控中心輸送過來的指令，數(shù)據(jù)的采集與指令的接收主要是利用控制器來完成的。在風(fēng)電場中，每一臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都是一部下位機(jī)，所以一個(gè)風(fēng)電場中有多臺下位機(jī)。我們確定一臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為下位機(jī)主機(jī)，其他的風(fēng)力發(fā)電機(jī)即為下位機(jī)從機(jī)。主機(jī)不但要負(fù)責(zé)與現(xiàn)場監(jiān)控中心的聯(lián)系，還要負(fù)責(zé)收集從機(jī)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，以及向從機(jī)發(fā)送指令。

（3）遠(yuǎn)程監(jiān)控中心

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心是基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)場監(jiān)控中心互聯(lián)的，可以實(shí)現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組SCADA 系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。

（4）通信設(shè)備

通信設(shè)備包含交換機(jī)、服務(wù)器和光纜以及光電轉(zhuǎn)換設(shè)備等，主要負(fù)責(zé)設(shè)備之間命令的傳輸。

4.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組SCADA 系統(tǒng)功能

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)控功能

SCADA 監(jiān)控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電場的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，主要是采集數(shù)據(jù)及發(fā)送指令。

（2）數(shù)據(jù)分析及處理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組SCADA 監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集是實(shí)時(shí)的，但我們需要應(yīng)用這些數(shù)據(jù)去進(jìn)行工況的分析，從而對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制。所以數(shù)據(jù)分析處理在SCADA 系統(tǒng)中是十分必要的。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組SCADA 系統(tǒng)中所涉及的數(shù)據(jù)分析及處理主要有公式值、計(jì)算值和累計(jì)值。

（3）數(shù)據(jù)歸檔功能

為了對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組SCADA 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理及使用，必須對采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔和管理?？刂破鞯拇鎯δ苡邢?，所以我們必須建立專用的SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲并按年、月、日歸檔。

（4）歷史數(shù)據(jù)下載功能

實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)被保存在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組SCADA 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，可以按類別從數(shù)據(jù)庫中下載風(fēng)力發(fā)電機(jī)組歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)。

（5）故障報(bào)警功能

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組SCADA 系統(tǒng)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)超過運(yùn)行閾值時(shí)，SCADA 監(jiān)測系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信號，此功能可以通知工作人員及時(shí)處理故障狀態(tài)，保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

4.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組SCADA 系統(tǒng)特點(diǎn)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組SCADA 系統(tǒng)具有以下三個(gè)特性：

（1）實(shí)時(shí)性較強(qiáng)

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處環(huán)境的運(yùn)行工況變化多端，其風(fēng)速變化也是實(shí)時(shí)性的，所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的實(shí)時(shí)性十分有必要。

（2）可靠性較高

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作環(huán)境較為惡劣，且風(fēng)電場地處偏遠(yuǎn)，這都為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組SCADA 系統(tǒng)的調(diào)試與維護(hù)帶來了很大的局限性。正是由于這個(gè)原因，決定著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組SCADA 系統(tǒng)必須具有很強(qiáng)的可靠性。

（3）遠(yuǎn)程監(jiān)控能力較強(qiáng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組SCADA 系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心是基于強(qiáng)大的互聯(lián)網(wǎng)存在的。服務(wù)器、交換機(jī)以及數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備配備完善，這決定著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組SCADA 系統(tǒng)可以具有很強(qiáng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控能力。

4.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組SCADA 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組SCADA 系統(tǒng)主要是依靠安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、主軸、發(fā)電機(jī)上的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的，數(shù)據(jù)采集的頻率為一秒到幾分鐘不等，監(jiān)測的參數(shù)種類較多，主要為風(fēng)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和有功功率、無功功率等。如表1 所示，為某1.5 MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組SCADA 系統(tǒng)監(jiān)測得到的原始數(shù)據(jù)。

表1 1.5 MW 風(fēng)電機(jī)組實(shí)測運(yùn)行數(shù)據(jù)(節(jié)選)

5 基于實(shí)測數(shù)據(jù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈特性分析方法

5.1 基于實(shí)測數(shù)據(jù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈載荷分析方法

應(yīng)用SCADA 監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測不同容量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)承受的載荷，得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈所承受的載荷數(shù)據(jù)，從中提取出沖擊載荷，應(yīng)用隨機(jī)過程理論，找到?jīng)_擊載荷的分布情況。應(yīng)用這種方法可以得到某1.5 MW 風(fēng)電場的沖擊載荷服從泊松分布[10]。依據(jù)此法，結(jié)合利用SCADA 監(jiān)測系統(tǒng)，可以求得不同容量的風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈所承受的沖擊載荷服從泊松分布，研究泊松分布對于沖擊載荷的描述，是否具有通用性。

應(yīng)用SCADA 監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測不同容量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)承受的正常工作載荷，提出正常工作載荷隨風(fēng)速變化的規(guī)律，并提出通用公式。

應(yīng)用SCADA 監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的載荷，結(jié)合雨流計(jì)數(shù)法預(yù)測不同容量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈各個(gè)部件（如風(fēng)電齒輪箱輸入軸、輸出軸、齒輪）的壽命。

5.2 基于實(shí)測數(shù)據(jù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈氣動性能分析方法

利用SCADA 監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測葉片的覆冰量的時(shí)間進(jìn)程、風(fēng)能利用率和功率特性，基于實(shí)測數(shù)據(jù)推導(dǎo)風(fēng)能利用率和功率特性隨覆冰量變化的規(guī)律。并且可以利用SCADA 監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測葉片金相組織變化過程，推導(dǎo)在真實(shí)環(huán)境中金相組織隨覆冰量變化的規(guī)律，從而更好地預(yù)防葉片的疲勞強(qiáng)度的降低，增加葉片的壽命。

5.3 基于實(shí)測數(shù)據(jù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈的故障預(yù)測

充分利用SCADA 監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測功能實(shí)時(shí)監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈的振動信號，利用小波分析的方法判斷即將發(fā)生的故障并及時(shí)采取措施，時(shí)刻監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈的溫度、沖擊載荷、電氣性能等指標(biāo)，一旦不滿足設(shè)定閾值，立即發(fā)出報(bào)警信號，提醒工作人員停機(jī)進(jìn)行故障診斷及修復(fù)。

6 結(jié)論

（1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈所承受載荷具有多樣性和復(fù)雜性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)所處環(huán)境條件惡劣，而且其具有工況復(fù)雜、維修不便等現(xiàn)實(shí)情況，造成其故障率的增加和壽命的減少。

（2）理論分析和模擬仿真不能很好地反映實(shí)際情況，應(yīng)充分利用SCADA 監(jiān)測系統(tǒng)，依據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)分析其載荷、壽命、氣動性能以及故障預(yù)測。