新能源場站運維中的智能化監(jiān)測與故障診斷

［關(guān)鍵詞］智能化監(jiān)測；故障診斷；新能源場站；智能傳感器；大數(shù)據(jù)分析

［中圖分類號］TM73 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）11–0116–03

1新能源場站運維概述

1.1新能源場站的類型與特點

風(fēng)電場、分布廣泛，尤其是在偏遠(yuǎn)地區(qū)常見，并深受環(huán)境因素影響。將光能轉(zhuǎn)化為電能的光伏電站，采用了光伏組件、逆變器和監(jiān)控系統(tǒng)等主要裝置。優(yōu)點表現(xiàn)在便捷安裝和模塊化設(shè)計上，且不產(chǎn)生污染。地?zé)釄稣窘ㄔO(shè)在地?zé)豳Y源豐富的地區(qū)，可通過地?zé)峋?、熱交換器和渦輪機(jī)等設(shè)備進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。生物質(zhì)能場站利用生物質(zhì)材料（如農(nóng)林廢棄物）進(jìn)行燃燒或氣化等方式發(fā)電。其設(shè)備包括燃燒爐、發(fā)電機(jī)組以及煙氣處理裝置等。

1.2運維的重要性

新能源場站運維工作不僅可保證設(shè)備高效運行，延長設(shè)備使用壽命，優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益，更關(guān)乎安全與環(huán)境保護(hù)。場站發(fā)電效率及經(jīng)濟(jì)效益受設(shè)備可靠性和穩(wěn)定性影響，需定期進(jìn)行維護(hù)監(jiān)測以防止?jié)撛诠收铣霈F(xiàn)并減少停機(jī)時間進(jìn)而降低成本。新能源場站設(shè)備面臨復(fù)雜的自然環(huán)境挑戰(zhàn)，使用智能化監(jiān)測與故障診斷手段可針對長期運行過程中容易出現(xiàn)的由環(huán)境因素導(dǎo)致的問題并及時應(yīng)對，確保安全運行。此外，通過合理的運維管理模式，溫室氣體排放量和污染程度也可得到有效控制，使得可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)得以實現(xiàn)。

2新能源場站智能化監(jiān)測技術(shù)

2.1智能傳感器技術(shù)

智能傳感器技術(shù)核心組件之一的智能傳感器，承載著檢測設(shè)備的物理量、化學(xué)量等參數(shù)，以及提供精確數(shù)據(jù)輸入的重任。溫度傳感器可避免溫度過高可能導(dǎo)致的設(shè)備損壞情況。振動傳感器可識別機(jī)械潛在故障，電流電壓傳感器可保證電氣設(shè)備運行狀態(tài)的安全。智能傳感器結(jié)合微處理器和通信模塊技術(shù)，不僅準(zhǔn)確度高、可靠性強(qiáng)、功耗低，并且不受惡劣環(huán)境影響，進(jìn)而長期穩(wěn)定工作。智能傳感器自我校正以及自我診斷功能使得測量結(jié)果精準(zhǔn)且可信賴。選擇與布置傳感器時需因地制宜針對具體環(huán)境條件優(yōu)化考慮。

2.2數(shù)據(jù)采集與傳輸

智能化監(jiān)測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于數(shù)據(jù)采集與傳輸，傳感器采集數(shù)據(jù)后及時、準(zhǔn)確傳輸至數(shù)據(jù)處理中心，以為后續(xù)分析和故障診斷提供基礎(chǔ)。這包括如數(shù)據(jù)采集器、信號轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)傳輸模塊等構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，統(tǒng)一處理并傳輸多種類型的傳感器信號。新能源場站的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用了無線技術(shù)，如LoRa，NB-IoT，5G 等。數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的終端實時監(jiān)控平臺顯示、存儲和管理所采集到的數(shù)據(jù)，同時也可監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)，并配備報警功能，在設(shè)備運行參數(shù)超出預(yù)設(shè)范圍的情況下，通過及時發(fā)出警報提醒，以供運維人員對其進(jìn)行處理。

2.3大數(shù)據(jù)分析與處理

智能化監(jiān)測技術(shù)中的大數(shù)據(jù)分析與處理環(huán)節(jié)，通過對海量數(shù)據(jù)的分析和處理提取出有價值的信息，進(jìn)而支持故障診斷和運維決策。大數(shù)據(jù)分析依賴于數(shù)據(jù)預(yù)處理這一基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，涵蓋了數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)融合、特征提取等步驟，以改善數(shù)據(jù)質(zhì)量及一致性。而統(tǒng)計分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等則為大數(shù)據(jù)的主要分析方法，熟練運用這些技術(shù)可對設(shè)備運行情況進(jìn)行建模預(yù)測，掌握其操作規(guī)律及潛在故障。統(tǒng)計分析方法可揭示數(shù)據(jù)趨勢和模式，而設(shè)備故障的自動識別與預(yù)測，則依賴于機(jī)器學(xué)習(xí)方法訓(xùn)練模型來實現(xiàn)。復(fù)雜非線性關(guān)系和高維數(shù)據(jù)的處理可通過深度學(xué)習(xí)方法實現(xiàn)。通過數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，分析結(jié)果能以圖表等形式展示出來，有助于運維人員理解并快速作決策。大數(shù)據(jù)分析可提升故障診斷的準(zhǔn)確性和及時性，優(yōu)化設(shè)備運行和維護(hù)策略，延長設(shè)備使用壽命，進(jìn)而降低運維成本，提高新能源場站的整體效益。

3新能源場站故障診斷技術(shù)

3.1故障類型與診斷需求

新能源場站中設(shè)備故障涵蓋機(jī)械故障、電氣故障及控制系統(tǒng)故障等。風(fēng)扇葉片磨損，軸承受損等機(jī)械問題可能引發(fā)設(shè)備運行不穩(wěn)定，甚至嚴(yán)重?fù)p壞。電流、斷路等電氣故障，會危及設(shè)備停止工作或產(chǎn)生電氣火災(zāi)，對整個場站運行效率和安全性造成影響。而控制系統(tǒng)故障可能帶來設(shè)備調(diào)節(jié)與管理失效，阻礙整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行。針對診斷不同類型的故障，實施診斷需求時必須分別處理?？赏ㄟ^振動分析、溫度監(jiān)測等手段診斷機(jī)械故障；實時電流、電壓等參數(shù)的監(jiān)測和分析可為電氣故障提供判斷依據(jù)；控制系統(tǒng)故障需綜合參考軟硬件運行狀態(tài)。新能源場站故障診斷體現(xiàn)出需求實時性、準(zhǔn)確性及可操作性3 大特征，因此要求診斷系統(tǒng)快速準(zhǔn)確地識別故障類型和位置，并給出具體修理建議。

3.2傳統(tǒng)故障診斷方法

傳統(tǒng)故障診斷依賴經(jīng)驗判斷與統(tǒng)計分析，這些方法基于設(shè)備運行參數(shù)變化。歷史數(shù)據(jù)和變化趨勢的深入分析有助于發(fā)現(xiàn)異常情況。經(jīng)驗判斷法通過運維人員觀察設(shè)備運行狀態(tài)及參數(shù)曲線波動推測設(shè)備可能存在的問題。借助設(shè)備運行參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析法通過設(shè)定閾值或采用趨勢分析等方法進(jìn)行參數(shù)異常識別以及可能存在的故障類型判斷。新能源場站設(shè)備日益復(fù)雜，傳統(tǒng)方法的局限性逐漸浮現(xiàn)出來，過于依賴人工分析、易被人為因素影響，且對于海量數(shù)據(jù)和復(fù)雜故障模式處理不足，導(dǎo)致診斷效率和精確度無法保證。

3.3智能故障診斷方法

現(xiàn)代信息技術(shù)，尤其是人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)在智能故障診斷方法中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，有效提升了故障診斷的效率和準(zhǔn)確性。主要包括3 類，即規(guī)則為基礎(chǔ)的診斷系統(tǒng)、模型為基礎(chǔ)的診斷方法及機(jī)器學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)的診斷方法。

在規(guī)則為基礎(chǔ)的診斷系統(tǒng)中，通過預(yù)設(shè)規(guī)則和邏輯驅(qū)動實時監(jiān)測設(shè)備運行參數(shù)，并自動進(jìn)行故障判斷與認(rèn)定。當(dāng)面對明確的故障模式且具有清晰分類標(biāo)準(zhǔn)時，此方法展示出最佳表現(xiàn)。

在模型為基礎(chǔ)的診斷方式中，建立設(shè)備數(shù)學(xué)模型或仿真模型進(jìn)行分析，理解設(shè)備運行狀態(tài)并觀察參數(shù)變化，從而完成對已知或未知問題的確定與預(yù)測。該方法可精確模擬設(shè)備運行狀態(tài)，但建模精度和計算能力所需較高。通過訓(xùn)練和學(xué)習(xí)大量歷史數(shù)據(jù)，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的診斷方法構(gòu)建了故障診斷模型，包括處理復(fù)雜的非線性關(guān)系和高維數(shù)據(jù)。包含神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、決策樹等在內(nèi)的這些方法，自適應(yīng)及自學(xué)習(xí)能力使其在實際應(yīng)用中不斷優(yōu)化和提升診斷效果。智能故障診斷方法優(yōu)勢體現(xiàn)在其高效、準(zhǔn)確及適應(yīng)性上，在復(fù)雜多變的運行環(huán)境中能可靠地提供故障診斷服務(wù)，為新能源場站安全高效運行提供有力支持。

4新能源場站智能化監(jiān)測與故障診斷的實現(xiàn)

4.1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

新能源場站智能化監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的實現(xiàn)基于系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，需考慮功能需求、性能要求、擴(kuò)展性及可靠性。前端數(shù)據(jù)采集層、傳輸層、數(shù)據(jù)處理與分析層和應(yīng)用層構(gòu)成了常見的系統(tǒng)框架。智能傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備作為前端數(shù)據(jù)采集層的工具，時刻關(guān)注設(shè)備運行狀態(tài)以及環(huán)境參數(shù)的變化。通過有線或無線通信技術(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)由傳輸層送至數(shù)據(jù)處理中心。預(yù)處理利用大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法挖掘并處理數(shù)據(jù)，其目標(biāo)是找出潛藏故障和異常情況。監(jiān)控平臺、故障診斷系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)組成了應(yīng)用層，可為運維人員展示直觀的監(jiān)控界面、故障診斷結(jié)果和運維建議。在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中，需考慮對于設(shè)備故障或通信中斷時仍能正常運行的需求，這體現(xiàn)了系統(tǒng)容錯性和冗余設(shè)計。

4.2硬件設(shè)備選型

硬件設(shè)備選型決定了系統(tǒng)的監(jiān)測精度和可靠性。數(shù)據(jù)采集離不開智能傳感器，需根據(jù)監(jiān)測需求靈活選擇合適類型和型號。同時振動監(jiān)測對機(jī)械設(shè)備至關(guān)重要，可選擇高精度加速度傳感器。電氣設(shè)備依賴于電流、電壓檢測，應(yīng)選用高靈敏度的電流及電壓傳感器。

傳感器信號需要采集和處理，因此，選用高性能數(shù)據(jù)采集裝置至關(guān)重要，且裝置需具備抗干擾力以及環(huán)境適應(yīng)性。數(shù)據(jù)傳輸需選擇LoRa、NB-IoT、5G 等合適的通信模塊，以實現(xiàn)及時，可靠的信息交流。在硬件設(shè)備選型中，不僅需要考慮性能參數(shù)，成本、便捷的維護(hù)和兼容性也需考慮，力求配置出性價比最優(yōu)的設(shè)備。

4.3軟件系統(tǒng)開發(fā)

智能化監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)開發(fā)，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控、分析處理和故障診斷。其中，監(jiān)控平臺須具備實時數(shù)據(jù)展示、報警管理、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。針對數(shù)據(jù)分析軟件，需采納先進(jìn)算法和技術(shù)，如機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，以提取有價值信息。專家知識結(jié)合歷史數(shù)據(jù)是故障診斷軟件需滿足的條件；規(guī)則引擎、模型推理等方法實現(xiàn)對設(shè)備自動故障預(yù)測與自動診斷。軟件開發(fā)過程中，簡潔直觀的操作界面和友好的用戶交互可提高用戶體驗。采納可靠的加密和認(rèn)證技術(shù)以保護(hù)數(shù)據(jù)安全與隱私十分必要。不斷地進(jìn)行軟件系統(tǒng)優(yōu)化升級有助于提高智能化水平，加強(qiáng)診斷準(zhǔn)確性，并滿足新能源場站運維的實際需求。

5應(yīng)用案例分析

某大型風(fēng)電場運維引進(jìn)了一套智能化監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過在風(fēng)機(jī)上安裝高精度溫度傳感器、振動傳感器和電流電壓傳感器，實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)運行狀態(tài)的全面實時監(jiān)測功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將獲取的各種讀數(shù)，通過無線通信技術(shù)送至中央數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行分析。結(jié)合大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，在設(shè)備發(fā)生異常情況下，系統(tǒng)可完成對于主軸異常振動的準(zhǔn)確診斷，并給出預(yù)警信息供運維人員進(jìn)行修復(fù)工作。該風(fēng)電場采用智能化監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)后，設(shè)備故障次數(shù)明顯減少，提高了發(fā)電效率，每年約節(jié)省15%的平均維護(hù)成本，同時也有效提升了設(shè)備可靠性以及整體運行質(zhì)量。

6結(jié)束語

對于新能源場站運維來說，智能化監(jiān)測與故障診斷技術(shù)越來越重要。先進(jìn)的智能傳感器、大數(shù)據(jù)分析和智能診斷方法可提升設(shè)備故障識別和處理效率，優(yōu)化運維效果，并節(jié)省維護(hù)費用。未來，智能化監(jiān)測與故障診斷技術(shù)將提升新能源場站管理水平，并推動能源產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型。