風電機組葉片故障診斷與狀態監控系統的制作方法

風電機組葉片故障診斷與狀態監控系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了風力發電【技術領域】中的一種風電機組葉片故障診斷與狀態監控系統。包括：振動傳感器、轉速傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、信號同步采集單元、數據處理單元和主控單元；振動傳感器安裝于風力發電機主軸軸承處；轉速傳感器安裝于風力發電機齒輪箱高速軸處；電流傳感器安裝于風力發電機的三相輸出上；電壓傳感器安裝于風力發電機的三相輸出上；振動傳感器、轉速傳感器、電流傳感器和電壓傳感器分別與信號同步采集單元相連；信號同步采集單元、數據處理單元和主控單元順序相連。本發明能夠快速診斷風電機組葉片常見故障以及對風力發電機組葉片的健康狀態進行評估。
【專利說明】風電機組葉片故障診斷與狀態監控系統

【技術領域】
[0001]本發明屬于風力發電【技術領域】，尤其涉及一種風電機組葉片故障診斷與狀態監控系統。

【背景技術】
[0002]風力發電是國家提倡大力發展的一種可再生綠色能源，其可有效地節約水、煤資源，減輕大氣污染，并對保護生態環境有著深遠的意義。我國有豐富的風力資源，政府已經將風力發電作為改善能源結構，應對氣候變化，提高能源安全的主要替代能源技術之一。有資料估計到2020年，全球將有超過10%的電力供應來源于風力。風力發電與火電、核電相比，單機容量小、占地面積廣，風力發電場通常地處邊遠地區，技術條件、運行條件一般較差，因此風力發電系統的可靠性和安全性至關重要。葉片作為風機捕捉風能的關鍵部件，其性能直接影響風機的整機性能和發電質量。由于葉片長期暴露于惡劣的氣候環境下，易受到狂風，閃電，冰雪的襲擊；同時，長期工作在負荷大范圍波動的條件下，極易導致裂紋，破損，覆冰，螺栓松動等各種故障的發生。同時，由于風機長期工作在負載快速變化和惡劣環境條件下，隨著時間推移，可能導致疲勞損傷或葉輪偏載等結構健康性能指標下降的情況，輕則使風機偏離原來的設計指標造成捕風效率下降，重則可能使葉片性能不斷惡化直至發展為嚴重故障。有資料顯示，造成風機性能下降或故障的原因絕大多數都與葉片性能下降或變槳系統故障有關。很多風機的嚴重故障并非突然發生的，而是由于其葉片結構性能指標下降，或發生輕微故障后沒有采取合理的應對措施，導致故障迅速擴散或惡化。我國風電場風機設計壽命為20年，且多處于風沙大，溫差大的西北、東北、內蒙等許多氣候條件惡劣的地方，許多風電場已經投入運行接近十年，風機性能下降嚴重，逐步進入事故高發期。當葉片結構性能下降或發生輕微故障時，目前風電場SCADA系統因缺乏對葉片的必要監控而無法及時發現并采取恰當的應對措施。由于風電機組控制策略完全沒有考慮葉片的運行健康狀態，對于葉片處于不同健康狀態的所有風機采用同樣的控制策略，使結構健康性能下降的風機處于長期不穩定的工作狀態，不但嚴重影響發電質量，而且隨著時間推移，極有可能造成軸承，齒輪箱等傳動鏈系統的損壞，致使故障擴散，導致更加嚴重的損失。有研宄報告對1995年-2010年德國和丹麥發生的各種風機事故做了統計分析，發現由于風機葉片故障導致或與之直接相關的事故數量最多。由于風機運行的時間不斷增加，這種類型的事故數量還在呈現逐年上升的趨勢。另一份由歐洲專門的機構統計的報告對2012年3月發生的1208起風機事故進行統計，其中由于葉片故障導致的故障占19.4%，由于風機葉片原因導致停機大概占34%左右，中國目前沒有相關統計報告，但情況可能比這份報告提及情況更嚴重。當葉片發生故障時，如若不能及時發現并采取恰當措施將引起災難性的后果。
[0003]近些年國外有一些研宄機構和公司相繼開發了一些風電場葉片監控設備，主要有:紅外成像分析，聲學分析，視頻分析等；也有風機生產廠家在生產葉片的時候預埋光纖傳感器，以獲得葉片的運行狀態信息。目前，絕大多數檢測手段不但價格昂貴而且安裝復雜，難以推廣應用；特別是像光纖傳感器這樣的檢測手段難以應用于已經投入運行的風機，不能滿足對整個風電場葉片運行狀況的監控。
[0004]為了解決在線風機葉片故障診斷與狀態監控關鍵技術，國內許多研宄機構與風機生產商也開展了針對葉片故障診斷和狀態監控的相關研宄，最近也公布了一些針對風機葉片在線監控的專利:如“風力發電電機及葉片狀態在線監測儀”(中國實用新型專利CN202305007U)、“風力發電機組葉片實時狀態監測與故障診斷系統及方法”(中國發明專利CN102539438A)、“一種風力發電機葉片裂紋自動檢測報警系統”(中國實用新型專利CN202533424U)。上述專利中基本采用視頻，應變片，聲音等方式檢測葉片是否發生嚴重故障，這些方式要么安裝復雜不適合在線故障診斷，要么檢測準確度不高，難以檢測葉片非嚴重故障，不能對葉片性能指標下降帶來的故障進行診斷。如果風機處于長期不穩定的亞健康工作狀態，不但嚴重影響發電質量，而且隨著時間推移，極有可能造成軸承，齒輪箱等傳動鏈系統的損壞，致使故障擴散，導致更加嚴重的損失。


【發明內容】

[0005]本發明的目的在于，針對上述【背景技術】中提出的問題，提供一種風電機組葉片故障診斷與狀態監控系統，同時監控葉片振動、葉輪轉速及發電機輸出，不但可以診斷葉片常見故障，還可以對葉片結構健康狀態進行在線評估。
[0006]為了實現上述目的，本發明提出的技術方案是，一種風電機組葉片故障診斷與狀態監控系統，其特征是所述系統包括振動傳感器、轉速傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、信號同步采集單元、數據處理單元、OPC接口單元和主控單元；
[0007]所述振動傳感器安裝于風力發電機主軸軸承處；
[0008]所述轉速傳感器安裝于風力發電機齒輪箱高速軸處；
[0009]所述電流傳感器安裝于風力發電機的三相輸出上；
[0010]所述電壓傳感器安裝于風力發電機的三相輸出上；
[0011]所述振動傳感器、轉速傳感器、電流傳感器和電壓傳感器分別與信號同步采集單元相連；
[0012]所述信號同步采集單元、數據處理單元和主控單元順序相連；
[0013]所述主控單元與OPC接口單元相連；
[0014]所述振動傳感器用于測量主軸軸承加速振動信號；
[0015]所述轉速傳感器用于測量葉輪轉速；
[0016]所述電流傳感器用于測量風力發電機定子/轉子電流信號；
[0017]所述電壓傳感器用于測量風力發電機定子/轉子電壓信號；
[0018]所述信號同步采集單元用于根據設定的采樣頻率、采樣周期和采樣時間，同步采集所述振動傳感器、轉速傳感器、電流傳感器和電壓傳感器測量得到的信號，并發送至數據處理單元；
[0019]所述數據處理單元用于接收主控單元發送的機組運行參數，并對所述振動傳感器、轉速傳感器、電流傳感器和電壓傳感器測量得到的信號進行噪聲濾波、特征提取和時頻分析處理，再將處理結果返回主控單元；
[0020]所述OPC接口單元用于從風電場SCADA系統中獲取對應風電機組的風速，偏航角度，漿距角，額定功率，發電機功率等機組運行參數，并送入主控單元；
[0021]所述主控單元用于分析數據處理單元的處理結果，并根據數據處理單元的處理結果，綜合利用各機組的宏觀關聯信息和統計特征對數據處理單元對應的風力發電機組葉片進行故障診斷及狀態評估。
[0022]所述振動傳感器為雙軸加速度振動傳感器。
[0023]風力發電機主軸的加速振動信號包括風力發電機主軸的X軸的加速振動信號和風力發電機主軸的Y軸的加速振動信號。
[0024]所述系統利用同步實時采樣發電機定子/轉子電壓，電流信號測量發電機實時輸出功率。
[0025]本發明能夠快速診斷風電機組葉片常見故障，同時能夠對風力發電機組葉片的健康狀態進行評估，為風力發電機組的正常工作和故障檢修提供的方便。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是本發明提供的系統結構圖；
[0027]圖2是信號同步采集單元結構圖；
[0028]圖3是葉片故障診斷及狀態評估示意圖。

【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖，對優選實施例作詳細說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發明的范圍及其應用。
[0030]如附圖1所示，本發明提供的系統包括振動傳感器、轉速傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、信號同步采集單元、數據處理單元和主控單元。
[0031]振動傳感器安裝于風力發電機主軸軸承處，轉速傳感器安裝于風力發電機齒輪箱高速軸處，電流傳感器安裝于風力發電機的三相輸出上，電壓傳感器安裝于風力發電機的三相輸出上。振動傳感器、轉速傳感器、電流傳感器和電壓傳感器分別與信號同步采集單元相連。信號同步采集單元通過以太網通信單元與數據處理單元相連，數據處理單元和主控單元通過光纖以太網相連，主控單元通過OPC(OLE Process Control)接口單元與SCADA(Supervisory Control And Data Acquisit1n，數據采集與監視控制)系統相連。
[0032]同步信號采集單元如圖2所示，由于目前主流的風電機組如雙饋、直驅都屬于變速運行，機組傳感器采集的信號具有非平穩特性，為了能對傳感器數據進行非平穩問題進行處理，方便后期頻譜分析，本發明對所有傳感器信號采取同步采樣。采樣率為10000HZ，一次采集時間60S，采樣周期可以由主控中心指定。
[0033]振動傳感器采用雙軸加速度振動傳感器KAS903。該傳感器放置于風機主軸軸承處，可以同時測量X、Y兩軸的加速度振動信號，以便測量葉片振動信號及描述軸心軌跡，輸出為2路4-20mA電流信號。這兩路電流信號由前置放大器、濾波電路、增益/增益量程調整電路送入同步采樣單元。
[0034]轉速信號來自轉速編碼器，可放置于機組齒輪箱高速軸測量葉輪和發電機轉速。由于本發明對轉速信號的精度要求較高，如將該發明用于無齒輪箱的直驅機組，需要采用高精度、高分辨率的轉速傳感器。目前常用的光電轉速傳感器一般輸出共有A、B、Z三路脈沖信號，本發明只需要測量轉速，故只需要其中的A、B兩路脈沖信號。由于本發明需要同步采樣各傳感器的信號，所以以上2路脈沖信號經光電隔離與電平轉換后也送同步采樣單元進行AD采樣，在數據處理單元中計算轉速。
[0035]為了測量發電機的輸出，跟發明對發電機的電壓和電流進行采樣。對于雙饋機組，由于其轉子和定子都可能向電網送電，需要同時測量其轉子和定子的電壓與電流，故本發明用于雙饋機組，需要2路電流采樣和2路電壓采樣。對于直驅機組，由于其勵磁采用永磁材料，只需要I路電流和I路電壓測量其發電機的輸出即可。電流傳感器選用HIB-C15-200P2010霍爾電流傳感器，輸入200A，輸出電流O-1OOmA電流信號。電壓傳感器選用EV-C53-1000P509，輸入0-1000V，輸出O-正負50mA電流信號。這4路電流信號由前置放大器、濾波電路、增益\增益量程調整電路送入同步采樣單元。
[0036]以上傳感器總共有8路模擬信號，本發明采用DAS-AD760616位8通道同步采樣芯片對上述信號進行同步采樣，采樣結果并行數據總線送入數據處理單元。
[0037]數據處理單元采用DSP處理芯片TMS320F2812。該單元通過通訊單元接收主控中心發來的機組運行參數，該參數包括:風速，漿距角，額定功率，發電機功率等。結合機組參數該處理單元將各傳感器信號數據進行濾波去噪；對轉速信號進行調理計算；根據電壓、電流瞬時值，計算發電機輸出功率，電壓電流有效值，并進行FFT等頻譜分析。
[0038]以太網傳輸單元采用AX11025，傳輸速率100M，通過光端機接入風電場光纖網絡。
[0039]主控中心服務器，接收數據處理單元發送的各風機數據，利用OPC接口單元訪問風電場SCADA系統，獲取各機組的運行參數。由于風機機組工況復雜，其非平穩特性決定傳統的故障診斷方法無法有效的檢測其故障。同時由于風電場風電機組眾多，直接針對每一臺風機進行相應的故障分析和建模，有效性，可行性，可靠性有時難以得到保證。同一風電場的風電機組通常機型，技術參數、運行環境、運行時間，運行狀態幾乎一致，同一風場各機組的葉片運行狀態數據應具有較強的相關性。根據各臺風電機組數據，建立廠級的風電機組傳葉片故障診斷監控系統，相對于針對單臺風機的監控系統，可以綜合利用各機組的宏觀關聯信息和統計特征對故障機組進行診斷，提高檢測故障的準確性，可靠性和實時性。葉片故障診斷及狀態評估示意如圖3所示。
[0040]本發明能夠快速診斷風電機組葉片常見故障如附冰、不平衡、破損等故障，為風力發電機組的安全正常工作提供保障。同時，能夠對風力發電機組葉片的健康狀態進行評估，為風力發電機組的正常工作和故障檢修提供的方便。
[0041]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
【權利要求】
1.一種風電機組葉片故障診斷與狀態監控系統，其特征是所述系統包括振動傳感器、轉速傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、信號同步采集單元、數據處理單元、OPC接口單元和主控單元； 所述振動傳感器安裝于風力發電機主軸軸承處； 所述轉速傳感器安裝于風力發電機齒輪箱高速軸處； 所述電流傳感器安裝于風力發電機的三相輸出上； 所述電壓傳感器安裝于風力發電機的三相輸出上； 所述振動傳感器、轉速傳感器、電流傳感器和電壓傳感器分別與信號同步采集單元相連； 所述信號同步采集單元、數據處理單元和主控單元順序相連； 所述主控單元與OPC接口單元相連； 所述振動傳感器用于測量主軸軸承加速振動信號； 所述轉速傳感器用于測量葉輪轉速； 所述電流傳感器用于測量風力發電機定子/轉子電流信號； 所述電壓傳感器用于測量風力發電機定子/轉子電壓信號； 所述信號同步采集單元用于根據設定的采樣頻率、采樣周期和采樣時間，同步采集所述振動傳感器、轉速傳感器、電流傳感器和電壓傳感器測量得到的信號，并發送至數據處理單元; 所述數據處理單元用于接收主控單元發送的機組運行參數，并對所述振動傳感器、轉速傳感器、電流傳感器和電壓傳感器測量得到的信號進行噪聲濾波、特征提取和時頻分析處理，再將處理結果返回主控單元； 所述OPC接口單元用于從風電場SCADA系統中獲取對應風電機組的風速、偏航角度、漿距角、額定功率和發電機功率機組運行參數，并送入主控單元； 所述主控單元用于分析數據處理單元的處理結果，并根據數據處理單元的處理結果，綜合利用各機組的宏觀關聯信息和統計特征對數據處理單元對應的風力發電機組葉片進行故障診斷及狀態評估。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征是所述振動傳感器為雙軸加速度振動傳感器。
3.根據權利要求2所述的系統，其特征是風力發電機主軸的加速振動信號包括風力發電機主軸的X軸的加速振動信號和風力發電機主軸的Y軸的加速振動信號。
4.根據權利要求1所述的系統，其特征是所述系統利用同步實時采樣發電機定子/轉子電壓，電流信號測量發電機實時輸出功率。
【文檔編號】G01M13/00GK104515677SQ201510012647
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2015年1月12日 優先權日:2015年1月12日
【發明者】劉俊承, 姬棟, 呂躍剛, 高峰 申請人:華北電力大學