海上风电状态监测与故障诊断技术.pdf

1、2013年第 30期 科技创新 科技创新与应用 海上 风电 状态监测与故障 诊断技术 梁艳辉 （天 津 渤 海 职 业 技术 学院 ，天 津 300408） 1海上 风电 状 态监测 与故障诊 断技术的 重 要性 1.1海上 风电 在国内外的发展 风 能 是 清洁可再 生 能 源 ， 越 来越 受到 世界各 国的重 视 。 近十 几 年 来 风 力资 源的开 发利 用 得 到了迅 猛发展 ，世界风 电装机 容量的 年 平均 增 长率超 过了 30%，预 计 到 2020年 世 界风 电 机组 装 机容 量 将 达 到 12.45亿 千 瓦 ，满 足世界电力总需求 的 12%。由于 海 上 风能

2、 资 源 丰富且 适 合 大规模开发，随着 配 套 技术的日 益 成熟， 海 上 风电 逐 步 成 为 风 电 发展的 重 要趋势 。到 2010年 底 ，全球 海 上风 电 总装机 规 模 约 300万千 瓦， 预计到 2020年 将达 到 8000万千 瓦 。 我 国 探 明 可 开 发和 利 用的风 能储量 约 7.5亿 千 瓦 ， 占 全部风 能资 源的 3/4。 我 国 海 上 风 电 场 靠 近 沿 海 用 电 负 荷 中 心 ，对 环境负面影响较少， 视觉干 扰 很 小 ，允 许 安 装 单机 容量更 大 的 风机 ，非 常 适应大 规 模开发。 基 于 海 上风 电 的种种 显

3、 著优 势， 海上 风 电开 发 正成 为 我国 能 源开 发 领域 的热 点 。 仅 统 计国内各 省 上 报 的海 上 风电 发展 规划 ，中 国 风能 协 会 预 计 ，到 2020年我国国内海 上风电装 机 容量 就 将达 到 3000万 kW 以上 。 1.2海上 风电 状态监 测 与故障诊 断 技术的 重 要性 海 上 风 电 发展面临的一个 重 要 课题 是 海 上风 机 的维 修 维护 问 题 。 海 上 风 电 场离 岸 一般在 10-50公 里 ， 每次现 场维修 维护都需 要 出动 专 用维修 船或直 升 机 。 首先， 购买或 租用交 通工具 以及雇佣 专 业驾驶 人员

4、 花费 高 昂 ， 其 次 这 两种 交通 工 具 均受天气和 海 况的 影 响 ，检 修 人 员 不 能 及 时 到 场 或 者 途 中 遭 遇 危险 都 是很 可能 的 。 近期 研究 表明，如果 将传 统 的陆 上 风电 场检 修方式应 用在 海上风 电场 ， 则 25%-30%的发电 收入需 要投入 日常运 维和应 对风险 上 ， 这一 比 例 是很 难 被接受的。 为此需 要为海 上风电 场制定 高效率 、预防性 的 检修 机 制， 而在 电 力系 统正在 起 步 的 状 态 监 测 与 故障 诊 断技术 正 是 达 到 这一目 标 的有 效 手段。 1.3状态 监测 和故障 诊 断

5、在 海 上风电 应用 的 意义 状态监测 技术对设备运 行 状态 和 健康 状 况的 实 时在 线 检测 ，在 实质 故障发生之前 发现 故障 的 征兆 ， 以 降低 故障 实际发生的 概 率。 故障 诊 断技术对设备 故障 、故障 因素 、故障 征兆进行 综 合处理 ，对发 现的故障 征 兆 或故障进行定位 和 特 征分析 ， 并 进 一 步 给 出 处理 建 议 。 海 上 风 机 与 陆 上 风 机 结 构 基 本 相 同 ，常见 的 故障 也 集 中于 齿轮 箱 、发 电 机 、 叶 片 等 几 个 关 键 部 件上 。 一旦 任一部 件 发生 功 能性故障 则风 机不 能 发 电 ，

6、影响 发电 量 造 成经济 损 失 ，某 些 严 重 故障甚至会 导致 风 机烧毁 等严重 后 果。 通 过 实 时状态 监测 和 故障诊 断技术 可以 及 时有 效 地监 视风机 各关 键部 件的健 康状态 ，做 出 合 理 的 检 修建议 以 延 长 部 件使用 寿 命 ，增强 部件 可靠 度 ，同 时还 可以及 时发现 故障 隐 患， 做 出 紧 急抢 修、 临 时 停 机等 应对 措 施 ，避免严重 事 故 的发生。 综 合 来 讲 ， 状 态 监 测 和 故障 诊 断 技术是提高 海 上 风电利 用 率和 安 全系 数， 从而 提高 其 行业 竞争 力的有效 手 段 。 2海上 风电

7、状 态监 测 技术 2.1海上 风电 机组故障的 特点 风 机 主要 由 地基 、 塔 架、 机 舱 、 轮 毂 、 风 轮 、传动 装 置、 齿轮 箱、发 电 机 、 刹 车 系 统 、 变 桨 系 统 、 偏 航 系 统 以 及 电 气 、控 制 、通 讯 等 部分构 成， 其中最 核心的 功 能结 构为风 轮 -齿轮 箱- 发电 机的 机 械- 传动 -电 力 的中 轴 线。由于 风 速、 风 向 的不 确定性 ， 风 机整体特 别是中 轴 线的 工作 状态 始 终 处 于不 稳定 状 态 ，并且 频繁 经受冲击 载 荷 ，各 部 件 的 工 作 寿 命 受到 严重影响， 运 行 中 会

8、出现各 种故障 。 实际运 行的 风 机 故障率最 高的 即 是中 轴线上 的 齿轮 箱 、 主轴 、发 电 机 、叶 片 等 部 件 。 对于 海上 风 电 场 ，风 速普 遍 高于内 陆 风 电场 ，并且经历台风等极端 风 况 的 概 率 较大 ，所以海 上风机 中轴线 部件要 经受更 严厉的 考验 。 此外 海 上的高 湿度、 盐雾、生 物 附 着 等 因 素 促 使 风 机 部 件 加 速 老 化 ， 并 且 隐 患 点 难 以 预测 和 定 位 ，给海 上 风机 安 全运 行 造成 严重隐 患 。 状 态 监测技术 需 要合 理 运 用以在合 理 的 开销 范 围 内尽 量 将重 要

9、 的 故障 隐 患点涵 盖在 内 。 2.2海上 风电 机组状 态 监测 技术及其 适用 性 2.2.1 状 态 监 测 技术的 合理运 用 状态监测 的 数据 来源是 安 装在 设备 上 的各 类传感 器 。 传感 器采 集到的 信号 经过调 理 、传 输和采样 进 入 处理模 块 ，去掉 冗 余数 据 提 取 特 征 量， 为分析、 诊 断提 供素材 。 要合理应 用 状 态 监 测 技术， 首 先 要对设备 故障机 理进行 研究 ， 确 定监测 对象 ，其次 要 开 发相 应传感 器 检 测 合 适 的 物 理 量 。 目前应 用 于风 机 的状态 监测 技术 主要 有如下几类 。 2.

10、2.2 加 速 度 及 振 动 监 测 状 态 监 测 中 的 加 速 度 监 测 是 指 风 机 支 撑 结 构 、 风 轮 、 机 舱 等 的 低 频 谐振 。 通过 测 量 这种 低频谐振 可以分析 得 到部 件 的特 征 频率 ， 此 特征 频率 的 偏移 标志着 部 件材 料 性能的 下降 。 同 时此种 检测 也 可 及时 发现风 轮转 动 异常。 使用 压阻式 传 感器 可以测 量这种低 频 振动 （ 带宽 在 0Hz-500Hz） 。 振 动 监 测 用以评估 轴承、 齿轮等 高频转 动部件 的性能 状态 。 当 转动 部 件发生 故障 比 如 转子不平 衡 、轴承松 动、 轴

11、 系不对 中、 旋转失 速 、轴承横 向裂纹 时， 其振 动 的频 域特性 都 会发生 改变 。如 果 不 做 处 理 将 会 影响 工作 精 度， 加 大 磨损， 加速部 件疲劳 损伤 ，最终 发生 功 能 故障 。 使用 压 电振动传 感器可以测量 这种 宽频的 振 动 （ 带 宽 在 3Hz- 20kHz） 。 2.2.3 油 液 监 测 轴承、 齿轮 的 磨损 会在润滑 油 中产生颗 粒 。如 果检 测 到油 液 中 颗 粒 数 异 常 增 加 ，那么 很有可能 是 故障 出现前 的征兆 。 所以 油 液 中 颗 粒数 的 监测可以作 为 状态监 测的一部分 。 同时 为 适应海 上恶

12、劣的 空气环境 ，需 要 实 时 监测 油 液 本 身 的物 理化学 特 性 ，通 过 测量导 电 性 和 酸 碱 度 检 测 油 液 污染程度 和化 学降解 程度 。 常用的 油液 分析 手 段 有 ： 铁 谱 分析技术、 光 谱 分析技术 、理化分析 技术、 红 外 光 谱 测 量 等 。 2.2.4 应 力 测 量 通 过 在部 件 表面 测量应 力 可以 检 测部件 结构 动 态载荷 。 通常在 叶 片的 根 部加 装测量 装 置测 量叶片 的空 气 动力学 载荷 。 光 纤布拉 格 光 栅传 感 器可以 很 好地 胜 任 这 个 检 测 任 务 ，因 为 其 对 海 水有很 好的 稳

13、定 性（ 耐 腐 蚀 ） ， 并 且 抗 电 磁 干 扰 ， 寿 命 长 。 其 它 机 械 热 点 （比 如 叶 片 弯 曲 ， 主 轴 扭 矩 ） 参 数 也 可 通 过 测 量 应 力结合部件 材 料特 性分析 得 到 。 2.2.5 温 度 测 量 通 过 在 关 键 电 力 电 子 元 件上 加 装温 度传 感 器可以及时检测到 大 部分 的 电气劣 化和 故障 。 风 电机组 齿轮 箱 温度趋势 状态监 测 及分 析 方法 ，介 绍 了 齿轮 箱 温 度趋势状 态 监 测技术 ，通 过实 时分析 齿轮 箱 温 度 模 型 残 差 及 时 检 测 到 齿轮 箱状 态 异常 。 2.2

14、.6 其 它 随着传感 器 技术的进步 ，不 断 有 新 的技术可以 应 用在 海 上 风 机 的状 态监测 上 。 比如发 电 机绝缘 潜在 故障 的 早期发现 与诊断 文 章中 介绍 的发电 机绝 缘 状态 射 频 监 测 技术 ，利用高 频电流 互感器 从发电 机绕 组 中拾 取高频 放 电 信号以发现 定 子内 部 放电 现 象 ，这一 技术可 以 延 伸 到 更 多 电 气 部 件 的 绝 缘 性 能 状 态 监 测 上 。 3海 上 风 电 故障 诊断 摘 要： 近 几 年来 ，随 着国 家对环 保事 业越来越 重视 ，风 力发电 得到了 国家的支持 并 迅速 发 展 。 文 章

15、将就 海上风 电监测 与故障 诊 断 技术的发展 现 状进行 阐述 与 分析 ， 并对其 发 展前 景进行 展 望。 关键词 ：海上风 电； 状态 监测 ；故 障诊断 52 - -2013年第 30期 科技创新 科技创新与应用 3.1故障 诊断 与 状态 监测的 联系 状 态监 测 对关 心的设备 物 理 量进行 实 时检 测 ，并 经过 初步处理 得 到设备 运 行信息 和 特征参 数 。有 些 信息和 参数不 需要进 一步分析 和 处理就能 表明 设备的状态， 例 如温度低于阈值为 正常，高于 阈 值 为异常 ，需要停 机检 修 。 而 更多 时候 故障 或 隐患是 复杂 的 ，需要对 其

16、 发生部位、 原因 、性 质、 程度 等 作 出 综 合 判 断 ，这时就需要一套智能 化 的 故障 诊 断机 制。如 果 说状 态 监测 偏重于 测 量技术 ， 即硬件 ，那么 故障 诊断 则偏重 于 算法处理 ，即软件 。 3.2故障 诊断 算 法介 绍 3.2.1模型 策略与 数据 驱 动策略 故障 诊断算 法可以分 为模 型 策略和 数据 驱 动策略 两大类。 模 型 策 略 依据 理论或 半 经验 建立系 统 模型 ，经过 参 数调 试 后在 处理 器中 建立 传递函数 。 模 型策 略 涵盖 的 具体 方法很多 ，由 简 到 繁 包括故障 树 方法（ 描 述 有 哪 些 故障 、

17、哪 些 传感 器 会反 映 这些 故障 、哪些 故障 的 组合会对系 统运 行 构成 威胁 ） ，生 命周 期 负荷 表 方法 （ 用状态 机描述 系 统 功 能 降 级 的 机 制 和 故障 的 应对 策 略 ） ， 物 理 模型 法（ 建立系 统的 物 理描 述 模 型 ，由 模 型 模 拟 得 到 故障的后 果 ） ，智能 专 家系 统 （ 建立 复杂 的机 制以 模 拟专 家人员 对给定 事态的 处理方式 ） 。 模 型 策略 的 问题在 于， 需 要领域 内 的专 家完 成建 模 。 当面 对 复杂的 系统 时 ，很 难 预测 各部 件间所 有 潜在 的 联系，此 时建立 的模 型

18、很难 完善 。此 时 ， 数 据 驱 动 策 略 则 体 现出 其优势 。 数 据驱 动 策略 的实 现也有多 种方法 。 道理上讲 ， 所 有的数 据挖 掘 算法 都可尝试在这里 应 用 ，因为其目标是 一 致的 ，即用已知的一 组 数 据预测 未 来的情况。 然而 实 际 上各种算法 的 适宜程度是不 同 的， 因为海上 风 机 故障诊断 有 其 特殊性 ：所 依 赖 的 数 据 来 源 为 多 个 不 同 的 传 感 器 ，而 且 其 各 自 的 权 重 不 同 ；需 要 处理 不同 时 间尺度的 数据 序列 ，既 有 统计 性的 长 序 列 也有暂态 的短 序 列 ；可能 有 各 种

19、紧 急 响 应 。 针 对 这 些 特 点 ，神 经 元 网 络 方法是 最好 的选择 。 针 对不 同的 关 注 点可以 应 用 多 层感 知 器 （ MultilayerPerceptron） ， 径 向 基 函 数 （ RadialBasisFunction） ， 自适应神 经模糊推理 系统 （ AdaptiveNeu原 ro-fuzzyInterface） 等具体 的 处理方法 。 3.2.2多层 感知器 神 经 元 网 络 用 人 工 的 神 经 单元组 成网 络 以 模 拟 生 物 神 经的 功 能 。 每 个 神 经 单元 都 有输 入- 处理- 输 出的 功能。 网 络则接 受

20、 大量 输 入 ，将其赋予 不 同 权重， 交由 神 经 单元处理 ，再 汇 总处理后的 输 出。 而 输 出 结果的 判断 可以 是多层感 知 器 ，也 可以是 径向基 函数或 者对 每个 单元 的 输出区 别对待 （ 也就是 自适应 神经模 糊推 理 系统 ） 。 在 神经 元 网络 中，如 果 将 单元按 层分组 ，各 层 顺 序 相 连 ，每 一层 只接 受上 一 层的输 入并且 将输 出传递到下一 层 ，则这种 拓 扑结 构 称 为 多 层感知 器。 这种方法 中 各 单元 的 权 重确 定 是难 点 ，普遍 采用的 方式 是误 差 回溯的 训练方法， 即 通 过逐 层 回溯 网 络

21、输 出 结果 与 期望 结果 的 误差以 得到 各 单元 权重的 预期 修 正值 。 3.2.3径向 基函数 在径 向基函 数方法 中 ， 神 经 层 对 输入和 输出的 处理更为复杂 。 神经 层中 的 隐藏节 点用高 斯函 数等分布函 数来描 述 ，这使得 每个隐 藏 节点可以在算法 中 起到 更 大 的作用 ， 从 而减 少 参 数 训练 的 工 作 量。 径 向基函 数方法 在 处理 故障诊 断 中常见 的 时间序 列数 据 时优 势 较大 。 3.2.4自适应 神 经模 糊推理 系 统 自适应神经模糊推 理 系 统将基于 模糊逻辑的专家系统与 神 经 元 网 络 结 合 到 一 起。

22、 模 糊逻辑 基 于 这样的 假设： 同 一 对 象 可能 同 时 存在多 个状 态， 每 个状态 有 一定 的 置信 率 。在故障诊 断中则 意味着 同 时存在 多 个可能 的状态 。 自适应 神 经模 糊推理 系 统允 许同时 计算 这 多个状 态， 并标 明各 自 的置 信率 。对于 欠缺经验的 故障 诊 断， 这种 方法 是行 之有效 的 处理 手 段 。 3.2.5混合 的故障 诊断 算 法 海上 风机的 各类 故障 十分复杂 ， 适 用的 故障 诊断算 法各异 ，所 以 各 种 算 法 没有优 劣之分 只 有合 适和不 合适的 区 别 。 而 且 针对 实 际 的 案 例 往往 需

23、 要将 相 距 甚 远 的不 同 算 法结合起来 以高效地完成诊 断 任 务 。 ISO标准 数据 库 中已 经整理 了丰富的关于 轴承 、齿轮、 主 轴 等的 故障模 型， 并且提出了基 于模型 策略的故障 诊 断研究推 进模式 ：将 设备按照集成程度分 为不 同 层 次， 从 底层 零 件 开始， 建立每层成员 模 型 及成员 关系 模 型， 然 后 推 进到 更高 层 的模 型 研究 。 然 而这种研 究 方式的 工 作 量是巨大 的， 需 要 漫 长 时 间的 积 累 ， 当 下 实 际 应 用中 则需要数据驱 动 策 略与现有 模 型 研究成果相结 合以得到较为准确 的 故障 诊 断

24、结果 。 3.3故障 诊断 对 检修的 指导 合 理 地 运 用 故障诊断技术不 仅使得 故障 发生 时可以 被 从容 地 应 对， 而且 可以指 导 指导 检修工 作 ，提高 检 修的效 率和 针 对性。 最 直接 的想 法 是 建立风电 场检 修 专 家 系 统 ， 将 各 风 机 、 各 部 件 的监 测信息联 网集 中在一起进行 处理 。此 专 家 系 统 以 庞 大 的 历史数 据 库作 为基 础，对 获 得 的 各 种 信息和 数据剔 除不 显 著因 素保 留主要 特征 ，然后建立基 于数据 库相关性 的决策树 ，对 各 个 检 修 分 项 做 出 “ 需 要 预 防 性 检 修

25、“ ， “ 需 要 修 正 性 检 修 “ 或 者 “ 不 需 要 检 修 “ 的 判 断 。 风 电 场 运 维 专 业人 员可以 通 过调 整 上 述 判 断 所用 的 阈值 来修 正 检修 策 略 。 维 护 替 代 整 合 预 后过 程 工程 提出了 更为 智能 的 方法 。 将检修 看 做是 故障诊 断系 统 的 一部分 ，以建立整 个系统的行 为 模型 。 模 型中 用部件 的 物理 模型描 述 工作机 制 ，同时用 基 于数 据 的信息描 述部件 的 劣化， 从 而用模 型可以 预测 系统的 未来状 态 。 模 型 中 的 检 修 可以 看 做 是 一种 扰动 ，可以分 别 假设

26、进行 检修 和不进行检 修分别 仿真预 测系 统的 未 来状态 ，如 果 预测结果表明检修 后系统 改进带 来的利 益 大于检 修 的投入 ，则 检修 是 值得进行的 。 值得注意 的是，由于 海 上 风机的检修与陆上电力设备 检 修不 同 ，其 边 际 成 本 发生在 检 修 或 不 检 修 的 判 断上而不是 检 修的 工 作量 上 。 所以 当处理 故障诊断算 法中的 欠 把握的 参数时 ，最好将其阈 值 设得 偏低 ，避免 执行过多次数 的 检修 。 4结束语 海上 风电 机组中状态监测 与 故障诊 断 技术的 合 理运 用能 够 提 高设备利 用率， 延 长 设备 寿 命， 增 加运

27、 行 安全 性 ，大 幅 提高 海 上风 电 的 竞 争 力 。但 目前 这种技术的 应 用还 是 比较 缺少和 积极的 ，需 要在 如 下几点 上 进一步 开展 研究： a. 设备故障模式 研究 ，特 别是故障征 兆及 其 演化方式 的研究 ； b. 选择或开 发 合适 的传感 器 以更 全 面的监 测设备状 态 ； c. 建立故障模型 ，其中应 包括故障征 兆的 描 述； d. 尽 量 收 集 海 上 风 机运 行数 据 ，不 仅包括各 种 故障数据， 还要 包括故障前 数据 和 健康运 行数 据 ； e. 进 一 步 研究模 型与 数 据驱动 策略相 结 合的 故障诊 断 算法 ； f.

28、制定更为高效、 合理 的 基 于 状态 监 测和 故障诊断的检修策 略 。 参考文献 1刘 湘 平 ，孟 玉 禅 .发 电 机、 变 压器类 电力设备 的状态 监 测 与故障诊 断 J.广东 电力 ， 2004， 17（ 4） :11-15. 2陈 雪 峰 ， 李 继 猛 .风 力 发 电 机 状 态 监 测 和 故 障 诊断 技术的研究与 进 展 J.机械 工程学 报 ， 2011， 47（ 9） :45-52. 3谢 源 ， 焦 斌 .风 力 发 电 机 组 状 态 监 测 系统 与 故障 诊断 方法 研究 现 状 J.上海 电机 学院学 报 ， 2010,13（ 6） :328-333.

29、 4姚 兴 佳 ， 刘 颖 明 .大 型 风 电 机 组 振 动 分析 和 在 线 状 态 监 测 技术 J. 沈 阳工 业大学学报 ， 2007， 29（ 6） :627-632. 5陈闽 杰 ，曾 安 .在线监 测- 油 液分析 的 未来 之路P.全 国 油液 监测技 术会 议 ， 2010. 6郭 维 芹 .发 电 机 绝缘潜在故障的早期 发 现与 诊断 -状 态维 修 是电 力 设备 维修管 理的趋 势J. 上 海第二 工 业大学学 报 ， 2002， 1（ 1） :20- 26. 7郭 鹏 .DavidInfield， 风 电 机 组 齿轮 箱 温 度 趋 势 状态 监测 及分析方 法 J.中国 电机工 程学 报 ， 2011， 31（ 32） :129-135. 53 - -