風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)的六類信號(hào)

　　導(dǎo)言

　　由于環(huán)境條件的限制，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)往往地處偏遠(yuǎn)，且機(jī)組與地面的垂直距離極高，因此風(fēng)電機(jī)組的維修成本極為昂貴。隨著風(fēng)力發(fā)電的需求不斷提高，面臨的主要課題之一就是在降低運(yùn)營與維護(hù) (O&M) 成本的同時(shí)，提高風(fēng)電機(jī)組在不同狀態(tài)下工作和并網(wǎng)的穩(wěn)定性。目前風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)維成本居高不下，因此全球?qū)︼L(fēng)力發(fā)電的接受度亦有限。通過在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以預(yù)診斷故障情況、判斷維修需求，協(xié)助風(fēng)場(chǎng)排定合適的維護(hù)作業(yè)，從而降低運(yùn)營成本

　　狀態(tài)監(jiān)測(cè)的需求

　　風(fēng)力發(fā)電一般均為反應(yīng) (Reactive) 或損壞 (Run-to-failure) 維護(hù)。隨著風(fēng)機(jī)大型化和近海、海上風(fēng)電的快速發(fā)展，風(fēng)機(jī)運(yùn)維成本居高不下，其主要原因在于：

　　無法隨時(shí)巡視維護(hù) - 不同于其他發(fā)電設(shè)備，風(fēng)電機(jī)組難以排定維修人員隨時(shí)檢查維修。

　　高維護(hù)成本 - 由于必須前往偏遠(yuǎn)地區(qū)，發(fā)電機(jī)組又架離地面極高的距離，因此維護(hù)成本也較高。

　　故障機(jī)率高 - 齒輪箱與相關(guān)部件在設(shè)計(jì)時(shí)已刻意減輕其重量，因此較容易受到應(yīng)力影響而故障。

　　此外，負(fù)載與作業(yè)條件均不斷變化，因此風(fēng)電機(jī)組必須承受更高的機(jī)械應(yīng)力。高應(yīng)力的條件之下，就更需要維護(hù)作業(yè)。

　　美國電力研究院 (Electric Power Research Institute，EPRI) 已針對(duì)電力產(chǎn)業(yè)提供完整的案例研討，而反應(yīng)維護(hù) (持續(xù)運(yùn)作機(jī)器直到故障為止) 為最低效能且最高成本的發(fā)電設(shè)備維護(hù)方式。

　　預(yù)防維護(hù) (Preventive maintenance) 是根據(jù)制造商建議的維護(hù)周期所進(jìn)行，和反應(yīng)維護(hù)相比，約可省下24% 的成本。

　　預(yù)測(cè)維護(hù) (Predictive maintenance) 則是基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)而預(yù)測(cè)所需的維護(hù)作業(yè)，和反應(yīng)維護(hù)相比，約可省下47% 的成本。

　　狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能，就是連續(xù)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)關(guān)鍵部件并進(jìn)行預(yù)診斷，以便操作人員相應(yīng)地排定維護(hù)從而避免重大損失。

　　2011年11月份起，由國家能源局發(fā)布的《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)導(dǎo)則》將正式實(shí)施。標(biāo)準(zhǔn)本身雖然是推薦性的，但是推薦性標(biāo)準(zhǔn)和強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)都是政府發(fā)布的，我國行業(yè)一般把國家標(biāo)準(zhǔn)作為最低標(biāo)準(zhǔn)，事實(shí)上推薦性標(biāo)準(zhǔn)幾乎也是強(qiáng)制執(zhí)行的。[1]

　　《導(dǎo)則》指出，海上風(fēng)電機(jī)組應(yīng)選擇采用固定安裝系統(tǒng)，陸上2兆瓦以上(含2兆瓦)風(fēng)電機(jī)組選擇采用固定安裝系統(tǒng)。陸上2兆瓦以下風(fēng)電機(jī)組可選擇半固定安裝系統(tǒng)或便攜式系統(tǒng)。

　　雖然我國現(xiàn)有風(fēng)機(jī)主流機(jī)型為1.5兆瓦，但是隨著風(fēng)機(jī)大型化的趨勢(shì)，風(fēng)機(jī)制造商目前正在研發(fā)和推廣的大部分是2MW以上的機(jī)型，這就意味著越來越多的風(fēng)機(jī)制造商會(huì)把振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)納入其研發(fā)/集成體系。

　　風(fēng)電機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成

　　風(fēng)電機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)位于受測(cè)設(shè)備的四周，并測(cè)量「最可能引起故障」的參數(shù)。圖 1 為風(fēng)電機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的典型構(gòu)架圖。通過傳感器與數(shù)據(jù)采集硬件采集實(shí)際信號(hào)，通過軟件分析信號(hào)以判斷機(jī)器狀態(tài)并預(yù)測(cè)故障。

　　系統(tǒng)概述

　　從振動(dòng)、應(yīng)變、溫度，到電能質(zhì)量，針對(duì)重要設(shè)備/部件可以測(cè)量到各類不同的物理信號(hào)。在整合這些信號(hào)之后，即可進(jìn)一步了解設(shè)備的狀態(tài)。

　　一、振動(dòng)

　　通過振動(dòng)監(jiān)測(cè)可以了解旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)，因此振動(dòng)是風(fēng)電機(jī)組監(jiān)測(cè)最重要的方面之一。風(fēng)電機(jī)組都包括主軸承、齒輪箱與發(fā)電機(jī)，通過振動(dòng)監(jiān)測(cè)可以有效地了解這些設(shè)備的健康狀態(tài)。圖 2 是振動(dòng)傳感器的安裝位置，用以獲取軸向 (Axial) 或徑向 (Radial) 信息。根據(jù)有效的頻率范圍，可以使用位置傳感器 (低頻段)、速度傳感器 (中頻段)，或加速度傳感器 (高頻段)。振動(dòng)傳感器固定在待測(cè)部件之上，從而獲取與瞬時(shí)本地運(yùn)動(dòng)相應(yīng)的模擬信號(hào)。針對(duì)這類測(cè)量，采集設(shè)備應(yīng)具備高采樣率、高動(dòng)態(tài)范圍與抗混迭等功能。

　　此外，還可以監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)機(jī)艙與塔架的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，從而了解結(jié)構(gòu)彎曲，以及風(fēng)力的氣體動(dòng)力效應(yīng)。通過監(jiān)測(cè)這些振動(dòng)信號(hào)，就可以在關(guān)鍵部件發(fā)生重大故障之前，先發(fā)現(xiàn)部件是否產(chǎn)生任何問題，比如齒輪或軸承的老化/破損。而針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械，必須對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行階次分析以獲取諧波信息。諧波 (Harmonics) 可以用來判斷部件性能，并利于早期診斷。

　　二、潤滑油品質(zhì)

　　因?yàn)椴贿m當(dāng)?shù)臐櫥赡芙档托什⒃斐蓹C(jī)件故障，所以潤滑油也是風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中的重要‘成員’。大多數(shù)的軸承與齒輪老化，都是因?yàn)槭褂脻櫥筒划?dāng)而導(dǎo)致進(jìn)一步損傷風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。這類監(jiān)控包含油粒子 (Oil particle) 計(jì)數(shù)與濕度測(cè)量。

　　通過如粒子計(jì)數(shù)器等裝置，即可了解潤滑油的品質(zhì)與可能的污染狀態(tài)。而工業(yè)級(jí)用油中的水污染物，扮演了極重要的角色。水分過高可能導(dǎo)致元件過熱、腐蝕，或嚴(yán)重故障。大多數(shù)的濕度傳感器，都可以通過模擬電壓/電流或者RS232 接口，而采集到相應(yīng)的濕度信息。

　　三、應(yīng)變

　　應(yīng)變監(jiān)測(cè)常見于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等應(yīng)用中，且在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域逐漸凸顯其重要性。實(shí)驗(yàn)室往往通過應(yīng)力測(cè)量，測(cè)試風(fēng)機(jī)葉片的使用壽命。這些測(cè)量通常使用金屬箔 (Metal foil) 應(yīng)變計(jì)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集裝置則需要具備電壓激勵(lì)與橋路補(bǔ)償?shù)裙δ堋?yīng)變計(jì)可安裝于葉片的任何位置，但根據(jù)傳感器數(shù)量的不同，其分布位置也有所差異。傳感器應(yīng)妥善安裝于葉片之上，以同時(shí)能測(cè)得「擺振 (Flapwise)」與「揮舞 (Edgewise)」兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)。圖 3 顯示「擺振 (Flapwise)」與「揮舞 (Edgewise)」兩個(gè)方向的差異。

　　某些制造商則已經(jīng)將光纖傳感器嵌入至葉片中，可輕松獲取葉片的應(yīng)變信息，且長距離亦可保持信號(hào)完整度。通過新的光纖傳感技術(shù)，即可更精確監(jiān)控葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)力。

　　四、聲音信號(hào)

　　風(fēng)電機(jī)組噪聲影響 (Noise impact) 測(cè)量，常用于判定風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是否符合如 IEC 61400-11:2002 (International Electrotechnical Commission) 規(guī)范。聲音監(jiān)測(cè)主要是通過麥克風(fēng)測(cè)量風(fēng)機(jī)的內(nèi)、外部噪聲。針對(duì)這一類測(cè)量，采集裝置應(yīng)具備高采樣率、高動(dòng)態(tài)范圍，與抗混迭功能。當(dāng)監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)部噪聲時(shí)，測(cè)量主體即為齒輪箱與主軸承;外部監(jiān)測(cè)則主要測(cè)量風(fēng)機(jī)的整體噪聲。通過噪聲數(shù)據(jù)，可以找出高頻部分而預(yù)測(cè)可能的故障。此外，還可以測(cè)量如聲強(qiáng)信號(hào)，或通過 Third-octave 分析，檢驗(yàn)風(fēng)機(jī)的噪聲。

　　五、溫度

　　預(yù)測(cè)維護(hù)也需要對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量。雖然有多款傳感器可測(cè)量溫度，但最常見的仍是熱電偶與RTD。而適用的數(shù)據(jù)采集裝置，則應(yīng)具備較小的輸入范圍與冷端補(bǔ)償 (CJC) 功能。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)也常常監(jiān)測(cè)內(nèi)、外部溫度。另外更應(yīng)注意某些關(guān)鍵部件的溫度，如發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子 (Rotor) 與定子 (Stator)，均為風(fēng)機(jī)診斷的重要判據(jù)。

　　六、電能質(zhì)量

　　由于電能質(zhì)量將受風(fēng)速、渦流，與風(fēng)向變換所影響，因此電能質(zhì)量是風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)的重要領(lǐng)域。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行必須達(dá)到特定的電壓與電流要求。下面列出了一些常見的電能質(zhì)量分析：峰值功率輸出、無功功率、電壓波動(dòng)、諧波。測(cè)量無功功率 (Reactive power) 部分，可以幫助判定電壓/電流是否相位一致;通過諧波可進(jìn)一步分析所有輸出信號(hào)。同樣的，風(fēng)力的瞬間變化將可造成電壓波動(dòng) (Voltage fluctuation)，從而影響電力輸出。

　　NI 狀態(tài)監(jiān)測(cè)解決方案

　　針對(duì)風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用，NI 提供專屬的解決方案。針對(duì)發(fā)電機(jī)/齒輪箱制造商或整機(jī)廠商，NI 提供了靈活高性能的軟硬件平臺(tái)，以設(shè)計(jì)高效能、低成本、可自定制的風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)解決方案。根據(jù)產(chǎn)業(yè)需求，NI亦持續(xù)提供最新的信號(hào)處理算法，以找出信號(hào)的關(guān)鍵特征，并預(yù)測(cè)機(jī)器部件的狀態(tài)。這些算法包含階次分析、倒譜 (Cepstral) 分析、軸承調(diào)變檢測(cè)、小波、AR 模型、電能質(zhì)量、功率因素、Rainfall stress cycle分析，以及許多統(tǒng)計(jì)分析算法。通過 NI LabVIEW 軟件，即可使用這些內(nèi)置的信號(hào)處理算法、或者導(dǎo)入現(xiàn)有的文本代碼 (如 C 與其他數(shù)學(xué)文本語言)，并可進(jìn)一步擴(kuò)展設(shè)計(jì)新的算法。

　　以研究結(jié)果為例，齒輪箱及其軸承是風(fēng)電機(jī)組中故障率最高的部件。通過加速度傳感器對(duì)齒輪箱和軸承進(jìn)行監(jiān)測(cè)和振動(dòng)分析，能夠有效地對(duì)故障進(jìn)行預(yù)診斷。但若風(fēng)電機(jī)組使用的是多級(jí)齒輪箱，則過多振動(dòng)源將造成復(fù)雜的齒輪嚙合、調(diào)變，與運(yùn)行振動(dòng)。若要正確分析齒輪箱的振動(dòng)，則需要帶寬足夠的振動(dòng)信號(hào)采集設(shè)備，以記錄長時(shí)間的波形。換句話說，狀態(tài)監(jiān)測(cè)解決方案必須能達(dá)到 51.2 kHz 以上的采樣率，并能儲(chǔ)存超過 2 MB 的二進(jìn)制時(shí)間波形。NI CompactRIO 平臺(tái)即具備此功能。而高級(jí)頻譜分析包括Zoom FFT 與 Zoom order spectrum，可進(jìn)一步找出高頻振動(dòng)特性參數(shù)，且不致遺漏邊帶 (Sideband) 信息。邊帶分析可輔助分析師找出故障齒輪。

　　此外，NI 平臺(tái)可支持以太網(wǎng)、RS232/RS485、Modbus、OPC、CAN、Fieldbus、PROFIBUS，甚至自定義的通信協(xié)議。靈活的通信構(gòu)架，可讓 NI 系統(tǒng)輕松整合風(fēng)電機(jī)組中的其他裝置。

　　小結(jié)

　　本文主要探討了風(fēng)電機(jī)組監(jiān)測(cè)的構(gòu)架與主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是針對(duì)預(yù)測(cè)維護(hù)所設(shè)計(jì)的，以期能在重大故障發(fā)生之前，找出可能存在的問題并及時(shí)修復(fù)。風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)可以從振動(dòng)、應(yīng)變、潤滑油、聲音、溫度、電能質(zhì)量等各個(gè)方面，針對(duì)重要設(shè)備/部件進(jìn)行測(cè)量、分析和數(shù)據(jù)整合，從而對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行預(yù)診斷并給出適宜的維護(hù)建議。