风力发电机组状态监测系统研究

1、Automation &Instrumentation 2012(1 风力发电机组状态监测系统研究文章编号 :1001-9944(2012 01-0006-05吕跃刚 , 关晓慧 , 刘俊承(华北电力大学 控制与计算机工程学院 , 北京 102206摘要 :针对风力发电系统的运行要求 , 提出一种先进的状态监测与故障诊断系统 , 该系统 以风力发电机组齿轮箱等设备的振动信号等实际测量信号作为信号源 , 利用自主研发的 嵌入式微处理器对采样数据进行信号分析 , 并可通过远程计算机对机组运行状态进行在 线监测 ; 同时嵌入了视频 、 音频实时监控 , 可以实现工作人员对机组运行状态的全面

2、、 实时 远程监控 。 该系统已在某风电场投入使用 , 其有效性和准确性得到了验证 。 关键词 :风力发电机组 ; 状态监测 ; 故障诊断 ; 嵌入式微处理器 ; 振动 中图分类号 :TH165+.3文献标志码 :AResearch on Condition Monitoring System of Wind TurbineLV Yue -gang , GUAN Xiao -hui , LIU Jun -cheng(School of Control and Computer Engineering , North China Electric Power University , Beiji

3、ng 102206, China Abstract :Operation conditions of wind turbine generator system request an advanced condition monitoring system that can predict the faults and help operators to make decisions. It uses vibration signals from gearboxes in wind farms as the signal source , conducts signal analysis to

4、 sampled data with self-developed embedded microprocessor , and mon -itors the operating parameters on line through remote computers ; with the video-audio monitoring system , the operators can get the comprehensive , real-time remote monitoring of the operating status of the wind turbine. Now the s

5、ystem has been put into use , and the validity and the accuracy have been proved.Key words :wind turbine generator system ; condition monitoring ; fault diagnosis ; embedded microprocessor ; vibration收稿日期 :2011-06-30; 修订日期 :2011-09-05作者简介 :吕跃刚 (1958-, 男 , 教授 , 研究方向为智能检测与控制 ; 关晓慧 (1989-, 女 , 在读硕士研究生

6、, 研究方向为风力发电机组状态监测与故障诊断技术 。风力发电机组的故障机理十分复杂 , 影响因素 众多 , 它是决定机组能否长期稳定运行的关键因素 。 建立一套完整的风力发电机组状态监测和故障诊断 系统 , 对于正确评价机组运行状态 , 预防和减少机组 故障的发生 , 实现预知性维修都有重要的意义 。目前风电场运行维护人员主要通过机组主控系 统和定期巡视检查方式来了解机组的运行状态 。 但 是目前风电场所使用的典型监控系统尚不能很好地 解决以下问题 :1 现有风电场的建设一般较分散 , 要了解各台机组的运行状态 , 现有的系统不能完全满足设备远 程监控要求 。2 由于风电场的设备状态不同 ,

7、往往需要对不同设备的运行情况作具体分析 , 并做出具有针对性 的分析处理 。3 风力发电机组属于大型旋转机械发电设备 ,现有监控系统缺乏对机组振动等状态的监测手段 。4 风电场的多台机组布置距离较远 , 机组在数6自动化与仪表2012(1 十米高度 , 地理环境及气候条件比较恶劣 , 需要工作 人员进行日常的巡检维护 , 增加了维护人员的劳动 强度 。反映风电场机组状态的信息量大 , 处理运算程 度复杂 , 将所有机组状态信息通过网络上传集中处 理十分困难 , 因此 , 设计一种能够就地进行实时处理 的分布式监测系统具有重要的研究意义及实用价 值 , 所实现的状态监测系统将成为行业新的增长点

8、。目前国内外已经开展了针对大型风电机组状态 监 测 系 统 的 研 究 , 并 有 实 际 应 用 的 报 道 。 例 如Pruftechnik 公 司 的 VIBXPERT FFT 数 据 采 集 与 信 号分析仪 、 通 用 电 气 公 司 的 Bently Nevada 系 统 、 VIBROWEB XP 诊断型的在线状态监测系统 、 SKF公司的 SKF WindCon 系统 、 德国 SCHENCK VIBROGMBH 公司的 VIBRO-IC 系统等 。 国内目前也有有关单位开始研发针对风力发电机组的状态监测系统 产品 , 应用到风电机组上的主要有 :金风科技公司的 风电机组在线监

9、测系统 ; 北京唐智科技有限公司的JK07460风力发电机传动系统故障诊断装置 ; 西北工 业 大 学 旋 转 机 械 与 风 能 装 置 测 控 研 究 所 的CAMD-6100; 东方振动和噪声技术研究所的 DASP系统等 1。上述多种产品中 , 有些产品的分析和诊断功能 较弱 。 而分析功能强的产品通常系统比较复杂 , 现场 安装不方便 , 适合实验室使用 。 目前非常需要一种状 态监测产品 , 既适合现场安装而且功能丰富 , 能够实 时记录测试数据并具有一定分析能力 , 以便进行精 密故障诊断 。 本文所介绍的风电机组状态监测与故 障分析系统满足了上述要求 , 并具有视频 、 语音传输

10、 功能 , 在某风电场投入了实际运行 。1系统设计1.1方案总体描述本系统主要功能包括 :通过安装在机舱内外的多路视频监控信号 , 对发电机组进行视频监控 , 方便 维护人员远程监视设备运行状态 ; 通过语音监控信 息可以发现机组运行过程中的异常响动 , 及时采取 措施避免更大的经济损失 , 并可实现与现场人员的 通话 ; 通过对齿轮箱 、 轴系等旋转设备的振动监测 , 对机组设备的状态进行实时监测与分析 , 对设备异 常情况进行报警 , 减少故障发生率 , 提高风机系统安 全可靠性 ; 通过网络系统及远程多媒体技术 , 为检修人员提供与主控单元之间的多媒体交互及远程维修 指导功能 。本系统由

11、多台安装在风力发电机组的视频摄 像 、 振动 、 声音 、 温度等信号采集装置及监控处理装 置组成 , 远程监控中心通过网络光纤与机组监控单 元进行数据交换 , 对状态信息进行存储与深入诊断 。 图 1和图 2分别为系统方案拓扑结构示意图和功能 结构图 。系统采用基于 IP 的网络传输技术及数据采集 、 数据分析 、 数据存储 、 数据检索等技术进行设计 , 并 具有良好的可扩展性 , 使本系统能更好地为风电场 提供多种综合功能服务 。1.2系统特点*基于自主开发的嵌入式处理装置能实现高速信息采集 、 就地处理分析功能 , 用来实现对多台风力 发电机组进行视频 、 声音 、 振动以及环境温度等

12、信息 的状态监测 。*具备视频图像 , 振动及声音综合采集处理 , 用来完善远程检修手段 , 提高机组安全性 。 视频摄像具振动信号采集 音频信号采集 温度等信号采集 视频信号采集基于 DSP 的嵌入式数据采集模块视频压缩模块供 电 电 源HDZTJC-4P智能数据处理器就地信息存储基于 RAM 的就地嵌入式智能处理装置 ; 数据 处理 、 故障分析与诊 断 ; 网络传输与控制摄像机姿态控制语音交互终端网络接入设备去主监控中心光缆去其它机组光纤网络光端机 智能数据 处理器光端机 智能数据 处理器光端机 智能数据 处理器光端机 智能数据 处理器光端机 智能数据 处理器振动温度振动温度振动温度振动

13、温度振动温度7Automation &Instrumentation 2012(1 有照明 、 角度 、 焦距远方控制功能 。*具有视频图像分析功能 , 具有烟雾报警 、 非法人员入侵报警功能 。*具有机组振动状态分析功能 。 对机组齿轮箱 、轴系进行多路数据高速采集 、 实时分析 , 对机组进行 振动越线报警及故障分析 。*该系统具备良好的开放性与可扩展性 , 能提供多路模拟 、 开关量扩展接口与信号数据处理通道 , 方便系统的升级改造 。*系统依靠完善的网络拓扑设计结构及设备 ,实现远程信息传输功能 。 先进的数据流压缩技术保 障了信息传输的实时性 , 数据容错功能保障了传输 的可

14、靠性 。*系统设计有语音交互功能 , 支持现场与主控单元间的直接对话 。*具有完善的视频显示与控制终端 , 振动 、 声音实时分析界面 。 通过远程监控服务器具有对上述信 息的显示 、 分析 、 长期存储功能 。*就地装置具有温度自动调节 、 防雷功能 , 保障在当地气候条件下设备正常运行 。1.3系统各模块功能具体描述 1.3.1机组多媒体监测模块风电场视频监控系统是目前 24h 掌握机组设备运行情况及指挥处理设备障碍的重要手段 。 根据机 组主要监视场所及要害部位进行视频监控 , 如机舱 、 齿轮箱 、 扭缆 、 塔底等部位 。 通过视频编码服务器对 模拟图像进行编码转成 IP 数据流 ,

15、 同时与部分控制 信号编码 , 通过光纤以太网传输系统 , 在监控中心进 行统一解码及管理 , 实现基于无人值守的风电场监 控指挥系统 。采用 TCP/IP网络的数字视频监控是近年比较 流行的监控方案 , 符合网络化 、 IP 化的时代潮流 , 技 术含量高 , 其最大的特点是传输距离不受限制 , 且能 很方便地与其它系统互连互通 , 录像与事故调查都 很方便 , 另外还可以方便地接入其它安全防范设备 , 如温度 、 湿度 、 烟感 、 入侵等报警器 ; 同时可以连动灯 光 、 警号 、 锁具等动作设备 , 可以方便地组成一套功 能强大的安全防范系统 。 利用 IP 专用网络为基础 , 集成各

16、种视频监控 、 报警 、 模拟设备资源建立一体化 的风电机组视频监控管理平台 2。系统设计充分考虑可靠性 、 先进性 、 开放性 、 经 济性等原则 。 同时采用嵌入式设计理念 , 高性能CPU , 外扩丰富外设接口 , 极大满足客户的实际应用需求 。 采用 ARM+DSP芯片对图像进行处理 , 达到D1解析度 , 具有极佳的图像画质和完美的功能特性 。 采用 H.264视频压缩技术 , 压缩比高 , 且处理非 常灵活 。系统软件工作在嵌入式 Linux 平台上 , 嵌入式Linux 是标准 Linux 经裁减得到的 , 同 Linux 一样 ,具有稳定 、 安全不易受计算机病毒攻击 、 高效

17、率 、 实 时性好等优点 。分布式多摄像机监控系统拓扑结构如图 4所示 。1.3.2机组振动监测模块传动系统是大型风力发电机组的关键部件 , 用来连接风轮与发电机 。 它是实现风能转换和传递过 程的主要承载部件 。 根据有关资料对长期运行的大 型风电机组故障统计 , 传动系统故障 , 特别是齿轮箱 故障在风电机组故障中占很大比例 1。 目前国内外 对于齿轮箱状态监测与故障诊断主要采用振动监测 技术 。 齿轮传动系统在运行中 , 由于受到内外部交变 载荷的激励作用产生振动 , 当零部件发生故障时 , 激 励发生变化 , 结构振动状态也将发生相应变化 。 利用 振动加速度传感器测量齿轮箱体的振动信

18、号 , 通过图 3单个接入点硬件系统组成Fig.3Hardware system with single access point云台控制器RS485接口CPU 视频压缩 数据存储网络驱动器以太网视 频 编 码图 4视频监控系统拓扑结构Fig.4Topology of video monitoring system远程监 控用户服务器电视墙磁盘阵列LAN/WANInternet8自动化与仪表2012(1 先进的信号分析方法提取振动信号中的故障特征信 息 , 判断齿轮箱内部发生的故障 , 并对故障原因 、 部 位 、 程度等进行分析识别 , 形成齿轮箱的运行状态 的综合分析结果 。 为设计 、

19、运行和维护维修提供有 用信息 。图 6给出了齿轮箱振动监测系统的硬件结构 框图 。1.3.3智能数据处理器为了完成数据采集 、 分析 、 处理及传输 , 本课题自主研发 HDZTJC-4P 智能数据处理器设备 。 其核心 技术已在多个项目中成功使用 , 具有很好的稳定性 和扩展性 。 主要负责机组的振动 、 温度等信号数据采 集 ; 视频 、 音频多媒体数据采集 ; 数据分析 、 压缩 、 传 输 ; 摄像机控制 ; 语音通话及其他扩展接口参数控制 等 。 该装置集 RAM-DSP 技术为一体 , 采用嵌入式设 计理念 , 高性能 CPU , 外扩丰富外设接口 , 极大满足 风电场运行状态监测

20、与分析系统的实际应用需求 。1 硬件设计 。 课题选用的 DSP 为 TI 公 司 的 TMS320F2812。 它是 TI 公司主推的面向工业控制领域应用的定点 DSP 芯片 , 是目前国际市场上功能强 大的 32位定点 DSP 芯片 。 它既具有数字信号处理 能力 , 又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功 能 , 特别适用于有大批量数据处理的测控场合 3。 齿 轮箱振动信号经传感器采样 , 送至信号调理模块进 行滤波隔直处理 。 之后经 A/D将模拟信号转换成数 字信号 , 进入 DSP 就地处理 。2 软件算法部分 。 主要包括对信号的时域参数计算 , FFT 频谱分析等 :a. FF

21、T 频谱分析 4。 谱分析是进行故障诊断的依据 , 利用软件计算有限长度序列的离散傅里叶变换 即快速傅里叶变换 , 得到振动信号的频谱 , 在频域内 研究振动特性 。 对于一个有限长度振动信号序列 x (n , 设其长度为 N (0 n N -1, 其傅里叶变换为X (k =DFT x (n =N -1n =0x (n W nkN (0 k N -1式中 W N =e -j2/N 。 计算 X (k 时 , 利用 W nkN 的对称性和 周期性 , 采用 FFT 算法 , 可减少计算次数 。该 部 分 主 要 调 用 TI 为 DSP 提 供 的 FFT (1024点 算法库 。 声明 FFT

22、 模块后 , 直接调用模块即可 。 该模块的输入数据为 16位无符号整型变量 , 输出为32位有符号结果 。b. 时域分析 5。 负责对输入信号的峰值 、 峰峰值 、均值 、 绝对均值 、 均方值 、 有效值 、 方差 、 标准差 、 方根 幅值 、 斜度 、 峭度 、 波形指标 、 峰值指标 、 脉冲指标 、 裕 度指标 、 峭度指标等 16个参数进行计算 。1.3.4监控中心状态分析及故障诊断系统振动监控部分 。 每台机组采集 2路齿轮箱原始振动信号 (如图 5所示 进行信号处理 、 传输和显示 。 上位机振动监测的图像显示软件为 LabVIEW , 实时 显示原振动信号的时域波形图 、

23、频谱图 、 时域特征参 数值趋势图 、 机舱内外温度值 、 报警值 。图 7所示即为本课题设计的监控界面 。 通过将 这些图形与正常状况时相比较 , 可以得出机组故障 所在和故障类别 。多媒体监控部分 。 所有图像信号经视频服务器 处理后的数字视频流汇集到监控中心的局域网上 。 如图 8监控界面所示 , 客户端可实时监视多路实时 图像信息并实现一机同屏同时监视 ; 多个网络客户图 5振动加速度传感器安装位置Fig.5Location of vibration acceleration sensor风轮齿 轮 箱主轴发电机 图 6齿轮箱振动监测系统Fig.6Vibration monitorin

24、g system for gearbox图 7状态监测界面Fig.7Condition monitoring interface转速 传感器 振动加速 度传感器信号 调理电路CAP 电平 转接电路 TMS320f2812核心板AD 校正电路W5100光端机 光端机上位机底板Automation &Instrumentation 2012(1 端可以同时监控任一前端图像 ; 可以在任一客户端 和全屏等多种画面中切换显示 ; 在网络条件支持下 , 位于不同地点的多个用户可同时在线观看系统内任 意网点的实时视频资料 。2结语该系统利用嵌入式微处理器对现场信号进行就地处理 , 只需将处理结果送

25、至上位机进行显示 , 实现了风电场机组状态监测报警与远程故障诊断 。 同时 还加入了视频 、 音频监控功能 , 采用光纤网络传输方 式 , 极大地提高了信息处理及传输效率 。 系统安装并 使用后 , 大大减少了巡检次数和强度 , 同时设备巡视 的及时性大大提高 , 对于现场生产调度和指挥具有 极大的帮助 。 该系统已在吉林某风电场投入使用 , 并 且成功监测出某台风机高速轴齿轮存在故障 ; 从整 体监测过程看来 , 安装视频监控系统不仅必要 , 而且 可行 , 对机组直观监控具有重要的实际意义 。参考文献 :1李虎 . 大型风力发电机组振动状态监测系统开发 D.北京 :华北 电力大学 , 2009.2王先来 . 基于 IP 组播与 MPEG-4的数字视频监控系统在电力系 统中的应用 J.广东输电与变电技术 , 2004(1:28-32.3马莉 , 任健 , 王泽勇 , 等 . 基于 DSP 的车轮踏面擦伤检测系统 J.现代电子技术 , 2009(17:149-150.4Texas Instruments. FFT LibraryZ, 2002.5樊永生 . 机械设备诊断的现代信号处理方法 M.北京 :国防工业 出版社 , 2009.图 8多媒体监