一种集成于风机主控系统内的在线状态监测与故障诊断方法

摘要

本发明公开了一种集成于风机主控系统内的在线状态监测与故障诊断方法，根据状态监测系统的数据采集需求，主控系统将风机控制在设定的运行状态，再进行振动数据采集。在平稳状态下振动数据采集的方法有利于降低数据处理难度，提高数据分析的准确性。同时相同运行状态下采集的数据便于对不同机组分析结果做横向比较和对同一机组的历史数据做纵向比较，也有助于自动诊断系统数据库的建设。最后，两个系统的集成会提高控制柜的紧凑性和降低成本。

说明书

技术领域

本发明涉及源网协调技术领域，特别是涉及一种在风电机组的主控控制系统 内集成在线状态监测所需的数据采集功能及在风电场远程监控SCADA系统内 集成数据分析、处理及故障诊断功能的方法。

背景技术

随着风力发电机组的单机容量越来越大，装机量也逐年增加，相关的第三产 业即风电机组运行维护、监测、故障诊断等将成为行业新的增长点。而风电机组 的工作环境恶劣，风速有很高的不稳定性，在交变负载的作用下，机组的传动系 统等部件最容易损坏，而风电机组又安装在偏远地区且距地面甚高，维修不便， 风电机组的状态监测和故障诊断在这种情况下具有重要的意义。

状态监测是降低风电机组的维修和操作成本的最有效的方式，可以监测极端 工作环境下的风机状况，比如结冰并粘到叶片上引起的叶片旋转不平衡振荡，通 过监测采取合适的控制措施可以防止灾害的发生，这样可以有效地降低维修费用 和停机时间，避免不确知的突然故障，降低维修成本。

在运行风机状态监测及故障诊断系统中，往往需要注意监测振动信号中的突 变信号，因为这些突变信号往往包含着监测对象的重要信息。并且对于风电机组 运行监测过程中的传动系统旋转组件而言，变速的操作和随机的空气动力负载特 征造成了监测到的振动信号多呈现周期非平稳特性，这阻碍了传统频域分析技术 的应用。

目前，市场上的风电机组在线监测系统(CMS)均是一套独立的系统，如 本特利内华达ADAPT.Wind状态监测系统、SKF的WindCon状态监测系统、德 国申克公司(B&K)的WTAS4010状态监测系统等，均包括传感器、数据采集 系统、远程数据服务器以及与之配套的数据处理、分析和诊断软件。独立系统与 主控之间的交互较少，通常是通过主控读取或另外安装传感器采集发电机转速或 功率，采集的数据容易受到风机运行状态切换和速度波动的影响，不利于传统分 析技术的应用。

《一种基于EtherCAT总线集成CMS的风机主控系统》的专利申请(中国 专利申请号201320099080.1)提出了基于使用倍福控制器的主控系统内集成状态 监测CMS系统的方法，但文献并未提及主控系统与CMS系统间的触发原理及 控制耦合方法，即主控系统的控制对触发状态监控与故障诊断系统的作用。

《耦合于控制系统的风电机组状态监测与故障诊断系统》的专利申请(中国 专利申请号201220336371.3)，提出了通过通信或硬接线的方式将主控信号传递 给CMS系统进行共享，相较于完全独立的状态监测系统而言与主控之间多了一 些交互，但是该发明未提出如何利用这些交互数据来提高状态监测的效率，同时 该交互仅为单向的从主控到状态监测的数据传递，而无两者之间的相互交互，并 未做到数据共享。

目前大型商业化的风电机组自带有监测控制和数据获取(SCADA)系统， 为提高风电场运行的稳定性和可靠性提供了强有力的技术平台和支撑，但是 SCADA系统普遍缺乏对传动系统的振动监测及相关分析功能。

为了降低机组的振动信号的分析难度，提升分析效率，需要尽量排除风机运 行过程中状态切换和转速的剧烈变化对监测信号的干扰，而消除此类干扰最有效 的方法就是实现主控系统运行数据与状态监测系统的共享，对机组的运行状态进 行分析后选择性的进行机组振动信号的采集。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种集成于风机主控系统内 的在线状态监测与故障诊断方法，使在线状态监测系统共享主控系统的运行数 据，通过改进主控控制的策略从而优化在线状态监测振动数据的采集，以提高振 动数据分析处理的效率，通过对分析结果进行横向和纵向对比来表现机械设备的 变化趋势，来对风机的大型旋转部件健康状况进行评估和诊断。

为实现上述目的，本发明集成于风机主控系统内的在线状态监测与故障诊断 方法可采用如下技术方案：

一种集成于风机主控系统内的在线状态监测与故障诊断方法，包括：

安装于风电机组轴承、齿轮箱、发电机上的加速度传感器，数据采集模块， 多线程主控PLC处理器，集成于主控SCADA系统内的状态监测数据分析处理 及自动诊断模块，该状态监测数据分析处理及自动诊断模块包括数据存储服务 器，SCADA风机监控系统，数据处理分析模块，自动诊断模块；

主控SCADA系统根据需求将机组控制到典型的运行状态专用于数据采集 模块对在线状态监测振动数据的采集；所述的典型的运行状态是指当状态监测系 统需要对振动数据进行采集期间，主控系统会将机组调节至恒定转速和恒定功率 运行状态，无偏航动作、无影响数据采样的大型电机启停动作；

风机在线状态监测数据与机组的运行数据采用相同的通信协议上传到数据 存储服务器内进行存储；

风机在线状态监测数据处理、分析软件和故障诊断方法集成于远程监控 SCADA系统中；

通过分析方法提取采样数据特征值和特征频率，对不同机组相同运行模式下 的数据进行横向比较，以此来判断各个风机旋转部件的健康状况；

通过对同一机组相同运行模式下的数据提取采样数据特征值和特征频率，进 行纵向比较来分析机组健康状况的变化趋势。

与现有技术相比，由于采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：

(1)将在线状态监测数据采集系统集成到主控系统内，增加控制系统与状 态监测系统的结构紧凑性，减少空间的占用。

(2)实现在线状态监测数据采集系统与主控系统的集成，数据处理、分析 软件和故障诊断方法与SCADA系统的集成，可以极大的节省成本。

(3)实现状态监测系统与主控系统的数据完全共享，有利于选择性的进行 振动数据的采样，便于获取更稳定的振动信息，降低数据的分析难度。

(4)振动采样数据与风机的状态信息通过相同的环网采用同一种通信协议 进行数据的传输，可以有效的避免两者相互独立运行时由于通信的数据量过大导 致的堵塞等问题。

(5)所有机组的振动数据均在几个固定的运行状态下采集，有利于进行纵 向和横向的类比，有利于自动诊断数据库的建设。

附图说明

图1为本发明中采用的集成于主控系统内的状态监测系统的组成示意图。

图2为本发明中在线状态监测数据采集流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于 说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员 对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本发明集成于主控系统内的状态监测系统包括振动传感器，振 动数据采集从站，主控信号采集从站，PLC主站，远程数据服务器，风电场监控 终端SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)。

振动传感器安装在风机机组上，分别为主轴、齿轮箱、发电机等部位。根据 机组的实际情况进行安装位置和传感器的选择。

振动数据采集从站连接振动传感器进行振动数据的采集，连接线采用屏蔽电 缆，以避免干扰。

采样的频率和数据的长度根据测点的不同而不同，由于有些测点对于故障的 判断存在一定的关联，所以对于这些测点的采样需要做到同步，获取相同时间区 间内，相同频率的数据才能够得到有效的分析结果。

如图2所示，在线状态监测数据的采集方式为每间隔一段时间进行一次采 集，每次数据采集前置一个状态位，根据机组的当前运行状况判断调节至某一设 定好的运行状态，调节完成后发出数据采集指令开始状态监测数据采集。采集完 成后状态为复位，同时机组恢复到数据采集前运行状态。

数据采集完成后暂时存储于PLC内，由于振动数据的通信量较大，所以振 动数据的上传需要根据网络通信状况的好坏判断进行处理，同时将采集的数据存 储在PLC存储卡内，可以避免出现网络通信中断时数据的丢失，等网络恢复后 再进行上传处理。

主控PLC通过风场的光纤环网与远程数据服务器相连，主控PLC的正常 实时监测数据与振动数据的上传进行错峰处理，远程数据服务器可以在处理完实 时监测数据的空闲时刻，根据网络通信情况依次从PLC获取状态监测的振动数 据，并进行存储。可以避免两个不同系统由于同时进行数据传输造成堵塞，导致 网络中断，影响风机的正常监控。

将在线状态监测数据处理、分析软件和故障诊断方法集成到风电场监控 SCADA系统中，自动对风机的振动数据进行分析处理，提取所采集振动数据的 特征频率和特征值。

对不同风机在相同运行状况下所采集的数据处理结果进行横向的对比并绘 制横向对比曲线。通过相同条件下的类比来判断各个风机的旋转部件健康状况。

选取相同风机相同运行状况下的历史数据处理结果进行纵向对比绘制对比 曲线，观察变化的趋势，通过趋势的发展判断当前风机的旋转部件健康状况的变 化。

此外，在几个典型的运行状态下对风机振动数据采集处理也有利于自动故障 诊断数据库的建设。

状态监测数据分析软件同样集成到风电场监控SCADA系统中，用于对数据 进行分析处理获取更加全面的故障信息。分析软件主要是对振动数据进行分析处 理和各种曲线的绘制，分析处理方法包括快速傅里叶变换、谱分析、包络谱分析、 小波变换等方法。曲线的绘制包括稳定运行状态下的：波形图、趋势图、频谱图、 轴心轨迹图、极坐标图等，启停机状态下的转速时间图、频谱瀑布图、级联图、 奈奎斯特图等。