风力发电机在线监测系统

风力发电机在线监测系统

引言

在线监测系统是近20年来在大型机组上发展起来的一门新兴交叉性技术，这是由于近代机械工业向机电一体化方向发展，机械设备高度的自动化、智能化、大型化和复杂化，在许多的情况下都需要确保工作过程的安全运行和高的可靠性，因此对其工作状态的监视日益重要[1] 。随着大型风力发电机容量的迅猛增加，现在风力发电机正从百千瓦级向兆瓦级发展，机械结构也日趋复杂，不同部件之间的相互联系、耦合也更加紧密，一个部件出现故障，将可能引起整个发电过程中断。另外，近年来随着风力发电机的快速发展，其技术的成熟度跟不上风力发电机的发展速度,在媒体上出现了大量关于风力发电机齿轮箱、主轴、叶片的损坏，甚至有风力发电机倒塌的报道。保险公司非常抱怨其高损坏率，因此在保险合同中加入了维修条款：保证其风力发电机能够正常运转40000h或者至少运行5年，除非装上在线监测设备，接受保险公司的定期监测。在这种环境下，在线监测在风力发电机行业得到了飞速的发展。国外在线监测技术发展得比较成熟，有专门用于风力发电机的监测设备[2] ，例如德国的普鲁夫公司（pruftechnik）；在监测服务方面，国外有专门的风力发电机监测服务公司，例如德国的flender公司等[3] 。而国内由于风力发电机行业本身起步较晚，因此在线监测系统在国内风力发电机上的运用还处于起步状态。

1 在线监测系统的工作原理

风力发电机监测系统最重要的工作是通过对设备运行过程中所表现出的各种外部征兆及信息，提取反映状态的正确信息并进行分析和识别其内涵故障。因此在开始设计和建立系统前，必须对监测对象的结构与工作过程有充分的了解。由于风力发电机设备结构及工作过程复杂，对其进行深入分析和深层故障诊断，不仅要依靠一定的理论和方法，而且更重

要的是必须了解、熟悉具体设备的结构与运行机理，并取得维护人员的经验和技巧。

如图1风力发电机在线监测流程图所示，风力发电机监控任务主要由3部分组成：信号拾取、信号处理和监控决策。信号拾取主要由主轴传感器、齿轮箱传感器和定子传感器来采集风力发电机的基本运行状况。

信号处理是将各传感器所采集到的信号经过信号处理转换成数字信号，通过网络传输到监控

室。由于风力发电场一般建设在岛屿、农田等边远地区，通讯设施相对比较差，因此网络传输可以使用CDMA ，GSM 等无线传输方式，从而省去了铺设光缆等昂贵设备。

监控决策就是计算机将传送的信号数据与风力发电机数据库中的数据进行比较，监控人员根据比较的结果最终给出风力发电机的运行状况分析表。计算机的数据比较过程主要是辨别3 类过程状态（正常、预警、异常），如使用Ｇ表示传感器信号，Ｙ表示风力发电机预警值，Ｒ表示风力发电机异常值。

当Ｇ＜Ｙ风力发电机运行正常；Ｙ＜Ｇ＜Ｒ监控设备发出警报,监控人员必须密切关注运行状况；Ｇ＞Ｒ风力发电机自动停机, 等待工作人员的检修。

2 风力发电机工作特性及在线监测的必要性

现在大多数风机上运用的通用监测程序叫风场监测，这种方法主要监测输出电量同时也包含部分故障信息的存储。通常控制系统的状态信息、输出电量以及风速情况将被存储，并且将其传送给制造商和运营商。但是只有通过详细的记录才有可能观察到故障。在大多数的情况下，当控制系统发出警报的时候故障已经发生了，然而整个系统能做的只是自动的使风力发电机停机以防止故障的进一步恶化。风场监测通常与周期点相连，这些周期测试点

基本能反映整机的特性，例如监测旋转叶片和基座的裂纹、齿轮箱的振动或者机械部分的磨损等情况。但是这些检测不能揭示其产生的时间和原因，所能确认的是风机运行的状况明显的受限制。就算与以前的数据进行对照比较，检查的结果也不可能提供故障原因。

近来一些保险公司为了避免那些预防性更换风力发电机零部件的要求，在线监测系统被广泛的推广，在实际风力发电机监测的运用中有以下两个步骤。

（1）连续的在线监控设备（在线诊断仪）使用合适的传感器与风力发电机的控制系统相连，当风力发电机的零部件特征开始变形时能够发出警报声音，其中包含齿轮箱、主轴及电机定子等的振动。自动评估其频率范围并与所设定的频率谱图相比较，当监控系统给出超出系统设定异常值时，风力发电机会自动地停机并且通过网络把警报值传送到维修中心。这样可以在早期状态，探测到潜在的危险并能使生产商提出一个有针对性的维护和修复方案。通过零距离不间断地观测其零部件，可以设计一个专门的维护计划方案，从而避免灾难性的结果。