风电监测的方法详解

风电监测的方法详解

为了分析和找寻可能的监测方法，需要细剖风力电机的物理现象交互过程：风力（风速、风压）->叶片（应变、振动、转动）->轴(转速、振动、噪音)->齿轮箱（振动、摩擦、发热、噪音）->发电机（振动、摩擦、发热）->电线（发热）。

那么即可以从振动信号（振动、转速）、油液信号（摩擦时交换物质被带入润滑油/液压油中）、应变信号、红外信号（温度）、噪音信号和效能信号（风速、转速、电能质量）六大类进行监测。

（1）油液监测。油液监测是早期预警的重要手段。齿轮间的啮合摩擦会使金属颗粒被带入油液当中，随着时间的推移就会出现磨损、裂痕等状况。大多数的轴承与齿轮老化，都是因为使用润滑油不当而导致进一步损伤风机传动系统。这类监控包含油粒子( Oilparticle) 计数与温度测量。通过如粒子计数器等装置，即可了解润滑油的品质与可能的污染状态。而工业级用油中的水污染物，扮演了极重要的角色。水分过高可能导致元件过热、腐蚀，出现严重故障。

（2）振动监测。油液监测是中期预警的重要手段。通过振动监视可以了解旋转机械设备的状态，因此振动是风电机组监测最重要的方面之一。风电机组都包括主轴承、齿轮箱与发电机，通过振动监测可以有效地了解这些设备的健康状态。根据有效的频率范围，可以使用位置传感器(低频段)、速度传感器(中频段) ，或加速度传感器(高频段)。振动传感器固定在待测部件之上，从而获取与瞬时本地运动相应的模拟信号。针对这类测量，采集设备应具备高采样率、高动态范围与抗混叠等功能。此外，还可以监测风机机舱与塔架的结构振动，从而了解结构弯曲，以及风力的气体动力效应。通过监视这些振动信号，就可以在关键部件发生重大故障之前，先发现部件是否产生任何问题，比如齿轮或轴承的老化/破损。而针对旋转机械，必须对传感器信号进行阶次分析以获取谐波信息。谐波(Harmonics)可以用来判断部件性能，进行早期诊断。

（3）应变监测。油液监测是中期预警的重要手段。应变监测常见于结构健康监测等应用中，且在风力发电领域逐渐凸显其重要性。实验室往往通过应力测量，测试风机叶片的使用寿命。这些测量通常使用金属馅(Metalfoil) 应变计，相应的数据采集装置则需要具备电压激励与桥路补偿等功能。应变计可安装于叶片的任何位置，但根据传感器数目的不同，其分布位置也有所差异。传感器应妥善安

装于叶片之上，以同时测得"拍打方向上(Flapwise) "与"切口方向上(Edgewise) "的数据。

（4）噪音监测。油液监测是中晚期预警的重要手段。风电机组噪声影响

( noiseimpact) 测量，常用于判定风力发电系统是否符合如DIN EN

61400-11-2007规范。声音监测主要是通过麦克风测量风机的内、外部噪声。针对这一类测量，采集装置应具备高采样率、高动态范围，与抗混迭功能。当监测设备内部噪声时，测量主体即为齿轮箱与主轴承; 外部监测则主要测量风机的整体噪声。通过噪声数据，可以找出高频部分而预测可能的故障。此外，还可以测量如声强信号，或通过Third - octave分析，检验风机的噪声。

（5）温度监测。油液监测是晚期预警的重要手段。预测维护也需要对温度进行测量。虽然有多款传感器可测量温度，但最常见的仍是热电偶与RTD 。而适用的数据采集装置，则应具备较小的输入范围与冷端补偿(CJC) 功能。结构健康监测也常常监测内、外部温度。另外更应注意某些关键部件的温度，如发电机的转子(rotor) 与定子(stator) ,均为风机诊断的重要判据。

（6）效能。油液监测是趋势预警/晚期预警的重要手段。①风速风压一定时，情况良好的风机阻尼系数小，转速较高；润滑情况下降或出现异常时阻尼系数大，转速较小②由于电能质量将受风速、涡流，与风向变换所影响，因此电能质量是风电机组状态监测的重要领域。风力发电系统的运行必须达到特定的电压与电流要求。下面列出了一些常见的电能质量分析:峰值功率输出、无功功率、电压波动、谐波。测量无功功率(reactive power) 部分，可以帮助判定电压/ 电流是否相位一致。通过谐波可进一步分析所有输出信号。同样的，风力的瞬间变化将可造成电压波动(voltage fluctuation) ，从而影响电力输出。

其中油液信号能进行早期预警，因为摩擦颗粒最早在油液中体现，通过分析油液特征可以及早发现问题；磨损到一定的程度时才会出现明显的振动特征信号，因此振动为中期预警；到出现明显温度异常，表明事故即将发生了，因此红外监测为晚期预警；效能信号是关联风速与转速，运作良好时风速/转速比高，逐步老化时比率慢慢降低，出现故障前会出现临界值，可以通过分析历史数据进行趋势预警。

深圳亚泰的“多维度物联网式风机在线故障预警系统”，是国内外首创的多

参数关联具备专家诊断库的预警系统，能将油液、振动、红外和效能等信号进行高度关联分析，从早期预警、中期预警、晚期预警及趋势预警中捕捉早期故障特征，按风机运行状态建立专家诊断库给出维护建议。软件界面分三层，第一层显示所有风电场和风机的基本状态，风机状态分三等，良好、正常、需维护（给出维护建议），分别用绿、黄、红指示；第二层显示风机各个部位的运行状况（轴承状态、齿轮箱状态）；第三层显示风机的具体分析数据（振动频谱、油液数据、历史曲线等）。能通过Lan口或无线局域网直传数据，无线传输距离1.5km~10km。建设http及wap服务器，能通过B/S架构，利用手机、电脑等设备在内网/外网进行访问。

深圳亚泰光电研发部供稿

2012/6/15