海上風(fēng)電狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)

海上風(fēng)電狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)1海上風(fēng)電狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的重要性

1.1海上風(fēng)電在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展

風(fēng)能是清潔可再生能源，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。近十幾年來(lái)風(fēng)力資源的開發(fā)利用得到了迅猛發(fā)展，世界風(fēng)電裝機(jī)容量的年平均增長(zhǎng)率超過(guò)了30%，預(yù)計(jì)到2020年世界風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量將達(dá)到12.45億千瓦，滿足世界電力總需求的12%。由于海上風(fēng)能資源豐富且適合大規(guī)模開發(fā)，隨著配套技術(shù)的日益成熟，海上風(fēng)電逐步成為風(fēng)電發(fā)展的重要趨勢(shì)。到2010年底，全球海上風(fēng)電總裝機(jī)規(guī)模約300萬(wàn)千瓦，預(yù)計(jì)到2020年將達(dá)到8000萬(wàn)千瓦。我國(guó)探明可開發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約7.5億千瓦，占全部風(fēng)能資源的3/4。我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)靠近沿海用電負(fù)荷中心，對(duì)環(huán)境負(fù)面影響較少，視覺干擾很小，允許安裝單機(jī)容量更大的風(fēng)機(jī)，非常適應(yīng)大規(guī)模開發(fā)?；诤Ｉ巷L(fēng)電的種種顯著優(yōu)勢(shì)，海上風(fēng)電開發(fā)正成為我國(guó)能源開發(fā)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。僅統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)各省上報(bào)的海上風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃，中國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)預(yù)計(jì)，到2020年我國(guó)國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電裝機(jī)容量就將達(dá)到3000萬(wàn)kW以上。

1.2海上風(fēng)電狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的重要性

海上風(fēng)電發(fā)展面臨的一個(gè)重要課題是海上風(fēng)機(jī)的維修維護(hù)問(wèn)題。海上風(fēng)電場(chǎng)離岸一般在10-50公里，每次現(xiàn)場(chǎng)維修維護(hù)都需要出動(dòng)專用維修船或直升機(jī)。首先，購(gòu)買或租用交通工具以及雇傭?qū)I(yè)駕駛?cè)藛T花費(fèi)高昂，其次這兩種交通工具均受天氣和海況的影響，檢修人員不能及時(shí)到場(chǎng)或者途中遭遇危險(xiǎn)都是很可能的。近期研究表明，如果將傳統(tǒng)的陸上風(fēng)電場(chǎng)檢修方式應(yīng)用在海上風(fēng)電場(chǎng)，則25%-30%的發(fā)電收入需要投入日常運(yùn)維和應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)上，這一比例是很難被接受的。為此需要為海上風(fēng)電場(chǎng)制定高效率、預(yù)防性的檢修機(jī)制，而在電力系統(tǒng)正在起步的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)正是達(dá)到這一目標(biāo)的有效手段。

1.3狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷在海上風(fēng)電應(yīng)用的意義

狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和健康狀況的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，在實(shí)質(zhì)故障發(fā)生之前發(fā)現(xiàn)故障的征兆，以降低故障實(shí)際發(fā)生的概率。故障診斷技術(shù)對(duì)設(shè)備故障、故障因素、故障征兆進(jìn)行綜合處理，對(duì)發(fā)現(xiàn)的故障征兆或故障進(jìn)行定位和特征分析，并進(jìn)一步給出處理建議。

海上風(fēng)機(jī)與陸上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)基本相同，常見的故障也集中于齒輪箱、發(fā)電機(jī)、葉片等幾個(gè)關(guān)鍵部件上。一旦任一部件發(fā)生功能性故障則風(fēng)機(jī)不能發(fā)電，影響發(fā)電量造成經(jīng)濟(jì)損失，某些嚴(yán)重故障甚至?xí)?dǎo)致風(fēng)機(jī)燒毀等嚴(yán)重后果。通過(guò)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)可以及時(shí)有效地監(jiān)視風(fēng)機(jī)各關(guān)鍵部件的健康狀態(tài)，做出合理的檢修建議以延長(zhǎng)部件使用壽命，增強(qiáng)部件可靠度，同時(shí)還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，做出緊急搶修、臨時(shí)停機(jī)等應(yīng)對(duì)措施，避免嚴(yán)重事故的發(fā)生。綜合來(lái)講，狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)是提高海上風(fēng)電利用率和安全系數(shù)，從而提高其行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的有效手段。

2海上風(fēng)電狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.1海上風(fēng)電機(jī)組故障的特點(diǎn)

風(fēng)機(jī)主要由地基、塔架、機(jī)艙、輪轂、風(fēng)輪、傳動(dòng)裝置、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、剎車系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)以及電氣、控制、通訊等部分構(gòu)成，其中最核心的功能結(jié)構(gòu)為風(fēng)輪-齒輪箱-發(fā)電機(jī)的機(jī)械-傳動(dòng)-電力的中軸線。由于風(fēng)速、風(fēng)向的不確定性，風(fēng)機(jī)整體特別是中軸線的工作狀態(tài)始終處于不穩(wěn)定狀態(tài)，并且頻繁經(jīng)受沖擊載荷，各部件的工作壽命受到嚴(yán)重影響，運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)各種故障。實(shí)際運(yùn)行的風(fēng)機(jī)故障率最高的即是中軸線上的齒輪箱、主軸、發(fā)電機(jī)、葉片等部件。

對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)速普遍高于內(nèi)陸風(fēng)電場(chǎng)，并且經(jīng)歷臺(tái)風(fēng)等極端風(fēng)況的概率較大，所以海上風(fēng)機(jī)中軸線部件要經(jīng)受更嚴(yán)厲的考驗(yàn)。此外海上的高濕度、鹽霧、生物附著等因素促使風(fēng)機(jī)部件加速老化，并且隱患點(diǎn)難以預(yù)測(cè)和定位，給海上風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行造成嚴(yán)重隱患。狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)需要合理運(yùn)用以在合理的開銷范圍內(nèi)盡量將重要的故障隱患點(diǎn)涵蓋在內(nèi)。

2.2海上風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)及其適用性

2.2.1狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的合理運(yùn)用

狀態(tài)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)源是安裝在設(shè)備上的各類傳感器。傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理、傳輸和采樣進(jìn)入處理模塊，去掉冗余數(shù)據(jù)提取特征量，為分析、診斷提供素材。

要合理應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，首先要對(duì)設(shè)備故障機(jī)理進(jìn)行研究，確定監(jiān)測(cè)對(duì)象，其次要開發(fā)相應(yīng)傳感器檢測(cè)合適的物理量。目前應(yīng)用于風(fēng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有如下幾類。

2.2.2加速度及振動(dòng)監(jiān)測(cè)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的加速度監(jiān)測(cè)是指風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)、風(fēng)輪、機(jī)艙等的低頻諧振。通過(guò)測(cè)量這種低頻諧振可以分析得到部件的特征頻率，此特征頻率的偏移標(biāo)志著部件材料性能的下降。同時(shí)此種檢測(cè)也可及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)異常。使用壓阻式傳感器可以測(cè)量這種低頻振動(dòng)（帶寬在0Hz-500Hz）。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)用以評(píng)估軸承、齒輪等高頻轉(zhuǎn)動(dòng)部件的性能狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)部件發(fā)生故障比如轉(zhuǎn)子不平衡、軸承松動(dòng)、軸系不對(duì)中、旋轉(zhuǎn)失速、軸承橫向裂紋時(shí)，其振動(dòng)的頻域特性都會(huì)發(fā)生改變。如果不做處理將會(huì)影響工作精度，加大磨損，加速部件疲勞損傷，最終發(fā)生功能故障。使用壓電振動(dòng)傳感器可以測(cè)量這種寬頻的振動(dòng)（帶寬在3Hz-20kHz）。

2.2.3油液監(jiān)測(cè)

軸承、齒輪的磨損會(huì)在潤(rùn)滑油中產(chǎn)生顆粒。如果檢測(cè)到油液中顆粒數(shù)異常增加，那么很有可能是故障出現(xiàn)前的征兆。所以油液中顆粒數(shù)的監(jiān)測(cè)可以作為狀態(tài)監(jiān)測(cè)的一部分。同時(shí)為適應(yīng)海上惡劣的空氣環(huán)境，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油液本身的物理化學(xué)特性，通過(guò)測(cè)量導(dǎo)電性和酸堿度檢測(cè)油液污染程度和化學(xué)降解程度。常用的油液分析手段有：鐵譜分析技術(shù)、光譜分析技術(shù)、理化分析技術(shù)、紅外光譜測(cè)量等。

2.2.4應(yīng)力測(cè)量

通過(guò)在部件表面測(cè)量應(yīng)力可以檢測(cè)部件結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)載荷。通常在葉片的根部加裝測(cè)量裝置測(cè)量葉片的空氣動(dòng)力學(xué)載荷。光纖布拉格光柵傳感器可以很好地勝任這個(gè)檢測(cè)任務(wù)，因?yàn)槠鋵?duì)海水有很好的穩(wěn)定性（耐腐蝕），并且抗電磁干擾，壽命長(zhǎng)。其它機(jī)械熱點(diǎn)（比如葉片彎曲，主軸扭矩）參數(shù)也可通過(guò)測(cè)量應(yīng)力結(jié)合部件材料特性分析得到。

2.2.5溫度測(cè)量

通過(guò)在關(guān)鍵電力電子元件上加裝溫度傳感器可以及時(shí)檢測(cè)到大部分的電氣劣化和故障。風(fēng)電機(jī)組齒輪箱溫度趨勢(shì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及分析方法，介紹了齒輪箱溫度趨勢(shì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過(guò)實(shí)時(shí)分析齒輪箱溫度模型殘差及時(shí)檢測(cè)到齒輪箱狀態(tài)異常。

2.2.6其它

隨著傳感器技術(shù)的進(jìn)步，不斷有新的技術(shù)可以應(yīng)用在海上風(fēng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)上。比如發(fā)電機(jī)絕緣潛在故障的早期發(fā)現(xiàn)與診斷文章中介紹的發(fā)電機(jī)絕緣狀態(tài)射頻監(jiān)測(cè)技術(shù)，利用高頻電流互感器從發(fā)電機(jī)繞組中拾取高頻放電信號(hào)以發(fā)現(xiàn)定子內(nèi)部放電現(xiàn)象，這一技術(shù)可以延伸到更多電氣部件的絕緣性能狀態(tài)監(jiān)測(cè)上。

3海上風(fēng)電故障診斷

3.1故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測(cè)的聯(lián)系

狀態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)關(guān)心的設(shè)備物理量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并經(jīng)過(guò)初步處理得到設(shè)備運(yùn)行信息和特征參數(shù)。有些信息和參數(shù)不需要進(jìn)一步分析和處理就能表明設(shè)備的狀態(tài)，例如溫度低于閾值為正常，高于閾值為異常，需要停機(jī)檢修。而更多時(shí)候故障或隱患是復(fù)雜的，需要對(duì)其發(fā)生部位、原因、性質(zhì)、程度等作出綜合判斷，這時(shí)就需要一套智能化的故障診斷機(jī)制。如果說(shuō)狀態(tài)監(jiān)測(cè)偏重于測(cè)量技術(shù)，即硬件，那么故障診斷則偏重于算法處理，即軟件。

3.2故障診斷算法介紹

3.2.1模型策略與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)策略

故障診斷算法可以分為模型策略和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)策略兩大類。模型策略依據(jù)理論或半經(jīng)驗(yàn)建立系統(tǒng)模型，經(jīng)過(guò)參數(shù)調(diào)試后在處理器中建立傳遞函數(shù)。模型策略涵蓋的具體方法很多，由簡(jiǎn)到繁包括故障樹方法（描述有哪些故障、哪些傳感器會(huì)反映這些故障、哪些故障的組合會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行構(gòu)成威脅），生命周期負(fù)荷表方法（用狀態(tài)機(jī)描述系統(tǒng)功能降級(jí)的機(jī)制和故障的應(yīng)對(duì)策略），物理模型法（建立系統(tǒng)的物理描述模型，由模型模擬得到故障的后果），智能專家系統(tǒng)（建立復(fù)雜的機(jī)制以模擬專家人員對(duì)給定事態(tài)的處理方式）。模型策略的問(wèn)題在于，需要領(lǐng)域內(nèi)的專家完成建模。當(dāng)面對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)時(shí)，很難預(yù)測(cè)各部件間所有潛在的聯(lián)系，此時(shí)建立的模型很難完善。此時(shí)，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)策略則體現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì)。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)策略的實(shí)現(xiàn)也有多種方法。道理上講，所有的數(shù)據(jù)挖掘算法都可嘗試在這里應(yīng)用，因?yàn)槠淠繕?biāo)是一致的，即用已知的一組數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)的情況。然而實(shí)際上各種算法的適宜程度是不同的，因?yàn)楹Ｉ巷L(fēng)機(jī)故障診斷有其特殊性：所依賴的數(shù)據(jù)來(lái)源為多個(gè)不同的傳感器，而且其各自的權(quán)重不同；需要處理不同時(shí)間尺度的數(shù)據(jù)序列，既有統(tǒng)計(jì)性的長(zhǎng)序列也有暫態(tài)的短序列；可能有各種緊急響應(yīng)。針對(duì)這些特點(diǎn)，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)方法是最好的選擇。針對(duì)不同的關(guān)注點(diǎn)可以應(yīng)用多層感知器（MultilayerPerceptron），徑向基函數(shù)（RadialBasisFunction），自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)（AdaptiveNeuro-fuzzyInterface）等具體的處理方法。

3.2.2多層感知器

神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)用人工的神經(jīng)單元組成網(wǎng)絡(luò)以模擬生物神經(jīng)的功能。每個(gè)神經(jīng)單元都有輸入-處理-輸出的功能。網(wǎng)絡(luò)則接受大量輸入，將其賦予不同權(quán)重，交由神經(jīng)單元處理，再匯總處理后的輸出。而輸出結(jié)果的判斷可以是多層感知器，也可以是徑向基函數(shù)或者對(duì)每個(gè)單元的輸出區(qū)別對(duì)待（也就是自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)）。

在神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中，如果將單元按層分組，各層順序相連，每一層只接受上一層的輸入并且將輸出傳遞到下一層，則這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稱為多層感知器。這種方法中各單元的權(quán)重確定是難點(diǎn)，普遍采用的方式是誤差回溯的訓(xùn)練方法，即通過(guò)逐層回溯網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果與期望結(jié)果的誤差以得到各單元權(quán)重的預(yù)期修正值。

3.2.3徑向基函數(shù)

在徑向基函數(shù)方法中，神經(jīng)層對(duì)輸入和輸出的處理更為復(fù)雜。神經(jīng)層中的隱藏節(jié)點(diǎn)用高斯函數(shù)等分布函數(shù)來(lái)描述，這使得每個(gè)隱藏節(jié)點(diǎn)可以在算法中起到更大的作用，從而減少參數(shù)訓(xùn)練的工作量。徑向基函數(shù)方法在處理故障診斷中常見的時(shí)間序列數(shù)據(jù)時(shí)優(yōu)勢(shì)較大。

3.2.4自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)

自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)將基于模糊邏輯的專家系統(tǒng)與神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)結(jié)合到一起。模糊邏輯基于這樣的假設(shè)：同一對(duì)象可能同時(shí)存在多個(gè)狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)有一定的置信率。在故障診斷中則意味著同時(shí)存在多個(gè)可能的狀態(tài)。自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)允許同時(shí)計(jì)算這多個(gè)狀態(tài)，并標(biāo)明各自的置信率。對(duì)于欠缺經(jīng)驗(yàn)的故障診斷，這種方法是行之有效的處理手段。

3.2.5混合的故障診斷算法

海上風(fēng)機(jī)的各類故障十分復(fù)雜，適用的故障診斷算法各異，所以各種算法沒有優(yōu)劣之分只有合適和不合適的區(qū)別。而且針對(duì)實(shí)際的案例往往需要將相距甚遠(yuǎn)的不同算法結(jié)合起來(lái)以高效地完成診斷任務(wù)。

ISO標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中已經(jīng)整理了豐富的關(guān)于軸承、齒輪、主軸等的故障模型，并且提出了基于模型策略的故障診斷研究推進(jìn)模式：將設(shè)備按照集成程度分為不同層次，從底層零件開始，建立每層成員模型及成員關(guān)系模型，然后推進(jìn)到更高層的模型研究。然而這種研究方式的工作量是巨大的，需要漫長(zhǎng)時(shí)間的積累，當(dāng)下實(shí)際應(yīng)用中則需要數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)策略與現(xiàn)有模型研究成果相結(jié)合以得到較為準(zhǔn)確的故障診斷結(jié)果。

3.3故障診斷對(duì)檢修的指導(dǎo)

合理地運(yùn)用故障診斷技術(shù)不僅使得故障發(fā)生時(shí)可以被從容地應(yīng)對(duì)，而且可以指導(dǎo)指導(dǎo)檢修工作，提高檢修的效率和針對(duì)性。

最直接的想法是建立風(fēng)電場(chǎng)檢修專家系統(tǒng)，將各風(fēng)機(jī)、各部件的監(jiān)測(cè)信息聯(lián)網(wǎng)集中在一起進(jìn)行處理。此專家系統(tǒng)以龐大的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)作為基礎(chǔ)，對(duì)獲得的各種信息和數(shù)據(jù)剔除不顯著因素保留主要特征，然后建立基于數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)性的決策樹，對(duì)各個(gè)檢修分項(xiàng)做出“需要預(yù)防性檢修"，"需要修正性檢修"或者"不需要檢修"的判斷。風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維專業(yè)人員可以通過(guò)調(diào)整上述判斷所用的閾值來(lái)修正檢修策略。

維護(hù)替代整合預(yù)后過(guò)程工程提出了更為智能的方法。將檢修看做是故障診斷系統(tǒng)的一部分，以建立整個(gè)系統(tǒng)的行為模型。模型中用部件的物理模型描述工作機(jī)制，同時(shí)用基于數(shù)據(jù)的信息描述部件的劣化，從而用模型可以預(yù)測(cè)系統(tǒng)的未來(lái)狀態(tài)。模型中的檢修可以看做是一種擾動(dòng)，可以分別假設(shè)進(jìn)行檢修和不進(jìn)行檢修分別仿真預(yù)測(cè)系統(tǒng)的未來(lái)狀態(tài)，如果預(yù)測(cè)結(jié)果表明檢修后系統(tǒng)改進(jìn)帶來(lái)的利益大于檢修的投入，則檢修是值得進(jìn)行的。

值得注意的是，由于海上風(fēng)機(jī)的檢修與陸上電力設(shè)備檢修不同，其邊際成本發(fā)生在檢修或不檢修的判斷上而不是檢修的工作量上。所以當(dāng)處理故障診斷算法中的欠把握的參數(shù)時(shí)，最好將其閾值設(shè)得偏低，避免執(zhí)行過(guò)多次數(shù)的檢修。

4結(jié)束語(yǔ)

海上風(fēng)電機(jī)組中狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的合理運(yùn)用能夠提高設(shè)備利用率，延長(zhǎng)設(shè)備