风电设备机组维修理论和策略研究综述

风电设备机组维修理论和策略研究综述

寻征轩1，陈玉晶2，马慧民2

1. 上海电气风能有限公司，上海 200241

2. 上海电机学院电气学院，上海 200240

摘要：阐述了维修理论和维修策略的发展背景、过程以及在风电行业的应用，重点介绍了风电设备机组设备的预防性维修理论以及视情维修策略的发展，提出了目前中国风电维修行业中依旧存在的许多问题，以及维修策略的优化与研究将成为未来风电维修行业的发展趋势。

关键词：风电设备； 维修策略； 视情维修

风力发电目前在新能源和可再生能源领域发展迅速，就全球发展数据来看，近十年来风电装机容量均保持年增长25%以上。由《可再生能源中长期发展规划》中的发展规划可知，2020年我国计划建成总装机容量为100GW的风力发电基地，计划输出200TW·h的电能，届时风力发电量将占到我国发电总量的10%左右。

风力机绝大多数运行工况较差，运行环境十分恶劣。此外，风速的不确定性造成复杂的运行工况，这些因素会造成风力发电机组故障高发。根据欧洲风能协会的统计数据，陆上风电机组每kW·h发电量的维修维护成本为总费用的20%～25%，海上风电场则高达35%。

中国风力发电累计装机量已达到世界第一，目前许多风电运营商、制造商都考虑成立独立的维修维护公司。风电场的设备检修开始逐步舍弃单一的计划检修方式，而是采取与状态检修相结合的方式。

国际上对风电机组维修策略与优化的研究，主要集中在视情维修的状态监测部分。美国的“可靠性维修工程”、英国的“设备综合工程”和前苏联的“计划预维修制度”都是国外有代表性的研究。文献对国内外20多个风电场的故障数据在进行统计后得出结论，单一的维修优化策略并不能满足风电场这一复杂多部件的维修故障模式，只有统筹多种策略的优化结合，才能带来更好的维护效果，以及更高的经济收益。

本文以风力机为对象，分析现代各种维修策略的发展及特点，总结其优缺点，并结合风电机组维修发展现状，阐述各种维修策略在风电机组维修优化方面的最新应用，为风电机组维修改革提供参考。

1风电设备定期维修

目前，风电维修主要还是采用定期维修的方式，维修周期由运行历史数据以及经验确定，维修服务通常由销售方、第三方提供。定期维修周期不仅与外部运行环境有关，也与其内部故障规律密切相关，定期维修最大的矛盾就是维修时间的固定性与设备故障的随机性冲突，因此周期的制定非常重要。通常默认的定期检修制度有500h检修、半年检修和全年检修，维修周期有半年、一年、三年或者五年。文献采用等风险策略及同一周期内风险函数积分数值相等来制定维修周期，由于设备故障率会随时间增长而增加，故该策略明显优于传统的固定周期制。文献重点分析了定期维修的维修效果，由于实际维修并不能使设备恢复最初状态，因此将维修分为预防性维修和预防性替换，前者只是改善设备状态，延长工作时间，后者则是使设备恢复如新。文献针对传统预防性维修模型建立的不完善，考虑剩余时间，引入故障率递增因子，对故障服从威尔分布的实例进行仿真，还讨论了满足可靠度约束条件下维护成本最低的优化问题，得到最优的预防性维修周期。

2风电机组视情维修

通过对设备进行状态监测，获得相关温度、压力、噪声、振动、流量等参数，由专家系统对各种参数进行分析，安排维修周期，即为视情维修。这种基于状态而采取动态时间间隔或者周期的维修方式称为“第三代维修模式”，此种维修的检测方式采用等周期检测，维修方式采用 “更换”、“预防性维修”和“继续工作”相结合的方式，分析各检测点处部件有效年龄的状态变化。其优点是能提前安排维修需要的材料和人员，最大化设备的利用率，减少停工时间和二次损伤，在严重损伤发生前，停止工作，降低维修成本。其缺点是必须应用先进技术，对机器状态进行评估，需要特殊的专业设备和高昂的人员培训费用。

2.1　视情维修研究现状

基于状态的维修系统技术是一个新兴的研究领域，其核心思想是在有证据表明故障将要发生时才对设备进行维护。目前，国内还停留在定时维修阶段，对视情维修还处在起步时期，主要是理论上的探讨和定性的分析，以状态检测和故障诊断为主，对状态模型和维修决策模型的建立、求解以及应用都缺乏深入系统的研究。处于起步阶段的状态监测与故障诊断技术主要集中在风电机组的故障高发部件，如齿轮箱和发电机。国内已有大型风电企业安装了实验性的在线监测设备，但都没有规模化生产，随着风机单机容量的加大，未来兆瓦级风电配置检测系统必然成为一种趋势。目前从事风电状态监测与故障诊断的单位较少，主要有华北电力大学、西北工业大学、清华大学等。另外，新疆风能有限公司、新疆金风科技股份有限公司等一些公司已开发出相应的产品，对传统的旋转机械振动状态监测与故障诊断系统进行了改造，并应用到了风力发电机组上。

文献10]以风机各部件为研究对象，对近年来状态监测的方法进行了分析和综述。文献11]和文献12]均以视情维修为主要维修策略，前者突出视情维修对风机叶片的维修优化，后者则以齿轮箱为研究对象，采用半马尔科夫决策过程建立模型。文献13]重点探讨了齿轮箱的视情维修策略，解决如何高效地从被检测信号中获取齿轮故障特征的问题，采用随机变量的数字信号处理方法。文献仍以齿轮箱为研究对象，采用非线性状态估计方法建立NSET模型，合理构造过程记忆矩阵，使模型覆盖正常工作空间，运用温度趋势分析方法进行温度预测。当齿轮箱发生故障时，观察模型的分布特性即可预测残差，根据滑动窗口方法可进行实时计算，当残差均值或者标准差的置信区间超出预设阈值时，发出警报，实现实时在线监测。

国外关于视情维修的研究已颇为成熟，主要可分为两类。

第一类是从理论上的研究，使视情维修能够更多应用于实际。视情维修决策的理论研究都是首先建立描述系统状态的模型，然后建立优化模型，最后求解指定目标下优化的系统维修策略。决策通常是基于数理统计和随机过程理论，理论基础又有两个分支： 第一分支采用数理统计理论，建立设备状态和寿命曲线的统计分布，以费用为目标作出经济最优化；第二分支着重对以经济为目标的策略进行求解，采用马尔科夫或者半马尔科夫决策过程，系统运用离散数值。

第二类主要是针对视情维修整体决策系统的研究，包括数据采集设备和相应的软件分析等，目前在这方面研究比较深入的是美国和加拿大。美国国防部海军研究办公室已经研制开发了机械预测与诊断系统MPROS，该系统综合了许多当时已有的先进技术，是一个分布式的开放可扩展监测与诊断的工具。加拿大多伦多大学的两位教授组建了专门从事视情维修研究的办公室，开发了采用比例故障为模型、以费用为优化目标的软件包EXAKT；阿尔贝塔大学则将小波和神经网络算法应用于旋转机械视情维修优化系统。原来研究故障诊断和监测的机构现在也开始注重视情维修的研究，宾夕法尼亚州立大学系统与运行自动化实验室视情维修部目前已经具备了设备状态监测的先进诊断技术14]，挪威的RCDEIAS公司、马来西亚的CAIDMARK公司等则从事视情维修的研究和推广工作15]。这些机构在信号处理的基础上增加维修策略规划，重点在于研究信号处理的方法。

2.2　视情维修下维修策略优化

风机是一个多部件复杂系统，多部件之间存在经济相关性、结构相关性和随机相关性，因此多部件的模型建立更加具备实用价值，视情维修条件下的多部件维修策略的模型也开始备受关注。现有的文献主要关注齿轮箱、电力系统和叶片等故障高发的单部件，多部件的优化模型还很少16]。关于多部件模型的优化决策主要有三种： 机会维修、分组维修和批量维修，其中，又以机会维修研究最多。文献17]综述了多部件维修系统的研究现状，分析阐述了其难点和趋势。文献18]则通过研究表明，考虑风力机的多部件，以费用为优化目标的维修策略可以有效降低维修成本。文献19]建立风力机串联的多部件维修模型，采用动态规划方法求解。文献20]采用风力机为对象，研究了多部件系统的维修决策与优化问题，建立了基于有效年龄的多部件维修优化模型。考虑风力机多部件之间的经济相关性，建立风力机维修成本的数学优化模型，采用分支定界算法求解检测点处系统部件的最优维修策略。目前，多部件维修优化主要有两种模型： ① 以系统可用度为约束条件实现经济最优化；② 以经济为关注条件实现系统可用度最大化。对于风力机多部件系统，以上两种模型均不能完全有效定义其故障特性，为使模型可用性更高，考虑多部件维修的相互关系，并且以注重费用、机组可用度、风险承受度等多目标建模，在风电厂系统层面进行总体分析优化，将成为后续研究工作的重点。

以往大多基于状态维修策略优化模型的研究中，都是在假设预防性维修为完全维修的前提下进行的，也就是假设系统可以“修复如新”。然而实际情况并非如此，大多数情况下，维修措施并非完全维修，即不能使设备或者系统恢复到全新状态，但也不是使设备保持故障前的状态，而是可使设备恢复到上述两个极端之间的一个状态，即不完全维修。维修的不完全性是由设备系统天生具有的性质特点所决定的21]，文献22]通过引入维修效果系数来表示维修效果的不完全性，如预防性替换的等效维修效果系数为1，而不完全维修的等效维修效果系数小于1。文献23]考虑维修措施对风力设备状态改善的不完全性，将检测时间间隔作为一个与状态相关的决策变量引入维修策略优化过程中，当设备处于不同状态时，考虑多个不同的维修措施种类和机会维修策略，优化两部件系统的维修策略优化模型，在“不完全维修”的情况下，建立可用于基于状态维修策略优化的数学模型，相比当前诸多基于状态维修策略优化模型，该模型描述实际情况更为准确且具有实际参考价值。另外，该模型对基于状态维修方法的应用具有指导作用，文章还建立了在不完全维修前提下的单部件和多部件维修模型，帮助决策者制定和改进维修策略。模型选用设备长期运行的最小时间成本为优化目标，优化了维修措施的选择及设备检测时间间隔长度的制定。选用马尔科夫随机过程描述故障劣化过程，将问题转化为马尔科夫决策问题，得出求解方法，最后成功验证了基于状态维修策略下的单部件、两部件失效不相关和两部件失效相关的优化过程。

3风电机组可靠性维修

以可靠性为中心的维修是第三代维修模式发展的最新阶段，主要是针对维修项目的可靠性分析，以维修工作的经济性、有效性和适用性为决断准则，在故障模式影响分析的基础上，决定是否进行预防维修以及维修工作的内容、维修级别和维修时机。

目前，在风力发电整机系统的可靠性研究中，装置的运行优化维护策略的研究还相对较少，而现代可靠性科学和技术的发展使风电设备运行可靠性预测成为可能24-25]。文献26]通过对德国和丹麦的风电场运行数据进行可靠性建模，实现了可靠性预测。文献27]提出一种新的可靠性建模方法，建立了基于蒙特卡罗仿真模型。文献28]通过对风力发电机组电气部分的拆分及计算，建立了基于马尔科夫过程的可靠性模型。文献29]在风力发电机组功率和负荷关系上，研究了系统可靠性。文献30]通过绘制风力发电机组的可靠性模型，对系统薄弱环节备份，从而提高风电机组的可靠性。

4结论

本文通过阅读关于风电设备维修理论和策略的文献，对文献进行归纳整理，对风电设备的维修策略进行分类，并且就相关发展和应用进行了总结。

风电作为今后重点发展对象，其维修策略优化问题日益突出，对比国内外研究可以得出中国在该方面的研究稍显滞后。对比各种研究方法可以得出，在优化周期的前提下定期维修要优于事后维修；在掌握相关技术的前提下视情维修要优于定期维修。视情维修还存在许多问题，比如对各部件、多目标优化研究甚少，对于不完全维修的重视程度不够。作为未来发展趋势的以可靠性为目标的维修，现在的研究也尚不成熟。

综上所述，风电机组设备的维修策略是随技术的进步而逐步演化的,但是,这种发展并不代表着某种维修策略可以完全取代或者淘汰另一种维修策略。风电企业要针对设备采取动态灵活的维修策略，未来的状态维修策略应该对不同的设备，甚至对同一台设备的不同部件采取不同的维修策略。

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“高性能磨床专用数控系统开发与应用”通过项目验收

项目获5项知识产权受理和登记，其中发明专利3项

日前，由上海开通数控有限公司承担的上海市引进技术吸收与创新计划“高性能磨床专用数控系统的开发与应用”通过项目验收。

该项目得到上海市经济和信息化委员会、上海市高新技术产业化促进中心和上海电气集团股份有限公司的大力扶持和帮助。市经信委对本次项目验收高度重视，组成了以姚俊为组长的4位技术专家和1位财务专家的技术财务专家评审组，从技术和财务两方面共同对项目进行验收。

该项目由上海开通数控有限公司牵头、上海交通大学参加共同研发。通过磨削工艺与数控技术的集成，开发了高性能磨床专用数控系统，在数控内外圆磨床、轴承磨床以及工具磨床上实现示范应用。同时，掌握了磨床数控系统核心技术，拥有自主知识产权，主要技术指标达到国际同类数控系统水平，形成研究开发与专业化应用技术团队，建立了高档数控和伺服技术产学研研发平台。

项目实施过程中，开通公司组织专题科研攻关小组，围绕科技攻关目标，提高自主创新能力，通过几年努力使产品的主要技术指标达到并超过了任务书规定的要求；完成具有完全自主知识产权的高性能磨床专用数控系统的研发。该数控系统具有开放的体系结构，集成了磨削加工工艺数据库，可以采用参数化编程的方式实现内外圆、端面、锥面等多种类型的加工。实现了五轴联动控制，在上海惠而顺精密工具有限公司的配置自动上下料机械手臂的工具磨床上进行了示范应用。

在项目进行过程中，形成了一批具有核心竞争力和高技术含量的知识产权和科技成果，在积极开展专利工作、创建品牌产品方面也取得了丰硕的成果。项目共获得5项知识产权受理和登记，其中： 发明专利3项。

经中国科学院上海科技查新咨询中心查新，在国内处于领先，项目总体上达到了国际先进水平。

专家评审组审查了相关技术文件和参观技术展示，充分肯定了课题组整个项目执行期间的工作，并在技术和财务两方面提出了指导性意见。专家评审组一致同意通过项目验收。

(开通数控)

An Overview on Maintenance Theory and Strategy for Wind Turbine Unit

XunZhengxuan1,ChenYujing2,MaHuimin2

1. Shanghai Electric Wind Energy Co.,Ltd. Shanghai 200241, China

2. School of Electrical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 200240, China

Abstract:Gived a representation on the background and course involving the development of maintenance theory and strategy and its application in wind turbine industry and a introduction focusing the theory for preventive maintenance of wind turbine equipment and the development of the strategy for on-condition maintenance. And the conclusion revealed that the wind power service industry in current China still has many problems, optimization and examination of maintenance strategy for wind turbine service industry will become the trend in future.

Key Words:Wind Turbine Equipment; Maintenance Strategy; On-condition Maintenance

中图分类号:TM 315；TM 07

文献标识码:A

文章编号：1674-540X(2015)01-004-05

作者简介：寻征轩(1981-)，男，硕士，工程师，主要从事风力发电机组电控系统的设计及研发工作，
E-mail： xunzhx@shanghai-electric.com

收稿日期：2014-12-10