风力发电机组状态监测系统设计与应用

李涛涛，贾嵘，尹浩霖，董开松，党建（.西安理工大学，陕西西安　70048；.中国水电顾问集团投资有限公司，北京　000；.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃兰州　70050）



风力发电机组状态监测系统设计与应用

李涛涛1，贾嵘1，尹浩霖2，董开松3，党建1
（1.西安理工大学，陕西西安710048；2.中国水电顾问集团投资有限公司，北京100101；3.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃兰州730050）

KEY W0RDS：wind turbine generator set；condition moni -toring；fau1t diagnosis

摘要：风力发电机组状态监测系统的设计可以有效降低机组的检修维护费用，保障机组的安全稳定运行。对风力发电机组状态监测和故障诊断技术进行了深入的研究，设计了风力发电机组状态监测系统，并详细介绍了系统的结构与功能。通过系统在大型风力发电场的成功应用，验证了其对风力发电机组状态监测与诊断的有效性。

关键词：风电机组；状态监测；故障诊断

近年来，全球能源危机日益突出，寻找一种可以替代传统能源的新能源问题成为了人类所面临的共同挑战。可再生能源具有清洁性、可重复使用性等诸多优点，许多国家均把可再生能源的发展提高到了国家战略层面，以风能和太阳能等为代表的可再生能源得到了迅速的发展。我国风电装机容量迅猛增长，其占总装机容量的比例逐年增加，单机容量为兆瓦级的大型风力发电机组及上百兆瓦风电场正得到大力发展。然而，我国风力发电技术的成熟程度远远落后风电产业的发展[1]。风力发电机组大多处于边远地区，环境恶劣，机组运行工况复杂，极易发生各种故障，尤其是风电机组的传动系统，在交变载荷的作用下，相比其他部件发生故障的可能性更高，传动系统一旦发生故障，往往造成机组停机，维护检修费用极高[2-4]。

因此，针对风力发电机组恶劣的运行状况和复杂的故障特征，设计一套风力发电机组状态监测系统，对风力发电机组的运行状态进行实时监测与诊断就显得十分重要[5-7]。笔者对风力发电机组状态监测和故障诊断技术进行了深入的研究，设计了风力发电机组状态监测系统，并对系统的结构与功能进行了详细的介绍，通过系统在大型风力发电场的成功应用，验证了整套系统对风电机组状态监测和故障诊断的可靠性，从而保障了风电机组的安全、稳定与可靠运行。

1　状态监测系统的设计

1.1系统的总体架构

状态监测系统通过数据采集服务器获取风电机组SCADA中故障信号数据，利用Modbus、OPC、IEC102、IEC103、IEC104等规约实现SCADA系统与状态监测系统数据的连接和传输。中控室SCADA系统通过现地数据采集系统来获取中控室系统已经在风机上安装的传感器的信号，诊断服务器还需要的信号可通过重新安装的振动、温度和转速传感器采集，SCADA系统中的数据和数据采集箱中的数据通过中控室交换机传输到诊断服务器系统中。最后诊断及决策服务器系统可将诊断和处理结果通过Internet网络或无线网络GPRS，将数据传给风电场运行维护人员，或是传给远方管理人员，以提高整个系统对风力发电机组状态监测及故障诊断功能的响应速度，图1是其总体架构图。

图1　系统总体架构图Flg. 1 The archltecture dlagram of the overall system

1.2子系统功能介绍

该状态监测系统共有系统测点及传感器设置、现地数据采集系统、数据通信网络系统和故障诊断分析服务器系统等4个子系统。

1.2.1系统测点及传感器设置

传感器的主要功能是获取风力发电机组的各项运行参数，是状态监测系统功能实现的基础。风力发电机组的测点设置应充分结合机组的实际特点和运行方式，以及已发生故障和异常的部位和状态，同时也要根据风力发电机组状态监测的功能需要，进行设置和安装，图2为本次设计传感器的布置结构图。

图2　传感器的布置结构图Flg. 2 The arrangement dlagram of the sensor

1.2.2现地数据采集系统

现地数据采集系统主要是依靠从设备上的传感器采集相关风力发电机组运行工作信号，经过初步的整理后传送给上层数据处理单元。同步采集方式可以保证风力发电机组运行状态的实时采集，能够保证系统故障诊断和故障处理决策依据的及时和准确。因此，现地数据采集系统采用同步采集方式对现地数据进行获取，图3为现地数据采集系统的结构图。

图3　现地数据采集系统Flg. 3 The structure dlagram of the local data acqulsltlon system

1.2.3数据通信网络系统

数据通信网络系统通过各种数据传输协议负责状态监测系统内部数据的连接、采集和传输。SCADA系统通过现地数据采集系统采集风电机组状态信号，并进行存储和处理，并传给故障诊断服务器系统进行诊断和处理，诊断和处理的结果可以通过有线或无线网络传给远方运行人员和远程监控中心。

1.2.4故障诊断分析服务器系统

故障诊断服务器是风力发电机组状态监测系统的核心，其主要由数据库组成。本次数据库采用的是SQL Server 2008，根据系统采集的数据类型，以及软件功能实现所需的数据分类，通过设置SQL Server的数据源和SQL Server用户访问权限，诊断服务器系统数据库就可以远程通讯并存储现地数据采集系统收集的信息数据，以及通过OPC协议访问风力发电机组自带的SCADA监控系统数据。本次数据保存方式也非常灵活，现地数据采集单元可以选择和配置信息使用同一个数据库，也可配置在多个数据库中，降低整个系统服务器的压力。

2　应用

以某大型风力发电场1.5 MW双馈式风力发电机组为例，安装8个振动传感器和1个转速传感器，表1为传感器在该风力发电机振动侧点的分布表。

表1　1.5 MW双馈式风力发电机振动测点分布表Tab. 1 The dlstrlbutlon table of vlbratlon measurlng polnts of the 1.5 MW double-fed wlnd turblne

2.1主轴运行状况诊断

主轴轴承位置共装有两个振动传感器1H、1A，用于监测主轴叶轮侧轴承，图4为1H、1A传感器的固定位置及线缆敷设路径图。

图5为主轴1H、1A加速度波形（2～20 kHz）总值趋势图，从总值趋势图中可以看出，主轴位置加速度总值相对较低，在监测期间总值能量有所上升，说明主轴轴承位置受到频繁的冲击，目前能量相对较小，趋势特征稳定，齿轮箱测点有所传递。外圈自监控初期即存在点蚀现象，后内圈也出现点蚀。建议现场进行主轴轴承拆端盖（增速机侧）检查内圈、外圈（增速机侧单列）的磨损情况。

图4　主轴1H、1A传感器固定位置及线缆敷设路径Flg. 4 The sensor mountlng locatlon and cable run of Splndles 1 H and 1 A

图5　主轴1H、1A加速度波形（2～20 kHz）总值趋势图Flg. 5 Splndle 1H，1A acceleratlon waveform（2～20 kHz）Gross Trend

2.2齿轮箱运行状况诊断

齿轮箱采用二级行星一级平行式三级增速设计，图6为2H、3V、4A和5H传感器在齿轮箱上的固定位置及线缆敷设路径图。

图7为齿轮箱2H、3V、4A和5H加速度波形（2～20 kHz）总值趋势图，从中可以看出，自检测以来齿轮箱各个测点振动总值较小，趋势变化平稳。图8为其对应的频谱结构图，说明频谱结构以高速轴啮合频率为主，齿轮箱运行良好。

2.3发电机运行状况诊断

双馈风力发电机共装有两个振动传感器6H和7H，用于监测发电机两端的轴承故障及定子、转子故障，图9为6H和7H传感器在发电机上的固定位置及线缆敷设路径图。

图6　齿轮箱2H、3V、4A和5H传感器固定位置及线缆敷设路径Flg. 6 The sensor mountlng locatlon and cable laylng path of Gearboxes 2H，3V，4A and 5H

图10为发电机6H和7H加速度波形（2～20 kHz）总值趋势图，从中可以看出，发电机两端振动总值较小，且趋势平稳，发电机运行稳定。

图7　齿轮箱2 H、3 V、4 A和5 H加速度波形（2～20 kHz）总值趋势图Flg. 7 Gearbox 2 H，3 V，4 A and 5 H acceleratlon waveform（2～20 kHz）Gross Trend

图8　齿轮箱2 H、3 V、4 A和5 H加速度波形（2～20 kHz）频谱图Flg. 8 Acceleratlon waveform（2～20 kHz）spectrum of Gearboxes 2 H，3 V，4 A and 5 H

图9　发电机6H和7H传感器固定位置及线缆敷设路径Flg. 9 The sensor mountlng locatlon and cable path of Generators 6H and 7H

3　结语

根据风力发电机组状态监测系统对某大型风力发电机组主抽、齿轮箱和发电机等关键设备的运行状况进行了实时可靠的状态监测与诊断，验证了整套状态系统对风力发电机组的运行状态进行实时监测与诊断的有效性，从而保障了大型风力发机组的安全稳定运行。

参考文献

[1] Association Wor1d Wide Energy. WWEA ha1f year rePort 2014[R]. 2014.

[2]周志刚，秦大同，杨军，等.变载荷下风力发电机行星齿轮传动系统齿轮轴承耦合动力学特性[J].重庆大学学报，2012，35（12）：7-14. ZHOU Zhigang，QIN Datong，YANG Jun，et a1. Transmission gear bearing couP1ing dynamic characteristics of the wind turbine P1anetary gear under variab1e 1oad[J]. The Learned Journa1 of Chongqing University，2012，35（12）：7-14（in Chinese）.

[3] RIBRANT，BERTLING L M. Survey of fai1ures in wind Power systems with focus on swedish wind Power P1ants during 1997-2005[J]. IEEE Transaction on Energy Conversion，2007（1）：167-173.

[4]陈雪峰，李继猛，程航，等.风力发电机状态监测和故障诊断技术的研究与进展[J].机械工程学报，2011，47 （9）：45-52. CHEN Xuefeng，LI Jimeng，CHENG Hang，et a1. Research and deve1oPment of wind turbine condition monitoring and fau1t diagnosis techno1ogy[J]. The Learned Journa1 of Mechanica1 Engineering，2011，47（9）：45-52 （in Chinese）.

[5]马婧华，汤宝平，韩延.风电机组传动系统网络化状态监测与故障诊断系统设计[J].重庆大学学报，2015，38 （1）：37-44. MA Qianhua，TANG BaoPing，HAN Yan. Wind turbine transmission network status monitoring and fau1t diagnosis system design[J]. The Learned Journa1 of Chongqing University，2015，38（1）：37-44（in Chinese）.

[6]孟恩隆，郭东杰，王灵梅，等.风力发电机组状态监测与智能故障诊断系统的设计与实现[J].华东电力，2012，40（3）：0507-0510. MENG En1ong，GUO Dongjie，WANG Lingmei，et a1. Design and imP1ementation of wind turbine condition monitoring and inte11igent fau1t diagnosis system[J]. East China E1ectric Power，2012，40（3）：0507-0510（in Chinese）.

[7]杨文广，蒋东翔.大型风力机组远程智能监测与诊断系统的研究与开发[J].中国工程科学，2015（3）：24-29.

YANG Wenguang，JIANG Dongxiang. Research and deve-1oPment of 1arge -sca1e wind turbine inte11igent remote monitoring and diagnostic system[J]. China Engineering Science，2015（3）：24-29（in Chinese）.

李涛涛（1992—），男，硕士研究生，研究方向为电力系统新能源；

贾嵘（1971—），男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为电力系统自动化；

尹浩霖（1987—），男，硕士，工程师，运营管理主管，中国水电顾问集团投资有限公司运行业务部，主要从事发电企业运营管理工作；

董开松（1966—），男，硕士，高级工程师，国网工程技术专家，主要研究方向为新能源发电及并网技术；

党建（1991—），男，博士研究生，研究方向为电力系统自动化。

（编辑李沈）

Project SuPPorted by Science and Techno1ogy Project of China HydroPower Engineering Consu1ting GrouP CorPoration（CHC-KJ-2011-22）；Science and Techno1ogy Project of SGCC（104-400231368）.

Deslgn and Appllcatlon of Condltlon Monltorlng System for Wlnd Turblne Generator Unlt

LI Taotao1，JIA Rong1，YIN Hao1in2，DONG Kaisong3，DANG Jian1
（1. Xi＇an University of Techno1ogy，Xi’an 710048，Shaanxi，China；2. China’s HydroPower Consu1ting GrouP Investment Co.，Ltd.，Beijing 100101，China；3. Gansu E1ectric Power Research Institute，Lanzhou 730050，Gansu，China）

ABSTRACT：The design of the condition monitoring system of the wind turbine can effective1y reduce the maintenance cost and ensure the safe and stab1e oPeration of the unit. This PaPer Presents an in-dePth study of the condition monitoring and fau1t diagnosis techno1ogy of the wind turbine and designs a condition monitoring system with a detai1ed introduction of its structure and functions. The successfu1 aPP1ication of the system in a 1arge-sca1e wind farm has verified the effectiveness of the system in terms of monitoring and diagnosis of the wind turbine.

作者简介：

收稿日期：2015-06-19。

基金项目：中国水电工程顾问集团公司科技项目（CHC-KJ-2011-22）；国家电网科技项目（104-400231368）。

文章编号：1674-3814（2016）01-0095-05

中图分类号：TM614

文献标志码：A