1.5 風(fēng)力發(fā)電機組故障診斷技術(shù)概述

風(fēng)電場多位于偏遠的山區(qū)或近海區(qū)域，交通不便；場內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機組分布面積廣，數(shù)量多，遠離監(jiān)控中心；風(fēng)力發(fā)電機組工作在高空，長期工作于雷雨、暴雪、大風(fēng)、曝曬等惡劣環(huán)境中，受極端的溫度、大量的灰塵以及振動、風(fēng)沙氣候的影響，海上風(fēng)力發(fā)電機組還受海風(fēng)對風(fēng)電設(shè)備的腐蝕作用等，這些因素都會增加風(fēng)力發(fā)電機組故障的概率。而且風(fēng)力發(fā)電機組的受力情況也很復(fù)雜，機組在工作過程中，葉片的轉(zhuǎn)速是隨風(fēng)速的變化而變化；當(dāng)陣風(fēng)襲來，葉片受到短暫而頻繁的沖擊載荷，而這個沖擊載荷也會傳遞到傳動鏈上的各個部件，使得各個部件也受到復(fù)雜交變的沖擊，對其工作壽命造成極大的影響，造成機組運行中的各種故障。因此一旦機組的某些部件出現(xiàn)故障，長時間停機不僅造成發(fā)電量損失，而且整個機組的重新吊裝和部件更換，都需要極大的人力和物力。風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計壽命是20年，長期以來，采用的是計劃維修和事后維修的方式；因此采用狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)，在風(fēng)力發(fā)電機組運行過程中實時監(jiān)控各關(guān)鍵部件的運行狀態(tài)，及時了解各部件存在的故障隱患，采取措施，防止造成嚴重損失，提高風(fēng)力發(fā)電機組運行的可靠性，延長其使用壽命具有重要的意義。

1.5.1 風(fēng)力發(fā)電機組故障診斷的目的

風(fēng)力發(fā)電機組故障診斷的根本目的是保證風(fēng)力發(fā)電機組安全、可靠、經(jīng)濟和高效的運行，具體可概括為以下幾方面：

（1）對設(shè)備的各種異常狀態(tài)及故障及時、有效、正確地作出診斷，預(yù)防和消除故障；為風(fēng)力發(fā)電機組的運行維護提供必要的指導(dǎo)，保證設(shè)備運行的安全性、可靠性和經(jīng)濟性。

（2）根據(jù)機組設(shè)備狀況，制定合理的檢測維修制度。使風(fēng)力發(fā)電機組工作時充分發(fā)揮最大的設(shè)計能力，在允許的條件下挖掘設(shè)備潛力，降低設(shè)備全壽命周期費用，延長設(shè)備使用壽命。

（3）通過故障分析、性能評估等為設(shè)備結(jié)構(gòu)修改、設(shè)計優(yōu)化、生產(chǎn)過程工藝參數(shù)確定提供必要的依據(jù)。

1.5.2 大型風(fēng)力發(fā)電機組的常見故障

風(fēng)力發(fā)電機組主要分為：①雙饋式變槳變速風(fēng)力發(fā)電機組；②直驅(qū)永磁式變槳變速型風(fēng)力發(fā)電機組；③失速定槳定速型風(fēng)力發(fā)電機組，該類型是風(fēng)電領(lǐng)域早期產(chǎn)品，是非主流機型，運行維護方便。

以雙饋式風(fēng)力發(fā)電機組為例，風(fēng)力發(fā)電機由風(fēng)輪及變槳距系統(tǒng)、輪轂、機艙、塔架、主軸、齒輪箱、發(fā)電機、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感器、剎車系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和偏航系統(tǒng)等構(gòu)成。由于兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組塔架高度一般都在70m或以上的高空，機組工作環(huán)境惡劣、受力情況復(fù)雜。風(fēng)力發(fā)電機組在運行過程中，不斷承受著變化的風(fēng)帶來的交變沖擊載荷作用，會使風(fēng)輪以及與其剛性連接的主軸、齒輪箱、發(fā)電機等產(chǎn)生各種故障，影響設(shè)備工作壽命，嚴重時會造成機組停機。

風(fēng)力發(fā)電機組由于其構(gòu)成的復(fù)雜性，故障表現(xiàn)形式千變?nèi)f化，總體可歸納為電氣故障和機械故障兩大類。

（1）電氣故障。包括傳感器故障、通信故障、變流器故障、電機故障、電網(wǎng)故障等。具體表現(xiàn)有：電氣系統(tǒng)的故障有電磁干擾、短路故障、接地故障、過電流故障、過電壓故障、欠電壓故障、過溫故障、變頻器無法啟動和繼電器頻跳故障等；發(fā)電機的故障中的振動過大、噪聲過大、發(fā)電機過熱、軸承過熱、不正常雜聲和絕緣損壞等。

（2）機械故障。包括齒輪箱故障、葉片故障、軸承故障、機械剎車故障、變槳執(zhí)行機構(gòu)故障、偏航故障、液壓故障等。具體表現(xiàn)有：風(fēng)輪的故障中的槳葉腐蝕、輪轂損傷；偏航系統(tǒng)的偏航齒圈齒面磨損、噪聲異常、偏航限位開關(guān)故障等；齒輪箱的故障中的齒輪點蝕、剝落、損壞等；軸承的故障中的軸不對中、軸承損壞滲漏油等。

通過對大型風(fēng)力發(fā)電機組進行故障診斷總結(jié)得出，有些部位的故障概率很大，但修復(fù)時間短，對風(fēng)電場發(fā)電量的影響不大，而有些關(guān)鍵部件盡管故障概率不是最高，但一旦損壞對大型風(fēng)力機發(fā)電量的影響卻很大。例如，齒輪箱是齒輪型機組的關(guān)鍵部件，由于其長期承受復(fù)雜且難以控制的交變載荷和瞬態(tài)沖擊載荷，當(dāng)發(fā)生故障導(dǎo)致需要更換整個齒輪箱時，造成的經(jīng)濟損失，除齒輪箱成本（通常占總的風(fēng)力發(fā)電機成本約10%）外，還需要額外支付運輸費、起重機租賃和工時費等，同時還會因設(shè)備停機而產(chǎn)生發(fā)電量損失。

表1-3給出了瑞典皇家理工學(xué)院（KTH）的可靠性評估管理中心（RCM）對瑞典、芬蘭、德國共2151臺的風(fēng)力發(fā)電機組的故障情況統(tǒng)計。

從表1-3中可以看出，單次故障造成最長停機時間的部件分別是齒輪箱、驅(qū)動鏈、發(fā)電機等。這表明電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感器、液壓系統(tǒng)等雖然故障頻繁，但容易處理，不會產(chǎn)生長時間停機維護，經(jīng)濟損失小，而齒輪箱、驅(qū)動鏈、發(fā)電機故障頻率不是最高，但是一旦發(fā)生，產(chǎn)生的后果嚴重，會造成機組長時間的停機維護，帶來嚴重的經(jīng)濟損失。

圖1-8是國外機構(gòu)對德國和丹麥1993—2004年超過6000臺風(fēng)力發(fā)電機組的數(shù)據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，得到的機組各子系統(tǒng)可靠性的統(tǒng)計圖。

圖1-8 風(fēng)力發(fā)電機組可靠性統(tǒng)計

從圖1-8中可以看出，除電網(wǎng)故障外，故障集中在葉輪、電控系統(tǒng)、發(fā)電機、齒輪箱、偏航、變槳系統(tǒng)等，本書后面將分章針對風(fēng)力發(fā)電機組主要部件的故障展開分析討論。

1.5.3 風(fēng)力發(fā)電機組故障診斷實施技術(shù)

在風(fēng)力發(fā)電機組故障診斷過程中，要想使故障診斷分析達到預(yù)定的目標，還依賴于對風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)備故障診斷實施技術(shù)。故障診斷實施技術(shù)就是在故障診斷過程中實際采用的工程技術(shù)，包括監(jiān)測和診斷兩部分，它是故障診斷實現(xiàn)的手段。

（1）振動診斷法：以平衡振動、瞬態(tài)振動、機械導(dǎo)納及模態(tài)參數(shù)為檢測目標，進行特征分析、譜分析和時頻域分析，也包括含有相位信息的全息譜診斷法。

（2）聲學(xué)診斷法：以噪聲、聲阻、超聲、聲發(fā)射為檢測目標，進行聲級、聲強、聲源、聲場、聲譜分析。超聲波診斷法、聲發(fā)射診斷法屬于此類診斷方法，應(yīng)用較多。

（3）振聲診斷法：為了能驗證或獲取更多信息，將振動診斷法與聲學(xué)診斷法同時應(yīng)用，能夠得到較好的效果。

（4）溫度診斷法：以溫度、溫差、溫度場、熱像為監(jiān)測目標，進行溫變量、溫度場、紅外熱像識別與分析。紅外熱像診斷法就是其中一種。

（5）強度診斷法：以力、扭矩、應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)闄z測目標，進行冷熱強度、變形、結(jié)構(gòu)損傷、容限分析與壽命估計。

（6）污染物診斷法：以泄漏和殘留物的氣體、液體、固體的成分為檢測目標，進行液氣成分變化、氣蝕、油蝕、油質(zhì)磨損分析。油樣診斷法與鐵譜診斷法就屬于此類診斷方法，應(yīng)用較多。

（7）壓力流量診斷法：以壓差、流量壓力及壓力脈動為檢測目標，進行氣場壓力場、油膜壓力場、流體湍動、流量變化等分析。

（8）電參數(shù)診斷法：以功率、電信號及磁特性等為檢測目標，進行物體運動、系統(tǒng)物理量狀態(tài)、機械設(shè)備性能等分析。

（9）光學(xué)診斷法：以亮度、光譜和各種射線效應(yīng)為檢測目標，研究物質(zhì)或溶液構(gòu)成，分析構(gòu)成成分量值，進行圖形成像識別分析。

（10）表面形貌診斷法：以裂紋、變形、斑點、凹坑、色澤等為檢測目標，進行結(jié)構(gòu)強度、應(yīng)力集中、裂紋破損、氣蝕、化蝕、摩擦磨損等現(xiàn)象分析。

（11）性能趨向診斷法：以發(fā)電設(shè)備各種主要性能指標為檢測目標，研究和分析設(shè)備的運行狀態(tài)，識別故障的發(fā)生與發(fā)展，提出早期預(yù)報與維修計劃，預(yù)估發(fā)電設(shè)備的剩余壽命，有時參與產(chǎn)品質(zhì)量控制與管理。

1.5.4 發(fā)電設(shè)備故障診斷系統(tǒng)的構(gòu)成

下面以某個發(fā)電設(shè)備故障診斷系統(tǒng)為例，簡要描述一個在線的故障診斷系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和診斷過程。

1.5.4.1 發(fā)電設(shè)備故障診斷系統(tǒng)構(gòu)架

發(fā)電設(shè)備對安全和可靠性的要求高，因此發(fā)電設(shè)備故障診斷系統(tǒng)比其他機械設(shè)備故障診斷系統(tǒng)要求更高。發(fā)電設(shè)備故障診斷系統(tǒng)應(yīng)該能夠在獲取的歷史數(shù)據(jù)和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行建模、處理和比較分析的基礎(chǔ)上，利用很完備的知識庫，對設(shè)備狀態(tài)進行自動判斷評價，并在設(shè)備出現(xiàn)故障時發(fā)出報警，通過建模給出故障的風(fēng)險程度，同時利用模型進行故障部位和故障原因的推理，最后提供有價值的參考，幫助檢修人員及時了解設(shè)備狀態(tài)，提高檢修工作的效率。圖1-9示例了一種發(fā)電設(shè)備故障診斷系統(tǒng)的功能框架。

圖1-9 發(fā)電設(shè)備故障診斷系統(tǒng)功能框架

1.5.4.2 發(fā)電設(shè)備故障診斷系統(tǒng)的工作過程

1.信息獲取

發(fā)電設(shè)備的故障診斷需要建立在詳盡的設(shè)備信息和故障信息基礎(chǔ)上，故設(shè)備信息和故障信息的獲取是進行發(fā)電設(shè)備故障診斷前提。通常，故障診斷所需要的信息可分為設(shè)備靜態(tài)信息和故障實時信息兩大類。

（1）設(shè)備靜態(tài)信息是指設(shè)備在一定時期內(nèi)相對靜態(tài)的各種信息，包括設(shè)備基本信息（如靜態(tài)技術(shù)參數(shù)、設(shè)備的設(shè)計數(shù)據(jù)、性能指標等）、設(shè)備狀態(tài)評價和故障記錄等數(shù)據(jù)，以及設(shè)備所在位置、設(shè)備文檔、聲像資料。

（2）故障實時數(shù)據(jù)獲取需要訪問實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。對于不同的發(fā)電設(shè)備，其故障診斷所需要的信息量或者數(shù)據(jù)的采樣頻度是不一樣的，故需要在數(shù)據(jù)獲取上設(shè)置采集分辨率。故障診斷系統(tǒng)首先要知道需要的歷史數(shù)據(jù)起源點，然后根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)時刻點及采樣間隔，向數(shù)據(jù)庫提取數(shù)據(jù)。

2.信息處理

在故障診斷過程中，由于其設(shè)備的復(fù)雜性和測點的性能特點，使獲取的信息會產(chǎn)生冗余和無效性，所以在進行故障診斷時，需要對獲取的信息進行信息處理。

在發(fā)電設(shè)備故障診斷過程中，故障診斷信息主要包括設(shè)備基礎(chǔ)信息、測點信號和故障分析信息三類。設(shè)備基礎(chǔ)信息由設(shè)備制造廠商決定，對它的信息處理直接根據(jù)故障診斷的需要進行篩選即可。測點信號和故障分析信息是故障診斷的重要來源，對它們的分析處理需根據(jù)實際情況選擇不同的策略。

（1）對測點信號的信息處理。測點信號具有實時特性，對它的信息處理應(yīng)該包含在信號獲取的整個過程中。通常測點信號的處理包括信號前置處理、測量參數(shù)篩選和數(shù)據(jù)通信三部分。

1）信號前置處理。信號前置處理主要對來自現(xiàn)場傳感器群的振動、過程量信號等進行隔離、濾波、衰減/放大、整形等處理，使得這些信號變?yōu)閿?shù)據(jù)采集板能直接采集的標準信號。

2）測點參數(shù)篩選。測點參數(shù)邏輯篩選是對信號前置處理后的信息進行進一步選擇，篩選出需要的測點信息并作為故障實時數(shù)據(jù)參與故障診斷。

3）數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)通信指數(shù)據(jù)采集站與服務(wù)器間的雙向通信，通過網(wǎng)卡實現(xiàn)，包括實時數(shù)據(jù)上傳和系統(tǒng)信息下傳。

（2）對故障分析信息的處理。設(shè)備故障分析是指專家或系統(tǒng)在結(jié)合設(shè)備歷史及當(dāng)前運行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，運用分析模型對設(shè)備故障進行的分析，分析的結(jié)果被記錄和儲存下來，成為未來設(shè)備故障分析的依據(jù)。對它的處理要根據(jù)信息本身的特性來進行。

圖1-9所示的系統(tǒng)中，是采用基于故障模式及影響分析（FMEA）的故障診斷方法得到設(shè)備的故障分析信息，所以要根據(jù)FMEA分析結(jié)果的特點進行信息處理。在FMEA分析結(jié)果中，由于故障的表現(xiàn)形式不唯一，在提取描述故障特征的各種征兆時也常常帶有一定的盲目性，從而導(dǎo)致了故障狀態(tài)之間是模糊的，這就決定了發(fā)電設(shè)備的故障分析與信息處理要具有處理模糊和不確定知識功能。

粗糙集理論是一種處理模糊和不確定知識的新型數(shù)學(xué)工具，它的最大特點是不需要提供求解問題時所需處理的數(shù)據(jù)集合之外的任何先驗信息（如統(tǒng)計中要求的先驗概率和模糊集中要求的隸屬度），就能有效地分析和處理不確定、不一致、不完整等各種不完備數(shù)據(jù)，并從中發(fā)現(xiàn)隱含知識，揭示其潛在規(guī)律。因此圖1-9所示例的故障診斷系統(tǒng)采用基于粗糙集的故障分析與信息處理技術(shù)。其具體實施步驟：①組織列出FMEA分析得到的系統(tǒng)原始故障診斷知識；②應(yīng)用粗糙集理論確定故障征兆屬性集合和故障決策屬性集合，選擇各屬性的值域，進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，對故障征兆屬性進行約簡；③最終得到系統(tǒng)故障診斷規(guī)則，生成故障診斷決策表，形成診斷知識庫。

3.故障診斷知識庫

發(fā)電設(shè)備故障診斷的目的是通過建立的模型進行推理診斷，最后得出故障的可能部位以及原因。因此要求故障診斷知識庫中必須包含發(fā)電設(shè)備基礎(chǔ)配置信息（包括設(shè)備編碼、型號等）、設(shè)備測點基礎(chǔ)信息、設(shè)備狀態(tài)評價信息、設(shè)備故障模式信息、設(shè)備故障征兆信息、設(shè)備故障影響后果信息、設(shè)備故障原因信息以及設(shè)備故障診斷歷史等。

4.故障部位和原因推理

在發(fā)電設(shè)備故障診斷知識庫的基礎(chǔ)上，利用知識庫邏輯推理，可以初步得出設(shè)備故障發(fā)生的可能部位及可能原因，形成故障疑似部位群。根據(jù)圖1-9所示系統(tǒng)建立了存儲故障問題表、故障征兆表、故障原因表和事件表4個數(shù)據(jù)表，根據(jù)這4張表，便可推導(dǎo)出一個關(guān)系表，如圖1-10所示。

圖1-10 信息存儲數(shù)據(jù)表

5.評價反饋

由知識庫推導(dǎo)出來的是故障疑似部位群，在發(fā)電設(shè)備故障診斷中，還需要對故障疑似部位群進行校驗和剔除，生成設(shè)備參考故障部位群，進行維修決策。上述過程通過評價反饋環(huán)節(jié)完成。評價反饋利用狀態(tài)評價原理和方法，得出部位部件的狀態(tài)，對疑似故障部位群進行評價，其流程如圖1-11中虛線框所示：①由知識庫推導(dǎo)出故障原因和產(chǎn)生故障的疑似部位群，并對其進行評價反饋；②根據(jù)得出的部位部件狀態(tài)，判定疑似故障部位是否劣化，如果部位狀態(tài)已經(jīng)發(fā)生劣化，則將此部位作為設(shè)備參考故障部位群中的元素，若疑似故障部位狀態(tài)良好，則將此部位從疑似群中剔除，由此確定最終的參考故障部位群。上述評價反饋環(huán)節(jié)中得出的各故障部位狀態(tài)作為指導(dǎo)發(fā)電機維修決策的依據(jù)，同時對參考故障部位群還需要執(zhí)行下一步風(fēng)險評估環(huán)節(jié)。所謂風(fēng)險評估就是量化測評某一事件或事物帶來的影響或損失的可能程度。

圖1-11 評價反饋流程圖

6.風(fēng)險程度評估

設(shè)備故障參考部位群是最后形成故障診斷決策的參考故障點，對它們進行風(fēng)險程度評估可以將故障診斷結(jié)果定量化，按照風(fēng)險程度排序的診斷使維修專家更容易確定故障隱源。

上述系統(tǒng)采用模糊綜合評判法對故障風(fēng)險因素進行評估，結(jié)合權(quán)重理論對故障風(fēng)險進行分析評估。故障風(fēng)險評估遵循以下步驟：

（1）確定設(shè)備參考故障對應(yīng)的評估因素集，為風(fēng)險分析提供參評依據(jù)。

（2）確定故障風(fēng)險評語集，為風(fēng)險分析提供備選結(jié)論和風(fēng)險等級，并設(shè)定報警上限等級。

（3）確定模糊綜合評判矩陣，為風(fēng)險分析提供方法工具。

（4）確定權(quán)重集，對評估因素進行權(quán)重劃分。

（5）進行綜合評判，得出風(fēng)險分析結(jié)論，進行排序。

7.報警系統(tǒng)

發(fā)電設(shè)備故障診斷的報警系統(tǒng)不單要在監(jiān)測端設(shè)置，也需要在風(fēng)險評估端設(shè)置，如圖1-12所示。

圖1-12 報警系統(tǒng)布局