本發(fā)明屬風(fēng)力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域，涉及一種風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障報警的方法。

背景技術(shù)：

風(fēng)能是可再生能源的典型代表，由于其清潔、高效的特性符合可持續(xù)發(fā)展的要求，目前全球風(fēng)力發(fā)電的裝機量正不斷攀升。隨著大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電場的規(guī)劃和建設(shè)，風(fēng)力發(fā)電在電力系統(tǒng)中的比重逐步增加，如何提高風(fēng)電的運行效率和收益成為風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵。

由于風(fēng)力發(fā)電機組運行環(huán)境惡劣，同時運行狀態(tài)和工況復(fù)雜，其傳動系統(tǒng)的齒輪箱、軸系等故障率往往很高，過高的故障率造成很高的維修費用和計劃外停機損失；如果能實現(xiàn)及時準(zhǔn)確的故障報警及識別，將有效降低維修費用，縮短停機時間。所以，在風(fēng)機運行過程中提供行之有效的故障報警方法變得至關(guān)重要。

當(dāng)前風(fēng)場對于故障的報警多是基于振動加速度有效值的判定方法，即對風(fēng)機傳動系統(tǒng)的振動加速度進(jìn)行等時間間隔采樣，計算振動加速的有效值，通過與標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的有效值報警閾值進(jìn)行比較，判斷傳動系統(tǒng)是否發(fā)生故障，若計算得到的振動加速度有效值大于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的報警閾值，則判定傳動系統(tǒng)出現(xiàn)故障；反之判定傳動系統(tǒng)運行正常。

基于振動加速度有效值的故障報警閾值設(shè)定已有相關(guān)文件作為參考，如德國工程師協(xié)會發(fā)布的vdi3834《風(fēng)力發(fā)電機及其組件機械振動的測量和評估》，被廣泛用于0-3mw風(fēng)力發(fā)電機的運行狀況評估。但是，通過對多組風(fēng)力發(fā)電機實測振動加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，一些已經(jīng)確定出現(xiàn)故障的機組，其振動加速度有效值卻沒有超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的報警閾值，即基于振動加速度有效值的報警方法存在報警不靈敏的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種風(fēng)力發(fā)電機組傳動系統(tǒng)故障報警的方法。本發(fā)明方法中報警閾值通過振動加速度信號的有效值與峭度指標(biāo)合成得到，可以得到確定數(shù)值的報警閾值，稱為復(fù)合指標(biāo)m。通過對比實測振動加速度信號的復(fù)合指標(biāo)m與報警閾值間mthreshold關(guān)系，即可判定傳動系統(tǒng)是否存在故障及故障程度。

本發(fā)明提供了風(fēng)力發(fā)電機組傳動系統(tǒng)故障報警的方法，其包括下述步驟：

步驟1：對風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)重要部位的振動加速度信號進(jìn)行連續(xù)等時間間隔采樣，設(shè)置采樣點數(shù)為n點；

步驟2：對采樣得到的振動加速度信號按式(1)進(jìn)行去直流處理；

式中：yi為去直流后的振動加速度信號值；

xi為采樣得到振動加速度信號值；

i為信號采樣序號，i＝1,2,3,……,n；

為信號均值；

步驟3：計算去直流后的振動加速度信號的方差σ²；

根據(jù)方差的定義:

由于，yi為去直流后的振動加速度信號，即因此

步驟4：計算振動加速度信號的復(fù)合指標(biāo)m；

式中各項的定義如前所述；

步驟5：將所得到的復(fù)合指標(biāo)m與預(yù)先設(shè)定的報警閥值mthreshold相比較；

步驟6：基于復(fù)合指標(biāo)m與報警閾值mthreshold的比較結(jié)果判定傳動系統(tǒng)的運行狀況，若復(fù)合指標(biāo)大于報警閾值，表明傳動系統(tǒng)出現(xiàn)故障，需要報警；同時，通過設(shè)定不同等級的報警閾值，可以將故障劃分出不同等級的嚴(yán)重程度；

其中采樣點的位置包括風(fēng)力發(fā)電機組的主軸軸承、齒輪箱以及發(fā)電機軸承等；

其中在步驟(5)中，報警閾值mthreshold的設(shè)定方法如下：

對信號進(jìn)行去直流處理后，信號的方差σ²與有效值rms滿足下述關(guān)系式：

σ²＝rms²(6)

由此，可對公式(5)中的復(fù)合指標(biāo)m作如下變形：

則報警閾值mthreshold的計算公式為：

mthreshold＝k×rms²(8)

式中：k為信號的峭度指標(biāo)，當(dāng)傳動系統(tǒng)無故障時振動加速度信號近似服從正態(tài)分布，其峭度值約為3；rms的取值可參考基于振動加速度有效值報警相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的有效值報警閾值，如德國工程師協(xié)會發(fā)布的vdi3834《風(fēng)力發(fā)電機及其組件機械振動的測量和評估》。將相應(yīng)值代入式(8)計算，可得本發(fā)明所提供報警方法的確定報警閾值。

對多組風(fēng)力發(fā)電機實測振動加速度數(shù)據(jù)的分析表明，本發(fā)明方法提供的復(fù)合指標(biāo)m結(jié)合了有效值與峭度指標(biāo)的優(yōu)點，比單一使用有效值的故障報警方法更加靈敏，具體表現(xiàn)在：通過對實測風(fēng)電機組振動加速度數(shù)據(jù)的分析，對故障確實存在但有效值方法未報警的數(shù)據(jù)，本發(fā)明提供的方法能夠有效地對其報警；對有效值方法可以報警的故障數(shù)據(jù)，本方法計算的復(fù)合指標(biāo)要比報警閾值更加突出，報警效果更加明顯。本發(fā)明方法對提高風(fēng)力發(fā)電機組故障報警的靈敏度和準(zhǔn)確率有顯著促進(jìn)作用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的風(fēng)力發(fā)電機組傳動系統(tǒng)故障報警方法的流程圖；

圖2為基于有效值標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)力發(fā)電機組故障報警結(jié)果圖；

圖3為基于本發(fā)明方法的風(fēng)力發(fā)電機組故障報警結(jié)果圖；

圖4為附圖3的基于本發(fā)明方法的風(fēng)力發(fā)電機組故障報警結(jié)果的縱坐標(biāo)方向局部放大圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供了風(fēng)力發(fā)電機組傳動系統(tǒng)故障報警的方法，其包括下述步驟：

步驟1：對風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)重要部位的振動加速度信號進(jìn)行連續(xù)等時間間隔采樣，設(shè)置采樣點數(shù)為n點；

步驟2：對采樣得到的振動加速度信號按式(1)進(jìn)行去直流處理；

式中：yi為去直流后的振動加速度信號值；

xi為采樣得到振動加速度信號值；

i為信號采樣序號，i＝1,2,3,……,n；

為信號均值；

步驟3：計算去直流后的振動加速度信號的方差σ²；

根據(jù)方差的定義:

由于，yi為去直流后的振動加速度信號，即因此

步驟4：計算振動加速度信號的復(fù)合指標(biāo)m；

式中各項的定義如前所述；

步驟5：將所得到的復(fù)合指標(biāo)m與預(yù)先設(shè)定的報警閥值mthreshold相比較；

步驟6：基于復(fù)合指標(biāo)m與報警閾值mthreshold的比較結(jié)果判定傳動系統(tǒng)的運行狀況，若復(fù)合指標(biāo)大于報警閾值，表明傳動系統(tǒng)出現(xiàn)故障，需要報警；同時，通過設(shè)定不同等級的報警閾值，可以將故障劃分出不同等級的嚴(yán)重程度；

其中采樣點的位置包括風(fēng)力發(fā)電機組的主軸軸承、齒輪箱以及發(fā)電機軸承等；

其中在步驟(5)中，報警閾值mthreshold的設(shè)定方法如下：

對信號進(jìn)行去直流處理后，信號的方差σ²與有效值rms滿足下述關(guān)系式：

σ²＝rms²(6)

由此，可對公式(5)中的復(fù)合指標(biāo)m作如下變形：

則報警閾值mthreshold的計算公式為：

mthreshold＝k×rms²(8)

式中：k為信號的峭度指標(biāo)，當(dāng)傳動系統(tǒng)無故障時振動加速度信號近似服從正態(tài)分布，其峭度值約為3；rms的取值可參考基于振動加速度有效值報警相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的有效值報警閾值，如德國工程師協(xié)會發(fā)布的vdi3834《風(fēng)力發(fā)電機及其組件機械振動的測量和評估》。將相應(yīng)值代入式(8)計算，可得本發(fā)明所提供報警方法的確定報警閾值。

下面以一組具體的數(shù)據(jù)為例，將本發(fā)明的方法與基于振動加速度有效值的故障報警方法進(jìn)行比較。

對某風(fēng)場1.5mw風(fēng)力發(fā)電機組按照發(fā)明內(nèi)容中所述采樣點位置進(jìn)行采樣，得到多臺風(fēng)力發(fā)電機共19只軸承的振動加速度信號數(shù)據(jù)。分別計算各只軸承振動加速度信號的有效值，根據(jù)德國工程師協(xié)會發(fā)布的vdi3834《風(fēng)力發(fā)電機及其組件機械振動的測量和評估》對風(fēng)力發(fā)電機組進(jìn)行故障報警，結(jié)果如圖2所示。

按照vdi3834《風(fēng)力發(fā)電機及其組件機械振動的測量和評估》將風(fēng)力發(fā)電機組傳動系統(tǒng)的運行狀況劃分為三類，如圖2所示，其中軸承序號1、2、4、5、6、9、11-13、15、17、19表示軸承的運行狀況正常；軸承序號為3、7、8、10表示軸承出現(xiàn)了故障預(yù)警，需加強監(jiān)測；軸承序號為14、16、18表示軸承出現(xiàn)了嚴(yán)重故障，處于危險狀態(tài)，需盡快檢修。按照發(fā)明內(nèi)容中所述的本發(fā)明方法的實施步驟，計算各只軸承的復(fù)合指標(biāo)m；同時按照發(fā)明內(nèi)容中所述方法并結(jié)合vdi3834《風(fēng)力發(fā)電機及其組件機械振動的測量和評估》，計算本發(fā)明方法的報警閾值mthreshold。將計算得到的復(fù)合指標(biāo)m與報警閥值mthreshold進(jìn)行比較，得到基于本發(fā)明方法的故障報警結(jié)果如圖3所示。圖4為圖3的縱坐標(biāo)方向局部放大圖。

圖3及圖4的結(jié)果顯示，使用本發(fā)明方法對風(fēng)力發(fā)電機組進(jìn)行故障報警時，軸承序號為3、7、8、9、10的軸承出現(xiàn)了故障預(yù)警；軸承序號為14、16、18的軸承出現(xiàn)了嚴(yán)重故障。與基于振動加速度有效值的報警標(biāo)準(zhǔn)相比，本發(fā)明方法新增顯示了軸承9的故障預(yù)警，通過對軸承9的進(jìn)一步檢查分析，證實該軸承內(nèi)圈與外圈已經(jīng)出現(xiàn)了故障，而基于振動加速度有效值的報警方法并沒有對其故障進(jìn)行報警，表明了本發(fā)明方法對風(fēng)力發(fā)電機組的故障報警更加準(zhǔn)確；同時將圖3、圖4與圖2進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，相比于基于振動加速度有效值的報警方法，本發(fā)明方法對于各狀態(tài)數(shù)值的對比更加突出，，表明了本發(fā)明方法對風(fēng)力發(fā)電機組狀態(tài)判別的靈敏度更高。