CN102102629A - 一种风电机组在线数据采集与分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风力发电机组振动与应变信号在线数据采集与分析装置。该装置由8通道同步采集电路与ARM主控模块两部分组成，两者之间通过RS485接口进行通信，能够对安装于风力发电机组的振动加速度传感器与应变传感器输出信号进行动态信号采集，提取应变数据与振动数据的特征参数，根据装置组态信息自动识别机械运行状态，并能够按组态预先设定的策略对风电机组运行数据进行存储管理，保障风电机组运行异常时数据信息的完整性，实现风电机组机械运行状态的自动监测与分析，同时，ARM主控模块通过网络接口与外部监控计算机进行数据传输。本发明装置体积小，可以直接安装于风电机组上，能够有效提高风力发电机组运行可维护性。

Description

一种风电机组在线数据采集与分析装置

技术领域

本发明涉及一种基于振动与应变信号的风力发电机组运行数据在线采集与状态分析装置。

背景技术

风力发电是近年来世界各国普遍关注的可再生能源开发项目之一，发展速度非常快，并且呈现出机组大型化、巨型化的趋势。随着大型风力发电机容量的迅猛增加，现在风力发电机正从百千瓦级向兆瓦级发展，机械结构也日趋复杂，不同部件之间的相互联系、耦合也更加紧密，一个部件出现故障，将可能引起整个发电过程中断。此外，由于风力发电机组一般安装于较为偏僻的地点，并且大型风力发电机组的风叶直径达到几十米，风力发电机组主机安装于几十米甚至几百米的塔架上，因此，为了保障风力发电机组的正常运行，有必要研究风力发电机组在线状态数据采集技术，在线状态监测与分析已经成为风力发电机技术的一个新趋势。

为了解决上述问题，一种方法是采用人工巡检的方式定期、定时对风力发电机组进行维护管理，另一种方法是通过采用计算机技术、嵌入式技术设计机组状态数据采集与分析装置，提高风力发电机组设备维护的智能化、自动化水平，在线监测风力发电机组运行状态。

对于前一种方法，目前已经在许多工厂得到了普遍应用，但是，人工巡检的方式只能按照一定的时间间隔对风电机组的运行进行检测，并根据检测获得的信息对设备运行的状态进行分析、判别，很难做到风电机组运行状态的在线、实时监测、分析及诊断，同时由于风电机组安装于塔架上，还大大增加风电运营企业的设备检修与维护费用以及风电机组制造商的产品服务费用。

对于后一种方法，目前主要有两种方式：一种方式是通过SCADA(SupervisoryControl And Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统监测风电机组的运行状态，但是这类系统主要是对风力发电运行过程电压、电流、转速、功率等信号进行监控，并不涉及机械部件的运行状况监测与分析。另一种方式是采用通用便携式振动数据采集装置或仪器采集风电机组的振动加速度信号。但是，风力发电机组一般运行在海洋、沙漠、极冷极热等恶劣环境下，除了机械传动部件故障时运行导致的振动外，还收到诸如外部温度变化、风场具有的间隙性特点等的影响，其故障特征不仅仅反映在设备运行的振动信号上，还通过机组运行过程中的应力/应变信号体现，仅仅采集振动加速度或速度信号无法对风电机组的运行状态进行分析、判断。这正是目前在旋转机械中常用的振动数据采集装置及系统无法解决风力发电机组机械故障在线监测的重要原因，也是目前在风电机组机械故障在线监测领域的不足和缺失。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种能够对风力发电机组运行的转速、振动加速度、应力/应变数据进行在线采集与分析的风电机组在线数据采集与分析装置，该装置能够对采集的应变信号与振动信号进行分析，实现对风电机组运行的自动监测，保障风电机组可靠、安全运行。

本发明采用如下技术方案：

一种风电机组在线数据采集与分析装置，其特征在于，包括：8通道信号同步采集电路和ARM主控模块，8通道信号同步采集电路1通过RS485总线与ARM主控模块连接并用于振动数据、特征参数、数据采集软件以及组态控制信息的传输，在8通道信号同步采集电路的两个输入端上分别连接有4路振动加速度传感器和4路应变传感器，所述的8通道信号同步采集电路包括数字信号处理器DSP、4通道振动信号调理电路、4通道应变调理电路、第一4通道高速同步A/D转换电路、第二4通道高速同步A/D转换电路、程序/数据存储器及端口译码控制逻辑电路，第一4通道高速同步A/D转换电路的数据输出端、第二4通道高速同步A/D转换电路的数据输出端及程序/数据存储器的数据端分别通过数据总线与数字信号处理器DSP的数据端连接，程序/数据存储器的地址端及端口译码控制逻辑电路的输入端分别通过地址总线与数字信号处理器DSP的地址端连接，端口译码控制逻辑电路的5个控制信号输出端分别与4通道应变调理电路的四个控制信号输入端及程序/数据存储器的控制信号输入端连接，数字信号处理器DSP上的I²C总线与4通道应变调理电路上的数据端连接，第一4通道高速同步A/D转换电路的控制信号输入端、第二4通道高速同步A/D转换电路的控制信号输入端、程序/数据存储器的控制信号输入端、4通道振动信号调理电路的控制信号输入端及4通道应变调理电路控制信号输入端分别通过控制总线与数字信号处理器DSP的控制信号端连接，所述的4通道应变调理电路的信号输出端与第一4通道高速同步A/D转换电路的信号输入端连接，所述的4通道振动信号调理电路的信号输出端与第二4通道高速同步A/D转换电路的信号输入端连接。

本装置应用ARM、DSP技术，在线自动采集并管理风电机组运行的转速、振动加速度、应力/应变信息，并应用信号处理技术对获得的信息进行处理，实现对风电机组运行状态的判别。该装置具有4路振动加速度模拟信号输入、4路应力/应变模拟输入通道，振动加速度输入通道可以对安装于风力发电机组传动机构位置的压电式振动加速度信号进行采集，应力/应变信号输入通道可以直接对安装于风力发电机组回转机构、塔架位置的电阻式应变信号进行动态信号采集与处理，装置可以实现各振动/应变模拟输入通道同步采样，并对采集得到的应变/振动信号进行时域、频域的特征参数提取，包括峰峰值、有效值、倍频幅值与相位、分频幅值与相位、峭度，将特征参数与预先设置的各通道报警阈值进行比较，判别风力发电机组机械运行状态，并且可以通过Internet网络与外部系统进行数据通信。

与现有技术比较，本发明装置的优点如下：

1、采用ARM、DSP技术，体积小，能够直接安装于风电机组上，实现风电机组机械运行状态信息采集的自动化；

2、与风电机组运行特点相适应的监测功能，更全面反映风电机组运行状态。能够采集风电机组运行过程中的振动加速度、应力/应变信号，可以直接连接压电式振动加速度传感器以及电阻式应变传感器，并可提供内嵌供电电源；

3、装置具有4路振动加速度模拟信号输入、4路应力/应变模拟输入通道，同时具有1路转速输入通道；

4、数据采集以DSP为核心，可以实现对4通道振动加速度信号与4通道动态应变信号的同步采样，并能够提取动态应变与振动数据的时域、频域的特征，包括峰峰值、有效值、倍频幅值与相位、分频幅值与相位、峭度，根据装置预先设置的组态信息进行分析处理，自动判别风电机组运行状态；

6、该装置支持安全数码卡，具有数据管理功能，能够自动按设定的策略对风电机组运行过程中采集的转速、振动加速度数据、动态应变数据及特征参数进行存储管理，保障风电机组运行异常时数据信息的完整性，实现“黑匣子”功能；

7、基于DSP的8通道信号同步采集电路与ARM主控模块采用RS485接口进行连接，装置运行采用组态配置与动态装载设计技术，增强了系统运行的柔性和功能的可扩展性；

附图说明

图1为本发明装置(风电机组在线数据采集与分析装置)原理框图；

图2为单通道应变信号调理原理框图

图3为8通道信号同步采集电路原理框图；

图4为ARM主控模块原理框图；

图5为8通道信号同步采集电路数据采集软件结构图；

图6为ARM主控模块软件结构图；

图7为ARM主控模块监控、状态识别及数据管理软件网络通信与网络服务线程工作流程；

图8为ARM主控模块监控、状态识别及数据管理软件状态识别与数据管理线程工作流程；

图9为8通道信号同步采集数据采集软件工作流程图；

图10为8通道信号同步采集数据处理流程图

图11为应变桥输出信号调理原理图；

图12为单通道振动/应变信号采集原理图；

图13为AD7865四通道采样原理图；

图14为应变信号调理译码逻辑电路原理图；

图15为程序/数据存储器电路原理图；

图16为TMS320F2335原理图；

图17为AT91SAM9263原理图(PART I)；

图18为AT91SAM9263原理图(PART II)；

图19为AT91SAM9263原理图(PART III)；

图20为AT91SAM9263原理图(PART IV)；

图21为ARM主控模块安全数码卡接口电路原理图。

具体实施方式

1.风电机组在线数据采集与分析装置如图1所示。

风电机组在线数据采集与分析装置包括8通道信号同步采集电路1和ARM主控模块2，8通道信号同步采集电路1通过RS485总线与ARM主控模块2连接，以便于后续通道的扩展，并用于应变数据、振动数据、特征参数、数据采集软件以及组态控制信息的传输，在8通道信号同步采集电路1的两个输入端上分别连接有4路振动加速度传感器和4路应变传感器。在风电机组设备的传动机构或支撑机构安装压电加速度传感器用于监测风电机组运行过程中传动(齿轮传动、联轴节等)与支撑机构(轴承等)的机械振动信息，在风电机组设备的回转机构或塔架上安装应变传感器用于监测风电机组运行过程中回转机构或塔架的受力与疲劳的动态应力/应变信号。

8通道信号同步采集电路1用于对压电式振动加速度信号以及应力/应变信号进行调理、程控放大、滤波以及同步采集，并对采集得到的振动信号与动态应力/应变信号进行数据处理，提取风电机组运行过程中的特征参数，如峰峰值、峭度、有效值、分频及倍频(0.5x、1x、2x)幅值及相位。ARM主控模块2主要用于数据管理、状态识别以及运行控制，ARM主控模块2可以通过Internet/Intranet与外部监控计算机进行通信，发送风力发电机组的机械状态运行数据与信息。

2.单通道应变信号调理原理如图2所示。

在本装置中，对于风力发电机组的监测主要是基于动态信号的采集与分析实现，因此，单通道应变信号调理电路主要包括两个部分：解调与滤波，其中，应变信号的解调是基于PGA309模块实现，PGA309模块通过与4通道应变调理电路102上的串行EEPROM通信获取预设的控制参数，并根据这些控制参数对应变传感器输入信号进行信号解调、温度补偿和线性化处理，其输出电压信号与程控滤波单元的信号输入端连接，程控滤波单元依据采样定理要求，对动态应变解调后电压信号的最高频率进行限制，保证采样过程信息不失真，在本装置中，程控滤波单元是一个低通滤波器，其截止频率由DSP根据当前采样频率实时确定。程控滤波单元输出端与第一4通道高速同步A/D转换电路104的信号输入端连接。

3.8通道信号同步采集电路1原理框图如图3所示。

在8通道信号同步采集电路1的两个输入端上分别连接有4路振动加速度传感器和4路应变传感器，所述的8通道信号同步采集电路1包括数字信号处理器DSP 101、4通道振动信号调理电路103、4通道应变调理电路102、第一4通道高速同步A/D转换电路104、第二4通道高速同步A/D转换电路105、程序/数据存储器106及端口译码控制逻辑电路107，第一4通道高速同步A/D转换电路104的数据输出端、第二4通道高速同步A/D转换电路105的数据输出端及程序/数据存储器106的数据端分别通过数据总线与数字信号处理器DSP 101的数据端连接，程序/数据存储器106的地址端及端口译码控制逻辑电路107的输入端分别通过地址总线与数字信号处理器DSP 101的地址端连接，端口译码控制逻辑电路107的5个控制信号输出端分别与4通道应变调理电路102的四个控制信号输入端及程序/数据存储器106的控制信号输入端连接，数字信号处理器DSP 101上的I²C总线与4通道应变调理电路102上的数据端连接，第一4通道高速同步A/D转换电路104的控制信号输入端、第二4通道高速同步A/D转换电路105的控制信号输入端、程序/数据存储器106的控制信号输入端、4通道振动信号调理电路103的控制信号输入端及4通道应变调理电路102控制信号输入端分别通过控制总线与数字信号处理器DSP 101的控制信号端连接，所述的4通道应变调理电路102的信号输出端与第一4通道高速同步A/D转换电路104的信号输入端连接，所述的4通道振动信号调理电路103的信号输出端与第二4通道高速同步A/D转换电路105的信号输入端连接。

所述的数字信号处理器DSP(101)用于控制安装于风电机组传动机构的振动加速度信号与安装于回转机构及塔架位置的应变信号的同步采集，并对采样获得的振动/应变数据进行时域、频域的特征参数提取，包括峰峰值、有效值、倍频幅值与相位、分频幅值与相位、峭度，获取风力发电机组机械运行状态的动态变化过程。

1)信号处理器TMS320F28335DSP芯片101为8通道信号同步采集电路的核心，它一方面控制各种信号的采集及保存，另一方面通过其RS485接口与ARM主控模块2进行通信，传输采集数据、特征参数和控制信息。端口译码控制逻辑电路107的输入端通过地址总线与信号处理器TMS320F28335DSP芯片101的(XA0～XA19)连接，通过对地址信息的译码选择实现对4通道应变调理电路102通道选择及程序/数据存储器106片选，并配合信号处理器TMS320F28335DSP芯片101的控制信号实现读取控制，同时对采集到的数字信号进行数字-电压-应力、数字-电压-加速度信号标定，获取原始的物理动态信号；

2)4通道应变信号调理电路102主要对安装于风电机组的应变传感器输入信号进行信号偏置、放大、温度补偿、程控抗混滤波的处理，其中信号偏置、放大、温度补偿的功能主要由PGA309芯片完成，相应的控制参数放在串行EEPROM芯片24LC16B中供PGA309读取，串行EEPROM芯片24LC16B通过I2C总线与DSP进行通信，程控抗混滤波主要是根据实时的采样频率对信号中的最高频率成分进行限制以满足采样定理的要求；

3)4通道振动信号调理电路103主要对安装于风电机组的压电式振动加速度传感器输入的振动加速度信号进行交直流分离、程控放大以及抗混滤波处理，程控放大主要根据系统设置的放大倍数对输入的振动信号进行放大，程控抗混滤波主要是对振动信号中最高频率成分进行限制以正确实现对振动信号的采样；

4)第一4通道高速同步A/D转换电路104与第二4通道高速同步A/D转换电路105分别由1片AD7865芯片实现，两个电路的采样过程由信号处理器TMS320F28335DSP芯片101输出的同一个采样脉冲控制，保证各通道信号间的相位可比性，实现8通道应变/振动加速度信号的同步采集，第一4通道高速同步A/D转换电路104与第二4通道高速同步A/D转换电路105上的AD7865芯片通过数据总线与信号处理器TMS320F28335DSP芯片101引脚XD0～XD15连接，实现A/D转换结果的读取，其片选及读取控制信号由信号处理器TMS320F28335DSP芯片101产生；

5)128K字程序/数据存储器106用于保存数据采集软件程序、每次采样得到的应变/振动数据、各应变通道与振动通道对应的特征参数以及系统运行的相关数据，该芯片通过数据总线(XD0～XD15)与地址总线(XA0～XA19)与信号处理器TMS320F28335DSP芯片101相连，其片选由端口译码控制逻辑电路107产生，其读写由信号处理器TMS320F28335DSP芯片101控制；

4.ARM主控模块2原理框图如图4所示。

所述的ARM主控模块2包括：ARM处理器201、程序/数据存储器202、安全数码卡接口电路203及网络接口204，ARM处理器201的数据端与程序/数据存储器202的数据端连接，ARM处理器201的控制信号端与安全数码卡接口电路203的控制信号端连接。

所述的ARM主控模块2用于通过RS485总线获取8通道信号同步采集电路1采集的原始振动/应变数据以及所提取的特征参数，将特征参数与预先设置的各通道报警阈值进行比较，判别风力发电机组机械运行状态，并根据用户设定的时间间隔保存将获得的数据保存至外部的安全数码卡。

ARM主控模块2采用ATMELAT91SAM9263芯片，其功能主要在于：在系统初始化阶段通过RS485接口对8通道信号同步采集电路1中的运行软件、功能及参数进行配置，在系统运行阶段获取8通道信号同步采集电路1采集的振动信号及动态应变信号的原始数据及所提取的特征参数，并将特征参数与预先设置的各通道报警阈值进行比较，判别风力发电机组机械运行状态，并根据用户设定的时间间隔保存将获得的数据保存至外部的安全数码卡；程序/数据存储器用于存储振动信号及动态应变信号的原始数据及所提取的特征参数、系统组态信息、风电机组状态信息；通过网络接口204实现与外部控制计算机的Internet/Intranet互连，接收外部控制计算机对装置运行功能的组态与配置，并实现与上位机系统的通信，向上位机系统传送风电机组机械运行状态的数据与信息；通过安全数码卡接口电路203将定制的WinCE操作系统、ARM主控模块应用软件、8通道信号同步采集电路1数据采集软件程序、振动信号及动态应变信号的原始数据及所提取的特征参数保存于安全数码卡。

5.本发明装置的软件实施包括如下几部分：

5.18通道信号同步采集电路数据采集软件。

8通道信号同步采集电路数据采集软件结构图参见图5。

1)系统组态参数存储模块主要用于对系统的各个通道与传感器、采样相关的参数进行保存，该部分信息由用户在外部控制计算机上进行编辑，并通过ARM主控模块2由RS485接口下载。系统组态参数存储的主要信息包括：各振动/应变通道的采集状态，应变信号调理需要的增益倍数、偏移电压、温度补偿参数，振动信号调理需要的传感器自检参数、程控增益，系统采样需要的采样长度、采样频率；

2)系统初始化模块用于对数据采集软件系统以及各个振动/应变通道的状态进行初始化，包括各应变调理串行EEPROM的寄存器值、各振动通道的增益设置、系统通道采样信息、采样长度、数据通信状态、系统数据缓冲区；

3)数据采集模块主要负责完成应变/振动通道采样频率与抗混滤波截止频率设定及A/D中断处理，获取风电机组动态应变/振动及转速值；

4)特征参数提取模块用于提取风力发电机组运行过程中振动/应变信号特征参数，包括峰峰值、有效值、倍频幅值与相位、分频幅值与相位、峭度；

5)数据通信模块用于与ARM主控模块进行数据与信息交换，接受ARM主控模块2提供的系统组态信息，向ARM主控模块2发送风电机组原始应变/振动采样数据及特征参数。

5.2ARM主控模块应用软件

ARM主控模块应用软件结构图参见图6。

ARM主控模块应用软件主要功能包括：通过数据通信模块与运行于8通道同步采集电路的数据采集软件交换信息、控制数据采集软件运行状态、获取其采集的机组原始应变/振动数据及特征参数，将特征参数与系统组态信息中预先设置的各通道报警阈值进行比较，判别风力发电机组机械运行状态，并将每次采样获得的振动/应变动态数据与特征参数依据预先设置的数据管理策略保存至安全数码卡；本装置与外部监控计算机构成Client/Server系统，并作为服务器端通过Internet/Intranet与运行于外部监控计算机的上位机系统进行通信，发送风力发电机组的机械状态运行数据与信息，供外部监控计算机进行远程状态监测与故障诊断，同时，外部监控计算机也可通过网络通信与服务模块对本发明装置的工作方式、系统功能进行动态配置和维护。

1)系统初始化模块用于对本装置的工作状态以及各外部端口的初始化设置，包括ARM主控模块应用软件初始化、通过数据通信模块下载8通道同步采集电路的系统组态配置信息。

2)数据通信模块功能用于与8通道信号同步采集电路1数据采集软件进行数据信息交换，包括下载8通道信号同步采集电路1组态配置信息、获取风电机组运行原始数据及特征参数。

3)数据存储模块根据预先设定的时间间隔保存由数据通信模块得到的风电机组运行数据至安全数码卡作为设备历史运行档案，在设定1小时时间间隔下，可以保存最近三天风电机组运行数据。

4)状态识别模块根据设定的各监测参数报警阈值对机组当前运行状态进行判别，包括各应变/振动通道对应的峰峰值、有效值、倍频幅值与相位、分频幅值与相位、峭度；

5)网络通信与网络服务模块提供与外部监控计算机的通信接口，与外部监控计算机构成Client/Server系统，并作为服务器端通过Internet/Intranet与运行于外部监控计算机的上位机系统进行通信，发送风力发电机组的机械应变/振动数据及特征参数，供外部监控计算机进行远程状态监测与故障诊断，同时，外部监控计算机也可通过网络通信与服务模块对本发明装置的工作方式、系统功能进行动态配置和维护。

6)远程维护模块通过网络通信与网络服务模块为用户提供在外部监控计算机远程维护功能，实现对本装置软件与系统组态配置信息的远程更新、升级及维护。

6.本发明装置的工作原理

本发明装置软件工作原理包括ARM主控模块监控、状态识别及数据管理软件和8通道信号同步采集数据采集软件。发明装置的工作步骤主要如下：

1)系统上电开机，首先ARM主控模块2启动固化于其FLASH程序存储器中Windows CE操作系统，完成主控模块相关硬件的检测与初始化；

2)ARM主控模块2启动监控、状态识别及数据管理软件，对用户程序所需资源进行初始化工作；

3)ARM主控模块2监控、状态识别及数据管理软件启动8通道同步采集电路1数据采集软件，8通道同步采集电路1初始化完成后进行数据采集；

4)ARM主控模块2监控、状态识别及数据管理软件通过RS485接口接收8通道同步采集电路1数据采集软件采集的转速、应变/振动原始数据及特征参数，并判断风电机组机械运行状态，进行数据存储与管理，并通过网络接口向外部监控计算机发送风力发电机组的机械应变/振动数据及特征参数。

ARM主控模块监控、状态识别及数据管理软件主要包括三个线程：数据获取线程、及状态识别与数据管理线程、网络通信与网络服务线程。

其中，数据获取线程主要负责与8通道同步采集电路数据采集软件进行通信，获取风电机组转速、振动数据、应变数据及特征参数。状态识别与数据管理线程主要负责根据系统预先设定的各特征参数阈值对风电机组振动、应变信号对应的特征参数进行比较判断，判别当前的机械运行状态，同时，根据系统组态配置信息中设定的数据存储时间间隔对数据进行存储管理，将数据存储于安全数码卡中。网络通信与网络服务线程主要负责为外部监控计算机提供风电机组的运行信息(包括转速、振动与应变数据、特征参数、机组运行状态)，用户还可以通过外部监控计算机上运行的相关软件与本线程实现对本发明装置的组态信息进行在线配置，对应用软件进行在线维护、更新升级。

WinCE系统启动后自动运行ARM主控模块监控、状态识别及数据管理软件，首先对本发明装置的端口以及ARM主控模块监控、状态识别及数据管理软件所需资源进行初始化，从安全数码卡中读取风电机组组态配置信息并且与8通道同步采集卡进行通信，下载同步采集卡组态配置信息，然后启动软件3个线程：数据获取线程、状态识别与数据管理线程、网络通信与网络服务线程，3个线程协同工作实现对风电机组运行状态的检测、识别以及数据管理功能，其中网络通信与网络服务线程运行于系统后台。在系统运行过程中，数据获取线程与状态识别与数据管理线程的运行状态变迁通过系统设置的信号量进行控制，并且共享缓冲区。一旦数据获取线程有新数据到达并接收完毕，将对数据缓冲区中相应的标志进行设定。同时，ARM主控模块监控、状态识别及数据管理软件能够自动监测该标志，一旦该标志被置位，数据管理及状态识别线程将被激活。数据管理及状态识别线程根据系统预先设定的各特征参数的阈值对风电机组振动、应变以及运行特征参数进行判断，识别风电机组当前的运行状态。并根据系统预先设定的数据存储时间间隔与管理策略对数据进行存储管理，同时完成相应标志的设定。网络通信与网络服务线程运行于系统后台，主要负责为外部监控计算机和液晶显示模块提供风电机组的运行信息(包括振动与应变数据、特征参数、机组运行状态)，并接收外部监控计算机发送的对本发明装置进行在线配置、在线维护、更新升级指令信息。

ARM主控模块监控、状态识别及数据管理软件网络通信与网络服务线程工作流程参见图7。

ARM主控模块监控、状态识别及数据管理软件状态识别与数据管理线程工作流程参见图8。

8通道信号同步采集电路数据采集软件工作流程参见图9。

8通道信号同步采集电路数据处理流程参见图10。其中，提取特征参数主要包括峰峰值、有效值、倍频幅值与相位、分频幅值与相位、峭度。具体方法如下：

1)有效值

设一次采样得到的应变或振动离散序列{x₁，...，x_k，...，x_N}，N为一次采样长度，k为区间[1，N]上的正整数。则有效值为：

$x_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x_k}^2}$

2)峰峰值

$x_{\mathrm{pp}}=\underset{k}{\max }\left(x_k\right)-\underset{k}{\min }\left(x_k\right)$

其中，x_pp为峰峰值，

为应变或振动离散序列中的最大值，

为应变或振动离散序列中的最小值。

有效值与峰峰值反映了应变/振动信号能量的大小。

3)峭度

$G=\frac{E{[x-\mathrm{\μ}]}^4}{{\mathrm{\σ}}^4}$

其中，G为峭度，x为该应变或振动离散序列{x₁，...，x_k，...，x_N}，为μ为该应变或振动离散序列的均值，σ²为该应变或振动离散序列的方差，E()为数学期望。峭度反映了应变/振动信号中大幅值脉冲出现概率的大小，一般情况下，峭度的值为3，如果信号中存在有较大的冲击信号则其峭度值会偏离3，并成逐渐增大趋势，可以用于判别早期具有冲击性质故障。

4)倍频幅值与相位、分频幅值与相位

对该应变或振动离散序列{x₁，...，x_k，...，x_N}，N为一次采样长度，k为区间[1，N]上的正整数，进行离散FFT变换，得到其幅值谱和相位谱，对于该次采样时对应的转速值，设其转频为f，则在频谱中可以得到0.5f、f、2f处的幅值与相位值。

4.本发明装置的硬件原理图

本装置主要功能模块硬件原理图参见图11～图21。

Claims (4)

1.一种风电机组在线数据采集与分析装置，其特征在于，包括：8通道信号同步采集电路(1)和ARM主控模块(2)，8通道信号同步采集电路(1)通过RS485总线与ARM主控模块(2)连接并用于振动数据、应变数据、特征参数、数据采集软件以及组态控制信息的传输，在8通道信号同步采集电路(1)的两个输入端上分别连接有4路振动加速度传感器和4路应变传感器，所述的8通道信号同步采集电路(1)包括数字信号处理器DSP(101)、4通道振动信号调理电路(103)、4通道应变调理电路(102)、第一4通道高速同步A/D转换电路(104)、第二4通道高速同步A/D转换电路(105)、程序/数据存储器(106)及端口译码控制逻辑电路(107)，第一4通道高速同步A/D转换电路(104)的数据输出端、第二4通道高速同步A/D转换电路(105)的数据输出端及程序/数据存储器(106)的数据端分别通过数据总线与数字信号处理器DSP(101)的数据端连接，程序/数据存储器(106)的地址端及端口译码控制逻辑电路(107)的输入端分别通过地址总线与数字信号处理器DSP(101)的地址端连接，端口译码控制逻辑电路(107)的5个控制信号输出端分别与4通道应变调理电路(102)的四个控制信号输入端及程序/数据存储器(106)的控制信号输入端连接，数字信号处理器DSP(101)上的I²C总线与4通道应变调理电路(102)上的数据端连接，第一4通道高速同步A/D转换电路(104)的控制信号输入端、第二4通道高速同步A/D转换电路(105)的控制信号输入端、程序/数据存储器(106)的控制信号输入端、4通道振动信号调理电路(103)的控制信号输入端及4通道应变调理电路(102)控制信号输入端分别通过控制总线与数字信号处理器DSP(101)的控制信号端连接，所述的4通道应变调理电路(102)的信号输出端与第一4通道高速同步A/D转换电路(104)的信号输入端连接，所述的4通道振动信号调理电路(103)的信号输出端与第二4通道高速同步A/D转换电路(105)的信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的风电机组在线数据采集与分析装置，其特征在于，所述的数字信号处理器DSP(101)用于控制安装于风电机组传动机构的振动加速度信号与安装于回转机构及塔架位置的应变信号的同步采集，并对采样得到的应变或振动离散序列{x₁，...，x_k，...，x_N}，N为一次采样长度，k为区间[1，N]上的正整数，进行时域、频域的特征参数提取，包括峰峰值、有效值、倍频幅值与相位、分频幅值与相位、峭度，获取风力发电机组机械运行状态的动态变化过程。

3.根据权利要求1所述的风电机组在线数据采集与分析装置，其特征在于，所述的ARM主控模块(2)包括：ARM处理器(201)、程序/数据存储器(202)、安全数码卡接口电路(203)及网络接口(204)，ARM处理器(201)的数据端与程序/数据存储器(202)的数据端连接，ARM处理器(201)的控制信号端与安全数码卡接口电路(203)的控制信号端连接。

4.根据权利要求3所述的风电机组在线数据采集与分析装置，其特征在于，所述的ARM主控模块(2)用于通过RS485总线获取8通道信号同步采集电路(1)采集的原始振动/应变数据以及所提取的特征参数，将特征参数与预先设置的各通道报警阈值进行比较，判别风力发电机组机械运行状态，并根据用户设定的时间间隔保存将获得的数据保存至外部的安全数码卡。

Images