CN102607850B - 用于检测风力涡轮机中的异常的系统和方法 - Google Patents

用于检测风力涡轮机中的异常的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明名称为“用于检测风力涡轮机中的异常的系统和方法”。提供一种用于检测风力涡轮机中的异常的装置(135)。该装置包括：配置成从与第一风力涡轮机(100)关联的一个或多个传感器(120)接收在多个时间处的运行状态的传感器接口(220)、配置成从与第一风力涡轮机相似的风力涡轮机分组相关的一个或多个传感器接收在多个时间处的运行状态的通信接口(215)、与传感器接口和通信接口通信耦合并且配置成存储包括运行状态的一系列性能数据样本的存储器装置。处理器(205)与存储器装置通信耦合，并编程为比较第一风力涡轮机的性能数据样本与风力涡轮机分组的性能数据样本，当第一风力涡轮机的性能数据样本偏离风力涡轮机分组的性能数据样本超过预定量时产生传感器错误，并且显示性能数据样本的比较结果。

Description

用于检测风力涡轮机中的异常的系统和方法
技术领域
本文描述的主题大体涉及操作风力涡轮机，以及更具体地，涉及检测风力涡轮机中的异常。
背景技术
风力涡轮机利用传感器监测运行期间风力涡轮机性能和风力涡轮机组件。当风力涡轮机内的传感器出现故障或测量到运行状态超过预定极限时，产生出错消息或故障情况。通常，故障情况需要风力涡轮机停机，检查，并重启以清除故障情况。这种停机时间阻止风力涡轮机产生任何能量。因此，需要一种用于预测可能的故障情况的方法。
发明内容
在一个方面中，提供了一种用于检测风力涡轮机中的异常的方法。该方法包括：监测由第一风力涡轮机内至少一个传感器获得的数据，其中对该数据进行计算以生成对预定时间长度的值，监测由类似于第一风力涡轮机的风力涡轮机分组内的至少一个传感器获得的数据，其中监测的数据与第一风力涡轮机的监测的数据对应，并且对预定时间长度组合该监测的数据，以及将第一风力涡轮机的监测的数据和风力涡轮机分组的监测的数据进行比较。该方法还包括：当第一风力涡轮机的监测的数据偏离风力涡轮机分组的监测的数据超过预定量时生成传感器错误，并显示监测的数据的比较结果。
在另一方面中，提供一种用于检测风力涡轮机中的异常的装置。该装置包括：配置成从与第一风力涡轮机关联的一个或多个传感器接收在多个时间处的运行状态的传感器接口、配置成从关联到类似于第一风力涡轮机的风力涡轮机分组的一个或多个传感器接收在多个时间处的运行状态的通信接口、通信地耦合到传感器接口和通信接口并配置成存储包括运行状态的一系列性能数据样本的存储器装置、以及通信耦合到存储器装置的处理器。该处理器编程为将第一风力涡轮机的性能数据样本和风力涡轮机分组的性能数据样本比较，并且如果第一风力涡轮机的性能数据样本偏离风力涡轮机机分组的性能数据样本超过预定量则生成传感器错误，以及显示性能数据样本的比较结果。
在又一个方面中，提供具有在其上包含计算机可执行指令的一个或多个计算机可读存储介质。当被至少一个处理器执行时，这些计算机可执行指令使处理器监测由第一风力涡轮机内的至少一个传感器获得的数据，其中计算该数据以生成对预定时间长度的值，监测由类似于第一风力涡轮机的风力涡轮机分组内的至少一个传感器获得的数据，其中监测的数据与第一风力涡轮机的监测的数据相对应并且对预定时间长度组合该监测的数据，以及将第一风力涡轮机的监测的数据和风力涡轮机分组的监测的数据进行比较。
附图说明
图1是示例性风力涡轮机的透视图。
图2是表示用于图1所示的风力涡轮机的示例性风力涡轮机控制器的框图。
图3是表示示例性计算装置的框图。
图4是表示用于检测一个或多个风力涡轮机(例如图1所示的风力涡轮机)内的异常的示例性计算系统的框图。
图5是表示风力涡轮机(如图1所示的风力涡轮机)的相对于风速的功率输出的图表。
图6是用于检测在风力涡轮机(如图1所示的风力涡轮机)之内的异常的示例性方法的流程图。
图7是提供图6所示的显示结果的图形表示的示例性用户界面。
具体实施方式
本文描述的实施例有助于检测风力涡轮机运行状态中的异常。图1是示例性风力涡轮机100的透视图。风力涡轮机100包括容纳发电机(在图1中未示出)的机舱102。机舱102安装在塔架104(在图1中仅示出了塔架104的一部分)上。塔架104可以具有有助于本文描述的风力涡轮机100运行的任何合适的高度。在示范实施例中，风力涡轮机100还包括转子106，该转子106包括耦合到旋转轮彀110的三个旋转叶片108。备选地，风力涡轮机100可以包括能使如本文描述的风力涡轮机100运转的任意数量的转子叶片108。在一示例性实施例中，风力涡轮机100包括旋转地耦合到转子106和发电机的齿轮箱(未示出)。
在一些实施例，风力涡轮机100包括一个或多个传感器120和/或控制装置135(在图2中示出)。传感器120感测或者检测风力涡轮机的运行状态。例如，传感器(一个或多个)120可以包括风速和/或方向传感器(例如，风速计)、环境空气温度传感器、空气密度传感器、大气压力传感器、湿度传感器、功率输出传感器、叶片螺距角(pitch angle)传感器、涡轮机转子速度传感器、组件温度传感器、塔架加速度传感器和/或适用于风力涡轮机100的任何传感器。将每一个传感器120根据其功能来定位。例如，风速计可能定位在机舱102的外表面上，以便风速计暴露于风力涡轮机100周围的空气中。每个传感器120生成和传送与检测到的运行状态相对应的一个或多个信号。例如，风速计传送指示风速和/或风向的信号。而且，例如，每个传感器120可以连续不断地或者周期性地传送信号，或者仅仅传送一次信号，然而其它信号定时也是可以设想的。
控制装置135配置成控制风力涡轮机100的运行，并且可以包括，但不限于，制动器、继电器、电动机、螺线管和/或伺服机构。控制装置135可以调整风力涡轮机100的物理配置，诸如转子叶片108的角度或螺距和/或机舱102或转子106相对于塔架104的方向。
图2是表示用于风力涡轮机100的示例性风力涡轮机控制器200的框图。风力涡轮机控制器200包括用于执行指令的处理器205和配置成存储数据(如计算机可执行指令和运行状态)的存储器装置210。
风力涡轮机控制器200还包括通信接口215。通信接口215配置成与一个或多个远程设备(如另一个风力涡轮机控制器200和/或计算装置(图3所示))以信号通信方式耦合。在一个实施例中，通信接口215配置成接收在多个时间处的来自于至少一个风力涡轮机控制器200的一个或多个信号。在备选实施例中，通信接口215配置成接收在多个时间处的来自于多个风力涡轮机100和/或风力涡轮机控制器200的多个信号。
在一些实施例中，风力涡轮机控制器200包括一个或多个传感器接口220。传感器接口220配置成通信耦合到一个或多个传感器120，如第一传感器125和第二传感器130，并且可以配置成在多个时间处从每个传感器120接收一个或多个信号。传感器接口220有助于监测和/或操作风力涡轮机100。例如，风力涡轮机控制器200可以基于传感器120提供的信号来监测风力涡轮机100的运行状态(例如，风速、风向、转子转速和/或功率输出)。存储器装置210可以配置成存储运行状态。例如，可以将运行状态历史存储在存储器装置210中。
在一些实施例中，风力涡轮机控制器200还包括控制接口225，控制接口225配置成通信耦合到一个或多个控制装置135，如第一控制装置140和第二控制装置145。在一个实施例中，风力涡轮机控制接口225配置成操作包括制动器的控制装置135以阻止转子106(在图1中示出)旋转。另外，或者作为备选，风力涡轮机控制接口225可以操作包括叶片螺距伺服机构的控制装置135以将一个或多个转子叶片108(在图1中示出)调整到期望的和/或预定的螺距。制动器和叶片螺距伺服机构可以被同一个控制装置135或者被第一控制装置135和第二控制装置135操作。
在一些实施例中，风力涡轮机控制器200配置成操作控制装置135以实现期望的噪声水平和/或期望的功率输出。例如，可以通过调整叶片螺距角使风力涡轮机100运行在缩减状态以减少功率输出。
图3是表示示例性计算装置300的框图。计算装置300包括用于执行指令的处理器305。在一些实施例中，可执行指令存储在存储器装置310中。存储器装置310是使信息(如可执行指令和/或其它数据)得以存储和检索的任何装置。
在一些实施例中，计算装置300包括用于向用户320呈递信息的至少一个呈递装置315。呈递装置315可以是能够向用户320输送信息的任何组件。呈递装置315可以包括，但不限于，显示器(例如，液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)显示器或“电子墨水”显示器)和/或音频输出装置(例如，扬声器或耳机)。在一些实施例中，呈递装置315包括输出适配器，如视频适配器和/或音频适配器。输出适配器操作上耦合到处理器305并且配置成操作上耦合到输出装置，如显示装置或音频输出装置。在一些实施例中，呈递装置315配置成向用户320呈递风力涡轮机信息，如一个或多个风力涡轮机100(图1中示出)的可能和/或实际功率输出。
在一些实施例中，计算装置300包括用于从用户320接收输入的输入装置325。输入装置325可以包括，例如，键盘、指示装置、鼠标、指示笔、触摸感应板(例如，触摸板或触摸屏)、陀螺仪、加速度计、位置检测器和/或音频输入装置。单独的组件(如，触摸屏)可以既作为呈递装置315的输出装置又作为输入装置325。计算装置300还包括通信接口330，该通信接口330配置成通信耦合到一个或多风力涡轮机控制器200和/或一个或多个其它的计算装置300。
存储在存储器装置310中的是，例如用于检测风力涡轮机中的异常、通过呈递装置315向用户320提供用户界面和/或接收和处理输入装置325的输入的计算机可读指令。另外，或作为备选，存储器装置310可以被配置成存储运行状态、功率输出测量、性能数据样本、和/或适用于本文描述的方法的任何其它数据。
图4是表示用于确定一个或多个风力涡轮机100的可能的功率输出的示例性计算系统400的框图。系统400包括网络405。例如网络405可以包括，但不限于，因特网、局域网(LAN)、广域网(WAN)、无线局域网(WLAN)、网状(mesh)网络和/或虚拟专用网(VPN)。
在一示例性实施例中，风力涡轮机站点410包括多个风力涡轮机100，其中的每一个包括风力涡轮机控制器200。一个或多个计算装置300(在图3中示出)(如站点监视器415)配置成通过网络405与风力涡轮机控制器200以信号通信方式耦合。
在示例性实施例中，站点监视器415位于风力涡轮机站410。作为备选，站点监视器415可以位于风力涡轮机站点410的外面。例如，站点监视器415可以通信耦合到多个风力涡轮机站点410处的风力涡轮机控制器200并且可以与其进行交互。
每一个站点监视器415和风力涡轮机控制器200包括处理器，(图2和图3中示出)。处理器可以包括处理单元，诸如，但不限于，集成电路(IC)、专用集成电路(ASIC)、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)和/或任何其它可编程电路。处理器可以包括多个处理单元(例如，多核配置)。每一个站点监视器415和风力涡轮机控制器200可配置成通过编程相应的处理器来执行本文描述的操作。例如，处理器可以通过将操作编码为一个或多个可执行指令并在耦合到处理器的存储器装置(也如图2和3所示)中将这些可执行指令提供给处理器来进行编程。存储器装置可以包括，但不限于，一个或多个随机存取存储器(RAM)装置、一个或多个存储装置和/或一个或多个计算机可读介质。
在一些实施例中，一个或多个运行状态传感器420(例如，通过网络405)通信耦合到站点监视器415和/或风力涡轮机控制器200。运行状态传感器420配置成指示运行状态，如对应地理位置处的气象状况。例如，运行状态传感器420可配置成指示风速和/或风向。运行状态传感器420可以与风力涡轮机100分开布置以便于减少风力涡轮机100对运行状态传感器420所指示的运行状态的干扰。例如，风力涡轮机100可能影响风力涡轮机100附近的气流，从而影响风速。另外，或者作为备选，可以假设风力涡轮机100对被测的运行状态的干扰是相对恒定的，从而该干扰不会对本文描述的方法产生不利影响。
图5是表示风力涡轮机相对于风速的功率输出的图表。图6是用于检测风力涡轮机100的异常的示例性方法600的流程图。
曲线图500表示风力涡轮机相对于风速的功率输出。数据点502代表示例性风力涡轮机100的性能数据的样本。数据点504代表当风力涡轮机100处于合适配置时的典型性能数据。数据点506代表典型性能数据的非正常值或异常值。在一个实施例中，叶片偏移导致数据点506偏离典型的性能数据绘线。
方法600有助于风力涡轮机100的异常506的检测。参考图4和6，在一示例性实施例中，方法600由站点监视器415和/或风力涡轮机控制器200执行。在该示例性实施例中，监测602来自第一风力涡轮机100的传感器120的所有数据。在示例性实施例中，风力涡轮机控制器200获得一系列的性能数据样本。每个性能数据样本包括运行状态(例如，测量的风速，以米/秒为单位)和功率输出(例如，以千瓦为单位)。
在一个实施例中，在1秒到1天这个范围内进行性能数据样本的采集，并且基于性能数据样本计算一个值。在该示例性实施例中，计算给定时间段内的平均值。作为备选，可以对性能数据的样本执行任何计算以得到能使本发明起到如本文描述的功能的值，包括，但不限于，计算中值、计算平均值、以及计算众数(mode)值。在备选实施例中，性能数据的样本是实时获得的。作为备选，性能数据的样本可以在使本发明公开起到本文所述功能的任何时间周期内进行采集。在该示例性实施例中，性能数据样本以10分钟间隔采集并且将其测量为10分钟期间的平均值。在一个实施例中，将运行状态和功率输出与传感器120指示该值所在的时间关联。
与第一风力涡轮机100一样，监测604来自相似的风力涡轮机分组上的传感器120的所有数据以获得性能数据样本。在示例性实施例中，该分组包括至少两个风力涡轮机。在备选实施例中，该分组包括一个相似的风力涡轮机。可以基于具有相同的型号标记和/或相似的或者相同的组件、设置在相同的风力涡轮机站点410、位于具有相似地理特征的位置和/或于同一年安装，将多个风力涡轮机100视为相似的。例如，位于一个大陆上的山谷内的风力涡轮机可以确定为与位于不同大陆上的山谷内的风力涡轮机相似。作为备选，风力涡轮机100可以基于有助于如本文描述的异常检测的任何准则而视为相似的。
在该示例性实施例中，将来自相似风力涡轮机分组的性能数据样本组合并且计算606期望值以得到该分组的一个性能数据样本。在该示例性实施例中，通过对性能数据样本求平均来计算606该期望值。作为备选，计算606该期望值可以以使本发明公开能够起到本文描述的功能的任何方式进行，包括但不限于，计算中位数、计算众数以及计算平均数。
在该示例性实施例中，将来自第一风力涡轮机100的性能数据与计算606得到的相似风力涡轮机100分组的期望值进行比较608。在该示例性实施例中，站点监视器415和/或风力涡轮机控制器200对性能数据进行比较608以识别统计非正常值。当第一风力涡轮机100的性能数据偏离计算606得到的相似风力涡轮机100分组的期望值超过预定量时，非正常值被确定。该预定量可以包括计算任意形式的偏差，包括绝对偏差(例如5°或者50rpm)，相对偏差(例如，+/-5％)，和/或标准偏差(例如，1、2或者3)。在该示例性实施例中，该预定量是2两倍标准偏差。
如果比较608发现第一风力涡轮机的性能数据偏离相似风力涡轮机分组超过该预定量，则定义610每个传感器的合理的范围，以便于风力涡轮机控制器200能够滤波612性能数据样本值。在一个实施例中，定义610合理范围以通过报告的数据识别有缺陷的传感器(例如，低于0米/秒的风速)。在一个实施例中，从获得的性能数据样本中滤波612不合理的数值，并且产生传感器错误通知614。在该示例性实施中，如果性能数据样本在定义610的合理范围外，则产生616有缺陷的传感器通知。
无论产生传感器错误通知614还是产生有缺陷的传感器通知616，均对通知614和616指配严重程度618(例如，1、2和3)。在一个实施例中，指配的618严重程度与所产生的通知614和616的危险程度对应。例如，指配的618严重程度为1可要求风力涡轮机100停机检查，而当指配的618严重程度为2可代表在例行维护时需要检查性能不佳的传感器。在该示例性实施例中，在对产生614和616的通知指配618严重程度之后，显示620结果。在一个实施例中，在图表中显示620结果，其显示第一风力涡轮机100的性能数据相对于相似风力涡轮机100分组的性能数据。作为备选，该结果显示620在电子数据表中。
图7是提供风力涡轮机100的显示620结果的图形表示的示例性用户界面700。如图7所示，显示所产生的614和616通知。例如，用户界面700可以被用户计算机装置300和/或呈递装置315所显示。用户界面700包括涡轮机地区名称702、涡轮机名称704以及传感器名称706。此外，指配618的严重程度708，以及产生616的有缺陷的传感器通知710被显示。这样的实施例有助于快速比较不正常值。
本文提供的实施例有助于检测风力涡轮机内的异常。风力涡轮机控制系统的示例性实施例在上面做了详细描述。该系统、装置、风力涡轮机以及所包括的附件不局限于本文描述的具体实施例，而更确切地，每一个组件还可以独立于或者分离于本文描述的其它组件来使用。
本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，以及还使本领域技术人员能实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统及执行任何结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求确定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求字面语言无不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求字面语言无实质不同的等效结构要素，则它们规定为在权利要求的范围之内。
用于检测风力涡轮机中的异常的系统和方法部件表
100 风力涡轮机
102 机舱
104 塔架
106 转子
108 转子叶片
110 旋转轮彀
120 传感器
125 第一传感器
130 第二传感器
135 控制装置
140 第一控制装置
145 第二控制装置
200 风力涡轮机控制器
205 处理器
210 存储器装置
215 通信接口
220 传感器接口
225 控制接口
300 计算装置
305 处理器
310 存储器装置
315 呈递装置
320 用户
325 输入装置
330 通信接口
400 系统
405 网络
410 风力涡轮机站点
415 站点监视器
420 运行状态传感器
500 图表
502 数据点
504 数据点
506 数据点
600 方法
602 监测第一风力涡轮机
604 监测风力涡轮机分组
606 计算传感器的期望值
608 第一风力涡轮机的数据偏离分组的期望值超过预定量？
610 为每一个传感器定义合理的范围
612 在合理范围内的数据？
614 产生传感器错误通知
616 产生有缺陷的传感器通知
618 指配严重程度
620 显示结果
700 用户接口
702 涡轮机地区名称
704 涡轮机名称
706 传感器名称
708 严重程度
710 有缺陷的传感器通知

Claims (10)

1.一种用于检测风力涡轮机中的异常的装置(135)，所述装置包括：
传感器接口(220)，其配置成从与第一风力涡轮机(100)关联的一个或多个传感器(120)接收所述第一风力涡轮机(100)在多个时间处的运行状态；
通信接口(215)，其配置成从与所述第一风力涡轮机相似的风力涡轮机分组关联的一个或多个传感器接收所述风力涡轮机分组在多个时间处的运行状态；
存储器装置，其与所述传感器接口和所述通信接口通信耦合并配置成存储包括风力涡轮机运行状态的一系列性能数据样本；以及，
处理器(205)，其与所述存储器装置通信耦合并编程为：
比较所述第一风力涡轮机的性能数据样本和所述风力涡轮机分组的性能数据样本；
如果所述第一风力涡轮机的性能数据样本偏离所述风力涡轮机分组的性能数据样本超过预定量，则产生传感器错误；以及，
显示所述性能数据样本的比较结果。
2.根据权利要求1所述的装置(135)，其中，所述处理器(205)进一步编程为对所产生的传感器错误指配严重程度。
3.根据权利要求2所述的装置(135)，其中，所述处理器(205)进一步编程为对所述至少一个传感器(120)中的每一个定义合理的数据范围。
4.根据权利要求3所述的装置(135)，其中，所述处理器(205)进一步编程为确定所述第一风力涡轮机(100)的性能数据样本是否在所定义的合理范围内。
5.根据权利要求1所述的装置(135)，其中，配置成从与所述第一风力涡轮机相似的风力涡轮机分组关联的一个或多个传感器(120)接收所述风力涡轮机分组在多个时间处的运行状态的所述通信接口(215)进一步配置成从与位于所述第一风力涡轮机相似地理位置的风力涡轮机分组、与所述第一风力涡轮机同一年安装的风力涡轮机分组、以及与所述第一风力涡轮机相同型号的风力涡轮机分组关联的一个或多个传感器接收与位于所述第一风力涡轮机相似地理位置的所述风力涡轮机分组、与所述第一风力涡轮机同一年安装的所述风力涡轮机分组、以及与所述第一风力涡轮机相同型号的所述风力涡轮机分组在多个时间处的运行状态。
6.根据权利要求1所述的装置(135)，其中，所述处理器(205)进一步编程为：
确定与所述第一风力涡轮机(100)具有相似特性的风力涡轮机；以及，
指示确定具有相似特性的所述风力涡轮机应该包含在与所述第一风力涡轮机相似的所述风力涡轮机分组中。
7.根据权利要求1所述的装置(135)，其中，配置成从与所述第一风力涡轮机(100)相似的风力涡轮机分组关联的一个或多个传感器(120)接收所述风力涡轮机分组在多个时间处的运行状态的所述通信接口(215)包括配置成从与所述第一风力涡轮机相似的风力涡轮机分组关联的相应风力涡轮机内的一个或多个传感器接收与所述第一风力涡轮机相似的风力涡轮机分组关联的所述相应风力涡轮机在多个时间处的运行状态的通信接口。
8.一种用于检测风力涡轮机中的异常的方法，包括：
监测由第一风力涡轮机(100)内的至少一个传感器(120)获得的并且与所述第一风力涡轮机(100)的运行状态相关的数据，其中计算所述数据以产生对预定时间长度的值；
监测由与所述第一风力涡轮机类似的风力涡轮机分组内的至少一个传感器获得的与所述风力涡轮机分组的运行状态相关的数据，其中所监测的数据与所述第一风力涡轮机的监测的数据相对应并且对预定时间长度将其组合；以及，
比较所述第一风力涡轮机的监测的数据和所述风力涡轮机分组的监测的数据。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：如果所述第一风力涡轮机的监测的数据偏离所述风力涡轮机分组的监测的数据超过两倍标准偏差，则产生传感器错误。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：对所产生的传感器错误指配严重程度。
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