CN102840979A - 一种风电机组传动链故障检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电机组传动链故障检测方法及装置，通过对传动链运行的声音信号进行声谱分析来检测故障，包括：小波频谱变换模块，对声音采集电路采集到的传动链的运行声音信号进小波变换，获得传动链运行的实时声音频谱；频谱对比分析模块,将小波变换得到的传动链运行的实时声音频谱信息与正常传动链运行的声音频谱信息进行对比，从而判断传动链是否存在故障，正常传动链运行的声音频谱信息来源为：传动链正常运行时的声音信号经小波变换得到的存储信息；逻辑控制模块，根据故障检测结果，进行故障信息输出。本发明基于声音频谱分析，能够对传动链故障发生的过程进行检测并提前预报，从而提高风电机组运行性能，消除相关的安全隐患。

Description

一种风电机组传动链故障检测方法及装置

技术领域

本发明涉及风电机组故障检测领域，具体地，涉及一种风电机组传动链故障检测方法及装置。

背景技术

近年来随着风力发电不断地发展，风电场装机容量逐年上升，风力发电所占的比例越来越大，已逐渐成为了一种常规能源。随着风电机组装机容量的不断提高，行业对风电机组的性能要求也越来越高。在风电机组中，传动链作为核心部件之一，包含了风电机组叶片轮毂、齿轮箱、发电机、轴承、刹车系统等诸多子部件。传动链的安全、平稳、高效运行，是风电机组安全、平稳、高效运行的前提和基础。因此，对于传动传动链的故障检测显得尤为重要。

传动链作为旋转系统，其常见故障主要包括：刹车系统磨损或者损坏、各轴承的磨损、齿轮箱的齿面磨损等，或者由于润滑油补充不及时等原因，造成各子系统磨损加剧。在现有的维护检修模式下，一般都是现场维护人员定期的对风电机组进行检查，如果发现传动链某些环节存在问题，再对其进行维护、维修或者更换。同时，对于刹车系统的刹车片等部件，一般也具有磨损监测的传感器，但此类传感器基本都是数字信号触发，也就是说要等刹车片磨损到一定程度之后才能报警。不管是认为定期巡检，还是靠传感器进行监测，都只能对故障的结果进行被动判断，从而错过了故障排除的有利时机，降低了风电机组的运行性能，使机组存在一定的安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种风电机组传动链故障检测的方法和装置，能够对传动链故障发生的过程进行检测并提前预报，从而提高风电机组运行性能，消除相关的安全隐患。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种风电机组传动链故障检测方法，通过对传动链运行的声音信号进行声谱分析来检测故障。

进一步地，包括：

步骤A，对声音采集电路采集到的声音传感器所获得的传动链的运行声音信号进小波变换，获得传动链运行的实时声音频谱；

步骤B，将小波变换得到的传动链运行的实时声音频谱信息与正常传动链运行的声音频谱信息进行对比，从而判断传动链是否存在故障，所述正常传动链运行的声音频谱信息来源为：传动链正常运行时的声音信号经小波变换得到的存储信息；

步骤C，根据故障检测结果，进行故障信息输出。

进一步地，所述步骤A中，声音采集电路采集声音传感器所获得的传动链的运行声音信号并进行滤波和数字化处理后得到所述小波变换用的声音信号。

进一步地，当风电机组运行一段时间之后，所述步骤B中，正常传动链运行的声音频谱信息的来源需重新校正，校正后的来源为：风电机组运行一段时间之后的传动链正常运行时的声音信号再经小波变换得到的存储信息。

进一步地，所述步骤C中，在进行故障信息输出前，先进行逻辑判断：经声音频谱信息进行对比，如果连续N个周期都检测到传动链故障时，则将故障信息进行报警输出，所述N为初次检测前根据先验知识设定的周期数。

一种风电机组传动链故障检测装置，包括：

小波频谱变换模块，对声音采集电路采集到的声音传感器所获得的传动链的运行声音信号进小波变换，获得传动链运行的实时声音频谱；

频谱对比分析模块,将小波变换得到的传动链运行的实时声音频谱信息与正常传动链运行的声音频谱信息进行对比，从而判断传动链是否存在故障，所述正常传动链运行的声音频谱信息来源为：传动链正常运行时的声音信号经小波变换得到的存储在正常频谱存储模块内的存储信息；

逻辑控制模块，根据故障检测结果，进行故障信息输出。

进一步地，所述逻辑控制模块，可用于控制将传动链正常运行时的声音信号经小波变换得到存储信息，作为正常传动链运行的声音频谱信息来源；且当风电机组运行一段时间之后，可对正常传动链运行的声音频谱信息的来源重新校正，校正后的来源为：风电机组运行一段时间之后的传动链正常运行时的声音信号再经小波变换得到的存储信息。

进一步地，所述逻辑控制模块，在进行故障信息输出前，可用于进行逻辑判断：经声音频谱信息进行对比，如果连续N个周期都检测到传动链故障时，则将故障信息进行报警输出，所述N为初次检测前根据先验知识设定的周期数。

一种风电机组传动链故障检测装置，包括设置于风电机组传动链旋转机构处的声音传感器、与声音传感器连接的声音采集电路、及与声音采集电路连接的单片机系统；所述单片机系统包括小波频谱变换模块、正常频谱存储模块、频谱对比分析模块及逻辑控制模块；其中，小波频谱变换模块与声音采集电路、正常频谱存储模块、频谱对比分析模块分别连接，频谱对比分析模块与正常频谱存储模块及逻辑控制模块分别连接，逻辑控制模块与正常频谱存储模块连接。

进一步地，所述声音采集电路包括与声音传感器连接的采集模块、与采集模块连接滤波模块、与滤波模块连接的数值化处理模块，所述数字化处理模块与单片机系统的小波频谱变换模块连接；所述传动链旋转机构包括叶片轮毂、齿轮箱、发电机、轴承及刹车片。

本发明通过采用以上技术方案，其具有以下有益效果：

（1）由于传动链基本都是旋转系统，对于旋转系统而言，当故障开始发生时，系统所发出的声音频谱会发生变化，从而为故障检测提供了判断的依据。因此，本发明通过对传动链的声音频谱进行分析，从而在其子部件刚开始发生问题而风电机组还未报出故障时，提前进行故障报警。通过提前报警，可以对系统进行及时维护，而无需等到系统损坏报警时，才对部件进行更换，从而进一步提高风电机组的可利用率，解决了风电机组传动链故障自动检测的问题。另外，采用声音采集的非接触方式，无需对风力发电系统进行任何改造。

（2）采用小波变换对声音频谱进行，提高了故障判断的准确性。

（3）在风力发电机组运行一段时间后，定期对风电机组传动链正常运行频谱的校正，进一步提高了故障检测的准确率。

（4）本发明实现较为容易，且成本较低，利于推广。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的风电机组传动链故障检测装置框图；

图2为小波变换示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本发明的一种风电机组传动链故障检测方法，主要流程如下：

（1）小波频谱变换:

（a）其声音信号来源为：声音采集电路通过声音传感器对传动链运行的声音进行采集，然后对声音进行滤波处理，最后将声音模拟信号进行数字化处理，得到声音信号f(t)。

(b)具体方法为：对声音信号f(t)进行小波变换得到频谱信息。根据小波变换的定义，令尺度为a，位移为b，则小波变换为：

${\mathrm{\ψ}}_{a,b}\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{a}}\mathrm{\ψ}\left(\frac{x-b}{a}\right)---\left(1\right)$

为方便计算机运算，根据离散化定义，令ψ(t)∈L²(R)，a₀>1，j,k

则可得声音信号f(t)的离散小波变换为：

W_f(j，k)＝〈f(t)，ψ_j,k(t)〉    (2)

因此，参见图2的小波变换示意图，对实时采集的声音信号f(t)进行小波变换，可得实时频谱信号为W_f={W_f，1,k,W_f，2,k，…W_f，N,k}。

（2）正常频谱存储：

先进行装置初始化，初始化的过程即在逻辑控制模块的控制下，通过声音采集以及小波频谱变换，记录风电机组传动链正常运行时的频谱信息，并进行存储，记为W₀={W_0，1,k,W_0，2,k，…W_0，M,k}，用于后续故障检测时的频谱对比分析使用。为了能够更为全面的反应机组的运行情况，正常频谱存储时应尽量采集机组在各种功率条件下的频谱信号，以便包含机组正常运行时的各种声音频谱。换言之，上述W₀中分量维数M应该比W_f中的分量维数N大，即M>N。

当风力发电机组运行一段时间之后，考虑到机组性能的变化，可以对正常频谱存储的环节进行再次操作、校正，提高故障报警的准确率。但此操作需要在现场维护人员对传动链进行仔细检查，确认没有故障隐患之后才能进行。

（3）频谱对比分析：

进行故障检测时，对小波频谱变换模块实时解算出的声音频谱信息W_f与正常频谱存储模块存储的频谱信息W₀进行对比分析。如果对于W_f中的任意分量W_f，j,k，都有W_f，j,k∈W₀，则认为风电机组传动链没有故障；反之，如果对于W_f中的某一个分量W_f，j,k，使得W_f，j,k∈W₀不成立，则认为风电机组传动链存在故障。

（4）逻辑控制及故障输出：

逻辑控制模块完成整个单片机系统工作时的逻辑以及流程的控制，同时，根据处理结果，向风电机组输出故障信息，从而实现风电机组的传动链故障的自动检测和报警输出。较佳的，为了防止故障信息误报，在逻辑控制模块中进行了报警逻辑的设置，即当频谱对比分析模块连续N个周期都检测到传动链故障时，逻辑控制模块才进行故障报警输出，其中N为初次检测前根据先验知识设定的周期数。

实施例2

参见图1，本发明的一种风电机组传动链故障检测装置，按功能模块形式，包括：

小波频谱变换模块，对声音采集电路采集到的声音传感器所获得的传动链的运行声音信号进小波变换，获得传动链运行的实时声音频谱；

频谱对比分析模块,将小波变换得到的传动链运行的实时声音频谱信息与正常传动链运行的声音频谱信息进行对比，从而判断传动链是否存在故障，所述正常传动链运行的声音频谱信息来源为：传动链正常运行时的声音信号经小波变换得到的存储在正常频谱存储模块内的存储信息；

逻辑控制模块，可进行逻辑控制及根据故障检测结果，进行故障信息输出。其中逻辑控制包括：控制将传动链正常运行时的声音信号经小波变换得到存储信息，作为正常传动链运行的声音频谱信息来源；且当风电机组运行一段时间之后，可对正常传动链运行的声音频谱信息的来源重新校正，校正后的来源为：风电机组运行一段时间之后的传动链正常运行时的声音信号再经小波变换得到的存储信息；且逻辑控制模块，在进行故障信息输出前，可用于进行逻辑判断：经声音频谱信息进行对比，如果连续N个周期都检测到传动链故障时，则将故障信息进行报警输出，所述N为初次检测前根据先验知识设定的周期数。

实施例3

参见图1，本发明的一种风电机组传动链故障检测装置，按实体形式，包括：

设置于风电机组传动链旋转机构处的声音传感器、与声音传感器连接的声音采集电路、及与声音采集电路连接的单片机系统；所述单片机系统包括小波频谱变换模块、正常频谱存储模块、频谱对比分析模块及逻辑控制模块；其中，小波频谱变换模块与声音采集电路、正常频谱存储模块、频谱对比分析模块分别连接，频谱对比分析模块与正常频谱存储模块及逻辑控制模块分别连接，逻辑控制模块与正常频谱存储模块连接。

在本实施例中，声音采集电路包括与声音传感器连接的采集模块、与采集模块连接滤波模块、与滤波模块连接的数值化处理模块，所述数字化处理模块与单片机系统的小波频谱变换模块连接。

在本实施例中，传动链旋转机构包括叶片轮毂、齿轮、轴承及刹车片。

本发明采用上述方法和装置，通过声音采集、小波变换、频谱分析等，实现风电机组传动链故障的自动检测和报警输出，消除风电机组相关的安全隐患，成本较低，易于实现和推广。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风电机组传动链故障检测方法，其特征在于，通过对传动链运行的声音信号进行声谱分析来检测故障。

2.根据权利要求1所述的风电机组传动链故障检测方法，其特征在于，包括：

步骤A，对声音采集电路采集到的声音传感器所获得的传动链的运行声音信号进小波变换，获得传动链运行的实时声音频谱；

步骤B，将小波变换得到的传动链运行的实时声音频谱信息与正常传动链运行的声音频谱信息进行对比，从而判断传动链是否存在故障，所述正常传动链运行的声音频谱信息来源为：传动链正常运行时的声音信号经小波变换得到的存储信息；

步骤C，根据故障检测结果，进行故障信息输出。

3.根据权利要求2所述的风电机组传动链故障检测方法，其特征在于，所述步骤A中，声音采集电路采集声音传感器所获得的传动链的运行声音信号并进行滤波和数字化处理后得到所述小波变换用的声音信号。

4.根据权利要求2或3所述的风电机组传动链故障检测方法，其特征在于，当风电机组运行一段时间之后，所述步骤B中，正常传动链运行的声音频谱信息的来源需重新校正，校正后的来源为：风电机组运行一段时间之后的传动链正常运行时的声音信号再经小波变换得到的存储信息。

5.根据权利要求2或3所述的风电机组传动链故障检测方法，其特征在于，所述步骤C中，在进行故障信息输出前，先进行逻辑判断：经声音频谱信息进行对比，如果连续N个周期都检测到传动链故障时，则将故障信息进行报警输出，所述N为初次检测前根据先验知识设定的周期数。

6.一种风电机组传动链故障检测装置，其特征在于，包括：

小波频谱变换模块，对声音采集电路采集到的声音传感器所获得的传动链的运行声音信号进小波变换，获得传动链运行的实时声音频谱；

频谱对比分析模块,将小波变换得到的传动链运行的实时声音频谱信息与正常传动链运行的声音频谱信息进行对比，从而判断传动链是否存在故障，所述正常传动链运行的声音频谱信息来源为：传动链正常运行时的声音信号经小波变换得到的存储在正常频谱存储模块内的存储信息；

逻辑控制模块，根据故障检测结果，进行故障信息输出。

7.根据权利要求6所述的风电机组传动链故障检测装置，其特征在于，所述逻辑控制模块，可用于控制将传动链正常运行时的声音信号经小波变换得到存储信息，作为正常传动链运行的声音频谱信息来源；且当风电机组运行一段时间之后，可对正常传动链运行的声音频谱信息的来源重新校正，校正后的来源为：风电机组运行一段时间之后的传动链正常运行时的声音信号再经小波变换得到的存储信息。

8.根据权利要求6或7所述的风电机组传动链故障检测装置，其特征在于，所述逻辑控制模块，在进行故障信息输出前，可用于进行逻辑判断：经声音频谱信息进行对比，如果连续N个周期都检测到传动链故障时，则将故障信息进行报警输出，所述N为初次检测前根据先验知识设定的周期数。

9.一种风电机组传动链故障检测装置，其特征在于，包括设置于风电机组传动链旋转机构处的声音传感器、与声音传感器连接的声音采集电路、及与声音采集电路连接的单片机系统；

所述单片机系统包括小波频谱变换模块、正常频谱存储模块、频谱对比分析模块及逻辑控制模块；其中，小波频谱变换模块与声音采集电路、正常频谱存储模块、频谱对比分析模块分别连接，频谱对比分析模块与正常频谱存储模块及逻辑控制模块分别连接，逻辑控制模块与正常频谱存储模块连接。

10.根据权利要求9所述的风电机组传动链故障检测装置，其特征在于，所述声音采集电路包括与声音传感器连接的采集模块、与采集模块连接滤波模块、与滤波模块连接的数值化处理模块，所述数字化处理模块与单片机系统的小波频谱变换模块连接；

所述传动链旋转机构包括叶片轮毂、齿轮箱、发电机、轴承及刹车片。

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