CN103742358B - 一种复合式风力发电机组状态监控系统 - Google Patents

Abstract

一种复合式风力发电机组状态监控系统，所述一种复合式风力发电机组状态监控系统由下至上分为位于风电机组中的传感器网络层、位于机舱内部的前端数据处理层、位于风电场中控室的后端数据处理层以及位于远程监控中心的远程数据通信层四级。所述一种复合式风力发电机组状态监控系统充分满足风力发电系统典型分布式装机需求，基于风力发电机组本地信息处理，有效克服了上位监控系统数据处理器性能以及通讯网络带宽的瓶颈限制，进一步丰富了传感器接入类型和接入数量，实现风力发电机组全息化状态监控，从整体大幅度提升状态监控效率，确保风电场健康稳定运行。

Description

一种复合式风力发电机组状态监控系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及复合式风力发电机组状态监控系统技术领域。

背景技术

风力发电单位发电成本已经基本接近火电发电成本，是目前所有可再生能源中最具商业价值，最具推广现实的能源种类。在目前风力发电机组机械故障中，传动系统机械故障是故障率最高因素之一，特别是针对双馈异步风力发电机组传动系统的故障已严重影响到风电场运营经济效益，一些早期运行的风电场已出现大批量的齿轮箱及机械传动系统故障。目前我国风电场运营保障水平十分低下，几乎所有的风电场都采用基于故障的维护方式，维护成本居高不下，维护资源利用率严重不足。同时由于针对机组故障特别是机械故障目前通常采用的都是基于故障的维修方式，维护成本极高，同时运营维护资源利用率极低，迫切需要提高运营维护自动化水平。

在现有的机械状态监控方法中，振动信号监控是一种相对比较成熟除的监控技术，在国外已经广泛的应用在风电状态监控系统中；除机械振动信号以外，包括温度、压力、转速、视频、音频、应力、位移、油品质量等信号都可以反映风电机械系统不同环节的实时状态。

风力发电机组属于大型旋转机械设备，其旋转装置位于塔基的顶部，与传统大型旋转机械旋转装置位于地面有显著的区别；同时由于外部风速的随机性和波动性，其运行工况也复杂多变，常常出现突发性、偶然性、间歇性大系统多组件耦合性故障，而传统的大型旋转机械运行工况相对单一，故障多表现为传动系统疲劳损伤和老化性故障。因此，在进行风力发电状态评估及故障诊断时，需要结合风力发电机组运行原理、整机设计技术、整机控制技术等综合诊断，其故障特征也相对于传统的大型旋转机械典型故障特征更为复杂。

现有技术中，风力发电机组状态监控系统通常只监测机舱传动链关键点的振动信号，通过对监控的振动信号分析处理，实现传动系统运行状态评估，组件环节寿命预测，故障隐患挖掘等功能。现有风力发电机组状态监控系统实现技术方法主要存在以下问题：

1、无法实现实时状态监控：风力发电区别于传统的火电、水电，单机装机容量较小，是典型的分布式供能。对于在风电场内各台风力发电机组安装布置风电状态监控系统，需要在各台风力发电机组内分别构建传感器监测网络。现有风力发电机组状态监控系统技术采用上位监控系统统一数据处理架构，即各台风力发电机组直接将状态监控信息传输给上位监控系统集中数据处理，由于风电场内各台机组实时监控数据量庞大，受制于上位系统监控信息处理速度以及监控网络数据传输速度，现有风力发电机组状态监控系统集中数据处理架构体系不能有效的实现连续状态监控，难以实现对突发性、偶然性、间歇性故障信号的有效监控。

2、无法实现多类型信号接入：现有风电状态监控主要以机械振动监测为主，由于监控信息接入种类不全，不能实现风电机械设备全息化状态信息综合有效获取，对风电整机运行状态难以实现准确评估。在现有其它已知技术中，除了振动信息以外，包括安防、视频、音频、温度、压力、转速、载荷、应力、油品油质等信息均可以在一定程度上反映风电机组及相关核心组件运行状态，因此通过多类型信号接入，构建完善的传感器信号采集网络可进一步提升风电状态监控系统的有效性和实用性。

发明内容

一种复合式风力发电机组状态监控系统，既可以采集监控直接接触式传感器数据也可以采集监控非直接接触式监控信息，实现传动系统运行状态评估，组件环节寿命预测，故障隐患挖掘，其特征在于：由下至上分为位于风电机组中的传感器网络层a、位于机舱内部的前端数据处理层b、位于风电场中控室的后端数据处理层c以及位于远程监控中心的远程数据通信层d组成。

所述传感器网络层a采集风电机组不同类型的状态信息，同时接收前端数据处理层b发送的控制命令，相应的被控传感器及传感器监控网络依据前端数据处理层b发送的控制信息完成对应的控制动作及状态配置。

所述前端数据处理层b对所接收传感器网络层a的传感器监控信息进行处理后，通过工业现场总线将处理后信息发送至后端数据处理层c的后端处理器；同时前端数据处理层b也向传感器网络层a发送相关控制配置信息，并接收后端数据处理层c发送的控制信息。

所述前端数据处理层b由分布在各台风力发电机组机舱的前端处理器构成，前端处理器功能包括但不仅限于数据预处理功能、自检功能、突发故障处理功能、本地报警功能、逻辑控制功能以及数据双向通讯功能。

所述后端数据处理层c主要接收前端数据处理层b的机组监控信息，同时通过后端处理器发送对前端数据处理层b的控制信息，实现与前端数据处理层b的双向通讯；此外，后端数据处理层c还将后端处理器处理后的数据发送至远程数据通信层d，并接收远程数据通信层d发送的通讯访问及控制信号。

所述后端数据处理层c包括但不仅限于设置在风电场中控室的后端处理器、后端数据库及人机交互平台。

通过后端处理器实现功能包括但不仅限于机械故障智能诊断功能、基于实时监控信息变化趋势的优化维护维修功能、应急调度指挥功能。

所述远程数据通信层d接收所有位于不同风电现场的后端数据处理层c发送的风电场监控信息，同时通过远程服务器实现对后端数据处理层c的访问操作；远程数据通信层d包括但不仅限于设置在远程监控中心的远程服务器、远程数据库、专家咨询平台及客户服务平台。

本发明所述一种复合式风力发电机组状态监控系统是一种应用分布式计算、具有分层递阶架构体系的风电机组状态监控系统。该系统适用于风力发电系统分布式供能特点及全息化海量实时状态监控需求的多层级控制功能优化。所述一种复合式风力发电机组状态监控系统不仅限于风力发电机组状态监控，也可以广泛应用于其它分布式全状态信息综合获取的集中智能监控场合。

附图说明

图1为一种复合式风力发电机组状态监控系统示意图。

具体实施方式

本发明提供一种复合式风力发电机组状态监控系统，所述一种复合式风力发电机组状态监控系统由下至上分为位于风电机组中的传感器网络层a、位于机舱内部的前端数据处理层b、位于风电场中控室的后端数据处理层c以及位于远程监控中心的远程数据通信层d四级。

传感器网络层a主要通过分布在各台风力发电机组的传感器网络监控风电机组及其组件实时状态，并在传感器网络层a实现直接感知对象物理性状变量的直接状态监控网络和反映对象外观性状的视频状态监控网络复合构成。传感器网络层a传感器监控信息包括直接状态测量信息，包括但不仅限于振动、安防，温度、压力、转速、载荷、应力、油品油质信息等，和视频状态测量信息，包括但不仅限于视频、音频信息等，传感器网络层a将监控信息发送至前端数据处理层b。传感器网络层a同时接收前端数据处理层b发送的控制命令，相应的被控传感器及传感器监控网络依据前端数据处理层b发送的控制信息完成对应的控制动作及状态配置。

前端数据处理层b由分布在各台风力发电机组机舱的前端处理器构成，前端处理器功能包括但不仅限于F101数据预处理功能、F102自检功能、F103突发故障处理功能、F104本地报警功能、F105逻辑控制功能以及F106数据双向通讯功能。

前端处理器中F101数据预处理功能包括但不仅限于信号调理及数据滤波子功能、有效数据筛选子功能和数据压缩子功能。其中，信号调理及数据滤波子功能包括但不仅限于对传感器网络层a的监控信息依据实际需求进行必要的信号处理，使监控信息转化为符合系统需求的数字信息；有效数据筛选子功能包括但不仅限于根据机组实时运行参数及相关监控信息智能识别有效监控数据，对无效监控数据进行筛除；数据压缩处理子功能包括但不仅限于实现对向后端数据处理层c传输数据的有效智能压缩，提高数据传输效率及可靠性。

前端处理器中F102自检功能包括但不仅限于监控设备开机巡检子功能、监控设备定期巡检子功能、监控设备触发式巡检子功能、监控设备故障自诊断子功能、监控设备故障自恢复子功能。其中，开机巡检子功能是指在设备开机时检查前端处理器各组件模块状态；监控设备定期巡检子功能是指通过设置巡检周期定时对前端处理器各组件模块进行检查；监控设备触发式巡检子功能是指通过设置触发信号，当达到触发条件（如外部指令信息，逻辑触发等）自动对前端处理器各组件模块进行检查；监控设备故障自诊断子功能是指通过逻辑判断智能推理等方法依据巡检信息智能对前端处理器进行故障判断；监控设备故障自恢复子功能是指依据对前端处理器故障自诊断信息对可恢复故障调用预存的自动故障处理程序实现故障自愈。

前端处理器中F103突发故障处理功能包括但不仅限于突发故障识别子功能、突发故障数据本地存储子功能；其中，突发故障识别子功能是指根据监控信息以及相关机组状态信息智能识别突发性、偶然性、间歇性故障；突发故障数据本地存储子功能是指当判断发生突发故障时，对突发故障信息进行本地实时存储。

前端处理器中F104本地报警功能包括但不仅限于监控状态超阈值报警子功能、突发故障报警子功能、监控设备异常报警子功能。其中，监控状态超阈值报警子功能主要是指，前端处理器依据一次监控变量或经过简单数据处理的二次监控变量信息，对比设定的报警阈值对监控信息进行实时前端本地报警触发；突发故障报警子功能主要是指当前端处理器识别出短时性突发故障后对故障进行本地报警触发；监控设备异常报警子功能主要是指当前端处理器自检诊断判断出监控设备出现异常时进行的报警触发。

前端处理器中F105逻辑控制功能包括但不仅限于监控设备流程控制子功能、监控设备应急控制子功能、传感器网络层a监控设备控制子功能；其中，监控设备流程控制子功能主要是指在前端处理器实现正常数据采集监控时，其成套设备实现启动、运行、停机等正常逻辑流程控制；监控设备应急控制子功能包括但不仅限于在紧急故障情况下（如电网严重故障、风电设备严重故障等）监控设备采用的应急逻辑控制；传感器网络层a监控设备控制子功能主要是指通过逻辑控制实现控制传感器网络层a的监控设备并实现相关参数的配置。

前端处理器中F106数据双向通讯功能主要包括但不仅限于与传感器网络层a双向通讯子功能、与后端数据处理层c双向通讯子功能以及与无线终端双向通讯子功能。其中，前端处理器与传感器网络层a双向通讯子功能主要是指前端处理器可以实现接收传感器网络发送监控信号，同时前端处理器也可以通过通讯网络将传感器控制配置信息发送至传感器网络层a；前端处理器与后端数据处理层c双向通讯子功能主要是指前端处理器可以将前端处理后的数据信息发送至后端数据处理层c，同时也接收后端数据处理层c发出的相关控制信息；前端处理器与无线终端双向通讯子功能主要是指前端处理器可以将相关信息通过无线网络传输至无线终端，同时接收无线终端控制查询操作，实现基于无线终端的交互操控。

前端数据处理层b对所接收传感器网络层a传感器监控信息进行处理后（包括突发故障数据本地存储信息），通过工业现场总线将处理后信息发送至后端数据处理层c的后端处理器；同时前端数据处理层b也向传感器网络层a发送相关控制配置信息，并接收后端数据处理层c发送的控制信息。

后端数据处理层c主要接收前端数据处理层b的机组监控信息，同时通过后端处理器发送对前端数据处理层b的控制信息，实现与前端数据处理层b的双向通讯；此外，后端数据处理层c还将后端处理器处理后的数据发送至远程数据通信层d，并接收远程数据通信层d发送的通讯访问及控制信号。后端数据处理层c包括但不仅限于设置在风电场中控室的后端处理器、后端数据库及人机交互平台。后端数据处理层c的核心为后端处理器，通过后端处理器实现功能包括但不仅限于F2101机械故障智能诊断功能、F2102基于实时监控信息变化趋势的优化维护维修功能、F2103应急调度指挥功能。

F2101机械故障智能诊断功能主要是指通过对前端数据处理层b采集数据分析，通过模式识别软件智能自动识别风力发电机组机械故障，同时针对识别故障给出故障处理意见。

F2102基于监控信息变化趋势的优化维护维修功能主要是指通过连续监测指定变量，基于指定变量在一定时间范围内的变化值，对变化值较大的风电机组进行重点维护维修。

F2103应急调度指挥功能主要是指在风电场中控室内通过视频、音频、控制操作等直接与风电运营维护现场进行交互，处理风电现场紧急情况。

后端数据处理层c的后端数据库主要用于存储由后端处理器处理后的风电监控信息，包括但不仅限于振动、安防，温度、压力、转速、载荷、应力、油品油质信息等直接接触测量信息和视频、音频等非直接接触测量信息，同时也包括各台风电机组的历史报警信息、维护维修记录、保养记录等。

后端数据处理层c的人机交互平台主要是将监控的视频、音频以及其它直接接触式传感器测量信息综合集中友好化显示，同时实现中控室监控调度人员与风电状态监控系统本地信息交互及手动控制功能。人机交互平台主要实现功能包括但不仅限于F2201办公自动化功能、F2202数据通讯功能、F2203信号处理功能和F2204远程控制功能等。

F2201办公自动化功能主要是针对视频、音频等非直接接触式传感器测量信息的实时视频、音频交互功能；针对直接接触式传感器测量信息实现界面图形化显示、数据对比统计、报表、打印、查询、邮件发送等基本功能。

F2202数据通讯功能主要是指通过人机交互平台实现与远程数据通信层d、前端数据处理层b实现双向通讯，同时数据通讯功能还包括与远程无线终端实现的无线双向通讯功能。

F2203信号处理功能主要是指在人机交互平台上基于人工操作实现对监控信号的数据处理分析及绘图操作。

F2204远程控制功能主要是在人机交互平台实现对前端数据处理层b相关设备的远程控制操作。

远程数据通信层d接收所有位于不同风电现场的后端数据处理层c发送的风电场监控信息，同时通过远程服务器实现对后端数据处理层c的访问及远程控制操作。远程数据通信层d包括但不仅限于P301设置在远程监控中心的远程服务器、P302远程数据库、P303专家咨询平台及P304客户服务平台。

P301远程服务器主要实现对个监控风电场监控信息的处理功能，包括但不仅限于信息筛选、统计、查询、报表、显示功能。

P302远程数据库主要实现对各监控风电场监控信息的数据存储及历史查询功能。

P303专家咨询平台主要实现通过人工咨询服务，完成客户的高端或定制化风电场运营保障相关技术咨询。包括但不仅限于风力发电机组疑难杂症故障诊断、备品备件策略、组件寿命预测、维护维修资源优化调度等。

P304客户服务平台主要实现包括但不仅限于受理业务投诉、意见反馈、客户回访、技术咨询服务定制等功能。

所诉一种复合式风力发电机组状态监控系统，其传感器网络层a将监控信息以模拟量、数字量、脉冲信号的方式通过I/O、现场总线方式将监控信息传输至前端数据处理层b。传感器网络层a接收前端数据处理层b发送的控制命令，控制信息主要包括传感器启停、通讯速率、采样精度、视频传感器拍摄角度等。

所述一种复合式风力发电机组状态监控系统充分满足风力发电系统典型分布式装机需求，基于风力发电机组本地信息处理，有效克服了上位监控系统数据处理器性能以及通讯网络带宽的瓶颈限制，进一步丰富了传感器接入类型和接入数量，实现风力发电机组全息化状态监控，从整体大幅度提升状态监控效率，确保风电场健康稳定运行。

Claims (1)

1.一种复合式风力发电机组状态监控系统，既可以采集监控直接接触式传感器数据也可以采集监控非直接接触式监控信息，实现传动系统运行状态评估，组件环节寿命预测，故障隐患挖掘，由下至上分为位于风电机组中的传感器网络层（a）、位于机舱内部的前端数据处理层（b）、位于风电场中控室的后端数据处理层（c）以及位于远程监控中心的远程数据通信层（d）组成，其特征在于：

所述传感器网络层（a）同时接收前端数据处理层（b）发送的控制命令，相应的被控传感器及传感器监控网络依据前端数据处理层（b）发送的控制信息完成对应的控制动作及状态配置；

所述前端数据处理层（b）对所接收传感器网络层（a）传感器监控信息进行处理后，通过工业现场总线将处理后信息发送至后端数据处理层（c）的后端处理器；同时前端数据处理层（b）也向传感器网络层（a）发送相关控制配置信息，并接收后端数据处理层（c）发送的控制信息；

所述前端数据处理层（b）由分布在各台风力发电机组机舱的前端处理器构成，前端处理器功能包括但不仅限于数据预处理功能、自检功能、突发故障处理功能、本地报警功能、逻辑控制功能以及数据双向通讯功能；

所述后端数据处理层（c）主要接收前端数据处理层（b）的机组监控信息，同时通过后端处理器发送对前端数据处理层（b）的控制信息，实现与前端数据处理层（b）的双向通讯；此外，后端数据处理层（c）还将后端处理器处理后的数据发送至远程数据通信层（d），并接收远程数据通信层（d）发送的通讯访问及控制信号；

所述远程数据通信层（d）接收所有位于不同风电现场的后端数据处理层（c）发送的风电场监控信息，同时通过远程服务器实现对后端数据处理层（c）的访问操作；远程数据通信层（d）包括但不仅限于设置在远程监控中心的远程服务器、远程数据库、专家咨询平台及客户服务平台。