CN108252873A - 一种风力发电机组在线数据监测及其性能评估的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风力发电机组在线数据监测及其性能评估的系统，包括被测设备、前置机设备、服务器设备、客户端设备；本发明实现了风力发电机组的在线实时监测和实时性能评估，帮助风力发电场尽早发现风力发电机组可能会存在的问题，提高了风力发电场的综合管理水平，减少了运行维护成本。

Description

一种风力发电机组在线数据监测及其性能评估的系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域的数据监测和性能评估，具体是一种风力发电机组在线数据监测及其性能评估的系统。

背景技术

为应对全球气候变化以及能源短缺、能源供应安全严峻的形势，风能作为可再生能源以其清洁、安全、永续的特点，在各国能源战略中的地位不断提高，近年来风能发展很快并开始在能源供应中发挥重要作用。随着我国风能开发的飞速发展，近年来大批兆瓦级新型风力发电机组投入规模化生产运行，质量和运行可靠性问题比较突出，而且众所周知，由于风资源分布的限制，风电场通常地处边远地区，运行环境差，维护难度大，因此，为了合理地运营和完善地维护风电场，提高风力发电机组的运行效率和可靠性，就需要有性能完善的监控系统能够对每一台风力发电机组进行长期的实时监控，能够全方面的监测风力发电机组的各项指标，定期对风力发电机组进行性能评估，尽早发现问题，提升风力发电场的综合管理水平，减少运行维护成本。部分厂家也有通过一些手段实施了对风力发电机组的部分参数的监控，但是不能形成完整的数据监控、故障预警、电能质量分析以及后期全面评估的功能体系，无法对风机的各项性能进行方便、快捷、准确的评估，因此设计一种功能完备的风力发电机组在线数据监测及其性能评估的系统就十分的必要。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种用于对风力发电机组进行实时监控，完成风机的重要信息记录管理、电能质量测试、风机性能评估认证以及风机的大数据分析等功能的系统。

一种风力发电机组在线数据监测及其性能评估的系统，包括被测设备、前置机设备、服务器设备、客户端设备；

被测设备指风力发电机组控制系统，被测设备中的风机实时状态数据和风机关键数据发送至前置机设备；

前置机设备，包括数据采集单元、数据分析单元、数据存储单元和通讯单元，数据采集单元采集风机的实时状态数据和风机关键信息，数据分析单元对信息进行分析，数据存储单元进行数据存储，前置机设备通过通讯单元进行通讯；

服务器设备，存储前置机设备采集到的风机的实时状态数据和风机关键信息，以及电能质量分析结果、风资源和发电量统计结果、风机性能评估结果的存储；

客户端，包括电脑端监控程序和移动监控程序，通过服务器对前置机设备的处理数据进行实时查看，并可通过以太网向风机发送控制指令。

本发明的有益效果在于：

本发明的风力发电机组在线监控及性能评估系统，可以实时全面的监测风机运行的各种数据和参数，结合自带的分析认证单元，能够完成对风力发电机组的功率曲线、可利用率、能量可利用率、发电量、故障频次、风资源等的统计，全方面的监测风力发电机组的各项指标，定时对风力发电机组进行性能评估，自动生成的报表将风力发电机组的各项性能指标按期自动发送到相关部门的邮箱中，一方面有利于故障的快速定位，另一方面作为风机运行情况的详细报告进行长期备份有利于信息的永久保存和问题溯源，风力发电机组在线监控及性能评估系统能够帮助风电场尽早发现问题，提升风力发电场的综合管理水平，减少运行维护成本。

附图说明

图1为风力发电机组在线监测及其性能评估系统的结构示意图；

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种风力发电机组在线数据监测及其性能评估的系统，如图1所示，包括被测设备、前置机设备、服务器设备、客户端设备；

被测设备指风力发电机组控制系统，被测设备通过以太网实现与前置机设备之间的通讯，在不影响风力发电机组控制系统正常运行的前提下，将风机的实时状态数据和风机关键数据发送至前置机设备。

前置机设备，包括数据采集单元、数据分析单元、数据存储单元和通讯单元；

其中数据采集单元包括电网信号采集单元、CMS振动信号采集单元、总线信号通讯单元，电网信号采集单元采集电网中的电压和电流信号，CMS振动信号采集单元采集风机设备的振动信号、总线信号通讯单元使用CANopen、ModBus、ADS、RS485等总线通讯方式与被测设备进行通讯，以获取风机的实时状态数据和风机关键信息，实时状态数据包括风速、发电机转速、发电量、设备温度、压力、各种传感器的实时测量数据、故障报警信息等，风机关键信息包括叶片、齿轮箱、发电机、主轴、变流器、变浆系统、主控系统、液压站、刹车系统、润滑系统、风速仪、风向标、振动模块这些部件的型号、批次及维保信息等。

数据分析单元包括信号特征提取单元、信号分析单元以及决策反馈单元。

信号特征提取单元从采集单元采集到的信号中进行特征提取，从而完成对风机运行状态的评判。

信号分析单元通过特征数据对风机的各种数据进行统计分析，包括重要配件关键信息记录模块、风电机组可利用率计算模块、风电机组能量可利用率计算模块、风电机组故障统计及分析模块、风电机组功率曲线考核模块、风电机组风资源及发电量统计模块、风电机组重要部件及传感器元件老化判定模块、风电机组整机性能评估模块、低压穿越测试认证模块、电能质量测试认证模块、电网适应性测试认证模块、振动测试认证模块、噪声测试认证模块、报表自动生成模块。

决策反馈单元通过信号特征提取单元和信号分析单元的分析结果，计算出用以优化风机运行的各类决策性控制参数，并通过总线通讯单元将控制参数反馈至风机对象。

客户端设备包括电脑端程序和手机移动终端程序。

电脑端程序可运行桌面版客户端程序，实现对风机数据的实时查看，离线分析，故障查看、报告浏览、运维排班、以及控制指令发送。

手机移动端通过无线网络接入服务器设备，可实现对风机数据的实时查看、故障查看、报告浏览、运维排班、控制指令发送。

服务器设备，完成数据的保存和管理功能，包括前端数据采集设备所采集到的风机的实时状态数据和风机关键信息，以及监控分析设备的分析认证单元通过分析以后得到的电能质量分析结果、风资源和发电量统计结果、风机性能评估结果的数据存储。数据存储设备的通讯单元通过以太网接收前端数据采集设备采集到的数据和监控分析设备分析后得到的结果并在数据存储设备中进行存储。

所述前置机设备通过真实信号硬接线和总线通信线缆同时连接被测设备。

所述的重要配件关键信息记录模块主要用于记录叶片、齿轮箱、发电机、主轴、变流器、变浆系统、主控系统、液压站、刹车系统、润滑系统、风速仪、风向标、振动模块等重要配件的厂家、型号、生产批次、维修日期等内容。

所述风电机组故障统计及分析模块，通过对故障信息的分析统计，得出各项故障在指定时间段内的出现频率百分比，同时可以按照风机部套分类对各个部套的故障出现情况进行统计，如控制类故障、硬件设备类故障、变桨部套故障、安全链部套故障、齿轮箱部套故障、环境因素故障、电网故障、发电机故障等。

所述风电机组功率曲线考核模块，通过对指定时间段内的发电机组发电功率的统计，得出该时间段内的功率曲线，并与风机的额定功率曲线进行对比，得出风电机组的发电性能考核结果。

所述风电机组风资源及发电量统计，通过对指定时间段内的风资源情况统计和同期的发电量的统计，得出环境因素(风资源情况)对发电量的影响。

所述风电机组重要部件及传感器元件老化判定模块，主要通过统计叶片、齿轮箱、发电机、主轴、变流器、变浆系统、主控系统、液压站、刹车系统、润滑系统、风速仪、风向标、振动模块这些部件的型号、批次及维保信息，得出各个部件或者传感器原件的老化判定结果。

所述风电机组整机性能评估模块，指通过综合风电机组的发电情况、故障情况、重要部件及传感器老化情况综合得出的对风电机组整机性能的评估结果。

所述低压穿越测试认证模块，指根据低压穿越的发生条件，通过自动测试序列的方式在并网点模拟电压跌落，监测风机是否能够保持并网直到电网恢复正常，从而验证风机的低压穿越能力。

所述电能质量测试认证模块，指通过对风电机组发电所产生的电能的电压、频率和波形进行测量分析，从而得到对电能质量的评价结果。

所述电网适应性测试认证模块，指根据电网适应性测试的流程，运行产生电网电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡、闪变与谐波等电力系统运行极限工况，从而测试风电机组对这些偏差的适应能力。

所述振动测试认证模块，是指结合风电机组所受外部激振力及其自身特点，研究认证风电系统整机系统、偏航系统、叶片、齿轮箱、主轴承、发电机的特征。(依照国标JB/T8689-1998通风机振动检测及其限值)

所述噪声测试认证，是指对风电机组在工作过程中所产生的噪声进行测量认证，评价风电机组的噪声是否满足国际测量标准，对风电机组的噪声测量的内容包括计权视在声功率级、1/3倍频程频谱和音值，以及指向性、次声、低频噪声和脉冲噪声。

所述报表自动生成模块，包括自动生成每一台风机的整机性能评估报告，低压穿越测试认证报告、电能质量测试认证报告、电网适应性测试认证报告、振动测试认证报告、噪声测试认证报告。

所述前置机设备，基于NI-cRIO平台实现，搭配不同的I/O模块实现电网电压电流的采集以及总线数据的传输。

所述客户端，提供给用户进行在线监控单元和分析认证结果的运行情况查看，模块运行包含以下几类界面：

A.风力发电机组实时数据查看界面；

B.风力发电机组功率曲线统计显示界面；

C.风力发电机组可利用率统计显示界面；

D.风力发电机组能量可利用率显示界面；

E.风力发电机组发电量统计显示界面；

F.风力发电机组故障统计显示界面；

G.风力发电机组风资源统计显示界面；

H.风电机组重要部件及传感器元件老化判定结果显示界面；

I.电能质量分析结果显示界面；

J.报表自动生成配置及显示界面；

所述数据存储设备为实时数据库，利用实时数据库优于关系数据库的高实时性、高读写速度以及较低的磁盘空间占用率等特性，保证系统能够高速实时的保存大量原始数据，提高执行效率。

风力发电机组在线数据监测及其性能评估系统的测试方法，包括以下具体步骤：

(1)被测设备、前置机设备、客户端设备、服务器设备相互连接，调试完毕；

(2)前置机设备运行，建立与被测设备之间的网络通讯，获取风机控制器的运行状态和各种运行参数，同时启动数据采集任务，采集电网的电压、电流、风场风速、温度等数据

(3)前置机设备进行信号特征提取和数据分析，得出风力发电机组的功率曲线、可利用率、能量可利用率、发电量统计、故障统计、风资源统计等运算和认证结果。

(4)决策反馈单元通过信号特征提取单元和信号分析单元的分析结果，计算出用以优化风机运行的各类决策性控制参数，并通过总线通讯单元将控制参数反馈至风机对象。

(5)数据存储单元将特征结果保存至本地硬盘，同时将完整数据和分析结果上传至服务器。

(6)客户端软件从实时数据库获取实时采集数据和分析结果，并显示在客户端软件界面，用户也可通过客户端界面向风力发电机组发送控制指令。

(7)服务器端按照一定的周期自动生成各个风机各个工况下的运行报表并存档，供用户查看，同时定时将分析报表通过邮件发送给相关责任人。

Claims (8)

1.一种风力发电机组在线数据监测及其性能评估的系统，包括被测设备、前置机设备、服务器设备、客户端设备；

被测设备指风力发电机组控制系统，被测设备中的风机实时状态数据和风机关键数据发送至前置机设备；

前置机设备，包括数据采集单元、数据分析单元、数据存储单元和通讯单元，数据采集单元采集风机的实时状态数据和风机关键信息，数据分析单元对信息进行分析，数据存储单元进行数据存储，前置机设备通过通讯单元进行通讯；

服务器设备，存储前置机设备采集到的风机的实时状态数据和风机关键信息，以及电能质量分析结果、风资源和发电量统计结果、风机性能评估结果的存储；

客户端，包括电脑端监控程序和移动监控程序，通过服务器对前置机设备的处理数据进行实时查看，并可通过以太网向风机发送控制指令。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组在线数据监测及其性能评估的系统，所述的数据采集单元，包括电网信号采集单元、CMS振动信号采集单元、总线信号通讯单元，电网信号采集单元采集电网中的电压和电流信号，CMS振动信号采集单元采集风机设备的振动信号、总线信号通讯单元使用CANopen、ModBus、ADS、RS485等总线通讯方式与被测设备进行通讯，获取风机的实时状态数据和风机关键信息；

3.根据权利要求1所述的一种风力发电机组在线数据监测及其性能评估的系统，所述的数据分析单元，包括信号特征提取单元、信号分析单元以及决策反馈单元；

信号特征提取单元从采集单元采集到的信号中进行特征提取，从而完成对风机运行状态的评判；

信号分析单元通过特征数据对风机的各种数据进行统计分析，包括重要配件关键信息记录模块、风电机组可利用率计算模块、风电机组能量可利用率计算模块、风电机组故障统计及分析模块、风电机组功率曲线考核模块、风电机组风资源及发电量统计模块、风电机组重要部件及传感器元件老化判定模块、风电机组整机性能评估模块、低压穿越测试认证模块、电能质量测试认证模块、电网适应性测试认证模块、振动测试认证模块、噪声测试认证模块、报表自动生成模块；

决策反馈单元通过信号特征提取单元和信号分析单元的分析结果，计算出用以优化风机运行的各类决策性控制参数，并通过总线通讯单元将控制参数反馈至风机对象；

4.根据权利要求1所述的一种风力发电机组在线数据监测及其性能评估的系统，所述的数据存储单元，包括本地存储和服务器存储两部分内容；

本地存储：数据分析单元的分析结果及决策反馈参数实时存储至本地硬盘；

服务器存储：特征提取后数据及总线通讯原始数据实时推送至服务器设备进行存储；

5.根据权利要求1所述的一种风力发电机组在线数据监测及其性能评估的系统，所述的服务器设备中的数据存储设备为实时数据库，数据库采用通用接口。

6.根据权利要求1所述的一种风力发电机组在线数据监测及其性能评估的系统，所述的权利要求1所述前置机设备数据可兼容接入不同的服务器平台，包括Windows Server、Unix操作系统平台，可根据应用场合进行选择。

7.根据权利要求1所述的一种风力发电机组在线数据监测及其性能评估的系统，所述的客户端设备包括电脑端程序和手机移动终端程序；

电脑端程序可运行桌面版客户端程序，实现对风机数据的实时查看，离线分析，故障查看、报告浏览、运维排班、以及控制指令发送；

手机移动端通过无线网络接入服务器设备，可实现对风机数据的实时查看、故障查看、报告浏览、运维排班、控制指令发送。

8.根据权利要求7所述的一种风力发电机组在线数据监测及其性能评估的系统，所述的客户端程序，包括电脑端和手机移动端程序，运行包含以下几类界面：

A.风力发电机组实时数据查看界面；

B.风力发电机组功率曲线统计显示界面；

C.风力发电机组可利用率统计显示界面；

D.风力发电机组能量可利用率显示界面；

E.风力发电机组发电量统计显示界面；

F.风力发电机组故障统计显示界面；

G.风力发电机组风资源统计显示界面；

H.风电机组重要部件及传感器元件老化判定结果显示界面；

I.电能质量分析结果显示界面；

J.报表自动生成配置及显示界面。