CN109653962A - 一种风电机组在线监测系统和监测方法 - Google Patents

Abstract

一种风电机组在线监测系统，包括现场声音传感器，声音分析装置，红外监测装置，红外分析装置，控制装置，报警装置；声音传感器与声音分析装置连接，声音分析装置与控制装置连接；红外监测装置与红外分析装置连接，红外分析装置与控制装置连接；控制装置与报警装置连接；其中声音传感器固定设置在风电机组的转动主轴附近，红外监测装置的红外成像仪可以在机舱内轴向移动。还公开一种监测方法。本发明的系统和方法能够对风电机组传动链的健康状态实现实时在线监测和精确检测，具有操作简便、分析直观等优点。

Description

一种风电机组在线监测系统和监测方法

技术领域

本发明涉及一种风电机组在线监测系统和监测方法，特别是涉及通过声和热两个方面对风电机组进行监测的系统和方法。

技术背景

对于风电机组来说，故障发生后如果不能及时发现并排除，随着风电机组的运行，传动链上的主轴承、齿轮箱和发电机等零部件会逐渐疲劳，直至发生断裂等重大事故，因此必须对风电机组进行故障监测。

目前常见的故障检测方法主要是对风电机组的振动进行分析，需要专业的信号处理知识，对现场运行维护人员来说操作复杂，培训难度大，接受比较困难。本发明对风电机组现场声音和热两方面进行检测，从而能够直观的发现风电机组的疲劳和故障情况，方便现场运行维护人员对风电机组的状态进行把控。此外，本发明检测系统和方法不需爬塔，降低了劳动强度，可以远程进行故障精确定位。

中国专利CN108414898A公开了一种风电场设备带电检测的状态试验方法，包括：(1)带电检测：通过仪器收集数据，实施超声局部放电检测和紫外成像检测相结合的带电检测，监测风电场设备的运行状态，进行故障的检测以及预防；(2)构建决策系统状态检修：收集和分析设备的运行数据，对设备开展状态评价工作，从而确定设备是否需要检修以及确定检修的项目；(3)建立设备预试检修优化方案：通过风电场设备状态检修，结合设备带电检测的实施，依据风电场设备状态评价细则对设备进行状态评价，制定定制的检修策略。该专利能够实现对风电机组的带电检测，从而在不停机情况下实时检测风电机组的工作状况。但是该专利依然存在着检测复杂的问题。

中国专利CN207965086U公开了一种风力发电机组检测系统，该系统包括：在线检测装置、离线检测装置以及服务器，其中，所述在线检测装置与所述服务器连接，用于对所述风力发电机组进行实时检测，并发送在线检测结果至所述服务器；所述服务器用于记录所述风力发电机组的运行时间和运行状态；所述离线检测装置与所述服务器连接，用于根据所述风力发电机组的运行时间和运行状态对所述风力发电机组进行检测，并发送离线检测结果至所述服务器。该风力发电机组检测系统无法方便现场运行维护人员的操作。

发明内容

本发明的风电机组在线监测系统，包括现场声音传感器，声音分析装置，红外监测装置，红外分析装置，控制装置，报警装置；声音传感器与声音分析装置连接，声音分析装置与控制装置连接；红外监测装置与红外分析装置连接，红外分析装置与控制装置连接；控制装置与报警装置连接；其中声音传感器固定设置在风电机组的转动主轴附近，红外监测装置的红外成像仪可以在机舱内轴向移动。

声音传感器采集现场声音，获取声音频率信号；声音分析装置根据声音信号的频率，获得声音信号的频率分布情况，判断故障部件。

其中控制装置包括有阈值设定模块、触发模块，阈值设定模块接受阈值设定值，触发模块根据阈值设定模块的阈值设定值决定触发模块的输出。

其中红外监测装置包括红外成像仪和移动装置，其中移动装置由链轮和孔组成，红外成像仪与链轮、电机固联，组成移动台；孔设置在机舱的导轨上；电机运动带动链轮旋转，链轮与孔啮合，带动固定红外成像仪的移动台运动，移动台上的红外成像仪从而能够受驱动做往复运动。

其中控制模块还包括计算模块，计算模块接受声音分析装置的数据并将声音分析装置传送的数据进行归一化处理，获得单一向量值；控制模块中还设置有比较模块，比较模块将计算模块获得的单一向量值与阈值设定模块接受的阈值设定值进行比较，比较模块与触发模块连接，并将比较模块的比较值输入到触发模块。

其中控制模块还包括人工操作模块，人工操作模块连接到红外监测装置和红外分析装置。

本发明用于风电机组在线监测系统的监测方法，声音传感器实时监测风电机组的声音频率，声音分析模块实时分析风电机组频率分布情况，并将风电机组运转产生的声音的频率分布情况送至控制模块；控制模块的计算模块根据频率分布情况计算获得单一向量值；比较模块比较单一向量值和阈值设定模块的阈值设定值；比较模块根据比较结果控制报警装置发出警报或者控制红外监测装置和红外分析装置启动。

当声音分析模块获得的结果难以确定机组故障部件时，开启红外成像模式，电机驱动红外成像仪往返移动，同时对主轴承、齿轮箱中齿轮、轴承、发电机轴承进行热成像，并将成像结果送至红外分析装置，观测过热部件并定位故障。

人工操作模块接受指令后，控制红外监测装置和红外分析装置启动。

本发明通过在线检测风电机组的声音和热两方面因素，在声音明显异常的情况下，可以分辨叶轮不平衡、发电机轴承过电流等故障；在声音难辨故障时，启动红外成像装置，从而能够获得实时在线检测，具有精确检测、操作简便直观等优点。

附图说明

图1示出了本发明的风电机组在线监测系统；

图2示出了本发明的控制模块示意图；

图3示出了本发明的方法流程示意图。

本发明的实施例

图1中附图标记指代的含义如下：1-导轨；2-红外成像仪；3-声音传感器；4-传输终端；5-驱动电机；6-链轮；7-叶轮；8-主轴承；9-齿轮箱；10-塔筒；11-发电机；12-机舱；13-集控室。

参见图1和图2，图1示出了一种风电机组在线监测系统，包括现场声音监测装置，声音监测装置可以是一个声传感器；声音监测装置用于检测风电机组产生的声音的频率；在实际运行过程中，当风电机组发生故障时，风电机组产生的声音的频率会发生异常，通过声传感器测得风电机组产生的声音的频率，随后进行分析从而能够及时的获取风电机组的运行状态。尤其是当叶片出现裂纹、附着物不均匀等所致叶轮系统不平衡时，机舱中会出现特殊的声音频率。ZL201210168524.2号发明专利申请提出了一种风力发电机组的状态监测方法，包括：采集风力发电机组的振动信号和噪声信号；如果所述噪声信号的幅值大于设定值，则确定所述幅值对应的时间点；在包含所述时间点的设定范围内，处理所述振动信号和所述噪声信号以获取表征信号能量大小的信号，根据所述表征信号能量大小的信号确定所述风力发电机组的运行状态。

在现有技术中，已经了解到可以利用噪声信号发现风电机组出现故障的时间点，风电机组发生故障时，采集到的噪声信号的幅值会发生明显的变化，当噪声信号的幅值大于某一设定的数值时，表征风电机组出现故障，当噪声信号的幅值小于或是等于某一设定的数值时，表征风电机组处于正常的运行状态。本发明发明人认为噪声的幅值会受到各种因素的影响，风电机组在故障发生时候，噪声声音的频率会发生明显变化，并且频率的监测较幅值的监测受环境影响更小，因此本发明通过检测风电机组发出的声音的频率来初步完成对风电机组故障的监测。

对信号进行处理的方法主要包括时域处理和频域处理，时域处理方法主要包括均值、方差、分布密度、偏斜度、峭度分析等方法，主要指标包括：均值、方差、标准差、均方值、有效值、峰值、峰-峰值、波形指标、峰值指标、脉冲指标、裕度指标、偏度系数、峭度系数等；频域处理方法只要包括：功率谱分析、频率细化分析法，倒频谱分析法、包络解调法、小波分析法等。这些方法在工程技术中普遍应用，本发明并不涉及对这些计算方法本身的改进，因此在此不再赘述。

声音分析装置接受来自声音检测装置的信号，根据预定程序分析获得风电机组现场声音频率分布情况；风电机组在不同异常情况下，频率分布情况会发生比较复杂的变化，因此分析装置按照预定程序获取声音频率的分布情况。声音分析装置的程序是根据经验值来设定各项分析指标。图1还包括了红外检测装置，红外检测装置在控制装置的控制下启动。红外监测装置包括红外成像仪和移动装置，其中移动装置由链轮和孔组成，红外成像仪与链轮、电机固联，组成移动台；孔设置在机舱的导轨上；电机运动带动链轮旋转，链轮与孔啮合，带动固定红外成像仪的移动台运动，移动台上的红外成像仪从而能够受驱动做往复运动。控制装置控制电机，即可实现对红外传感器位置的控制。控制装置记录红外成像仪的位置和成像图片；红外分析装置根据红外成像仪的位置和成像图片，从而能够描绘出风电机组的温度分布图。

本发明还包括了报警装置，控制装置中设置有计算模块，计算模块对声音分析装置得到的声音频率分布进行归一化计算，将频率分布中的各频率部分根据经验公司给与一定的比重，从而最终获得一个归一化的单一向量值。

本发明的控制装置还包括了阈值设定模块，阈值设定模块可以根据风电机组的实际情况设置一个或者多个阈值，在触发模块中，该阈值可以和计算模块获得的单一向量值进行比较。

当单一向量值小于第一阈值时，系统维持声音检测状态不变，不启动红外检测装置；当单一向量值大于第一阈值且小于第二阈值时，触发装置启动报警装置，提示及时手动启动红外检测装置，此时如果判断声音异常来源于叶轮不平衡，则不启动红外检测装置；否则，当单一向量值进一步增大，从而单一向量值大于第二阈值时，触发装置启动红外检测装置。

图2中控制模块还包括人工操作模块，人工操作模块连接到红外监测装置和红外分析装置；在触发装置启动报警装置后，工作人员可以操作人工操作模块，启动红外监测装置。

图3给出了本发明大致的示意图。声音监测装置实时监测风电机组的声音频率，声音分析模块实时分析风电机组频率分布情况，并将风电机组运转产生的声音的频率分布情况送至控制模块；控制模块的计算模块根据频率分布情况计算获得单一向量值；比较模块比较单一向量值和阈值设定模块的阈值设定值；比较模块根据比较结果控制报警装置发出警报，此时需要判断异常频率是否来源于叶轮系统，因为叶轮系统安装于机舱外部，红外成像仪无法对其成像。当判断异常频率不属于叶轮系统时，启动红外监测装置和红外分析装置。进一步红外成像仪获得的成像结果传送到本地集控室后，根据温度高低，示出具体发生故障的位置点。

本发明的具体监测流程可以如下：

101：采集风电机组的声音信号，并将采集到的声音信号进行分析。

在实际的系统设备中，本发明通过声音检测和声音分析装置采集和分析采集到的声音信号，获得声音信号的频率分布。

102：利用阈值设定模块设定第一阈值和第二阈值。

第一阈值和第二阈值由工作人员设定，用于控制风电机组运行。

103：将声音信号的频率分布通过计算装置计算得到一个归一向量值，并将该归一向量值与第一阈值和第二阈值使用比较模块进行比较。

如果归一向量值小于第一阈值，系统继续保持声音监测模式运行，检测声音的频率信号。

如果归一向量值大于第一阈值且小于第二阈值，比较模块将第一触发信号送至触发模块，触发模块根据第一触发信号触发报警模块，报警模块采用声音、光等各种形式提示运行操作人员，当前风电机组系统处于故障运行状态。同时判断该故障是否来源于叶轮系统，若是，继续采用声音监测，否则，运行操作人员可以启动人工操作模块，启动红外检测和分析装置。

如果归一向量值大于第二阈值，比较模块将第二触发信号送至触发模块，触发模块根据第二触发信号触发报警模块，同时启动红外检测和分析装置，从而对系统的传动链上的各个部件进行红外成像，确定具体的故障点。同时，报警模块持续的报警，提示运行操作人员及时处理。

本发明的装置和方法所利用的基本原理是故障风电机组的声音和温度都会发生异常，并且温度异常是最为明显的。根据本发明的装置和方法能够高效的发现故障风电机组的故障位置，并且无需工作人员具备较高的分析判断能力，工作人员培训简单、速度快；本发明的装置和方法还进一步的减少了工作强度，无需工作人员爬上风电机组塔台。

以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种风电机组在线监测系统，包括现场声音传感器，声音分析装置，红外监测装置，红外分析装置，控制装置，报警装置；声音传感器与声音分析装置连接，声音分析装置与控制装置连接；红外监测装置与红外分析装置连接，红外分析装置与控制装置连接；控制装置与报警装置连接；其中声音传感器固定设置在风电机组的转动主轴附近，红外监测装置的红外成像仪可以在机舱内轴向移动。

2.根据权利要求1的风电机组在线监测系统，声音传感器采集机组声音，获取声音频率信号；声音分析装置根据声音信号的频率，获得声音信号的频率分布情况，判断故障部件。

3.根据权利要求1的风电机组在线监测系统，其中控制装置包括有阈值设定模块、触发模块，阈值设定模块接受阈值设定值，触发模块根据阈值设定模块的阈值设定值决定触发模块的输出。

4.根据权利要求1的风电机组在线监测系统，其中红外监测装置包括红外成像仪和移动装置，其中移动装置由链轮和孔组成，红外成像仪与链轮、电机固联，组成移动台；孔设置在机舱的导轨上；电机运动带动链轮旋转，链轮与孔啮合，带动固定红外成像仪的移动台运动，移动台上的红外成像仪从而能够受驱动做往复运动。

5.根据权利要求3的风电机组在线监测系统，其中控制模块还包括计算模块，计算模块接受声音传感器的数据并将声音分析装置传送的数据进行归一化处理，获得单一向量值；控制模块中还设置有比较模块，比较模块将计算模块获得的单一向量值与阈值设定模块接受的阈值设定值进行比较，比较模块与触发模块连接，并将比较模块的比较值输入到触发模块。

6.根据权利要求1的风电机组在线监测系统，其中控制模块还包括人工操作模块，人工操作模块连接到红外监测装置和红外分析装置。

7.用于权利要求1-6所述的风电机组在线监测系统的监测方法，声音传感器实时监测风电机组的声音频率，声音分析模块实时分析风电机组频率分布情况，并将风电机组运转产生的声音的频率分布情况送至控制模块；控制模块的计算模块根据频率分布情况计算获得单一向量值；比较模块比较单一向量值和阈值设定模块的阈值设定值；比较模块根据比较结果控制报警装置发出警报或者控制红外监测装置和红外分析装置启动。

8.用于权利要求7所述的风电机组在线监测系统的监测方法，当声音分析模块获得的结果难以确定机组故障部件时，开启红外成像模式，电机驱动红外成像仪往返移动，同时对主轴承、齿轮箱中齿轮、轴承、发电机轴承进行热成像，并将成像结果送至红外分析装置，观测过热部件并定位故障。

9.根据权利要求7的监测方法，其特征在于：人工操作模块接受指令后，控制红外监测装置和红外分析装置启动。