CN112696481A - 风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断方法及装置。该方法包括:根据与齿轮箱轴温之间的相关性大小,确定特征变量;根据已选取的特征变量参数,基于机器学习和深度学习的多个算法构建机组正常运行模型;根据构建的机组正常运行模型对轴温异常进行智能诊断。本发明提供的风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断方法及装置减少无关因变量对模型算法影响,提高了模型算法的准确率。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域,特别是涉及一种风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断方法及装置。
背景技术
现今风电领域的主流机型主要分为双馈异步风力发电机和直驱式风力发电机,双馈、直驱两种技术路线的本质区别在于双馈型是带“齿轮箱”的,而直驱型是不带“齿轮箱”的。现在全世界风电机组中,85%以上是带齿轮箱的机型。尤其在技术、稳定性及可靠性要求更高的海上机组中,无一例外的全部采用了技术成熟且可靠性好的带齿轮箱技术方案,包括2兆瓦、2.3兆瓦、3兆瓦、3.6兆瓦、5兆瓦等各级别机型,厂商包括Vestas,Siemens,Repower,华锐风电等全球所有主要海上风电机组生产厂商。
风电机组齿轮箱作为变速机构,长期受到交变载荷和冲击载荷作用,容易造成齿轮磨损、点蚀和齿面剥落损伤,因此齿轮箱故障在风电机组机械类故障中所占比例较高。齿轮箱轴承一旦出现异常磨损情况,若不及时处理维护则会导致磨损加剧,长时间异常运行则会导致断齿,行星级齿轮箱断齿有导致齿轮箱卡死的风险。风电机组齿轮箱造价高,更换过程复杂,一旦损坏进行更换会对风电场造成巨大的经济损失。
目前,齿轮箱的异常检测方式主要为风电机组振动测试及齿轮箱内窥镜检查,两者往往耗时长、执行不便,不利于及时发现齿轮箱的异常运行状态。齿轮箱轴温一定程度上表征了齿轮箱的运行磨损情况,因此利用风电机组控制系统采集的数据,对不同运行工况下的齿轮箱轴温进行分析判断可及时发现风电机组齿轮箱的异常运行状态,减少齿轮箱异常劣化的扩大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断方法及装置,能够将齿轮箱轴承运行相关机理与人工智能技术相融合,融入机理判断,减少无关因变量对模型算法影响,提高了模型算法的准确率。
为解决上述技术问题,本发明提供了一种风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断方法,所述方法包括:根据与齿轮箱轴温之间的相关性大小,确定特征变量;根据已选取的特征变量参数,基于机器学习和深度学习的多个算法构建机组正常运行模型;根据构建的机组正常运行模型对轴温异常进行智能诊断。
在一些实施方式中,根据已选取的特征变量参数,基于机器学习和深度学习的多个算法构建机组正常运行模型,包括:根据机组运行工况将选取的特征变量参数区分为不同的工况;选取不同类型的回归预测模型作为候选模型,并通过网格搜索法确定各模型的最优参数,选择最优的回归模型;利用3σ法对模型训练过程中测试集得到的残差来确定残差阈值。
在一些实施方式中,不同类型的回归预测模型包括:Random Forest、Adaboost、GBDT、KNN回归预测模型。
在一些实施方式中,还包括:在根据与齿轮箱轴温之间的相关性大小,确定特征变量之前,获取风电机组SCADA数据源。
在一些实施方式中,风电机组SCADA数据源包括:10分钟数据、1分钟数据、秒级数据及故障录波的毫秒级数据。
在一些实施方式中,通过网格搜索法确定各模型的最优参数,选择最优的回归模型,包括:根据模型准确率、精准度确定最优的回归模型。
在一些实施方式中,确定最优的回归模型过程中,使用的模型评价指标包括:平均绝对误差、平均方差、R平方值、标准误差。
在一些实施方式中,不同的工况包括:最大风能捕获区,以及恒功率运行区。
在一些实施方式中,确定的特征变量包括:风速、发电机有功功率、发电机转速、舱内温度、齿轮箱油温、齿轮箱高速轴驱动端轴承温度、齿轮箱高速轴非驱动端轴承温度、发电机非驱动端轴承温度、发电机驱动端轴承温度。
此外,本发明还提供了一种风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断装置,所述装置包括:一个或多个处理器;存储装置,用于存储一个或多个程序,当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行,使得所述一个或多个处理器实现根据前文所述的风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断方法。
采用这样的设计后,本发明至少具有以下优点:
以往机器学习的算法类模型通常是将获取的所有数据无差别放入模型进行特征选择及模型训练,这种方法往往掺杂了一些与研究对象无关的特征变量,造成无关变量对模型影响较大。本方法创新性的将齿轮箱轴承运行相关机理与人工智能技术相融合,融入机理判断,减少无关因变量对模型算法影响,提高了模型算法的准确率。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明实施例提供的风电机组工况示意图;
图2是本发明实施例提供的风电机组10分钟数据相关性热力图;
图3是本发明实施例提供的黑龙江某风电场风电机组齿轮箱轴温变化趋势图;
图4是本发明实施例提供的风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断装置的结构图。
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。
本发明风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断方法主要分为六个步骤:
2.1确定数据源
确定数据源主要根据风电机组SCADA所取得的10分钟数据及1分钟数据确定采用何种数据;目前市场上的风电机组数据类型主要有10分钟数据、1分钟数据、秒级数据及故障录波的毫秒级数据。由于10分钟数据较为通用,且特征依旧明显,因此本方法采用风电机组10分钟数据。
2.2数据探索
数据探索是根据确定的数据源融入齿轮箱损坏机理原因,探索数据关系,确定特征变量。根据选取的数据源,使用相关系数矩阵方法探索数据中各变量的关系,选取其中与齿轮箱轴温相关性较大的参数作为初筛特征变量,然后根据齿轮箱运行机理排除无关特征变量,最后将剩余特征变量与齿轮箱轴温进行单独相关性研究,确定最终特征变量。最终特征变量如表1所示:
表1最终特征变量
2.3数据处理
数据处理是根据运行数据、故障检修记录和机组技术规格文档选取机组正常有效数据;由于现实中并不存在完美运行的机组,因此风电机组的运行数据中难免存在故障或异常数据。构建机组正常运行模型中排除异常数据显得尤为重要,本方法通过使用风电场故障停机数据,以及机组技术规格文档对10分钟数据中的异常值进行剔除,确保模型使用数据为正常机组运行数据。
2.4模型建立
模型建立是根据已选取的特征变量参数基于机器学习和深度学习的多个算法构建机组正常运行模型,模型建立具体流程如下:
2.4.1工况划分
由于机组存在不同的运行工况,各工况区间的数据表现形式也各不相同。因此模型采用工况划分进行分别训练。由于启动区与停机区风电机组均处于停止运行状态,各类参数变化由环境主导影响。因此本方法仅建立最大风能捕获区及恒功率运行区模型。
2.4.2模型建立
选取Random Forest、Adaboost、GBDT、KNN回归预测模型作为候选模型,通过网格搜索法确定各模型的最优参数,选择最优的回归模型。
2.4.3预警策略
针对不同工况的数据,将其输入到对应的预测模型中得到齿轮箱油温预测值,在此基础上,计算齿轮箱轴温实际值与预测值之间的残差并对其1小时进行均值聚合。利用3σ法对模型训练过程中测试集得到的残差来确定残差阈值,令7天内累计5小时以上超过残差阈值则发出警报,从而实现附属部件的故障预警。借助预测结果对应的原数据集中齿轮箱轴温变化趋势可视化功能导出该机组齿轮箱油温变化趋势图,结果如图2所示(水平线表示齿轮箱油温报警阈值)。
2.5模型评估
模型评估是根据模型准确率、精准度确定模型的选择。
表2模型评估方法
对本方法的回归模型的模型评价指标,主要包括:
2.5.1.平均绝对误差(MAE)
2.5.2.均方误差(MSE)
2.5.3.R-square(决定系数)
式中:Y_actual为真实值,Y_predict为预测值,Y_mean为平均值。
2.5.4.均方根误差(RMSE)
采用K-Fold交叉验证方法对四个回归模型进行训练及测试,从而选择模型评价MAE值最小的分类模型作为最终应用于机组运行故障数据识别模型。具体结果如表3,4所示(其中K=5),选择随机森林回归模型默认参数在最大风能追踪去和恒功率区具有较好的预测效果。
表3最大风能追踪区四种回归模型K-Fold交叉验证MAE值结果
回归模型 | 模型1 | 模型2 | 模型3 | 模型4 | 模型5 |
随机森林回归 | 0.391 | 0.394 | 0.397 | 0.394 | 0.391 |
AdaBoost回归 | 0.408 | 0.412 | 0.414 | 0.412 | 0.407 |
梯度提升决策树回归 | 0.57 | 0.571 | 0.577 | 0.573 | 0.57 |
KNN回归 | 0.896 | 0.896 | 0.902 | 0.898 | 0.899 |
表4恒功率区四种回归模型K-Fold交叉验证MAE值结果
2.6模型部署
齿轮箱油温异常模型部署采用最新的容器(Docker)技术部署模型,该技术将python代码、模型及模型所依赖的第三方库统一封装在一个可移植的镜像中,该镜像可以在任意搭建有容器环境的Linux机器上运行,且仅需要部署该镜像就可以启动算法模型,无需部署其他环境,实现跨平台、轻量化部署,保证信息安全、高环境适配性、易于版本管理。
图4示出了风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断装置的结构。参见图4,例如,所述风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断装置400可以用于充当风电机组系统中的齿轮箱轴温诊断主机。如本文所述,风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断装置400可以用于在风电机组系统中实现对齿轮箱轴温的异常诊断功能。风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断装置400可以在单个节点中实现,或者风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断装置400的功能可以在网络中的多个节点中实现。本领域的技术人员应意识到,术语风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断装置包括广泛意义上的设备,图4中示出的风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断装置400仅是其中一个示例。包括风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断装置400是为了表述清楚,并不旨在将本发明的应用限制为特定的风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断装置实施例或某一类风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断装置实施例。本发明所述的至少部分特征/方法可以在网络装置或组件,例如,风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断装置400中实现。例如,本发明中的特征/方法可以采用硬件、固件和/或在硬件上安装运行的软件实现。风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断装置400可以是任何通过网络处理,存储和/或转发数据帧的设备,例如,服务器,客户端,数据源等。如图4所示,风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断装置400可以包括收发器(Tx/Rx)410,其可以是发射器,接收器,或其组合。Tx/Rx410可以耦合到多个端口450(例如上行接口和/或下行接口),用于从其他节点发送和/或接收帧。处理器430可耦合至Tx/Rx410,以处理帧和/或确定向哪些节点发送帧。处理器430可以包括一个或多个多核处理器和/或存储器设备432,其可以用作数据存储器,缓冲区等。处理器330可以被实现为通用处理器,或者可以是一个或多个专用集成电路(application specific integratedcircuit,简称ASIC)和/或数字信号处理器(digital signal processor,简称DSP)的一部分。
本发明有以下的有益效果:
1.1采用工况划分
双馈异步风力发电机运行工况主要分为启动区、最大风能捕获区、恒功率运行区、切出停机区。根据风电机组10分钟数据研究表明,风电机组在不同工况区的控制策略也有所差异,在不同工况下齿轮箱的轴温表现也各有不同;因此本方法采用划分工况方法,针对不同工况下的机组10分钟数据进行模型训练,使轴温模型具有更高的适应性与准确性。
1.2机理原因与人工智能技术相融合
以往机器学习的算法类模型通常是将获取的所有数据无差别放入模型进行特征选择及模型训练,这种方法往往掺杂了一些与研究对象无关的特征变量,造成无关变量对模型影响较大。本方法创新性的将齿轮箱轴承运行相关机理与人工智能技术相融合,融入机理判断,减少无关因变量对模型算法影响,提高了模型算法的准确率。
1.3自由制定预警策略
针对不同工况的数据,将其输入到对应的预测模型中得到齿轮箱油温预测值,在此基础上,计算齿轮箱轴温实际值与预测值之间的残差并对其1小时进行均值聚合。利用3σ法对模型训练过程中测试集得到的残差来确定残差阈值,令7天内累计5小时以上超过残差阈值则发出警报,从而实现附属部件的故障预警。由于不同厂家的风电机组控制策略不同,模型采用开放预警阈值方式,用户可根据自身使用机型特点制定报警策略,真正地实现一机一策,百机百策。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰,均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断方法,其特征在于,包括:
根据与齿轮箱轴温之间的相关性大小,确定特征变量;
根据已选取的特征变量参数,基于机器学习和深度学习的多个算法构建机组正常运行模型;
根据构建的机组正常运行模型对轴温异常进行智能诊断。
2.根据权利要求1所述的风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断方法,其特征在于,根据已选取的特征变量参数,基于机器学习和深度学习的多个算法构建机组正常运行模型,包括:
根据机组运行工况将选取的特征变量参数区分为不同的工况;
选取不同类型的回归预测模型作为候选模型,并通过网格搜索法确定各模型的最优参数,选择最优的回归模型;
利用3σ法对模型训练过程中测试集得到的残差来确定残差阈值。
3.根据权利要求2所述的风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断方法,其特征在于,不同类型的回归预测模型包括:Random Forest、Adaboost、GBDT、KNN回归预测模型。
4.根据权利要求1所述的风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断方法,其特征在于,还包括:
在根据与齿轮箱轴温之间的相关性大小,确定特征变量之前,获取风电机组SCADA数据源。
5.根据权利要求4所述的风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断方法,其特征在于,风电机组SCADA数据源包括:10分钟数据、1分钟数据、秒级数据及故障录波的毫秒级数据。
6.根据权利要求2所述的风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断方法,其特征在于,通过网格搜索法确定各模型的最优参数,选择最优的回归模型,包括:
根据模型准确率、精准度确定最优的回归模型。
7.根据权利要求6所述的风电机组齿轮箱轴温异常智能判断方法,其特征在于,确定最优的回归模型过程中,使用的模型评价指标包括:平均绝对误差、平均方差、R平方值、标准误差。
8.根据权利要求2所述的风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断方法,其特征在于,不同的工况包括:最大风能捕获区,以及恒功率运行区。
9.根据权利要求1所述的风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断方法,其特征在于,确定的特征变量包括:风速、发电机有功功率、发电机转速、舱内温度、齿轮箱油温、齿轮箱高速轴驱动端轴承温度、齿轮箱高速轴非驱动端轴承温度、发电机非驱动端轴承温度、发电机驱动端轴承温度。
10.一种风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断装置,其特征在于,包括:
一个或多个处理器;
存储装置,用于存储一个或多个程序,
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行,使得所述一个或多个处理器实现根据权利要求1至9任意一项所述的风电机组齿轮箱轴温异常智能诊断方法。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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