CN113821420A - 风电机组cms系统性能比对和数据转换方法 - Google Patents

风电机组cms系统性能比对和数据转换方法 Download PDF

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Abstract

本发明针对现有技术中不同厂家CMS系统评价对比方法存在不确定性和不可靠性的问题，提出了一种基于风电机组CMS系统本身试验性能的比对方法，主要包括前端采集硬件比对和后处理软件输出结果比对，具有较好的性能比对稳定性和工程价值；依据不同厂家CMS系统试验性能的比对结果，本发明还提出了一种全新的不同CMS系统输出指标转换方法，可将不同厂家CMS系统的输出指标统一到其中一种CMS系统的标准下，实现在同一标准下评价不同风电机组的运行状态，提高了风电机组监测的准确度和工作效率。

Description

风电机组CMS系统性能比对和数据转换方法
技术领域
本发明涉及风电技术领域，具体涉及风电机组CMS系统性能比对和数据转换方法。
背景技术
风电行业迎来了爆发式增长；随着风电机组被大批量安装使用，伴随而来的运行故障问题也日益突出。由于风电机组大多安装在高山、平原、海上等风口处，长期承受不同风况作用甚至是强阵风冲击，再加上天气和极端温差的影响，使得风电机组的机械故障频发，这些故障大多表现为机械部件的振动、异响等，风电机组状态监测系统(ConditionMonitoring System，下文简称CMS)被广泛用于各种型号的风电机组上，用于实时监测风电机组的状态和智能故障预警，以保障风电机组安全运行，防患于未然。如果风电机组CMS系统准确性和可靠性不高，则无法监测风电机组的状态并提前发出故障报警，造成风电机组发生重大故障，影响发电量并且损坏风电机组的主要部件，带来巨大的经济损失，因此对风电机组CMS系统试验性能的评价比对至关重要。
目前市场上存在多个厂家的CMS系统，它们的准确度和可靠性不尽相同，这些CMS系统的性能差异将会造成风电机组故障的漏判或错判。而现有技术中关于不同厂家CMS系统的评价对比方法，主要是通过CMS系统预报结果与现场实际发生故障的情况作对比分析，得到各厂家CMS系统故障诊断的准确率、误报率和漏报率，这样的统计结果存在不确定性，不同的样本数量或不同的风场均会出现不同情况，无法从CMS系统本身出发定性地评价不同厂家CMS系统的差异；而且，由于不同厂家CMS系统的数据处理方法和过程存在差异，所以无法在同一振动评价指标下使用不同的CMS系统监测风电机组的工作状态。
发明内容
本发明针对现有技术中不同CMS系统评价对比方法存在不确定性和不可靠性的问题，提出了一种基于CMS系统本身试验性能的比对方法，主要包括前端采集硬件比对和后处理软件输出结果比对，具有较好的性能比对稳定性和工程价值；根据不同CMS系统试验性能的比对结果，本发明还提出了一种不同CMS系统数据转换方法，只需将不同厂家CMS系统的输出指标统一到其中一种CMS系统的标准下，进而实现在同一标准下评价不同风电机组的运行状态，提高了风电机组监测的准确度和工作效率。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
风电机组CMS系统性能比对和数据转换方法，包括以下步骤：步骤S1)在相同测试环境下对不同厂家CMS系统的试验性能进行比对，包括前端采集硬件比对和后处理软件输出结果比对；步骤S2)依据不同厂家CMS系统试验性能比对结果，提出一种不同厂家CMS系统输出指标转换方法，所述方法结合了数据拟合模型和基于物理系统频响函数理论建立的数据转换关系。本发明提出的数据转换方法可以将不同厂家CMS系统的输出指标统一到其中一种CMS系统的标准下，进而实现在同一标准下评价不同风电机组的运行状态，提高了风电机组监测的准确度和工作效率；另外，本发明从CMS系统本身的试验性能出发，建立了相同测试环境下不同厂家CMS系统的比对机制，相较于现有技术只将CMS系统预报结果与现场实际故障情况作对比分析，得到各厂家CMS系统故障诊断的准确率、误报率和漏报率，本发明不受样本数量和风场差异影响，具有准确性和可靠性。
作为优选，步骤S2的具体过程，包括以下步骤：步骤C1)确定不同厂家CMS系统待评价的输出指标，包括时域和频域参量；步骤C2)采用高阶拟合的数据处理方法，建立不同厂家CMS系统输出指标的数据拟合模型；步骤C3)依据物理系统频响函数理论，建立相同测试环境下不同厂家CMS系统的数据采集模型，并得到不同厂家CMS系统输出指标的转换关系；步骤C4)结合数据拟合模型和基于物理系统频响函数理论的不同厂家CMS系统输出指标的转换关系，提出一种全新的不同厂家CMS系统输出指标转换方法。
不同CMS系统输出指标的高阶拟合方法，包括以下内容：
针对需要评价的时域和频域指标，将相同测试环境下不同CMS系统的输出指标进行数据拟合。令A厂家CMS系统输出指标为统一标准，输出的时域和频域指标定义为Y；B/C/D厂家的 CMS系统输出指标需要转换到A厂家标准下，定义B/C/D厂家输出的时域和频域指标为Xi (i＝1,2,3)，则高阶拟合计算公式可表示为：
Y＝kXi n+aXi n-1+bXi n-2+…+cXi+d
其中，k,a,b,c,d为数据转换系数。
在上式中，自变量Xi中分别输入B/C/D厂家CMS系统的现场测试结果，就可将它们转换到 A厂家标准下的监测结果Y。
基于物理系统频响函数理论建立不同CMS系统输出指标的转换关系，包括以下内容：在相同测试环境下，建立不同CMS系统的多物理系统频响函数模型，H1(f)、H2(f)…Hn(f)分别表示不同CMS系统在同源x(t)作用下的频响函数，y1(t)、y2(t)…yn(t)为不同CMS系统相同测试环境下的输出指标。通过推导计算可得，CMS系统2现场测试结果转换到CMS系统 1标准下的公式为：
Figure BDA0003227230720000031
式中，Y1(f)和Y2(f)是相同测试环境下CMS系统1和CMS系统2输出指标的频域表示，Y2现场实测(f)是CMS系统2现场测试结果的频域表示，Y2转换为1(f)是CMS系统2现场测试结果转换到CMS系统1标准下的频域表示。
结合数据拟合模型和基于物理系统频响函数理论建立的不同CMS系统输出指标转换关系，从时域和频域两个方向利用平均统计的思想分别对上述两种方法进行融合，提出一种全新的不同CMS系统输出指标的转换方法，公式如下：
Figure BDA0003227230720000032
式中，Y(t)和Y(f)是根据两种方法融合后的数据转换方法得到的时域和频域输出指标， Y数据拟合(t)和Y数据拟合(f)是利用高阶数据拟合模型得到的时域和频域输出指标，Y频响函数理论(f) 是基于物理系统频响函数理论建立的不同CMS系统输出指标转换关系下的频域输出指标。
作为优选，所述前端采集硬件比对的具体过程，包括以下步骤：步骤A1)在相同测试环境下采用标准数据采集仪对前端采集硬件进行数据采集，测试工况包括并网初期阶段、变速变功率阶段和额定满发功率阶段；步骤A2)根据采集结果，分别比对加速度和速度的情况，时域比对指标包括有效值、峰峰值、方差和峭度；频域比对指标包括特征频率和频谱变化趋势。
在6MW试验台上开展前端采集硬件比对测试，这里的前端采集硬件主要是指不同厂家CMS系统搭配使用的加速度传感器，选择主轴承、齿轮箱内齿圈和发电机驱动端作为三个测点位置，并且主轴承处选用低频加速度传感器，齿轮箱内齿圈和发电机驱动端处均选用普频加速度传感器，不同厂家CMS系统的加速度传感器对称布置在风电机组振动监测预留孔位的周围，以此保证每个加速度传感器接收到的激励源是一致的；在相同测试环境下采用标准数据采集仪对前端采集硬件进行数据采集，其中，相同测试环境包括同一试验台、同一测试风电机组和同种测试工况，测试工况包括并网初期阶段、变速变功率阶段和额定满发功率阶段，标准数据采集仪选择德维创211型(DEWE-211)数据采集仪，另外，对不同加速度传感器进行同一测试环境下的数据采集工作时，需要保证采样频率和采样时间一致。
作为优选，所述后处理软件输出结果比对的具体过程，包括以下步骤：步骤B1)收集相同测试环境下不同厂家CMS系统输出的振动结果，测试工况包括定速定载工况和变速变载工况；步骤B2)根据不同厂家CMS系统输出的振动结果，分别比对加速度和速度的情况，时域比对指标包括有效值和峰峰值；频域比对指标包括特征频率、倍频和包络情况；步骤B3) 从各厂家CMS系统后处理软件功能性差异的角度，对比不同厂家CMS系统的软件设置和结果计算设置。
依据上述前端采集硬件的比对结果，同样在6MW试验台开展不同CMS系统后处理软件输出结果比对测试，整个测试使用全套的CMS设备，包括前端采集硬件、采集站和后处理软件；与现场CMS系统安装情况一致，在风电机组传动链上选择7个测点，分别是主轴承、齿轮箱输入端、齿轮箱内齿圈、齿轮箱高速输出端、齿轮箱低速输出端、发电机驱动端和发电机非驱动端，其中主轴承和齿轮箱输入端选用低频加速度传感器，其它均选用普频加速度传感器，不同CMS系统的加速度传感器对称布置在风电机组振动监测预留孔位的周围，以此保证每套CMS系统接收到的振动源是一致的；收集相同测试环境下不同厂家CMS系统输出的振动结果，测试工况包括定速定载工况和变速变载工况，其中，定速定载工况是依据风电机组功率曲线选择了18个定转速定功率的测试点，涵盖了并网到满发的全过程，而变速变载工况是指在某一转速范围内功率也发生波动，同时也开展了扫频工况的比对，这些都是为了更好的模拟现场风电机组的运行情况。
作为优选，所述前端采集硬件比对的测点包括主轴承、齿轮箱内齿圈和发电机驱动端，所述主轴承采用低频加速度传感器；所述齿轮箱内齿圈和发电机驱动端采用普频加速度传感器。不同厂家CMS系统的加速度传感器对称布置在风电机组振动监测预留孔位的周围，以此保证每个加速度传感器接收到的激励源是一致的。
作为优选，所述后处理软件输出结果比对的测点包括主轴承、齿轮箱输入端、齿轮箱内齿圈、齿轮箱高速输出端、齿轮箱低速输出端、发电机驱动端和发电机非驱动端，所述主轴承和齿轮箱输入端低频加速度传感器；所述齿轮箱内齿圈、齿轮箱高速输出端、齿轮箱低速输出端、发电机驱动端和发电机非驱动端采用普频加速度传感器。不同厂家CMS系统的加速度传感器对称布置在风电机组振动监测预留孔位的周围，以此保证每个加速度传感器接收到的激励源是一致的。
作为优选，相同测试环境包括同一试验台、同一测试风电机组、相同测点位置和同种测试工况。在相同测试环境下对不同厂家CMS系统的试验性能进行比对，保证不同厂家CMS 系统的评价比对结果具有可靠性和准确性。
因此，本发明的优点是：
(1)本发明提出了一种风电机组CMS系统性能比对方法，基于CMS系统本身的试验性能进行比对测试，不受样本数量和风场差异影响，具有准确性和可靠性；
(2)本发明提出了一种风电机组CMS系统数据转换方法，只需将不同厂家CMS系统的输出指标统一到其中一种CMS系统的标准下，进而实现在同一标准下评价不同风电机组的运行状态，提高了风电机组监测的准确度和工作效率。
附图说明
图1是本发明实施例的流程图。
图2是本发明实施例中不同厂家CMS系统输出指标的数据拟合模型示意图。
图3是本发明实施例中基于物理系统频响函数理论建模示意图。
图4是本发明实施例中不同厂家CMS系统输出指标转换流程图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1所示，风电机组CMS系统性能比对和数据转换方法，包括2个主要步骤，步骤S1)在相同测试环境下对不同厂家CMS系统的试验性能进行比对，包括前端采集硬件比对和后处理软件输出结果比对；步骤S2)依据不同厂家CMS系统试验性能比对结果，结合数据拟合模型和基于物理系统频响函数理论建立的不同CMS系统输出指标转换关系，提出一种全新的不同厂家CMS系统输出指标的转换方法。
如图1所示，在步骤S1中，在厂内6MW试验台开展前端采集硬件比对测试，这里的前端采集硬件主要是指不同CMS系统搭配使用的加速度传感器。另外，标准数据采集仪选择德维创211型(DEWE-211)数据采集仪。选择主轴承、齿轮箱内齿圈和发电机驱动端三个测点位置，并且主轴承处选用低频加速度传感器，齿轮箱内齿圈和发电机驱动端处均选用普频加速度传感器，不同厂家CMS系统的加速度传感器对称布置在风电机组振动监测预留孔位的周围，以此保证每个加速度传感器接收到的激励源是一致的。
在前端采集硬件比对测试中，选择并网初期、变转速变功率端和额定满发三个测试工况，对不同加速度传感器进行同一测试环境下的数据采集工作，保证采样频率和采样时间一致。考察加速度和速度两个参量，时域评价指标包括有效值、峰峰值、方差和峭度指标；频域关注不同CMS系统的特征频率和频谱的变化趋势。
如图1所示，在步骤S1中，对不同厂家CMS系统后处理软件输出结果进行比对测试，依据上述前端采集硬件的比对结果，同样在6MW试验台开展不同CMS系统后处理软件输出结果比对测试，整个测试使用全套的CMS设备，包括前端采集硬件、采集站和后处理软件等；与现场CMS系统安装情况一致，在风电机组传动链上选择7个测点，分别是主轴承、齿轮箱输入端、齿轮箱内齿圈、齿轮箱高速输出端、齿轮箱低速输出端、发电机驱动端和发电机非驱动端，其中主轴承和齿轮箱输入端选用低频加速度传感器，其它均选用普频加速度传感器，不同CMS系统的加速度传感器对称布置在风电机组振动监测预留孔位的周围，以此保证每套CMS系统接收到的振动源是一致的。
在后处理软件输出结果比对测试中，收集相同测试环境下不同厂家CMS系统输出的振动结果，测试工况包括定速定载工况和变速变载工况，其中，定速定载工况是依据风电机组功率曲线选择了18个定转速定功率的测试点，涵盖了并网到满发的全过程，而变速变载工况是指在某一转速范围内功率也发生波动，同时也开展了扫频工况的比对，这些都是为了更好的模拟现场风电机组的运行情况。根据不同厂家CMS系统输出的振动结果，分别比对加速度和速度的情况，时域比对指标包括有效值和峰值；频域比对指标包括特征频率、倍频和包络情况。
如图1所示，在步骤S2中，依据步骤S1中风电机组CMS系统试验性能比对结果，采用高阶拟合的数据处理方法，建立不同厂家CMS系统输出指标的数据拟合模型；与此同时，依据物理系统频响函数理论，建立相同环境下不同厂家CMS系统的数据采集模型，并得到不同厂家CMS系统输出指标的转换关系；最后利用平均统计的思想将上述两种方法融合，提出一种全新的不同厂家CMS系统输出指标的转换方法。
如图2所示，依据相同测试环境下不同CMS系统试验性能的比对结果，选择A厂家的CMS系统为统一标准，输出的时域和频域指标定义为Y变量，B/C/D厂家CMS系统输出的时域和频域指标定义为Xi(i＝1,2,3)变量，通过高阶数据拟合方法将B/C/D厂家CMS系统输出指标转换到A厂家CMS系统标准下：
Y＝kXi n+aXi n-1+bXi n-2+…+cXi+d (1)
式中，k,a,b,c,d为数据转换系数。
为了实现不同数据转换模型之间的修正和优化，将时域指标和频域指标分开处理，公式(1) 可表示为时域和频域两种形式，用公式(1-1)和公式(1-2)表示：
Figure BDA0003227230720000061
Figure BDA0003227230720000071
式中，k,a,…d；K,A,…D为数据转换系数，Xi(t)和Xi(f)(i＝1,2,3)为B/C/D厂家CMS系统输出的时域和频域指标，Y(t)和Y(f)是A厂家CMS系统输出的时域和频域指标。
在式(1-1)中，
Figure BDA0003227230720000072
在式(1-2)中，
Figure BDA0003227230720000073
在式(1-1)和(1-2)中，自变量Xi中分别输入B/C/D厂家CMS系统的现场测试结果，就可将它们转换到A厂家标准下的监测结果Y。
如图3所示，依据风电机组CMS系统试验性能比对结果，并基于物理系统频响函数理论建立不同CMS系统输出指标转换关系，具体包括：
1)针对单物理系统的频响函数理论，有如下几点结论：
单物理系统的输入x(t)和输出y(t)关系可用卷积积分表示，如公式(2)：
Figure BDA0003227230720000074
另外，h(τ)可称为单位脉冲响应函数或权函数，它的频域形式称为频响函数H(f)，如公式(3) 和公式(4)：
Figure BDA0003227230720000075
H(f)＝|H(f)|e-jφ(f) (4)
最后，利用卷积定理，得到单物理系统输入和输出频域的关系式，如公式(5)：
Y(f)＝H(f)X(f) (5)
式中，Y(f)和X(f)是输入x(t)和输出y(t)的频域结果。
2)在同源环境下建立不同CMS系统的多物理系统频响函数模型，如图3所示，其中H1(f)、 H2(f)…Hn(f)分别表示不同CMS系统在同源x(t)作用下的频响函数，y1(t)、y2(t)…yn(t)为不同CMS系统的输出指标，同时在模型中加入了由标准数据采集仪H(f)组成的物理系统，输出指标为y(t)，并参与后续的计算和转换关系推导。
3)依据图3建立的多物理系统频响函数模型，有两种思路推导不同CMS系统输出指标的转换关系，两种思路具体过程如下：
第一种思路无需标准数据采集仪H(f)，直接在同源条件下推导不同CMS系统之间输出指标的转换关系，具体步骤如下：
以某两个厂家CMS系统输出指标数y1(t)、y2(t)为例，
Y1(f)＝H1(f)X(f) (6)
Y2(f)＝H2(f)X(f) (7)
由公式(6)和公式(7)可得：
Figure BDA0003227230720000081
结合公式(8)，将CMS系统2输出指标转换到CMS系统1标准下，可表示为：
Figure BDA0003227230720000082
式中，Y1(f)和Y2(f)是相同测试环境下CMS系统1和CMS系统2输出指标的频域表示，Y2现场实测(f)是CMS系统2现场测试结果的频域表示，Y2转换为1(f)是CMS系统2现场测试结果转换到CMS系统1标准下的频域表示。
公式(9)中包含了时域和频域输出指标，后续为了和高阶数据拟合方法融合，需要将时域和频域结果分开计算。
第二种思路是利用标准采集仪H(f)，在同源条件下推导不同CMS系统输出指标的转换关系，
具体步骤如下：
以标准数据采集仪输出y(t)和某一CMS系统输出指标yn(t)为例，
Y(f)＝H(f)X(f)
Figure BDA0003227230720000091
在同源激励下可以得到某一CMS系统输出指标yn(t)的表达公式，如公式(11)，
Figure BDA0003227230720000092
由公式(11)可得：
Figure BDA0003227230720000093
将公式(12)融入到CMS系统1和CMS系统2中可得：
Figure BDA0003227230720000094
式中，Y1(f)和Y2(f)是相同测试环境下CMS系统1和CMS系统2输出指标的频域表示，Y2现场实测(f)是CMS系统2现场测试结果的频域表示，Y2转换为1(f)是CMS系统2现场测试结果转换到CMS系统1标准下的频域表示。
对比公式(9)和公式(13)发现：在同源激励下两种思路推导的不同CMS系统之间输出指标的转换关系一致，故基于物理系统频响函数理论的不同CMS系统输出指标转换关系可用公式(9)或公式(13)表示。
如图4所示，利用平均统计方法融合高阶数据拟合模型和基于物理系统频响函数建立的不同CMS系统输出指标的转换关系，提出一种全新的不同CMS系统输出指标(数据)的转换方法，具体包括：
1)针对数据拟合过程中公式(1)，将自变量Xi替换为B/C/D厂家CMS系统现场实测结果(即输出指标)，此时公式(1)就是B/C/D厂家CMS系统输出指标转换到A厂家CMS系统标准下的计算公式；
2)在两种数据转换方法融合时，需要将时域和频域分开进行融合，时域计算时公式(1-1) 无需变换，但公式(9)或公式(13)需要通过傅里叶反变换变换到时域，如公式(14)所示，频域计算时可直接对公式(1-2)和公式(9)或公式(13)进行融合：
Figure BDA0003227230720000095
3)利用平均统计方法对公式(1)和公式(9)或公式(13)进行融合计算，提出一种全新的不同CMS系统输出指标(数据)转换方法：
Figure BDA0003227230720000101
式中，Y(t)和Y(f)是根据全新的两种方法融合后的输出指标(数据)转换方法得到的时域和频域输出指标，Y数据拟合(t)和Y数据拟合(f)是利用高阶数据拟合模型得到的时域和频域输出指标，Y频响函数理论(f)是基于物理系统频响函数理论建立的不同CMS系统输出指标转换关系下的频域输出指标。

Claims (7)

1.风电机组CMS系统性能比对和数据转换方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：在相同测试环境下对不同厂家CMS系统的试验性能进行比对，包括前端采集硬件比对和后处理软件输出结果比对；
步骤S2：依据不同厂家CMS系统试验性能比对结果，提出一种不同厂家CMS系统输出指标转换方法，所述方法结合了数据拟合模型和基于物理系统频响函数理论建立的数据转换关系。
2.根据权利要求1所述的风电机组CMS系统性能比对和数据转换方法，步骤S2的具体过程，包括以下步骤：
步骤C1：确定不同厂家CMS系统待评价的输出指标，包括时域和频域参量；
步骤C2：采用高阶拟合的数据处理方法，建立不同厂家CMS系统输出指标的数据拟合模型；
步骤C3：依据物理系统频响函数理论，建立相同测试环境下不同厂家CMS系统的数据采集模型，并得到不同厂家CMS系统输出指标的转换关系；
步骤C4：结合数据拟合模型和基于物理系统频响函数理论的不同厂家CMS系统输出指标的转换关系，提出一种全新的不同厂家CMS系统输出指标转换方法。
3.根据权利要求1所述的风电机组CMS系统性能比对和数据转换方法，其特征在于，所述前端采集硬件比对的具体过程，包括以下步骤：
步骤A1：在相同测试环境下，采用标准数据采集仪对前端采集硬件进行数据采集，测试工况包括并网初期阶段、变速变功率阶段和额定满发功率阶段；
步骤A2：根据采集结果，分别比对加速度和速度的情况，时域比对指标包括有效值、峰峰值、方差和峭度；频域比对指标包括特征频率和频谱变化趋势。
4.根据权利要求1所述的风电机组CMS系统性能比对和数据转换方法，其特征在于，所述后处理软件输出结果比对的具体过程，包括以下步骤：
步骤B1：收集相同测试环境下不同厂家CMS系统输出的振动结果，测试工况包括定速定载工况和变速变载工况；
步骤B2：根据不同厂家CMS系统输出的振动结果，分别比对加速度和速度的情况，时域比对指标包括有效值和峰峰值；频域比对指标包括特征频率、倍频和包络情况；
步骤B3：从各厂家CMS系统后处理软件功能性差异的角度，对比不同厂家CMS系统的软件设置和结果计算设置。
5.根据权利要求3所述的风电机组CMS系统性能比对和数据转换方法，其特征在于，所述前端采集硬件比对的测点包括主轴承、齿轮箱内齿圈和发电机驱动端，所述主轴承采用低频加速度传感器；所述齿轮箱内齿圈和发电机驱动端采用普频加速度传感器。
6.根据权利要求4所述的风电机组CMS系统性能比对和数据转换方法，其特征在于，所述后处理软件输出结果比对的测点包括主轴承、齿轮箱输入端、齿轮箱内齿圈、齿轮箱高速输出端、齿轮箱低速输出端、发电机驱动端和发电机非驱动端，所述主轴承和齿轮箱输入端采用低频加速度传感器；所述齿轮箱内齿圈、齿轮箱高速输出端、齿轮箱低速输出端、发电机驱动端和发电机非驱动端采用普频加速度传感器。
7.根据权利要求1 或2或3或4所述的风电机组CMS系统性能比对和数据转换方法，其特征在于，所述相同测试环境包括同一试验台、同一测试风电机组、相同测点位置和同种测试工况。
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