CN213392511U - 一种风电场电气设备状态监测与智能决策系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种风电场电气设备状态监测与智能决策系统，属于风电场电气设备状态监测与智能决策技术领域。系统基于“信号集中传输，设备分层配置”的原则进行三层级的开放型结构设计，包含站控层、中继层及设备层；设备层监测单元对各光伏电气设备采集，并传输至中继层的主IED中，主IED将信号传输至站控层的在线监测综合处理单元；站控层在线监测综合处理单元一方面将信号转发至状态监测主站，另一方面将监测单元的预警信号传输至AI特种飞行机器人实现二次报警确认巡检工作；系统设备层除常规直流主工作电源外，引入光伏辅助工作电源，在实现节能降耗的同时也可以达到提升设备供电可靠性的目的。

Description

一种风电场电气设备状态监测与智能决策系统

技术领域

本实用新型涉及一种风电场电气设备状态监测与智能决策系统，属于风电场电气设备状态监测与智能决策技术领域。

背景技术

对风电场的电气设备进行智能化状态监测，实现对故障点、隐患点及缺陷点的实时定位和准确判别具有以下优点：（1）实现有针对性、有计划的现场核验和消缺，大幅降低运维人员以往“无差别”的核验工作量，提高运检效率；（2）多级部署，分级管控，实现电站运维考核精确量化；（3）对风电场的发电量进行预测，为电力部门调度决策提供基础数据；（4）依据所积累的故障数据库制定最优的运检规程，减少人员培训成本。总之，风电场电气设备状态监测与智能决策系统的应用可最大限度减少设备故障导致的发电量隐性损失，使得风电场设备在全寿命周期内始终处于最佳发电状态，实现收益最大化。

目前，针对风电场电气设备的状态监测方式，国内已有诸多专利报道：基于特征声学频谱，专利《一种风力发电机组远程噪声监听系统》（专利公开号：CN 204405180 U）提出了一种含音频采集装置、光纤数据传输系统、多通道音频播放器和监听耳机装置的噪声故障监听系统，该系统较传统就地监听避免了高空作业、巡视复杂等缺点，但是故障监听严重依赖于运维人员的工作经验和听觉，误诊率高；专利《一种风电叶片在线实时动态监测装置》（专利公开号：CN 205370861 U）提出一种评估叶片全寿命周期和损伤早期预警的实时监测装置，该装置装设叶片应变和振动监测模块实现动态监测功能，具有结构监测、环境适应性强等优点，但其应变和振动监测模块需装设补偿装置以提高监测精度，增加了系统复杂程度；专利《一种风力发电机齿轮箱故障预警系统》（专利公开号：CN 106441873 A）提出了一种由数据采集、数据处理、故障预警及数据显示模块组成的齿轮箱故障预警系统，该系统将人工智能算法与故障检测结合，将有效特征参考量和标准特征参考量在专家库中进行遍历，最终输出预警结论，但专家库数据样本量不足会影响预警精度，不适用于分散式风电项目监测；专利《一种风电机组健康状态实时评估方法》（专利公开号：CN 106446540 A）基于聚类技术对风电机组标准运行工况进行划分，并建立其标准状态云模型，然后采用云式聚类方法对实际运行工况进行辨识，将辨识偏差指数作为健康状态评估依据，最后输出最优结论，大大提高了综合评估的准确性，但该算法引入时间窗获取实际运行工况，时间窗难以协调时间尺寸和辨识精度的矛盾。以上专利所述系统均基于风电场子设备层面进行设计，当前，国内尚未见针对风电场电气设备一体化状态监测和智能决策的专利报道。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足之处，本实用新型提供一种风电场电气设备状态监测与智能决策系统，基于三层级的开放型系统结构实现全站各层级设备同步状态监测和智能决策一体化，在保证便于后期风电场扩容和状态监测系统升级前提下，全面提升了风电场的智能化水平，为其全寿命周期安全、经济及稳定运行奠定基础。

本实用新型是通过如下技术方案实现的：一种风电场电气设备状态监测与智能决策系统，其特征在于：风电场电气设备状态监测与智能决策系统基于“信号集中传输，设备分层配置”的原则进行三层级的开放型结构设计，包含站控层、中继层及设备层；设备层监测单元对风电场设备采集，并传输至中继层的主IED中，主IED将信号传输至站控层的在线监测综合处理单元；站控层在线监测综合处理单元一方面将信号转发至状态监测主站供信息处理和智能决策用，另一方面将监测单元的预警信号传输至AI特种飞行机器人，实现AI特种飞行机器人的二次报警确认巡检工作。

进一步的，所述中继层为各设备的智能电子装置，包括组件发电机主IED、叶片主IED、齿轮箱主IED、主轴轴承主IED、箱变主、及集电线路主IED；所述的在线监测综合处理单元有7个以太网口和1个5G通信模块分别与所述的状态监测主站、发电机主IED、叶片主IED、齿轮箱主IED、主轴轴承主IED、箱变主IED、集电线路主IED及AI特种飞行机器人相连，构成风电场电气设备状态监测与智能决策系统的数据采集与控制通道。

进一步的，所述设备层为各子设备的状态监测单元和工作电源，状态监测单元包括轴电流监测单元、轴电压监测单元、变速箱振动监测单元、主轴转速监测单元、振动加速度监测单元、齿轮箱温度监测单元、压力监测单元、齿轮箱振动监测单元、主轴温度监测单元、局放监测单元、温湿度监测单元、电缆接头温度监测单元、电缆接头环流监测单元及电缆接头局放监测单元；所述的轴电流监测单元、轴电压监测单元、变速箱振动监测单元以及主轴转速监测单元连接发电机主IED，所述的振动加速度监测单元连接叶片主IED，所述的齿轮箱温度监测单元、压力监测单元和齿轮箱振动监测单元连接齿轮箱主IED，所述的主轴温度监测单元连接主轴轴承主IED，所述的局放监测单元和温湿度监测单元连接箱变主IED，所述的电缆接头温度监测单元、电缆接头环流监测单元和电缆接头局放监测单元连接集电线路主IED，所述的工作电源为直流主工作电源和光伏发电辅助工作电源两部分，两电源接于同一直流母线，直流主工作电源作为各状态监测单元和主IED的主要供电电源，光伏辅助工作电源作为辅助供电电源，实现直流母线双电源供电。

进一步的，所述状态监测主站选用东田ipc610L型工控机；所述在线监测综合处理单元选用武汉利捷的HSJ-III综合处理单元；所述AI特种飞行机器人为具备自主智能巡检、智能数据实时监测及准确隐患预警功能的扩博博云全自动巡检机器人。

进一步的，所述的状态监测主站集成状态监测大数据云，通过聚类算法划分最小、最优数据，并进行风电场健康状态ANN人工神经网络专家库的评估与智能决策决策，可针对所述AI特种飞行机器人发出二次报警确认巡检指令。

进一步的，所述的状态监测主站内置AI处理算法，具有自动标注疑似缺陷和损坏程度、自动拼接完成叶片图片、自动定位缺陷位置及尺寸及自动生成诊断报告功能。

进一步的，所述发电机主IED型号为MAX1133型；所述叶片主IED型号为MSP430F135IPM型；所述齿轮箱主IED型号为COMWAY WRC-616；所述主轴轴承主IED型号为SCADA；所述箱变主IED型号为主IED型号为SPM-2/TIC；所述集电线路主IED型号为SPM-2/LIC。

进一步的，所述的轴电流监测单元型号为CHB-25NP霍尔电流传感器；所述的轴电压监测单元型号为CHV-25P霍尔电压传感器；所述的变速箱振动监测单元型号为北京东方振动和噪声技术研究所生产的INV9828低频加速度传感器；所述的主轴转速监测单元型号为上海OMKQN泸工集团生产制造的LJ30A3-15-Z/BX型接近开关；所述的振动加速度监测单元为LIS344ALH加速度传感器；所述的齿轮箱温度监测单元型号为PT100型；所述的压力监测单元型号为HDA4400型；所述的齿轮箱振动监测单元型号为YD-010型；所述的主轴温度监测单元型号为PT100型；所述的局放监测单元型号为西安德兰电子科技有限公司生产的DL-PDM3000型；所述的温湿度监测单元型号为休普电子技术有限公司生产的SP1201型；所述的电缆接头温度监测单元型号为扬州中瑞电气有限公司ZR206型；所述的电缆接头环流监测单元型号为杭州高电科技有限公司生产的CT5732型；所述的电缆接头局放监测单元型号为陕西公众智能科技有限公司生产的GZPD-01HC型。

本实用新型的有益效果是：本实用新型系统基于“信号集中传输，设备分层配置”的原则进行三层级的开放型结构设计，在使得全站状态监测主通讯网协议统一的前提下，亦可保证后期风电场扩容和状态监测系统升级的便利性；本实用新型系统站控层在线监测综合处理单元强制性协议约定和开放式端口满足了状态监测主站、全站设备层各设备主IED和第三方特种飞行机器人的无缝接入，全站一体化监测数据（含发电机、叶片、齿轮箱、主轴轴承、箱变及集电线路等其他设备监测数据）经大数据和ANN专家库的评估与智能决策后，可下发控制指令至AI特种飞行机器人，实现故障的报警确认巡检工作；本实用新型系统设备层除常规直流主工作电源外，引入光伏辅助工作电源，在实现节能降耗的同时也可以达到提升设备供电可靠性的目的；本实用新型系统对提高风电场发电量、巡检效率及智能化运维水平有着积极的推动作用。

附图说明

下面根据附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的结构原理框图。

具体实施方式

如图1所示的一种风电场电气设备状态监测与智能决策系统，其特征在于：风电场电气设备状态监测与智能决策系统为三层级开放型系统结构，包括站控层、中继层和设备层，设备层监测单元对电气设备各类状态量进行采集，并将所采集的信号转化为数字信号传输至中继层的主IED中，中继层为各电气设备的主IED，主IED接收设备层数据并转换为满足通讯规约要求的数字信号，该信号经以太网传输至站控层的在线监测综合处理单元；在线监测综合处理单元为各类信号的枢纽，一方面将信号转发至状态监测主站供信息显示和状态智能分析处理用，另一方面将监测单元的预警信号传输至AI特种飞行机器人实现二次报警确认巡检工作。

进一步的，所述中继层为各设备的智能电子装置，包括组件发电机主IED、叶片主IED、齿轮箱主IED、主轴轴承主IED、箱变主、及集电线路主IED；所述的在线监测综合处理单元有7个以太网口（IEC 61850通讯规约）和1个5G通信模块分别与所述的状态监测主站、发电机主IED、叶片主IED、齿轮箱主IED、主轴轴承主IED、箱变主IED、集电线路主IED及AI特种飞行机器人相连，构成风电场电气设备状态监测与智能决策系统的数据采集与控制通道。

进一步的，所述设备层为各子设备的状态监测单元和工作电源，状态监测单元包括轴电流监测单元、轴电压监测单元、变速箱振动监测单元、主轴转速监测单元、振动加速度监测单元、齿轮箱温度监测单元、压力监测单元、齿轮箱振动监测单元、主轴温度监测单元、局放监测单元、温湿度监测单元、电缆接头温度监测单元、电缆接头环流监测单元及电缆接头局放监测单元；所述的轴电流监测单元、轴电压监测单元、变速箱振动监测单元以及主轴转速监测单元连接发电机主IED，所述的振动加速度监测单元连接叶片主IED，所述的齿轮箱温度监测单元、压力监测单元和齿轮箱振动监测单元连接齿轮箱主IED，所述的主轴温度监测单元连接主轴轴承主IED，所述的局放监测单元和温湿度监测单元连接箱变主IED，所述的电缆接头温度监测单元、电缆接头环流监测单元和电缆接头局放监测单元连接集电线路主IED，所述的工作电源为直流主工作电源和光伏发电辅助工作电源两部分，两电源接于同一直流母线，直流主工作电源作为各状态监测单元和主IED的主要供电电源，光伏辅助工作电源作为辅助供电电源，实现直流母线双电源供电。

进一步的，所述状态监测主站选用东田ipc610L型工控机；所述在线监测综合处理单元选用武汉利捷的HSJ-III综合处理单元；所述AI特种飞行机器人为具备自主智能巡检、智能数据实时监测及准确隐患预警功能的扩博博云全自动巡检机器人。

进一步的，所述的状态监测主站集成状态监测大数据云，通过聚类算法划分最小、最优数据，并进行风电场健康状态ANN人工神经网络专家库的评估与智能决策决策，可针对所述AI特种飞行机器人发出二次报警确认巡检指令。

进一步的，所述的状态监测主站内置AI处理算法，具有自动标注疑似缺陷和损坏程度、自动拼接完成叶片图片、自动定位缺陷位置及尺寸及自动生成诊断报告功能。

进一步的，所述发电机主IED型号为MAX1133型；所述叶片主IED型号为MSP430F135IPM型；所述齿轮箱主IED型号为COMWAY WRC-616；所述主轴轴承主IED型号为SCADA；所述箱变主IED型号为主IED型号为SPM-2/TIC；所述集电线路主IED型号为SPM-2/LIC。

进一步的，所述的轴电流监测单元型号为CHB-25NP霍尔电流传感器；所述的轴电压监测单元型号为CHV-25P霍尔电压传感器；所述的变速箱振动监测单元型号为北京东方振动和噪声技术研究所生产的INV9828低频加速度传感器；所述的主轴转速监测单元型号为上海OMKQN泸工集团生产制造的LJ30A3-15-Z/BX型接近开关；所述的振动加速度监测单元为LIS344ALH加速度传感器；所述的齿轮箱温度监测单元型号为PT100型；所述的压力监测单元型号为HDA4400型；所述的齿轮箱振动监测单元型号为YD-010型；所述的主轴温度监测单元型号为PT100型；所述的局放监测单元型号为西安德兰电子科技有限公司生产的DL-PDM3000型；所述的温湿度监测单元型号为休普电子技术有限公司生产的SP1201型；所述的电缆接头温度监测单元型号为扬州中瑞电气有限公司ZR206型；所述的电缆接头环流监测单元型号为杭州高电科技有限公司生产的CT5732型；所述的电缆接头局放监测单元型号为陕西公众智能科技有限公司生产的GZPD-01HC型。

本实施例的一个具体应用为：当某风电机组叶片异常振动时，由LIS344ALH加速度传感器（振动加速度单元）将监测信号转换并送至MSP430F135IPM型叶片主IED。叶片主IED再进一步将接收到的监测信号进行二次处理并经以太网（IEC 61850通讯规约）传输至HSJ-III型综合处理单元中，综合处理单元一方面将监测信号转发至状态监测主站（服务器）供信息处理和智能决策用，另一方面将接收到的控制指令经5G通信模块传输至AI特种飞行机器人。最终，AI特种飞行机器人按指令要求抵达所述风电机组进行二次报警确认巡检。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实例，并非来限制本实用新型实施范围,故凡依本实用新型申请专利范围所述的结构、特征及原理所作的任何简单修改、变更及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (3)

1.一种风电场电气设备状态监测与智能决策系统，其特征在于：风电场电气设备状态监测与智能决策系统为三层级开放型系统结构，包括站控层、中继层和设备层，设备层的监测单元对电气设备各类状态量进行采集，并将所采集的信号转化为数字信号传输至中继层的主IED中，中继层为各电气设备的主IED，主IED接收设备层数据并转换为满足通讯规约要求的数字信号，该信号经以太网传输至站控层的在线监测综合处理单元；在线监测综合处理单元为各类信号的枢纽，一方面将信号转发至状态监测主站供信息处理和智能决策用，另一方面将监测单元的预警信号传输至AI特种飞行机器人， AI特种飞行机器人进行二次报警确认巡检工作。

2.根据权利要求1所述的一种风电场电气设备状态监测与智能决策系统，其特征在于：所述中继层为各设备的智能电子装置，包括组件发电机主IED、叶片主IED、齿轮箱主IED、主轴轴承主IED、箱变主IED和集电线路主IED；所述的在线监测综合处理单元有7个以太网口和1个5G通信模块，在线监测综合处理单元分别与所述的状态监测主站、发电机主IED、叶片主IED、齿轮箱主IED、主轴轴承主IED、箱变主IED、集电线路主IED和AI特种飞行机器人相连，构成风电场电气设备状态监测与智能决策系统的数据采集与控制通道。

3.根据权利要求1所述的一种风电场电气设备状态监测与智能决策系统，其特征在于：所述设备层为各子设备的状态监测单元和工作电源，状态监测单元包括轴电流监测单元、轴电压监测单元、变速箱振动监测单元、主轴转速监测单元、振动加速度监测单元、齿轮箱温度监测单元、压力监测单元、齿轮箱振动监测单元、主轴温度监测单元、局放监测单元、温湿度监测单元、电缆接头温度监测单元、电缆接头环流监测单元和电缆接头局放监测单元；所述的轴电流监测单元、轴电压监测单元、变速箱振动监测单元以及主轴转速监测单元连接发电机主IED，所述的振动加速度监测单元连接叶片主IED，所述的齿轮箱温度监测单元、压力监测单元和齿轮箱振动监测单元连接齿轮箱主IED，所述的主轴温度监测单元连接主轴轴承主IED，所述的局放监测单元和温湿度监测单元连接箱变主IED，所述的电缆接头温度监测单元、电缆接头环流监测单元和电缆接头局放监测单元连接集电线路主IED，所述的工作电源包括直流主工作电源和光伏发电辅助工作电源两部分，直流主工作电源和光伏发电辅助工作电源接于同一直流母线，直流主工作电源作为各状态监测单元和主IED的主要供电电源，光伏辅助工作电源作为辅助供电电源，实现直流母线双电源供电。

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