CN215170542U

CN215170542U - 一种风力发电机早期故障诊断系统

Info

Publication number: CN215170542U
Application number: CN202120638529.1U
Authority: CN
Inventors: 朱建华; 张建军; 岳啸鸣; 许立长
Original assignee: Rundian Energy Science and Technology Co Ltd
Current assignee: China Resource Power Technology Research Institute
Priority date: 2021-03-29
Filing date: 2021-03-29
Publication date: 2021-12-14
Anticipated expiration: 2031-03-29

Abstract

本申请公开了一种风力发电机早期故障诊断系统，包括与风力发电机的转子连接的转子电流采集转换部件、与定子连接的定子电流采集转换部件以及与定子连接的定子电压采集转换部件，还包括同时与以上三个部件连接的信号处理部件，信号处理部件用于计算定子电流最大幅值位置对应频率f_s和转子电流最大幅值位置对应频率f_r，并每隔预设间隔提取定子电流(f_r‑2f_s±0.2)Hz和转子电流(2f_r‑f_s±0.2)Hz附近的频率分量，信号处理部件还连接至故障预警部件，用于当(f_s‑2f_r)/f_r>0.4％时，发出转子匝间短路故障预警信号，且当(2f_r‑f_s)/f_r>0.2％时，发出定子匝间短路故障预警信号，实现早期故障诊断。

Description

一种风力发电机早期故障诊断系统

技术领域

本实用新型涉及风电场风机监测技术领域，更具体地说，涉及一种风力发电机早期故障诊断系统。

背景技术

在电力系统中，随着风力发电厂的大量应用，出现了越来越多的涉及风力发电机的故障事件，故障发生后需要停电维修，这就给风力发电机的安全性造成不利影响，同时增加了风电场的维护成本。目前的风力发电机故障监测预警利用的是已有的故障监测系统，这种系统只有在故障变得较为严重后才能够发现，而无法对风力发电机早期的轻微故障进行预警，可见，这不利于风力发电机的早期维护。而且，现有的风力发电机在线监测系统多是针对振动和非电量做出预警，较少采用电气量，这主要是因为电气量的故障诊断所需的数据量非常大，导致无法利用现有的传输通道来传输数据。综合而言，现有的监测系统无法满足电力系统安全领域对于故障的早发现、早治理的要求，不利于电力系统的长期安全和稳定。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种风力发电机早期故障诊断系统，能够在低成本的基础上，进行风力发电机的早期故障预警，便于及时处理故障，降低因风力发电机组停机造成的设备损失。

本实用新型提供的一种风力发电机早期故障诊断系统，包括与风力发电机的转子连接的转子电流采集转换部件、与所述风力发电机的定子连接的定子电流采集转换部件以及与所述风力发电机的定子连接的定子电压采集转换部件，还包括同时与以上三个部件连接的信号处理部件，所述信号处理部件用于计算定子电流最大幅值位置对应频率f_s和转子电流最大幅值位置对应频率f_r，并每隔预设间隔提取定子电流(f_r-2f_s±0.2)Hz和转子电流(2f_r-f_s±0.2)Hz附近的频率分量，所述信号处理部件还连接至故障预警部件，用于当(f_s-2f_r)/f_r>0.4％时，发出转子匝间短路故障预警信号，且当(2f_r-f_s)/f_r>0.2％时，发出定子匝间短路故障预警信号。

优选的，在上述风力发电机早期故障诊断系统中，所述故障预警部件设置于监控后台上。

优选的，在上述风力发电机早期故障诊断系统中，所述信号处理部件利用光纤传输至LoRa发射部件，所述LoRa发射部件用于发射无线信号至所述故障预警部件。

优选的，在上述风力发电机早期故障诊断系统中，还包括设置于所述LoRa发射部件和所述故障预警部件之间的LoRa接收部件，所述LoRa接收部件用于汇集所述LoRa发射部件发射的无线信号并传输给所述故障预警部件。

优选的，在上述风力发电机早期故障诊断系统中，所述LoRa接收部件和所述故障预警部件之间还依次连接有调制器、信号注入器和架空线，所述调制器用于对所述无线信号重新组合和加密，所述信号注入器用于将所述无线信号转变为模拟信号并注入到所述架空线中。

优选的，在上述风力发电机早期故障诊断系统中，所述架空线和所述故障预警部件之间还连接有滤波器，用于将所述模拟信号中的非关注频段信号滤除。

优选的，在上述风力发电机早期故障诊断系统中，所述滤波器和所述故障预警部件之间还具有解调器，用于对所述模拟信号进行加码。

优选的，在上述风力发电机早期故障诊断系统中，所述解调器所述故障预警部件之间还具有服务器，所述解调器和所述服务器之间利用光纤连接。

优选的，在上述风力发电机早期故障诊断系统中，所述服务器和所述故障预警部件之间还连接有防火墙。

优选的，在上述风力发电机早期故障诊断系统中，所述防火墙和所述故障预警部件之间还连接有以太网交换机，用于将转差附近的频率分量信号传输到以太网上。

从上述技术方案可以看出，本实用新型所提供的上述风力发电机早期故障诊断系统，由于包括与风力发电机的转子连接的转子电流采集转换部件、与所述风力发电机的定子连接的定子电流采集转换部件以及与所述风力发电机的定子连接的定子电压采集转换部件，还包括同时与以上三个部件连接的信号处理部件，所述信号处理部件用于计算定子电流最大幅值位置对应频率f_s和转子电流最大幅值位置对应频率f_r，并每隔预设间隔提取定子电流(f_r-2f_s±0.2)Hz和转子电流(2f_r-f_s±0.2)Hz附近的频率分量，所述信号处理部件还连接至故障预警部件，用于当(f_s-2f_r)/f_r>0.4％时，发出转子匝间短路故障预警信号，且当(2f_r-f_s)/f_r>0.2％时，发出定子匝间短路故障预警信号，可见这种方案采集的是电气量，而且每隔预设间隔进行采集，避免数据量过大，通过对电气量的分析能够在故障早期就能发现，因此能够在低成本的基础上，进行风力发电机的早期故障预警，便于及时处理故障，降低因风力发电机组停机造成的设备损失。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的一种风力发电机早期故障诊断系统的实施例的示意图；

图2为一个具体的风力发电机早期故障诊断系统的示意图；

图3为本申请实施例采用的电压互感器的示意图；

图4为本申请实施例采用的采样保持回路的示意图；

图5为本申请实施例采用的比较器的示意图；

图6为本申请实施例采用的供电回路的示意图；

图7为本申请实施例提供的一个具体连接方式的示意图；

图8为本申请实施例提供的另一个具体连接方式的示意图；

图9为汇集线后端载波通信连接示意图；

图10为风力发电机早期故障诊断系统的一个优选实施例的示意图。

具体实施方式

本实用新型的核心是提供一种风力发电机早期故障诊断系统，能够在低成本的基础上，进行风力发电机的早期故障预警，便于及时处理故障，降低因风力发电机组停机造成的设备损失。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供的一种风力发电机早期故障诊断系统的实施例如图1所示，图1为本实用新型提供的一种风力发电机早期故障诊断系统的实施例的示意图，该系统包括与风力发电机的转子连接的转子电流采集转换部件1、与风力发电机的定子连接的定子电流采集转换部件2以及与风力发电机的定子连接的定子电压采集转换部件3，还包括同时与以上三个部件连接的信号处理部件4，信号处理部件4用于计算定子电流最大幅值位置对应频率f_s和转子电流最大幅值位置对应频率f_r，并每隔预设间隔提取定子电流(f_r-2f_s±0.2)Hz和转子电流(2f_r-f_s±0.2)Hz附近的频率分量，信号处理部件4还连接至故障预警部件5，用于当(f_s-2f_r)/f_r>0.4％时，发出转子匝间短路故障预警信号，且当(2f_r-f_s)/f_r>0.2％时，发出定子匝间短路故障预警信号。

具体的，可以参考图2，图2为一个具体的风力发电机早期故障诊断系统的示意图，可见图2中的第一个回路201即转子电流采集转换部件，其连接至风机转子电缆，第二个回路202即定子电流采集转换部件，其连接至风机定子电缆，第三个回路203即定子电压采集转换部件，其连接至风机定子电压回路，利用这些回路采集的各种信号统一到达DSP204收集，这个DSP即一个具体的信号处理部件的例子，其由一个供电回路供电，并且通过通信接口连接到其他部件，此处不再赘述，其中采用的电压互感器的回路可以如图3所示，图3为本申请实施例采用的电压互感器的示意图，其主要功能是将100V或690V的较高电压转化为5V模拟电压信号，主要由降压变压器、分压电阻1、分压电阻2、隔直电容、稳压二极管组成，其中，分压电阻起到将降压变压器的次级绕组电压进行分压作用，隔直电容的作用是将交流信号中的直流分量进行滤除，稳压二极管作用主要是将回路中暂态过电压进行滤除，避免输出信号中含有高频和冲击电压，造成低压模拟和数字回路损坏。其中采用的采样保持电路可以如图4所示，图4为本申请实施例采用的采样保持回路的示意图，采样保持回路的电源采用12V供电，由分压电阻供给运算放大的电压主要用于运算放大器调零使用，采样保持回路主要由两个高性能的运算放大器和一个构成跟随器组成，利用保持电容和电子控制的采样开关，对模拟输入信号实现采样和保持的功能。其中采用的比较器可以如图5所示，图5为本申请实施例采用的比较器的示意图，该100V二次电压信号经电阻R₁、R₂分压、电阻R₄限流后送给运算放大器，该比较器电路为过零比较器回路，输出工频方波信号，R₃、R₅、R₆、R₇、R₈均为电阻，D₁为二极管。其中采用的供电回路可以如图6所示，图6为本申请实施例采用的供电回路的示意图，该电源供电回路的主要作用是将交流220V电源换化为稳定的12V直流电源，供电回路主要分为直流部分和交流部分，直流部分由充电回路、电池、整流环节、常开触点组成。电源供电回路的主要优点有保证电源电量始终充足，当电池电量不足时，检测到电量不足，充电回路投入，对电池进行充电，直至电量充足为止，当电量满充足时，切除充电回路，避免电量过充，还能提高回路的供电可靠性，当交流回路发生故障时，实时电压低于196V时，电压继电器动作，断开交流回路的常开触点，同时闭合电池整流环节的直流供电回路，这样可以在交流回路故障情况下，不影响回路正常用电，提高整个监测系统的供电可靠性。该电源供电回路将电压继电器加入供电切换回路中，简化了电压切换逻辑，将一次和二次部分合二为一，简化了切换回路的复杂性。该供电回路正常运行时，由交流电源供电，常闭触点闭合，常开触点断开，当交流电源发生故障，电压降低至196V时，继电器断开，常闭触点断开，交流电源被断开，直流支路的常开触点闭合，直流回路投入，装置由直流回路供电。

还需要说明的是，转子电流采集转换部件1能够将转子的电流进行采集，并且完成电气量到数字量的转换，定子电流采集转换部件2能够将定子的电流进行采集，并且完成电气量到数字量的转换，定子电压采集转换部件3能够将定子的电压进行采集，并且完成电气量到数字量的转换，其中，风机的定子电流和转子电流的傅里叶分析计算结果对应的计算步骤如下所示：

假如风机定子电流输出的数字量为：

i_d＝[i_d(1)i_d(2)…i_d(k)…i_d(n)] (1)

其中：i_d为风机定子电流，k为第k个采样点，n为第n个采样点。

对风机定子电流做傅里叶变换，对应形式如下所示：

其中：m为频域的采样点数，W＝exp(-i2Π/n)；i为虚数单位，F_id为定子电流的频域变量。

取公式(2)中前部分的计算结果：

F_idb＝[F_id(0)F_id(1)…F_id(k)…F_id(n/2)] (3)

对应频率的序列计算方法为：

f＝fsn[0,1,…k,…,n/2] (4)

令式(4)中f为横坐标，F_idb为纵坐标，可以得出定子电流的傅里叶分析结果。

同样的步骤，可以计算得出转子电流的傅里叶计算结果。

对式(3)中定子电流的F_idb做取最大值运算，得出对应的最大值F_idb(max)，同时得出F_idb(max)对应的序列位置k_dmax，计算出频率中k_max对应值，即：

f(k_dmax)＝f_r (5)

同样的步骤，得出风机转子电流最大幅值位置对应频率f_s；

f(k_zmax)＝f_s (6)

其中：k_zmax为转子电流最大值对应的位置。

通过DSP模块计算出定子电流中(f_r-2f_s)频率分量的幅值和转子电流中(2f_r-f_s)频率分量，提取风机定子电流(f_r-2f_s±0.2)Hz和转子电流(2f_r-f_s±0.2)Hz附近的频率分量，计算出频率信号分量为每隔预设间隔取一个点，该间隔可优选为60s，这样就能够避免数据传输量过大，上述DSP能够在较低输送数据量的基础上实现该功能，可以与目前的监控通道兼容，不必新建通信通道，节省建造成本。

从上述技术方案可以看出，本实用新型所提供的上述风力发电机早期故障诊断系统的实施例中，由于包括与风力发电机的转子连接的转子电流采集转换部件、与风力发电机的定子连接的定子电流采集转换部件以及与风力发电机的定子连接的定子电压采集转换部件，还包括同时与以上三个部件连接的信号处理部件，信号处理部件用于计算定子电流最大幅值位置对应频率f_s和转子电流最大幅值位置对应频率f_r，并每隔预设间隔提取定子电流(f_r-2f_s±0.2)Hz和转子电流(2f_r-f_s±0.2)Hz附近的频率分量，信号处理部件还连接至故障预警部件，用于当(f_s-2f_r)/f_r>0.4％时，发出转子匝间短路故障预警信号，且当(2f_r-f_s)/f_r>0.2％时，发出定子匝间短路故障预警信号，可见这种方案采集的是电气量，而且每隔预设间隔进行采集，避免数据量过大，通过对电气量的分析能够在故障早期就能发现，因此能够在低成本的基础上，进行风力发电机的早期故障预警，便于及时处理故障，降低因风力发电机组停机造成的设备损失。

在上述风力发电机早期故障诊断系统的一个具体实施例中，故障预警部件5可以设置于监控后台上。进一步的，上述实施例中的信号处理部件4可以利用光纤传输至LoRa发射部件，LoRa发射部件用于发射无线信号至故障预警部件。具体的可以参考图7，图7为本申请实施例提供的一个具体连接方式的示意图，图7中的信号处理部件4位于塔筒底部，其可以通过埋在地下电缆沟中的光纤穿过竖沟后连接到地面以上的LoRa发射部件701，然后发射无线信号至故障预警部件，通过DSP模块计算转差附近的频率信号分量信号，塔筒由于信号屏蔽效应比较强，通过光纤借用原有的电缆沟延伸至塔筒以外，然后设置专用的电缆竖沟，输出光纤回路，延伸至地面以上后，通过LoRa发射部件输出至远端，这种连接方式更能适应风力发电机所处的环境，当然还可以采用其他方式，此处并不限制。

更进一步的，还可以如图8所示，图8为本申请实施例提供的另一个具体连接方式的示意图，其中，可以包括设置于LoRa发射部件701和故障预警部件之间的LoRa接收部件801，LoRa接收部件801用于汇集LoRa发射部件701发射的无线信号并传输给故障预警部件。需要说明的是，每台风机就地端安装LoRa发射部件后，在汇集线处安装LoRa接收部件，就能够接收和汇总本汇集线所有的无线信号，这样能够进一步降低成本。

再进一步的，可以参考图9，图9为汇集线后端载波通信连接示意图，LoRa接收部件801和故障预警部件之间还可以依次连接有调制器901、信号注入器902和架空线903，调制器901用于对无线信号重新组合和加密，信号注入器902用于将无线信号转变为模拟信号并注入到架空线903中。在这种情况下，当汇集线将该条线路上的所有信号汇集后，通过LoRa接收部件汇集后，通过调制器重新组合和加密，再通过信号注入器形成模拟信号，注入到汇集线的架空线回路中。继续参考图9，架空线903和故障预警部件之间还可以连接有滤波器904，用于将模拟信号中的非关注频段信号滤除。再进一步的，滤波器904和故障预警部件之间还可以具有解调器905，用于对模拟信号进行加码。在这种情况下，就可以通过传输线的传导作用，通过滤波器将非关注的频段信号滤除，再通过解调器进行加码操作，通过光纤进行信号的传输。

在上述风力发电机早期故障诊断系统的一个优选实施例中，参考图10，图10为风力发电机早期故障诊断系统的一个优选实施例的示意图，其中，解调器和故障预警部件之间还可以具有服务器906，解调器905和服务器906之间利用光纤连接，进一步的，服务器906和故障预警部件之间还可以连接有防火墙907，而且，防火墙和故障预警部件之间还可以连接有以太网交换机908，用于将转差附近的频率分量信号传输到以太网上。上述故障预警部件设置在监控后台909内部，在这种情况下，多条汇集线经过长距离传输后，将信号通过光纤传输到服务器，服务器光纤经防火墙隔离后，再通过以太网交换机，将转差附近的频率信号分量信号传输到以太网上，再通过以太网连接到监控平台上，专业人员通过监控后台判断风机机组是否处于健康状态。当定子电流中(f_s-2f_r)分量幅值/f_r分量>0.4％时，判断转子匝间短路故障，否则的话，则认为转子处于健康状态；当转子电流中(2f_r-f_s)分量幅值/f_r分量>0.2％时，判读定子匝间短路故障，否则的话，则认为定子处于健康状态。

还需要说明的是，上述系统可以同时监测多台风机的健康状态，无需对原有的风电回路进行改造或新建，降低了系统建设的成本，且可以早期监测风电场的故障，有利于风电场早期的维护和诊断，降低了因风电机组停机造成的设备损失。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种风力发电机早期故障诊断系统，其特征在于，包括与风力发电机的转子连接的转子电流采集转换部件、与所述风力发电机的定子连接的定子电流采集转换部件以及与所述风力发电机的定子连接的定子电压采集转换部件，还包括同时与以上三个部件连接的信号处理部件，所述信号处理部件用于计算定子电流最大幅值位置对应频率f_s和转子电流最大幅值位置对应频率f_r，并每隔预设间隔提取定子电流(f_r-2f_s±0.2)Hz和转子电流(2f_r-f_s±0.2)Hz附近的频率分量，所述信号处理部件还连接至故障预警部件，用于当(f_s-2f_r)/f_r>0.4％时，发出转子匝间短路故障预警信号，且当(2f_r-f_s)/f_r>0.2％时，发出定子匝间短路故障预警信号。

2.根据权利要求1所述的风力发电机早期故障诊断系统，其特征在于，所述故障预警部件设置于监控后台上。

3.根据权利要求2所述的风力发电机早期故障诊断系统，其特征在于，所述信号处理部件利用光纤传输至LoRa发射部件，所述LoRa发射部件用于发射无线信号至所述故障预警部件。

4.根据权利要求3所述的风力发电机早期故障诊断系统，其特征在于，还包括设置于所述LoRa发射部件和所述故障预警部件之间的LoRa接收部件，所述LoRa接收部件用于汇集所述LoRa发射部件发射的无线信号并传输给所述故障预警部件。

5.根据权利要求4所述的风力发电机早期故障诊断系统，其特征在于，所述LoRa接收部件和所述故障预警部件之间还依次连接有调制器、信号注入器和架空线，所述调制器用于对所述无线信号重新组合和加密，所述信号注入器用于将所述无线信号转变为模拟信号并注入到所述架空线中。

6.根据权利要求5所述的风力发电机早期故障诊断系统，其特征在于，所述架空线和所述故障预警部件之间还连接有滤波器，用于将所述模拟信号中的非关注频段信号滤除。

7.根据权利要求6所述的风力发电机早期故障诊断系统，其特征在于，所述滤波器和所述故障预警部件之间还具有解调器，用于对所述模拟信号进行加码。

8.根据权利要求7所述的风力发电机早期故障诊断系统，其特征在于，所述解调器所述故障预警部件之间还具有服务器，所述解调器和所述服务器之间利用光纤连接。

9.根据权利要求8所述的风力发电机早期故障诊断系统，其特征在于，所述服务器和所述故障预警部件之间还连接有防火墙。

10.根据权利要求9所述的风力发电机早期故障诊断系统，其特征在于，所述防火墙和所述故障预警部件之间还连接有以太网交换机，用于将转差附近的频率分量信号传输到以太网上。