KR100954090B1 - 풍력발전설비 상태감시시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력발전설비의 주요장치에 대한 상태를 실시간 감시함으로써, 구조적 건강성 및 고장의 예측 분석이 가능하여 효율적인 풍력발전의 운영, 유지뿐만 아니라 이상징후의 조기발견 및 사고예방을 가능토록 하는 풍력발전설비 상태감시시스템에 관한 것이다.
즉, 풍력발전설비의 주요부위마다 설치되어지는 각종 센서들과; 상기 센서들로부터 전달된 데이터를 분석 및 처리하는 데이터 분석 및 처리 유닛(100)과; 상기 데이터 분석 및 처리 유닛(100)으로 부터 수신된 데이터를 원격 감시국 스테이션에서 데이터베이스화하고, 전용 프로그램에 의해 고장 진단 및 예측하게되며, 이를 모니터 등을 통해 표시하게되는 지상분석장비(200)로 구성되어지되,
상기 데이터 분석 및 처리 유닛(100)은,
구조물 건전성 분석, 예측이 필요한 곳에 장착되는 광섬유 브래그 격자 배열형 센서 (Fiber Bragg Grating), 변형게이지(Strain Gage), 로드셀(Load Cell) 등의 Sensor로 부터 신호를 입력 받아, 로터 블레이드(21), 허브(10), 메인샤프트(12)와 같은 축 부위와, 터빈 프레임(23), 타워(26)등의 구조물에 대한 구조 건전성에 대한 분석수행하고,
온도, 입자 검출(Debris Detection), 압력, 외부 환경(온도, 풍속 등)의 분석이 필요한 곳에 장착되는 온도계, 입자 검출장치(debris detection sensor), 압력계, 피토튜브(Pitot Tube)로 부터 신호를 입력받아, 유압 시스템(24), 브레이크 패드 및 브레이크 시스템(27), 커플링(14), 발전기(13) 등에 대한 상태 진단하며, 화재 감지, 냉각 시스템의 상태 신호 수집, 분석을 통한 진단 및 경고 신호를 전송하는 아날로그 처리유닛(103)과;
동력전달 및 동특성 분석이 필요한 곳에 장착되는 가속도계(Accelerometer), 속도변위계(Tachometer), 위치변위계(Potentiometer)로부터 신호를 입력받아, 기어박스(13)와; 메인샤프트(12)와 같은 축 부위와; 메인베어링(11), 요 베어링(25)과 같은 베어링 부위의 진동 상태에 대한 신호를 처리하여 각 구성품의 성능 건전성에 대한 분석 및 고장 탐구 수행하는 바이블레이션 어퀴지션 유닛(Vibration acquisition unit)(104)과;
상기 아날로그 처리유닛(103) 및 바이블레이션 어퀴지션 유닛(Vibration acquisition unit)(104)과 통신하여 상기 데이터 분석 및 처리 유닛(100)을 전반적으로 운영하며, 지상분석장비(200)와 통신하기 위한 모뎀(106)을 구동하는 디지털 처리유닛(102)로 구성되며,
상기 지상분석장비(200)은,
상기 데이터 분석 및 처리유닛(100)으로부터 신호를 수신하기 위한 통신모듈(201)과;
상기 통신모듈(201)에서 수신된 데이터들을 종합적으로 보관하기 위한 데이터베이스(203)와;
상기 통신모듈(201)에서 수신된 데이터들을 통해 각 주요부위에 대한 고장을 진단 및 예측하기 위한 고장진단 및 예측 프로그램(204)과;
상기 고장진단 및 예측 프로그램(204)에 의해 확인된 결과를 시각적으로 표시하기 위한 모니터(202)로 구성된 것을 특징으로 하는 풍력발전설비 상태감시시스템에 관한 것이다.
풍력발전, 상태감시, 데이터 분석, 데이터 처리, 통신모듈, 데이터베이스, 모뎀, 발전기.

Description

풍력발전설비 상태감시시스템{Health and usage monitoring system for wind turbine}
본 발명은 풍력발전설비의 주요장치에 대한 상태를 실시간 감시함으로써, 구조적 건강성 및 고장의 예측 분석이 가능하여 효율적인 풍력발전의 운영, 유지뿐만 아니라 이상징후의 조기발견 및 사고예방을 가능토록 하는 풍력발전설비 상태감시시스템에 관한 것이다.
풍력발전이란 공기의 운동에너지를 기계적 에너지로 변환시키고 이로부터 전기를 얻는 기술을 말하는 것으로, 풍력발전의 원리는 공기역학에 의해 날개처럼 생긴 로터(Rotor)가 돌아가면서 발생하는 기계적 운동에너지를 발전기를 통해 전기에너지로 변환하는 것을 말한다.
풍력발전시스템은 기계장치부, 전기장치부, 제어장치부로 구성되는데, 먼저 기계장치부는 바람으로부터 회전력을 생산하는 로터 블레이드(Rotor blade)와, 이를 적정속도로 변환하는 증속기(Gear Box)와, 제속기(Blake) 등으로 구성되며,
전기장치부는 발전기 및 기타 안정된 전력을 공급토록 하는 전력 안정화 장치로 구성되고, 제어장치부는 풍력발전기가 무인 운전이 가능토록 설정, 운영하는 제어시스템(Control System) 및 원격지 제어장치로 구성된다.
도 1은 풍력발전설비의 기본 구성도로서,
로터블레이드(미도시함)가 결합된 허브(10)는 메인베어링(11)에 의해 메인샤프트(12)가 수평 지지되며, 상기 메인샤프트(12)의 후단에는 기어박스(13)가 연결되고, 상기 기어박스(13)는 동력전달을 단속하기 위한 커플링(14)을 사이에 두고 발전기(15)에 연결된다.
따라서, 로터블레이드(미도시함)의 회전력은 상기 기어박스(13)를 거쳐 발전기(15)에 전달되며, 상기 발전기(15)에서는 회전력에 의한 운동에너지가 전기에너지로 변환됨으로써, 변전소나 수용가에 공급할 수 있게되는 것이다.
풍력발전설비를 효율적으로 운영하기 위해서는, 발전기가 완전 자동으로 작동되도록 전체 시스템이 제어하고 운영되는 것이 바람직할 것이다.
또한, 풍력발전설비의 효율을 더욱 증대시키기 위해서는 에너지 변환 효율이 최대가 되도록 제어 시스템이 동작해야 하는데, 풍력발전설비를 제어하고 운영하는데 있어서 반드시 고려되어야할 사항은 신뢰성의 문제이다.
즉, 기술적 오동작 또는 환경적 요인에 의한 위험 상황은 검출되어야 하고, 극한 상황에 이르기 전에 위험요소를 분석, 제거함으로써 항상 안전한 상태로 운영될 수 있어야 한다.
풍력발전설비 사고에서 가장 큰 빈도를 차지하는 것은 블레이드 및 구조 손상이며, 화재의 경우도 내부적 기계결함이나 브레이크 과열이 주된 원인이지만, 종래기술에 따르면 위험요소를 사전에 발견하기 어려운 문제점이 있었을뿐만 아니라, 특히 화재사고의 경우에는 사고 이후에도 정확한 원인을 찾지 못하는 문제점이 있었다.
즉, 풍력발전설비를 감시할 때에는, 분석이 원격으로 수행되어야 하며, 작동 데이터를 수집해서 서비스 센터에서 분석을 하거나 원격 감시국 스테이션에서 분석되어야 할 것이나, 종래에는 이와 같은 형태로 이뤄지지않고 각 데이터가 통합적으로 관리되지도 않았으므로, 사고에 대한 진단 및 예측이 효과적으로 이뤄지지않았으며 사고 이후에도 정확한 원인을 찾지 못하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 풍력발전설비의 상태감시시스템의 문제점을 개선 보완하기 위한 것으로,
풍력발전설비의 주요 장치에 센서를 설치하여 이로부터 얻은 센서 신호를 분석함으로써 구조적 건강성 및 고장의 예측 분석이 가능하여 효율적인 풍력 발전의 운영, 유지뿐만 아니라 이상징후의 조기 발견 및 사고예방이 가능토록 하는데에 첫번째 목적이 있는 것이다.
또한, 본 발명에서는, FBG, Strain gage 및 Brake Pad Temp, Oil Temp, Debris Detection, 유압시스템 상태 신호 등을 입력 받아 각 구조물/시스템에 대한 피로 분석, 상태 진단 및 고장 예측이 가능토록함과 동시에,
가속도계, 속도계, 위치 변위계, 등의 Sensor 신호로부터 Bearing, Shaft, Gear Box, 등의 진동 상태에 대한 신호를 처리하여 각 구성품의 성능 건전성에 대 한 분석 및 고장탐구를 함께 수행하되, 데이터 수집 및 분석과정이 모두 원격으로 수행되도록 함으로써, 원격 감시국 스테이션에서 각 데이터를 통합적으로 관리할 수 있도록 하는데에 두번째 목적이 있는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
풍력발전설비의 주요부위마다 설치되어지는 각종 센서들과; 상기 센서들로부터 전달된 데이터를 분석 및 처리하는 데이터 분석 및 처리 유닛과; 상기 데이터 분석 및 처리 유닛으로 부터 수신된 데이터를 원격 감시국 스테이션에서 데이터베이스화하고, 전용 프로그램에 의해 고장 진단 및 예측하게되며, 이를 모니터 등을 통해 표시하게되는 지상분석장비로 구성되어지되,
상기 데이터 분석 및 처리 유닛은,
구조물 건전성 분석, 예측이 필요한 곳에 장착되는 광섬유 브래그 격자 배열형 센서 (Fiber Bragg Grating), 변형게이지(Strain Gage), 로드셀(Load Cell) 등의 Sensor로 부터 신호를 입력 받아, 로터 블레이드, 허브, 메인샤프트와 같은 축 부위와, 터빈 프레임, 타워 등의 구조물에 대한 구조 건전성에 대한 분석수행하고,
온도, 입자 검출(Debris Detection), 압력, 외부 환경(온도, 풍속 등)의 분석이 필요한 곳에 장착되는 온도계, 입자 검출장치(debris detection sensor), 압력계, 피토튜브(Pitot Tube)로 부터 신호를 입력받아, 유압 시스템, 브레이크 패드 및 브레이크 시스템, 커플링, 발전기 등에 대한 상태 진단하며, 화재 감지, 냉각 시스템의 상태 신호 수집, 분석을 통한 진단 및 경고 신호를 전송하는 아날로그 처리유닛과;
동력전달 및 동특성 분석이 필요한 곳에 장착되는 가속도계(Accelerometer), 속도변위계(Tachometer), 위치변위계(Potentiometer)로부터 신호를 입력받아, 기어박스와; 메인샤프트와 같은 축 부위와; 메인베어링, 요 베어링과 같은 베어링 부위의 진동 상태에 대한 신호를 처리하여 각 구성품의 성능 건전성에 대한 분석 및 고장 탐구 수행하는 바이블레이션 어퀴지션 유닛(Vibration acquisition unit)과;
상기 아날로그 처리유닛 및 바이블레이션 어퀴지션 유닛(Vibration acquisition unit)과 통신하여 상기 데이터 분석 및 처리 유닛을 전반적으로 운영하며, 지상분석장비와 통신하기 위한 모뎀을 구동하는 디지털 처리유닛로 구성되며,
상기 지상분석장비은,
상기 데이터 분석 및 처리유닛으로부터 신호를 수신하기 위한 통신모듈과;
상기 통신모듈에서 수신된 데이터들을 종합적으로 보관하기 위한 데이터베이스와;
상기 통신모듈에서 수신된 데이터들을 통해 각 주요부위에 대한 고장을 진단 및 예측하기 위한 고장진단 및 예측 프로그램과;
상기 고장진단 및 예측 프로그램에 의해 확인된 결과를 시각적으로 표시하기 위한 모니터로 구성된 것을 특징으로 한다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면,
풍력발전설비의 주요 장치에 센서를 설치하여 이로부터 얻은 센서 신호를 분석함으로써 구조적 건강성 및 고장의 예측 분석이 가능하여 효율적인 풍력 발전의 운영, 유지뿐만 아니라 이상징후의 조기 발견 및 사고예방이 가능케되는 효과가 있다.
또한, 가속도계, 속도계, 위치 변위계, 등의 Sensor 신호로부터 Bearing, Shaft, Gear Box, 등의 진동 상태에 대한 신호를 처리하여 각 구성품의 성능 건전성에 대한 분석 및 고장탐구를 함께 수행함으로써,
풍력발전시스템에 대한 이상징후의 조기 발견 및 사고확대 방지의 효과와, 시간주기 유지보수의 기술적 한계 극복에 의한 운행 중 돌발사고 예방효과와, 고장원인 및 취약점 돌출에 의한 사고재발방지와 개량보전을 위한 자료 제공하는 효과가 있으며,
상태진단 예방보전체계를 구축하는 효과와, 체계적인 고장분석에 의한 돌발고장을 예방하는 효과와, 진단자료의 축적 및 운행이력을 관리하는 효과와, 중요장치 상시 감시시스템 구성에 의한 사전 고장을 검지하고 고장정보의 사전 연계에 의한 단계적 고장대응 체계를 구축하는 효과와, 유지보수 정보화 관리체계에 의한 고장감소 대책을 수립하는 효과와, 진단시스템에 의한 상태관리 및 경향 관리하는 효과와, 체계적인 이력관리, 시험관리 및 분석자료의 데이터베이스를 구축하고, 고장진단 자동화 시스템 구축에 의한 정비체계를 구축하는 효과가 있다.
뿐만 아니라, 데이터 수집 및 분석과정이 모두 원격으로 수행되도록 함으로 써, 원격 감시국 스테이션에서 각 데이터를 통합적으로 관리할 수 있는 효과가 있는 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1은 풍력발전설비의 기본 구성도이고, 도 2는 풍력발전설비에서 발전기만을 분리하여 도시한 기본 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 상태감시시스템에서 센서가 부착된 위치를 도시한 시스템 예시도이다.
풍력발전설비에서는 도 1 에서와 같이, 로터블레이드(미도시함)가 결합된 허브(10)는 메인베어링(11)에 의해 메인샤프트(12)가 수평 지지되며, 상기 메인샤프트(12)의 후단에는 기어박스(13)가 연결되고, 상기 기어박스(13)는 동력전달을 단속하기 위한 커플링(14)을 사이에 두고 발전기(15)에 연결된다.
또한, 상기 발전기(15)는 도 2에서와 같이, 베어링(17)에 의해 지지되며 회전하는 발전기축(16)과, 회전자(18)와, 고정자(19)와, 커넥션 박스(20)로 구성된다.
본 발명에 따른 풍력발전설비 상태감시시스템은, 상기 풍력발전설비의 주요부위마다 설치되어지는 각종 센서들과; 상기 센서들로부터 전달된 데이터를 분석 및 처리하는 데이터 분석 및 처리 유닛과; 상기 데이터 분석 및 처리 유닛으로 부터 수신된 데이터를 원격 감시국 스테이션에서 데이터베이스화하고, 전용 프로그램에 의해 고장 진단 및 예측하게되며, 이를 모니터 등을 통해 표시하게되는 지상분석장비로 구성된다.
풍력발전설비에서 가장 자주 빈번하게 발생되는 결함은 블레이드 손상으로서 약 32. 5%에 이르며, 그 다음은 구조적 손상이 17.2%, 화재가 14.1%, 인명사고가 13.7%, Ice로 인한 손상이 8.8%, 기타 원인에 의한 손상이 13.7%에 이른다.
본 발명에 따른 풍력발전설비 상태감시시스템은 풍력발전기의 주요 장치에 센서를 설치하여 이로부터 얻은 센서 신호를 분석함으로써 구조적 건강성 및 고장의 예측 분석이 가능하여 효율적인 풍력 발전의 운영, 유지뿐만 아니라 이상징후의 조기 발견 및 사고예방을 하기위한 것으로서, 감지하는 센서신호는 크게 두 가지로 분류할 수 있다.
하나는, FBG, Strain gage 및 Brake Pad Temp, Oil Temp, Debris Detection, 유압시스템 상태 신호, 등을 입력 받아 각 구조물/시스템에 대한 피로 분석, 상태 진단, 고장 예측 등의 기능을 하는 것이며,
다른 하나는, 가속도계, 속도계, 위치 변위계, 등의 Sensor 신호로부터 Bearing, Shaft, Gear Box, 등의 진동 상태에 대한 신호를 처리하여 각 구성품의 성능 건전성에 대한 분석 및 고장탐구를 수행하는 것이다.
그리고, 풍력발전설비의 상태, 즉, 발전기, 화재감지, 냉각시스템, 유압시스템의 정상 동작 여부도 감시, 분석하게된다.
본 발명에 따른 상태감시시스템에서는, 이러한 구조물들의 건전성 및 상태성을 감지하여 풍력 발전설비에 대한 상태를 중앙감시시스템으로 전송하고, 분석을 통해 특정된 임계값의 하한 또는 상한을 넘었을 경우에는 즉시적 경보를 통해 조치를 유도하며, 임계값 근사치에 도달하였을 경우에는 정기적 또는 비정기적인 정비 를 통해 사고를 미연 예방할 수 있게되는 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 상태감시시스템에서 센서가 부착된 위치를 도시한 시스템 예시도로서,
동력전달 및 동특성 분석이 필요한 곳인, 기어박스(13)와; 메인샤프트(12)와 같은 축 부위와; 메인베어링(11), 요 베어링(25)과 같은 베어링 부위와; 발전기(13)에는, 가속도계(Accelerometer), 속도변위계(Tachometer), 위치변위계(Potentiometer)가 각각 장착되며,
온도, 입자 검출(Debris Detection), 압력, 외부 환경(온도, 풍속 등)의 분석이 필요한 곳인, 유압 시스템(24), 브레이크 패드 및 브레이크 시스템(27), 커플링(14), 발전기(13)에는, 온도계, 입자 검출장치(debris detection sensor), 압력계, 피토튜브(Pitot Tube)가 각각 장착되며,
구조물 건전성 분석, 예측이 필요한 곳인, 로터 블레이드(21), 허브(10), 메인샤프트(12)와 같은 축 부위와, 터빈 프레임(23), 타워(26)에는, 광섬유 브래그 격자 배열형 센서(FBG ; Fiber Bragg Grating), 변형게이지(Strain gage), 피에죠센서(Piezo-sensor), 로드셀(Load Cell)이 각각 장착된다.
한편 도 4는 본 발명에 따른 풍력발전설비 상태감시시스템의 구성도로서,
본 발명에 따른 풍력발전설비 상태감시시스템은, 상기 풍력발전설비의 주요부위마다 설치되어지는 각종 센서들과; 상기 센서들로부터 전달된 데이터를 분석 및 처리하는 데이터 분석 및 처리 유닛(100)과; 상기 데이터 분석 및 처리 유닛(100)으로 부터 수신된 데이터를 원격 감시국 스테이션에서 데이터베이스화하고, 전용 프로그램에 의해 고장 진단 및 예측하게되며, 이를 모니터 등을 통해 표시하게되는 지상분석장비(200)로 구성되는데,
상기 데이터 분석 및 처리 유닛(100)은,
구조물 건전성 분석, 예측이 필요한 곳에 장착되는 광섬유 브래그 격자 배열형 센서 (Fiber Bragg Grating), 변형게이지(Strain Gage), 로드셀(Load Cell) 등의 Sensor로 부터 신호를 입력 받아, 로터 블레이드(21), 허브(10), 메인샤프트(12)와 같은 축 부위와, 터빈 프레임(23), 타워(26)등의 구조물에 대한 구조 건전성에 대한 분석수행하고,
온도, 입자 검출(Debris Detection), 압력, 외부 환경(온도, 풍속 등)의 분석이 필요한 곳에 장착되는 온도계, 입자 검출장치(debris detection sensor), 압력계, 피토튜브(Pitot Tube)로 부터 신호를 입력받아, 유압 시스템(24), 브레이크 패드 및 브레이크 시스템(27), 커플링(14), 발전기(13) 등에 대한 상태 진단하며, 화재 감지, 냉각 시스템의 상태 신호 수집, 분석을 통한 진단 및 경고 신호를 전송하는 아날로그 처리유닛(103)과;
동력전달 및 동특성 분석이 필요한 곳에 장착되는 가속도계(Accelerometer), 속도변위계(Tachometer), 위치변위계(Potentiometer)로부터 신호를 입력받아, 기어박스(13)와; 메인샤프트(12)와 같은 축 부위와; 메인베어링(11), 요 베어링(25)과 같은 베어링 부위의 진동 상태에 대한 신호를 처리하여 각 구성품의 성능 건전성에 대한 분석 및 고장 탐구 수행하는 바이블레이션 어퀴지션 유닛(Vibration acquisition unit)(104)과;
상기 아날로그 처리유닛(103) 및 바이블레이션 어퀴지션 유닛(Vibration acquisition unit)(104)과 통신하여 상기 데이터 분석 및 처리 유닛(100)을 전반적으로 운영하며, 지상분석장비(200)와 통신하기 위한 모뎀(106)을 구동하는 디지털 처리유닛(102)로 구성되어진다.
또한, 상기 지상분석장비(200)은,
상기 데이터 분석 및 처리유닛(100)으로부터 신호를 수신하기 위한 통신모듈(201)과;
상기 통신모듈(201)에서 수신된 데이터들을 종합적으로 보관하기 위한 데이터베이스(203)와;
상기 통신모듈(201)에서 수신된 데이터들을 통해 각 주요부위에 대한 고장을 진단 및 예측하기 위한 고장진단 및 예측 프로그램(204)과;
상기 고장진단 및 예측 프로그램(204)에 의해 확인된 결과를 시각적으로 표시하기 위한 모니터(202)로 구성된다.
한편, 상기 데이터 분석 및 처리 유닛(100)에서는, 각 장비에 전원을 공급하기 위한 파워 서플라이(101)와, 밧데리(105)가 함께 구비될 수 있으며,
상기 데이터 분석 및 처리 유닛(100)은 풍력발전설비마다 설치되어지는데, 도 4에서와 같이 한대의 지상분석장비(200)가 여러대의 데이터 분석 및 처리 유닛(100)(100')(100")으로 부터 신호를 수신할 수 있도록 구성되며,
상기 지상분석장비(200)에서도, 각 장비에 전원을 공급하기 위한 파워 서플라이(205)가 구비된다.
상기 데이터 분석 및 처리 유닛(100)에서는 상태 진단, 분석 데이터를 상기 모뎀(106)을 통해 지상분석 장비(200)로 전송하게되는데, 전송 방법은 LAN, RS485, Power Line 등의 유선방식과 WCDMA, RF, 등의 무선방식을 사용한다.
본 발명에 따른 상태감시시스템에서 고장을 진단 및 예측하는 과정은,
첫째, 상태 감시 및 분석을 위하여 각 센서의 장착 위치에서의 신호를 감시/분석하고,
둘째, 상태 감시를 위한 파라미터를 설정하며 각 파라미터는 센서 및 센서들의 조합에 의한 신호로 정의되며 이러한 각 파라미터 값의 변동 추이 및 Trend를 분석함으로써 상태 진단하고,
셋째, 각 센서 신호의 조합으로된 Performance Index를 정의하여 본 인텍스를 응용하여 각 부분 및 구성품의 상태를 분석하며,
넷째, 이러한 파라미터들을 종합적으로 유지, 관리하며 각 구성요소 및 시스템의 상태를 분석, 진단하며 고장 및 상태에 대한 예측(Prognostic) 기능 수행하고,
다섯째, 부품 및 시스템에 대한 상태 감시(Monitoring), 분석(Diagnostic) 및 진단/예측(Prognostic)하는 과정으로 이뤄진다.
도 5는 본 발명에 따른 상태감시시스템에서 고장 진단과정을 설명하기 위한 블럭도로서 여기에서 보면,
첫째, 각종 센서로 부터 유입된 신호를 아날로그 시그널 샘플링(Analog signal Sampling)하여 데이터 다중처리하고, 센서 인터페이스 회로 설계하며, FFT 신호처리하고, 디지털 필터 설계하며, 데이터 포맷팅(Data Formatting)기술을 적용하여 신호 처리하는 시그널 프리프로세싱(Signal pre-processing)과정과;
둘째, 상기 시그널 프리프로세싱(Signal pre-processing)된 신호를 이용하여 Data 추출하고, 타 장비 및 시스템과 연동하여 데이터/정보 추출하며, Raw signal/data를 이용한 성능 지수(Performance Index or indicator)(상기성능지수는 센서 하나 또는 여러 개의 조합으로 이루어진 함수)를 계산하는 과정과;
셋째, 단독 센서 신호의 기준치 초과 정도에 따른 이상 상태를 검출하고, 성능 지수의 기준치 초과 정도에 따른 이상 상태를 검출하며, 성능 지수의 History 및 Trend 분석에 따른 이상 상태를 검출하여, 이를 데이터베이스에 저장하고 경고신호를 발생시키는 이상검출 및 경고(Warning & Alerts)과정과;
넷째, Rule Based Expert Algorithm과, 신경회로망 및 Fuzzy 알고리즘과, Neuro Fuzzy, Genetic 알고리즘과, Pattern 인식 및 Model based 분석 알고리즘 등의 기법을 이용한 분석 모듈로써 서브시스템, 기어박스, 축, 블레이드, 브레이크 등의 상태를 분석하는 진단(Diagnostics)과정과;
다섯째, 이상 검출 신호 및 상태 분석 데이터를 기반으로, Bayesian Theorem 기반의 확률적 예측 알고리즘과, S-N Curve, Pattern 및 지능 알고리즘 등의 기법을 이용한 예측모듈로써, 서브시스템, 기어박스, 축, 블레이드, 브레이크 등의 잔류 사용시간(Useful life)을 진단함에 따라, 유지, 보수 활용을 가능토록 하는 예측(Prognostics)과정으로 이뤄진다.
한편, 도 6은 본 발명에 따른 상태감시시스템에서 모니터링 화면의 예시도로 서, 풍력발전설비의 상태를 진단 및 예측하는 과정들이 실제적으로 모니터를 통해 어떻게 진행되는지 확인할 수 있다.
본 발명의 풍력발전설비 상태감시시스템에 대한 기술사상을 예시도면에 의거하여 설명했지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명의 특허청구범위를 한정하는 것은 아니다. 본 발명은 이 기술분야의 통상 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
도 1은 풍력발전설비의 기본 구성도,
도 2는 풍력발전설비에서 발전기만을 분리하여 도시한 기본 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 상태감시시스템에서 센서가 부착된 위치를 도시한 시스템 예시도,
도 4는 본 발명에 따른 풍력발전설비 상태감시시스템의 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 상태감시시스템에서 고장 진단과정을 설명하기 위한 블럭도,
도 6은 본 발명에 따른 상태감시시스템에서 모니터링 화면의 예시도.
* 도면을 설명하기 위한 부호의 설명
10 : 허브 11 : 메인베어링
13 : 기어박스 15 : 발전기
100 : 데이터 분석처리 유닛 101 : 파워서플라이
102 : 디지털처리 유닛 103 : 아날로그처리 유닛
104 : 바이블레이션 어퀴지션 유닛 105 : 밧데리
106 : 모뎀 200 : 지상분석장치
201 : 통신모듈 202 : 모니터
203 : 데이터베이스 204 : 고장진단 및 예측 프로그램
205 : 파워서플라이

Claims (6)

  1. 로터블레이드가 결합된 허브(10)는 메인베어링(11)에 의해 메인샤프트(12)가 수평 지지되며, 상기 메인샤프트(12)의 후단에는 기어박스(13)가 연결되고, 상기 기어박스(13)는 동력전달을 단속하기 위한 커플링(14)을 사이에 두고 발전기(15)에 연결되며,
    상기 발전기(15)는 베어링(17)에 의해 지지되며 회전하는 발전기축(16)과, 회전자(18)와, 고정자(19)와, 커넥션 박스(20)로 구성되는 풍력발전설비에서 사용되는 상태감시시스템에 있어서,
    상기 풍력발전설비의 주요부위마다 설치되어지는 각종 센서들과; 상기 센서들로부터 전달된 데이터를 분석 및 처리하는 데이터 분석 및 처리 유닛(100)과; 상기 데이터 분석 및 처리 유닛(100)으로 부터 수신된 데이터를 원격 감시국 스테이션에서 데이터베이스화하고, 전용 프로그램에 의해 고장 진단 및 예측하게되며, 이를 모니터 등을 통해 표시하게되는 지상분석장비(200)로 구성되어지되,
    상기 데이터 분석 및 처리 유닛(100)은,
    구조물 건전성 분석, 예측이 필요한 곳에 장착되는 광섬유 브래그 격자 배열형 센서 (Fiber Bragg Grating), 변형게이지(Strain Gage), 로드셀(Load Cell) 등의 Sensor로 부터 신호를 입력 받아, 로터 블레이드(21), 허브(10), 메인샤프트(12)와 같은 축 부위와, 터빈 프레임(23), 타워(26)등의 구조물에 대한 구조 건전성에 대한 분석수행하고,
    온도, 입자 검출(Debris Detection), 압력, 외부 환경(온도, 풍속 등)의 분석이 필요한 곳에 장착되는 온도계, 입자 검출장치(debris detection sensor), 압력계, 피토튜브(Pitot Tube)로 부터 신호를 입력받아, 유압 시스템(24), 브레이크 패드 및 브레이크 시스템(27), 커플링(14), 발전기(13) 등에 대한 상태 진단하며, 화재 감지, 냉각 시스템의 상태 신호 수집, 분석을 통한 진단 및 경고 신호를 전송하는 아날로그 처리유닛(103)과;
    동력전달 및 동특성 분석이 필요한 곳에 장착되는 가속도계(Accelerometer), 속도변위계(Tachometer), 위치변위계(Potentiometer)로부터 신호를 입력받아, 기어박스(13)와; 메인샤프트(12)와 같은 축 부위와; 메인베어링(11), 요 베어링(25)과 같은 베어링 부위의 진동 상태에 대한 신호를 처리하여 각 구성품의 성능 건전성에 대한 분석 및 고장 탐구 수행하는 바이블레이션 어퀴지션 유닛(Vibration acquisition unit)(104)과;
    상기 아날로그 처리유닛(103) 및 바이블레이션 어퀴지션 유닛(Vibration acquisition unit)(104)과 통신하여 상기 데이터 분석 및 처리 유닛(100)을 전반적으로 운영하며, 지상분석장비(200)와 통신하기 위한 모뎀(106)을 구동하는 디지털 처리유닛(102)로 구성되며,
    상기 지상분석장비(200)은,
    상기 데이터 분석 및 처리유닛(100)으로부터 신호를 수신하기 위한 통신모듈(201)과;
    상기 통신모듈(201)에서 수신된 데이터들을 종합적으로 보관하기 위한 데이터베이스(203)와;
    상기 통신모듈(201)에서 수신된 데이터들을 통해 각 주요부위에 대한 고장을 진단 및 예측하기 위한 고장진단 및 예측 프로그램(204)과;
    상기 고장진단 및 예측 프로그램(204)에 의해 확인된 결과를 시각적으로 표시하기 위한 모니터(202)로 구성된 것을 특징으로 하는 풍력발전설비 상태감시시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 센서들은,
    동력전달 및 동특성 분석이 필요한 곳인, 기어박스(13)와, 메인샤프트(12)와 같은 축 부위와, 메인베어링(11), 요 베어링(25)과 같은 베어링 부위와, 발전기(13)에 각각 장착되어지는, 가속도계(Accelerometer), 속도변위계(Tachometer), 위치변위계(Potentiometer)와;
    온도, 입자 검출(Debris Detection), 압력, 외부 환경(온도, 풍속 등)의 분석이 필요한 곳인, 유압 시스템(24), 브레이크 패드 및 브레이크 시스템(27), 커플링(14), 발전기(13)에 각각 장착되어지는, 온도계, 입자 검출장치(debris detection sensor), 압력계, 피토튜브(Pitot Tube)와;
    구조물 건전성 분석, 예측이 필요한 곳인, 로터 블레이드(21), 허브(10), 메인샤프트(12)와 같은 축 부위와, 터빈 프레임(23), 타워(26)에 각각 장착되어지는, 광섬유 브래그 격자 배열형 센서(FBG ; Fiber Bragg Grating), 변형게이지(Strain gage), 피에죠센서(Piezo-sensor), 로드셀(Load Cell)로 구성된 것을 특징으로 하는 풍력발전설비 상태감시시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 데이터 분석 및 처리 유닛(100)에서는, 각 장비에 전원을 공급하기 위한 파워 서플라이(101)와, 밧데리(105)가 함께 구비되어진 것을 특징으로 하는 풍력발전설비 상태감시시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 데이터 분석 및 처리 유닛(100)은 풍력발전설비마다 설치되어지는데, 한대의 지상분석장비(200)가 여러대의 데이터 분석 및 처리 유닛(100)(100')(100")으로 부터 신호를 수신할 수 있도록 구성되며, 상기 지상분석장비(200)에서도, 각 장비에 전원을 공급하기 위한 파워 서플라이(205)가 구비되어진 것을 특징으로 하는 풍력발전설비 상태감시시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 데이터 분석 및 처리 유닛(100)에서는 상태 진단, 분석 데이터를 상기 모뎀(106)을 통해 지상분석 장비(200)로 전송하게되는데, 전송 방법은 LAN, RS485, Power Line 에 의한 유선방식과 WCDMA, RF에 의한 무선방식을 사용한 것을 특징으로 하는 풍력발전설비 상태감시시스템.
  6. 풍력발전설비의 주요부에는 센서들이 설치되고, 상기 센서들로 부터 수신된신호들을 분석함으로써 풍력발전설비의 상태를 감시하는 방법에 있어서,
    각종 센서로 부터 유입된 신호를 아날로그 시그널 샘플링(Analog signal Sampling)하여 데이터 다중처리하고, 센서 인터페이스 회로 설계하며, FFT 신호처리하고, 디지털 필터 설계하며, 데이터 포맷팅(Data Formatting)기술을 적용하여 신호 처리하는 시그널 프리프로세싱(Signal pre-processing)과정과;
    상기 시그널 프리프로세싱(Signal pre-processing)된 신호를 이용하여 Data 추출하고, 타 장비 및 시스템과 연동하여 데이터/정보 추출하며, Raw signal/data를 이용한 성능 지수(Performance Index or indicator)(상기성능지수는 센서 하나 또는 여러 개의 조합으로 이루어진 함수)를 계산하는 과정과;
    단독 센서 신호의 기준치 초과 정도에 따른 이상 상태를 검출하고, 성능 지수의 기준치 초과 정도에 따른 이상 상태를 검출하며, 성능 지수의 History 및 Trend 분석에 따른 이상 상태를 검출하여, 이를 데이터베이스에 저장하고 경고신호를 발생시키는 이상검출 및 경고(Warning & Alerts)과정과;
    Rule Based Expert Algorithm과, 신경회로망 및 Fuzzy 알고리즘과, Neuro Fuzzy, Genetic 알고리즘과, Pattern 인식 및 Model based 분석 알고리즘 등의 기법을 이용한 분석 모듈로써 서브시스템, 기어박스, 축, 블레이드, 브레이크 등의 상태를 분석하는 진단(Diagnostics)과정과;
    이상 검출 신호 및 상태 분석 데이터를 기반으로, Bayesian Theorem 기반의 확률적 예측 알고리즘과, S-N Curve, Pattern 및 지능 알고리즘 등의 기법을 이용한 예측모듈로써, 서브시스템, 기어박스, 축, 블레이드, 브레이크 등의 잔류 사용시간(Useful life)을 진단함에 따라, 유지, 보수 활용을 가능토록 하는 예측(Prognostics)과정으로 이뤄진 것을 특징으로 하는 풍력발전설비 상태감시방법.
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