KR102168403B1 - 스펙트럴 커터시스를 이용한 풍력발전시스템 상태감시 방법 - Google Patents

스펙트럴 커터시스를 이용한 풍력발전시스템 상태감시 방법 Download PDF

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강준구
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Abstract

본 발명은, 스펙트럴 커터시스를 이용한 풍력발전시스템 상태감시 방법 및 상태 감시 장치에 관한 것으로, 복수개의 가속도계(10)들을 이용하여 풍력발전기의 일지점 또는 풍력발전기 부품의 일지점의 진동신호를 감지하는 신호감지 단계(S10)와; 데이터 습득보드(20)가 상기 가속도계(10)에서 풍력발전기의 진동들을 채널별로 습득하는 진동신호 습득 단계(S20)와; 윈드센서(30)가 풍력발전기 주변의 바람의 속도에 관한 신호를 감지하여 제어부(40)에 전송하는 풍속신호 전송 단계(S30)와; 제어부(40)가 풍력발전기가 정상 상태(Normal State)일 때의 상기 진동신호 및 풍속신호를 이용하여 정상상태 주파수 스펙트럼(FFT Spectrum _ Normal)와 정상 상태 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Normal)를 규정하는 하는 정상 상태 규정 단계(S40)와; 상기 제어부(40)가 풍력발전기가 실시간으로 측정된 진동신호 및 풍속신호를 이용하여 실시간 주파수 스펙트럼(FFT Spectrum _ Real)과 실시간 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Real)를 상기 정상상태 주파수 스펙트럼(FFT Spectrum _ Normal)와 정상 상태 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Normal)과 비교하여 풍력발전기의 고장 여부를 판단하는 고장여부 실시간 판단 단계(S50)와; 상기 고장여부 판단 단계(S50)에서 상기 제어부(40)가 고장 또는 고장 가능성이 높다고 판단되는 경우 알람신호를 관리자 컴퓨터, 스마트폰 접근이 가능한 웹 서버에 전송하는 경보신호 전송 단계(S60);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

스펙트럴 커터시스를 이용한 풍력발전시스템 상태감시 방법 { Wind Power Electric Generatiom System Condition Monitoring System Using Spectral Kurtosis }
본 발명은 스펙트럴 커터시스를 이용한 풍력발전시스템 상태감시 방법에 관한 것이다.
바람을 이용하여 전력을 생산하는 풍력 발전 시스템은 일반적으로 풍력 발전기와 이를 제어하는 중앙 제어장치로 이루어진다. 풍력 발전기는 일반적으로 바람에 의해 회전하는 블레이드와, 블레이드의 회전에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로 구성된 너셀(nacelle)과, 블레이드와 너셀을 연결하는 허브(hub)와, 너셀을 지지하는 타워로 이루어진다. 또한, 상기 풍력 발전기와 중앙 제어장치는 유선 또는 무선으로 중앙 제어장치와 연결된다.
고가인 풍력발전기를 장시간 정상 상태로 유지하기 위해서 치명적인 고장이나 손상이 발생하기 전에 이를 미리 탐지하여 수리하거나 다른 조치를 취하는 것이 필요하다. 하지만 풍력발전기를 사람이 실시간으로 감시하는 것이 불가능하기 때문에 풍력발전기에 의해 표출되는 특정한 파라미터 모니터링을 이용한 상태 감시가 필요하며 이는 특히 육지로부터 멀리 떨어진 해상 풍력 발전기 등에 있어서 절실하며 알람의 유효성 확보가 필요한 실정이지만 현재 기술 발전이 미미한 실정이다.
본 출원인 소유의 등록특허 제10-1336718호는, 풍력발전기 상태감시시스템 알람 생성 방법에 있어서, 제어부에 적어도 두개 이상의 풍속범위(W = W1, W2 …)를 설정하는 풍속범위 설정단계와; 가속도계를 이용하여 풍력발전기의 일지점 또는 풍력발전기 부품의 일지점의 진동신호를 취득하는 진동신호 취득단계(S20)와; 연산부가 상기 진동신호 취득단계에서 취득된 진동신호의 진동레벨을 산출하는 진동레벨 산출단계와; 윈드센서에 의해 측정된 바람의 속도가 적어도 설정지속시간 동안 하나의 풍속범위에서 유지되었다고 판단되는 경우, 제어부는, 바람의 속도가 적어도 설정지속시간 동안 하나의 풍속범위에서 유지된 시간 동안에 취득된 진동신호에 대한 진동레벨을 유효 진동레벨 데이터로 지정하고 데이터 저장부에 저장하는, 판단 및 데이터저장 단계와; 제어부가 상기 유효 진동레벨 데이터를 기초로 하여 풍속범위별 알람기준값을 설정하는 기준값 설정단계와; 상기 제어부가, 하나의 풍속범위에 속하는 시간동안 취득된 진동신호의 진동레벨과 그 풍속범위에 속하는 상기 풍속범위별 알람기준값을 비교판단하여 관리자에게 알람신호를 표출하는 알람신호 생성단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 상태감시시스템 알람 생성 방법을 개시한다.
본 발명은 풍력발전기의 상태를 상시 모니터링 하여 치명적인 고장이나 손상이 발생하기 전에 이를 미리 탐지하여 수리하거나 다른 조치를 취할 수 있도록 이상 징후가 발생하면 이를 관리자에게 알리는 스펙트럴 커터시스를 이용한 풍력발전시스템 상태감시 방법 및 상태 감시 장치(Condition Monitoring System)를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 고장이나 이상 징후 예측에 있어서 진동 신호를 사용함으로써 신호 흐름 및 데이터 취급이 난해하지 않고 또한 그 설정 방법이 구체적이며 고장 예측의 유효성이 탁월한 스펙트럴 커터시스를 이용한 풍력발전시스템 상태감시 방법 및 상태 감시 장치(Condition Monitoring System)를 제공하기 위함이다.
본 발명의 스펙트럴 커터시스를 이용한 풍력발전시스템 상태감시 방법 및 상태 감시 장치는,
복수개의 가속도계(10)들을 이용하여 풍력발전기의 일지점 또는 풍력발전기 부품의 일지점의 진동신호를 감지하는 신호감지 단계(S10)와;
데이터 습득보드(20)가 상기 가속도계(10)에서 풍력발전기의 일지점 또는 풍력발전기 부품의 일지점의 진동들을 채널별로 습득하는 진동신호 습득 단계(S20)와;
윈드센서(30)가 풍력발전기 주변의 바람의 속도에 관한 신호를 감지하여 제어부(40)에 전송하는 풍속신호 전송 단계(S30)와;
제어부(40)가 풍력발전기가 정상 상태(Normal State)일 때의 상기 진동신호 및 풍속신호를 이용하여 정상상태 주파수 스펙트럼(FFT Spectrum _ Normal)와 정상 상태 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Normal)를 규정하는 하는 정상 상태 규정 단계(S40)와;
상기 제어부(40)가 풍력발전기가 실시간으로 측정된 진동신호 및 풍속신호를 이용하여 실시간 주파수 스펙트럼(FFT Spectrum _ Real)과실시간 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Real)를 상기 정상상태 주파수 스펙트럼(FFT Spectrum _ Normal)와 정상 상태 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Normal)과 비교하여 풍력발전기의 일지점 또는 풍력발전기 부품의 일지점의 고장 여부를 판단하는 고장여부 실시간 판단 단계(S50)와;
상기 고장여부 판단 단계(S50)에서 상기 제어부(40)가 고장 또는 고장 가능성이 높다고 판단되는 경우 알람신호를 관리자 컴퓨터, 스마트폰 접근이 가능한 웹 서버에 전송하는 경보신호 전송 단계(S60);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르는 경우, 풍력발전기의 상태를 상시 모니터링 하여 치명적인 고장이나 손상이 발생하기 전에 이를 미리 탐지하여 수리하거나 다른 조치를 취할 수 있도록 이상 징후가 발생하면 이를 관리자에게 알리는 스펙트럴 커터시스를 이용한 풍력발전시스템 상태감시 방법 및 상태 감시 장치(Condition Monitoring System)가 제공된다.
본 발명에 따르는 경우, 고장이나 이상 징후 예측에 있어서 진동 신호를 사용함으로써 신호 흐름 및 데이터 취급이 난해하지 않고 또한 그 설정 방법이 구체적이며 고장 예측의 유효성이 탁월한 스펙트럴 커터시스를 이용한 풍력발전시스템 상태감시 방법 및 상태 감시 장치(Condition Monitoring System)가 제공된다.
도 1은 본 발명의 스펙트럴 커터시스를 이용한 풍력발전시스템 상태감시 방법 및 상태 감시 장치 전체 구성도.
도 2는 본 발명의 스펙트럴 커터시스를 이용한 풍력발전시스템 상태감시 방법 및 상태 감시 방법 전체 흐름도.
도 3은 시간축 기준 주파수 분석 결과를 보여주는 스펙토그램.
도 4는 스펙트럴 커터시스(SK)의 Surveillance 기술 검토 결과(베어링 상태 감시).
도 5는 본 발명의 스펙트럴 커터시스(SK)의 Surveillance 기술 검토 결과(기어 상태 감시).
도 6은 본 발명의 도 7 데이터 시험장치 외관도.
도 7, 도 8, 도 9은 본 발명의 스펙트럴 커터시스(SK)의 상태 감시 결과를 보이는 도면.
이하에서 본 발명의 일시시예에 따른 스펙트럴 커터시스를 이용한 풍력발전시스템 상태감시 방법에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 스펙트럴 커터시스를 이용한 풍력발전시스템 상태감시 방법 및 상태 감시 장치 전체 구성도, 도 2는 본 발명의 스펙트럴 커터시스를 이용한 풍력발전시스템 상태감시 방법 및 상태 감시 방법 전체 흐름도, 도 3은 시간축 기준 주파수 분석 결과를 보여주는 스펙토그램, 도 4는 스펙트럴 커터시스(SK)의 Surveillance 기술 검토 결과(베어링 상태 감시), 도 5는 본 발명의 스펙트럴 커터시스(SK)의 Surveillance 기술 검토 결과(기어 상태 감시), 도 6은 본 발명의 도 7 데이터 시험장치 외관도, 도 7은 본 발명의 스펙트럴 커터시스(SK)의 상태 감시 결과를 보이는 도면이다.
도 1, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 스펙트럴 커터시스를 이용한 풍력발전시스템 상태감시 방법은, 진동 신호감지 단계(S10)와 진동신호 습득 단계(S20)와 풍속신호 전송 단계(S30)와 정상 상태 규정 단계(S40)와 고장여부 실시간 판단 단계(S50)와 경보신호 전송 단계(S60)를 포함하여 구성된다.
도 1, 도 2에 도시된 바와 같이, 진동 신호감지 단계(S10)에서, 복수개의 가속도계(10)들을 이용하여 풍력발전기의 일지점 또는 풍력발전기 부품의 일지점의 진동신호를 감지한다. 진동신호 습득 단계(S20)에서, 데이터 습득보드(20)가 상기 가속도계(10)에서 풍력발전기의 일지점 또는 풍력발전기 부품의 일지점의 진동들을 채널별로 습득한다.
도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 풍속신호 전송 단계(S30)에서, 윈드센서(30)가 풍력발전기 주변의 바람의 속도에 관한 신호를 감지하여 제어부(40)에 전송한다. 정상 상태 규정 단계(S40)에서, 제어부(40)가 풍력발전기가 정상 상태(Normal State)일 때의 상기 진동신호 및 풍속신호를 이용하여 정상상태 주파수 스펙트럼(FFT Spectrum _ Normal)와 정상 상태 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Normal)를 규정한다.
도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 고장여부 실시간 판단 단계(S50)에서, 제어부(40)가 풍력발전기가 실시간으로 측정된 진동신호 및 풍속신호를 이용하여 실시간 주파수 스펙트럼(FFT Spectrum _ Real)과 실시간 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Real)를 상기 정상상태 주파수 스펙트럼(FFT Spectrum _ Normal)와 정상 상태 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Normal)과 비교하여 풍력발전기의 일지점 또는 풍력발전기 부품의 일지점의 고장 여부를 판단한다.
도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 경보신호 전송 단계(S60)에서, 고장여부 판단 단계(S50)에서 제어부(40)가 고장 또는 고장 가능성이 높다고 판단되는 경우 알람신호를 관리자 컴퓨터, 스마트폰 접근이 가능한 웹 서버에 전송한다.
도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 진동 신호감지 단계(S10) 이전에 상기 제어부(20)에 적어도 두개 이상의 풍속범위(W = W1, W2 …)가 미리 입력 설정하고, 상기 윈드센서(30)에 의해 측정된 바람의 속도가 적어도 설정지속시간(D1) 동안 하나의 풍속범위에서 유지되었다고 판단되는 경우 액티브 빈으로 판단한다.
여기서, 제어부(20)는, 바람의 속도가 적어도 설정지속시간(D1) 동안 하나의 풍속범위에서 유지된 시간 동안에 취득된 진동신호에 대한 액티부 빈에 속하는 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis)를 유효한 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Effective)로 지정하고 데이터 저장부(50)에 저장한다.
도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 스펙트럴 커터시스를 이용한 풍력발전시스템 상태감시 방법 중, 정상 상태 규정 단계(S40)에서 상기 제어부(20)는 상기 유효한 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Effective)를 사용하여, 상기 적어도 두개 이상의 풍속범위(W = W1, W2 …) 별로 풍력발전기가 정상 상태(Normal State)일 때의 상기 진동신호에 관한 유효 정상 상태 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Effective _ Normal)를 규정하는 하는 것이 바람직하다.
도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 스펙트럴 커터시스를 이용한 풍력발전시스템 상태감시 방법 중, 실시간 판단 단계(S50)에서, 제어부(40)는 풍력발전기가 실시간으로 측정된 진동신호 및 풍속신호의 검토 결과 액티브 빈으로 판단되는 경우, 유효한 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Effective)를 지정하여 이를 유효 실시간 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Effective _ Real)으로 본다(지정한다). 유효 실시간 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Effective _ Real)를 상기 유효한 정상 상태 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Effective _ Normal)와 비교하여 풍력발전기의 일지점 또는 풍력발전기 부품의 일지점의 고장 여부를 판단하는 것이 바람직하다.
도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 스펙트럴 커터시스를 이용한 풍력발전시스템 상태감시 방법에 있어서, 유효 정상 상태 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Effective _ Normal)와 유효 실시간 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Effective _ Real)의 비교 판단은 풍속범위(W = W1, W2 …) 별로 이루어지는 것이 바람직하다.
이하에서 본 발명의 스펙트럴 커터시스를 이용한 풍력발전시스템 상태감시 방법에 대하여 부연 설명한다. Spectral Kurtosis 를 활용한 2가지 상태감시 기술에 대해 중점적으로 정리되어 있다. 1) 첫째는 Surveillance : 주파수 영역의 변화를 감지하는 기술이고, 2) 둘째는 Detecting Filter : 시간 영역의 노이즈를 저감하는 기술이다.
Figure 112019044252034-pat00001
도 2은 스펙트럴 커터시스(SK)의 Surveillance 기술 검토 결과(베어링 상태 감시), 도 3은 스펙트럴 커터시스(SK)의 Surveillance 기술 검토 결과(기어 상태 감시)를 보여준다. Surveillance 기술 검토 결과, Spectral Kurtosis(SK)는 주파수 영역에서 상태변화에 따라 값이 크게 변화하기 때문에 풍력발전기 베어링 및 기어 고장검출에 활용 가능하다는 것을 알 수 있었다.
Spectral kurtosis(SK)는 반복적인 충격 신호의 주파수 성분을 추출한다. 이 같은 특성으로 인해, 베어링/기어 등 회전 기기의 결함 진단을 위한 포락해석(envelope analysis)과 겸하여 사용될 수 있다.
풍력 방전기 관련 결합 발생 또는 예진시 신호의 특성이 충격성 신호의 주기적인 반복을 의미하는 순환적 정상성(cyclo-stationary)을 나타내는 경우가 많이 있음을 알수 있었다. SK 산출을 위해 fast-Kurtogram을 이용될 수 있다. 도 3 내지 도 5, 도 7, 도 8에 도시된 바와 같이, SK를 계산하는 이 결과물은 주파수를 X축, SK 값(Level)은 Y축에 표시되었다.
본 발명은 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명됐지만, 본 발명의 범위가 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 이하의 특허청구범위에 의하여 정하여지는 것으로 본 발명과 균등 범위에 속하는 다양한 수정 및 변형을 포함할 것이다.
아래의 특허청구범위에 기재된 도면부호는 단순히 발명의 이해를 보조하기 위한 것으로 권리범위의 해석에 영향을 미치지 아니함을 밝히며 기재된 도면부호에 의해 권리범위가 좁게 해석되어서는 안될 것이다.
10: 가속도계 20: 데이터 습득보드
30: 윈드센서 40: 제어부(40)
S10: 신호감지 단계 S20: 진동신호 습득 단계
S30: 풍속신호 전송 단계 S40: 정상 상태 규정 단계
S50: 실시간 판단 단계 S50: 고장여부 판단 단계

Claims (5)

  1. 복수개의 가속도계(10)들을 이용하여 풍력발전기의 일지점 또는 풍력발전기 부품의 일지점의 진동신호를 감지하는 진동 신호감지 단계(S10)와;
    데이터 습득보드(20)가 상기 가속도계(10)에서 풍력발전기의 일지점 또는 풍력발전기 부품의 일지점의 진동들을 채널별로 습득하는 진동신호 습득 단계(S20)와;
    윈드센서(30)가 풍력발전기 주변의 바람의 속도에 관한 신호를 감지하여 제어부(40)에 전송하는 풍속신호 전송 단계(S30)와;
    제어부(40)가 풍력발전기가 정상 상태(Normal State)일 때의 상기 진동신호 및 풍속신호를 이용하여 정상상태 주파수 스펙트럼(FFT Spectrum _ Normal)와 정상 상태 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Normal)를 규정하는 하는 정상 상태 규정 단계(S40)와;
    상기 제어부(40)가 풍력발전기가 실시간으로 측정된 진동신호 및 풍속신호를 이용하여 실시간 주파수 스펙트럼(FFT Spectrum _ Real)과 실시간 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Real)를 상기 정상상태 주파수 스펙트럼(FFT Spectrum _ Normal)와 정상 상태 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Normal)과 비교하여 풍력발전기의 일지점 또는 풍력발전기 부품의 일지점의 고장 여부를 판단하는 고장여부 실시간 판단 단계(S50)와;
    상기 고장여부 판단 단계(S50)에서 상기 제어부(40)가 고장 또는 고장 가능성이 높다고 판단되는 경우 알람신호를 관리자 컴퓨터, 스마트폰 접근이 가능한 웹 서버에 전송하는 경보신호 전송 단계(S60);를
    포함하여 구성되고,

    진동 신호감지 단계(S10) 이전에 상기 제어부(20)에 적어도 두개 이상의 풍속범위(W = W1, W2 …)가 미리 입력 설정하고, 상기 윈드센서(30)에 의해 측정된 바람의 속도가 적어도 설정지속시간(D1) 동안 하나의 풍속범위에서 유지되었다고 판단되는 경우 액티브 빈으로 판단하고,
    제어부(20)는, 바람의 속도가 적어도 설정지속시간(D1) 동안 하나의 풍속범위에서 유지된 시간 동안에 취득된 진동신호에 대한 액티부 빈에 속하는 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis)를 유효한 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Effective)로 지정하고 데이터 저장부(50)에 저장하고,

    상기 정상 상태 규정 단계(S40)에서 상기 제어부(20)는 상기 유효한 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Effective)를 사용하여, 상기 적어도 두개 이상의 풍속범위(W = W1, W2 …) 별로 풍력발전기가 정상 상태(Normal State)일 때의 상기 진동신호에 관한 유효 정상 상태 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Effective _ Normal)를 규정하고,

    상기 실시간 판단 단계(S50)에서,
    상기 제어부(40)는 풍력발전기가 실시간으로 측정된 진동신호 및 풍속신호의 검토 결과 액티브 빈으로 판단되는 경우, 유효한 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Effective)를 지정하여 이를 유효 실시간 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Effective _ Real)으로 보고,
    상기 유효 실시간 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Effective _ Real)를 상기 유효한 정상 상태 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Effective _ Normal)와 비교하여 풍력발전기의 일지점 또는 풍력발전기 부품의 일지점의 고장 여부를 판단하고,

    상기 유효 정상 상태 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Effective _ Normal)와 유효 실시간 스펙트럴 커터시스(Spectral Kurtosis _ Effective _ Real)의 비교 판단은 풍속범위(W = W1, W2 …) 별로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스펙트럴 커터시스를 이용한 풍력발전시스템 상태감시 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
KR1020190050163A 2019-04-30 2019-04-30 스펙트럴 커터시스를 이용한 풍력발전시스템 상태감시 방법 KR102168403B1 (ko)

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