（计算机应用技术专业论文）风电监测系统中数据集成与分析方法研究.pdf

风电状态监测系统的数据集成和分析方法研究 摘要 风力发电是近年来国内外发展较快的一门开发新能源的技术，风 电状态监测系统的研究与应用对于保证风电设备的正常运行、避免巨 大的经济损失有着重要的意义。对风电系统中的重要部件实时监测其 运行状态，并进行状态预测，同时依据设备运行状态将维修方式从例 行维修和事后维修转变为预测性维修具有较大的现实意义。 本课题以风力发电系统为研究对象，研究集成各数据采集单元、 风机控制系统等各个设备的数据定义及传输协议，建立数据站集成风 机状态特征信号、运行参数以及运行状况等信息，并对所有数据进行 预处理及融合，并完成状态的初步识别诊断。本论文主要从以下三方 面开展了研究： ( 1 ) 对风电监测系统中的各类数据进行分类定义，建立数据站 集成各类数据源的状态数据，包括声发射信号和振动信号无线采集单 元数据格式和主要特征分析，以及风电控制系统的运行信息及风机主 要参数。 ( 2 ) 声发射信号分析方法研究：主要包括对声发射信号的参数 分析，根据分析结果对风轮裂纹进行定位，并深入分析裂纹的发展趋 势，对是否需要维修做出判断。 ( 3 ) 振动信号分析方法研究：振动信号分析的方法很多，本论 文主要采用包络谱分析技术提取振动信号的故障特征，采用神经网络 北京化t 人学硕i ：学位论义 的故障识别方法实现故障精确诊断。 本文应用c 开发了风电无线监测系统数据站软件和信号分析及 诊断系统软件，并在实验室搭建了风机监测系统平台，对该软件进行 测试，测试结果表明系统能够准确的实现各类数据的集成采集和传 输，进而通过对各种信号进行分析以实现状态监测和故障诊断。 关键词：风电系统，状态监测，数据站，声发射信号，振动信号 i l a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ft h ed a t ai n t e g r a t i o na n d a n a l y s i s0 fw i n dp o w e rc o n d i t i o n m o n i t o r i n gs y s t e m a b s t r a c t r e c e n t l yt h ed e v e l o p m e n to fw i n dp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yi s v e r yr a p i di ne x p l o i t i n gn e we n e r g ya th o m ea n da b r o a d t h ec o n d i t i o n m o n i t o r i n gs y s t e mc a ne n s u r et h ee q u i p m e n t sr u n n i n gn o r m a l l yt oa v o i d h u g e e c o n o m i cl o s s e s s ot h e r e s e a r c h i n g a n d a p p l i c a t i o n a b o u t m o n i t o r i n gs y s t e mi sv e r yi m p o r t a n t i tm o n i t o r st h er u n n i n gs t a t eo f i m p o r t a n tc o m p o n e n t si nr e a l t i m ea n dp r e d i c t st h ef u t u r es t a t e i nt h e m e a n t i m ei tc a nk e e pp r e d i c t i v em a i n t e n a n c eo ne q u i p m e n tr u n n i n gs t a t e b yc o m p a r i s o nw i t hr o u t in em a i n t e n a n c ea n dt h er e p a i ra f t e rf a u l t ，t h i s m a i n t e n a n c em o d eh a sag r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei nt h ew i n dp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e m t h ea r t i c l er e s e a r c h e st h ew i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m ，i n c l u d i n g t h ei n t e g r a t i n gd a t aa c q u i s i t i o nu n i t ，c o n t r o ls y s t e ma n ds oo n i ts t u d i e s t h ed a t ad e f i n i t i o na n dt r a n s m i s s i o n p r o t o c o l f o re a c hd e v i c e ，t h e e s t a b l i s h m e n to fd a t as t a t i o nt oi n t e g r a t et h ei n f o r m a t i o n ，i n c l u d i n gs t a t e f e a t u r e ss i g n a l so ft h es y s t e m ，o p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n dr u n n i n gs t a t e a l l d a t ai s p r e p r o c e s s e da n di n t e g r a t e dt of o r mi n i t i a li d e n t i f i c a t i o na n d 北京化t 人学硕：l ：学位论义 d i a g n o s i s t h i sp a p e rr e s e a r c h e si tm o s t l yi nt h r e ea s p e c t s ： ( 1 ) w i t hc l a s s i f ya n dd e f i n ev a r i o u st y p e so fd a t af r o mw i n dp o w e r g e n e r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m ，i te s t a b l i s h e st h ed a t as t a t i o nt oi n t e g r a t e t h ed a t ao fs t a t ef r o mv a r i o u sd a t as o u r c e s ，i n c l u d i n gt h ef o r m a t i o no f d a t aa n dt h em a i nf e a t u r ea n a l y s i sa b o u ta c o u s t i ce m i s s i o na n dv i b r a t i o n s i g n a lw i r e l e s sa c q u i s i t i o nu n i t ，i n f o r m a t i o na n dm a i np a r a m e t e r sf r o m t h ec o n t r o ls y s t e m ( 2 ) r e s e a r c h i n gm e t h o da b o u ta n a l y s i so na c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a l s ： t oa n a l y z et h ep a r a m e t e r so fa c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a l ，i ta n a l y z e st h e t r e n do ft h ec r a c kd e e p l yb a s e do nt h ea n a l y s i st ol o c a t et h ec r a c ki nt h e w i n dr o u n d ，a n dm a k e j u d g m e n t so nm a i n t e n a n c e ( 3 ) r e s e a r c h i n gm e t h o da b o u ta n a l y s i so nv i b r a t i o ns i g n a l s ：t h e r ei s al o to fv i b r a t i o ns i g n a la n a l y s i sm e t h o d s ，t h i sp a p e rm a i n l yu s et h e e n v e l o p es p e c t r u ma n a l y s i so nt h ef a u l tf e a t u r ee x t r a c t i n gf o r mv i b r a t i o n s i g n a l ，a n du s ef a u l tr e c o g n i t i o nw i t hn e u r a ln e t w o r km e t h o dt oa c h i e v e a c c u r a t ef a u l td i a g n o s i s i nt h i sp a p e li td e v e l o p e ds o f t w a r ea b o u tt h ed a t as t a t i o no nw i n d p o w e rg e n e r a t i o nw i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e mi nc f i ，a n do t h e rs o f t w a r e a b o u ts i g n a la n a l y s i sa n dd i a g n o s t i cs y s t e m i nt h em e a n t i m e ，aw i n d p o w e rg e n e r a t i o nw i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e mp l a t f o r mi s b u i l ti nt h e l a b o r a t o r y t h es o f t w a r ei st e s t e da n dt h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e m i v a b s t r a c t c a nr e a l i z ev a r i o u st y p e so fd a t ai n t e g r a t e da c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o n a c c u r a t e l y , a n da c h i e v et h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s b a s e do na n a l y s i so nav a r i e t yo f s i g n a l k e yw o r d s ：w i n dp o w e r s y s t e m ，c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，d a t a p l a t f o r m ，a c o u s i t ce m i s s i o n ，v i b r a t i o ns i g n a l v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：l 盥 日期：毖上堑 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：因遂 日期：碰：丛 导师签名：翅日期： 2 业：查：三垒 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 目前，能源短缺和环境污染是世界各国面临的难题，而风能的丌发便可有效 缓解能源供应困局。j x l 能是太阳能一种特殊的转化形式，是一种不产生任何污染 物排放的可再生的自然能源，在地球上的储量相当丰富，可为人类提供长期稳定 的能源供应。因此，风力发电成为世界各国开发新能源的首选。在过去的十几年 里，风能的经济效益有了巨大的提高，风力发电是新能源领域中技术比较成熟的 发电方式，其对于保障能源安全、减轻环境污染、实现可持续发展等都具有非常 重要的意义l l 2 j 。 使用风力发电系统，就是源源不断地把风能变成人类使用的标准电能。风力 发电没有燃料问题，因此不会产生辐射和空气污染，其节约程度是十分明显的。 风力发电系统主要由风力发电机组和升压变电站组成。风力发电机组将风能 转换为机械能，再将机械能转换为电能。升压变电站则把电能输送到电网。风力 发电机组是j x l 电场的关键设备。目前，风电装置设备往往都安装在偏僻的、难以 接近的、气候状况不适合人类长期逗留的地域，其整体结构也越来越大、越来越 高，无法像地面设备一样进行日常的例行检查和维护。长期以来，风力发电机一 直采用计划维修方式，即运行一定时间后的例行维修，如检查风机叶片、轴承等 等，这种维修方式无法全面、及时地了解设备运行状况。同时，风力变化无常， 结构和零部件受损率增加，等到发现故障进行事后维修的时候，可能已经造成严 重的零部件损坏，设备不能f 常工作，要花费更长的时间和更多的人力和丌销束 维修，损失重大，对人们的生产带来不便，容易造成极大的负面影响。 在风电设备上安装状态监测系统，即可以预防设备疲劳运作，杜绝责任安全 事故，又可以辅助查找故障根源，减少维修保养费用，还能延长风机使用寿命， 提供持久清洁的能源。 本文设计的状态监测系统数据集成与分析，具有集成各种协议模式，采集设 备参数的功能，同时将集成到的数据进行必要的分析，判断设备运行状态，辅助 查找故障源，为监控中心和远程控制系统提供数据信息。 北京化t 人学硕i ：学位论文 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 国外研究现状及发展趋势 风电近年来一直是世界上增长最快的能源，装机容量每年增长超过3 0 。 2 0 0 7 年，全球风力发电的累积装机容量已达9 4 1 万兆瓦，比上一年的7 4 2 万兆 瓦增加了2 7 。2 0 0 4 年，欧洲风能协会和绿色和平组织签署了风力1 2 一关于 2 0 2 0 年风电达到世界电力总量的1 2 的蓝图的报告，期望并预测2 0 2 0 年全球 的风力发电装机将达到1 2 3 1 亿千瓦，年安装量达到1 5 亿千万，风力发电量将 占全球发电总量的1 2 t 3 1 。 随着风电产业的高速发展，风电设备供不应求，对设备监测的要求也越来越 高。根据己掌握的资料，最早开发监测诊断技术的是美国。1 9 6 1 年开始执行阿 波罗计划后出现的一系列设备故障造成的悲剧导致1 9 6 7 年在美国宇航局提议 下，由美国海军研究室主持成立了美国机械故障预防小组( m f p g ) ，积极从事技 术诊断的丌发。1 9 7 1 年m f p g 正式划归美国国家标准局领导，从事故障机理的 研究、监测、诊断和预报的技术研究，可靠性分析及耐久性评价。美国机械工程 师学会( a s m e ) 领导下的锅炉压力容器监测中心，在应用声发射诊断技术于设 备故障方面取得了较大的进展。设备监测诊断技术在欧洲国家也有很大发展，瑞 典s p m 公司的轴承监测技术、挪威的船舶诊断技术、丹麦b & k 公司的振动监 测和声发射监测仪器等都各有千秋【4 j 。 1 2 2 国内研究现状和发展趋势 近年来，新兴市场的风电发展迅速。在国家政策支持和能源供应紧张的背景 下，中国的风电特别是飙电设备制造业迅速崛起，已经成为全球风电最为活跃的 场所。2 0 0 6 年全球风电资金中9 投向了中国，总额达1 6 2 7 亿人民币。2 0 0 7 年， 中国风电装机为6 0 5 万千瓦，提前3 年实现了2 0 1 0 年的规划目标，并排名世界 第五。从2 0 0 1 年到2 0 0 7 年的6 年间，中国风电装机增长了1 4 倍，仅2 0 0 7 年一 年，中国风电装机就增加3 4 4 9 万千瓦，比中国风电有史以来的累积总量还多。 根据刚刚颁布的发展规划，我国风电装机容量到2 0 1 5 年达到1 5 0 0 万千瓦，2 0 2 0 年达到3 0 0 0 万千瓦。 由于风力发电逐渐占据新能源开发的主导地位，相关方面的技术必须得到较 好的解决。由于风电系统中的关键设备一旦发生事故就会造成很大的损失，因此 在其设备开发和应用设备诊断技术方面在一些民用工业中走在了前面。风力发电 以大机组为重点开展了设备故障诊断的研究。在振动监测方面对高炉的风机进行 2 第一章绪论 了测试和分析，研制了z j c y 8 5 型风机轴承的纹理监测系统；在红外和热保护方 面对电机设备进行简易诊断【5 一。 1 3 课题研究的意义 现在，国内外的风电产业处于高速发展之中，显现出来的问题也随之增多。 随着生产力的发展和产业的扩大，风电设备结构也在不断增大，例如，一个风轮 可重达1 0 0 吨；一个主轴承可达1 5 米，重量可达2 5 吨；一个风机叶片直径可 达4 0 米以上。设备结构受力增大，风力载荷变化无常，导致轴承、齿轮、叶片 与塔架等的故障率和受损率增加。同时，由于风电装置往往都安装在偏僻的、难 以接近的、气候状态不适合人类长期逗留的地域，无法如地面设备一样对其进行 日常的设备检查与维护，万一出现故障时损失便非常大。 风电设备检测维修方式主要有事后维修( b r e a k d o w nm a i n t e n a n c e ，b m ) 和预 防维修( p r e v e n t i v e m a i n t e n a n c e ，p m ) 两种方式。事后维修就是“任设备损坏”。 其优点是：不必投资在状态监测上，不会出现过度维修。缺点是：无法预测事故 停机、产生设备二次损坏及灾难性后果、生产损失、高额度维修费用和管理失控。 预防维修就是对设备进行“定期体检”。其优点是：维修以可控制的方式在方便 的时间进行；减少意外事故，有效避免灾难性事故；更好地控制备件，节约资金。 缺点是：状态良好的设备也被频繁检修( 过剩维修) ；维修导致的损伤可能大于 维修的益处；仍会存在计划外故障停机( 欠维修) ；没有针对不同设备进行优化 与寿命分析。由于对故障发展规律缺乏认识，也没有监测故障的科学手段，因此 预防维修的周期也是根据人的经验和某些统计资料而制定的，很难预防各种随机 因素引起的事故，也不可避免地产生过剩维修。在这个基础上，状态维修应运而 生。所谓状态维修是指按照在线监测和诊断装置所预报的设备故障状态来确定设 备维修工作的时间和内容。其优点是：减少意外停机；仅在需要时购买和使用所 需条件；只需在适当时候进行维修。缺点是：监测仪器、系统、服务等需要花费。 尽管如此，状态维修的经济效益也是很明显吲7 。1 0 1 。以6 6 0 k w 风机( 寿命2 0 年) 和1 5 m w 风机( 寿命2 0 年) 的维修成本为例来分析，如表1 1 所示： 3 北京化丁人学硕一l j 学位论文 表1 - 1 两种风机维修成本分析表 t a b l e1 - 1a n a l y s i so fm a i n t e n a n c ec o s t so ft w ow i n dt u r b i n e s 维修方式年维修成本总维修成本监测成本1 y 约成本 6 6 0 k w 风机事后维修y 3 0 0 0 0￥6 0 0 0 0 0o 0 预防维修￥2 3 0 0 0￥4 6 0 0 0 0o￥1 4 0 0 0 0 状态维修 y 1 6 0 0 0y 3 2 0 0 0 03 0 0 0 0￥2 5 0 0 0 0 1 5 m w 风机事后维修 ￥6 9 0 0 0￥1 3 8 0 0 0 00o 预防维修 ￥5 3 0 0 0￥1 0 6 0 0 0 00￥3 2 0 0 0 0 状态维修 ￥3 6 0 0 0￥7 2 0 0 0 03 0 0 0 0￥6 3 0 0 0 0 从上表可知，状态维修不仅可以减少事故的发生，增加设备运行时间，而且 能很大程度上降低维修费用。 1 4 课题研究的主要内容 本课题针对风电系统设备组成与结构，丌发了一套适用于监测风电状态的软 件平台，主要包括监测系统数据集成和数据分析两大部分内容，具体工作包括： 1 ) 阐述了风电市场的在国内外的发展以及监测系统的发展情况。 2 ) 根据风电系统设备的特征，分析不同采集系统的传输协议，设计开发了 一个基于风电系统的数据站。 3 ) 深入研究了风电系统两种状态信号( 声发射信号和振动信号) 的分析方 法，并在现有的方法中提出改进的措施，提高了状态识别和故障诊断的准确性。 4 ) 为准确实施风机状态监测系统提供了总体解决方案，完成系统中的软件 设计开发。 本论文共分7 个章节，各章节的内容安排如下： 第一章为绪论，总体介绍课题研究背景及意义，风电状态监测技术的研究现 状和发展趋势，简要介绍了风电状态监测系统的应用前景。 第二章介绍风电系统的总体结构，包括风力机的组成、数据采集单元、风电 控制系统和风电状态监测系统。 第三章设计了j x l 机状态监测系统的数据集成研究。包括分析不同设备的传输 协议，对不同信号数据分类，对数据库表进行设计。 第四章详细介绍了声发射分析技术，主要包括对声发射信号的除噪预处理， 参数分析，定位分析以及扩展情况预测，由实验数据证实了分析方法的可靠性。 第五章详细介绍了振动信号的分析技术，主要包括对滚动轴承的故障振动信 号的包络谱分析和神经网络故障识别技术，由实验数据证实了两种识别方法的准 4 第一章绪论 确性。 第六章将研究的方法在v i s u a ls t u d i o 平台中，用c j f i 语言实现。 第七章给出了结论及进一步的工作展望。 第二章风电系统结构 第二章风电系统结构 2 1 风力发电的工作过程 风力发电机组是一种将风能转换为电能的能量转换装置，它包括风力机和风 力发电机两大部分，空气流动的动能作用在风力机风轮上，从而推动风轮旋转起 来，将空气动力能转变成风轮旋转机械能，风轮的轮毂固定在风力机轴上，通过 传动系统驱动风力发电机轴及转子旋转，风力发电机将机械能转变成电能输送到 电力系统。风力发电的工作过程如图2 1 所示。 2 2 风电系统总体组成 图2 - 1 风力发电的：i ：作过程 f i g 2 - 1w o r kp r o c e s so fw i n dp o w e r 风电系统主要由j x l 力机、数据采集单元、风电控制系统和风电状态系统组成。 如图2 2 所示。 风 e 刊数据采集单元r _g p r s 力 = = = 叫状态监测系统i 机 。刊风电控制系统l 图2 - 2 风电系统结构示意图 f i g 2 - 2t h es t r u c t u r eo fw i n dp o w e rs y s t e m 2 2 1 风力机的结构组成 风力机主要由风轮、传动系统、对风装置、控制与安全系统、发电机系统、 机舱、塔架等组成【l l 】。如图2 3 所示。 7 北京化t 学ml 学位皓i 图2 - 3 风力发电机结构示意幽 f i g2 - 3 t h es h m mo f w i n d t u r b i n e 1 ) 风轮：m 力机区别于其他机械的晟主要的特征就是风轮。风轮一般由2 3 个叶片和轮毅所组成，其功能是将风能转换为机械能。风轮处于欧时间高效负载 运行状态，由十风速的不断变化和材料的收缩变形，风力机叶_ l t 和轮毂可能产生 裂纹，影响采集风能的效率甚至停止运行，因此，在叶片和轮毂上装有声发射传 感器。当叶片和轮毂现变形或裂纹时，会发出卢发射信号，根据分析卢发射信 号去削断裂纹的位置和强度是监测系统的主要任务。 2 ) 传动系统：叶轮产生的机械能由机舱罩的传动系统传递给发电机。风力 机的传动系统一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱和一个能使风力机在紧急情况下 停i l 运行的刹车系统等。传动系统是整个风力发电机的核心部分，保证传动系统 的_ f 常运行是整个系统的关键”。为了监视传动系统内部设备的运行状态，防j l 设备或者零部件因为磨损、损坏影响m 常运行，需要在主要设备或者霉部件上安 装振动化感器。 3 ) 州m 装置：也是m 力机的偏航系统，其主要作用有两个：是1 j 风力发 r 蚴【组的控制系统相互配俞，使m 力发电机组的风轮始终处于迎m 状态，充分利 _ l j 风能，提高肛【力发电机纽的发电效率；二是提供必要的锁紧力矩，以保证风力 发电机组的安全运行。 4 ) 控制与安伞系统：风力机的运行及保护需要个自动控制系统，它必须 能控制门动启动、叶片浆距的机械调节技在j i 常和非j e 常情况下停机。除了控制 功能，系统也用1 。提供风速、风向、温度、湿度、运行状况等信息。改系统以计 第一审h i u 系统结构 算机为基础。风力发电机宝 i 的安全保护系统主要包括防蔷击保护、超速保护、机 组振动保护、发电机过热保护等。 5 ) 发电机系统：由控制与安全系统控制，将传动系统c i 的机械能转换为电 能。由于发电机系统没有完善的监测设备因此需望配备m c m 电机临测仪文叫 监测发电机组的运行状况。 2 22 风电控制系统 风i 乜控制系统是每台风机的核心部分，一般布置在机组的塔简和机舱内。它 是专门针对风电场的运行需求而设计，冈此且有极高的_ e f = 境适应性和抗电磁干扰 等特点。其系统结构如下： 图2 一风电控制系统结构 f i g 2 一t h es 讥k t u mo f w i n d p o w e rc o n t r o ls y s t e m m 电控制系统的现场控制包括：塔座圭控制器机架、机舱总控制站机架、变 浆距系统、现场触摸屏站、以太网变换机、现场总线通讯网络、紧急停机后备系 统等。 风电控制系统具有以下基本功能叶嘲： 1 ) 数据采集功能 风电机组存运行过程中进行监测的相关参数包括： ( 1 ) 气象参数：风速、风讯环境温度等。 ( 2 ) 风力机参数：风轮转速、叶尖线速度、额定风速、切八风速、切出风 速、安全风速、风力机功率等。 回回 一m 每旃 北京化t 大学硕十学位论文 数据采集功能在风电控制系统中占有一个十分重要的位置，它能够实时收集 设备在运行中的各项参数指标，包括固定参数和可变参数。 2 ) 机组启动、停止、发电控制 ( 1 ) 主控系统检测电网参数、气象参数、机组运行参数后，若条件满足， 则启动偏航系统执行自动对风控制，释放机组的刹车盘，调节浆距角度，风车开 始自由转动，进入状态。 ( 2 ) 当外部气象参数监测的风速大于某一定值时，主控系统启动变流器开 始进行转子励磁，待发电机定子输出电能与电网同频、同相、同幅时，实现并网 发电。 ( 3 ) 根据风力机的特性，当机组处于最佳叶尖速比入运行时，风机机组将 捕获最大能量。理论上，机组转速可以为任意值，但实际上机组转速受系统功率 限制。运行阶段分为：变速运行、恒速运行和恒功率运行。当风机并往后，转速 小于极限转速、功率低于额定功率时，根据当前实际风速，调节风轮的转速，使 机组工作在捕获最大风能的状态。 3 ) 辅助其他设备 ( 1 ) 发电机系统 监控发电机运行参数，控制发电机线圈温度、轴承温度等在适当的范围内。 例如，当发电机温度升高至某一设定值后，启动冷却风扇，当温度降低到某一设 定值时，停止风扇运行，当发电机的温度过高或者过低时，发出报警信号并执行 安全停机程序。 ( 2 ) 偏航系统 根据当前的机舱角度和测量的低频平均风向信号值以及机组当前的运行状 态，调节c w ( 顺时针) 和c c w ( 逆时针) 电机，实现自动对风控制。 ( 3 ) 增速齿轮箱系统 齿轮箱系统用于将风轮转速增速至双馈发电机的正常转速运行范围内，需监 测和控制齿轮油泵、齿轮油冷却器、加热器、润滑油泵等。例如，当齿轮油压力 低于某一设定值时，启动齿轮油泵；当压力高于某一设定值时，停止齿轮油泵； 当压力越限后，发出警报，并执行停机程序。 2 2 3 数据采集单元 尽管风电控制系统中包括能够对风机设备进行采集数据，由于其工作过程仍 存在局限性，没有设立完善的监测装置，因此，数据采集单元仍是十分必要的。 本课题中，数据采集单元以无线采集监测为主。数据采集单元的结构图如图 2 5 所示。系统主要由数据采集处理模块、无线通信系统以及现场服务器( 即风 l o 第二章风电系统结构 电状态系统) 等部分组成。数据采集处理模块主要负责采集传感器的电压信号， 并对其进行分析处理。无线通信系统由z i g b e e 无线传感网络和w i f i 无线网络共 同组成，其中前者用于各节点与协调器之问的无线传输，后者用于协调器与有线 网络之间的信号数据传输，风电状态系统负责存储和管理现场数据，完成分析处 理等工作f 1 7 , 1 s l 。 钭趣以匙鲥 ”“”l ，笤产濑l 鬏 石) ，式中x 为门槛值式( 3 - 1 0 ) ，= 妻，式中，牙= ；r i x ( ，) | 出式( 3 - 7 ) 对整个系统来说，数据库是采集数据和相关参数存放的地方，是各个数据采 集模块与该系统的纽带。数据库的结构设计是整个监测系统实现的基础，对于监 测系统的设计丌发起着决定性的作用。因此，数据库部分的设计对整个系统的成 功实现至关重要。 3 5 1 数据库技术概述 数据库技术是计算机科学技术中发展最快的领域之一，也是应用最广的- - f - j 技术，已经成为计算机信息系统与应用系统的核心技术和重要基础。目前，信息 资源已经成为许多企业各个部门的重要资源。因此，作为信息系统核心和基础的 数据库技术得到了越来越广泛的应用。 数据库( d a t a b a s e ，简称d b ) ，即存放数据的仓库，数据库中的数据按照一 第三章风电状态j 湓测系统数据集成 定的数据模式描述和存储，具有较小的冗余度和较高的数据独立性及易扩展性， 可为各种用户分享。人们借助数据库技术科学地保存、管理和分析大量的复杂的 数据，方便而充分的利用了这些宝贵的信息资源。 数据库管理系统( d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ，简称d b m s ) 是位于用户 与操作系统之间的一层数据管理软件，它的主要功能包括：数据定义、数据库建 立和维护、数据库运行和管理。 考虑到大多数p c 机上运行的都是m i c r o s o f t 公司w i n d o w s 系列的操作系统， 本课题选用m i c r o s o f t 公司的s q ls e r v e r2 0 0 5 ，确保数据库和操作系统的集成。 s q l s e r v e r 的常用版本有：企业版、标准版、个人版、开发版。企业版是专门为 拥有大量用户以及对实时要求较高的应用系统而设计的，可以在对称处理器或者 集群计算机等高端计算环境下进行安装。标准版包括所有数据库功能但是只能在 w i n d o wn t 2 0 0 0 上运行。个人版是针对移动电脑或者少量数据库用户( 一般为 5 0 个左右) 使用。开发版是用于开发s q ls e r v e r2 0 0 5 数据库应用程序的编程环 境，由于它只是一个丌发环境，因此不能用于实际生产系统。考虑到实际的应用 情况，本课题选择s q ls e r v e r2 0 0 5 企业版来完成我们的数据库系统设计。 3 5 2 数据库结构设计 在本系统中用s q ls e r v e r2 0 0 5 实现本课题的数据库。整个实施过程为：建 立数据库、在已建立的数据库中完成各表的设计、设置好数据库的关系。建立数 据库比较简单，下面重点介绍数据库中各表的设计和数据库关系的设置。 本课题中的数据库用来存放设备参数信息、轮询的实时数据和采集的波形数 据，在数据库中分别建立如下的表：用户信息、气象信息、设备信息、风力机参 数、轴承参数数据、电机监测仪数据、设备数据。下面分别介绍说明各种表： 1 ) 用户信息：包括用户名、密码两列，用来保存用户信息。用户登陆系统 时输入用户名、密码，与用户信息表中相符则允许登陆。 2 ) 气象信息：以时间为主键，还包括风速、风向、温度、湿度四列，用来 保存实时风电场气象变化参数信息。用户可通过观察气象的变化来控制风电系统 的运行。 3 ) 设备信息：以设备编号和测点编号为主键，还包括设备名称和测点巡检 周期。其中，测点巡检周期为测点当前的巡检周期。 4 ) 风力机参数：以时问为主键，还包括风力利用系数、叶尖速比、实度、 额定风速、风力机功率等。这些参数均为固定参数，随着出厂而设定。 5 ) 电机监测仪数据：由于一个m c m 只能连接一个风力发电机，因此对每 一个m c m 建立一个数据表，然后通过a r t e b u s 协议将从每个m c m 中获取的监 北京化t 大学硕一 ：学位论文 测信息提取，得到各自连接的风力发电机的各种参数。 6 ) 声发射信号参数：对每一个声发射传感器测点建立一个数据表，以时间 为主键，还包括上升时间、幅度、持续时i 、日j 等声发射特征参数，同时包括异常参 数下的波形数据文件名称。 7 ) 轴承参数：对每一个振动传感器测点建立一个数据表，以时间为主键， 还包括峰值、有效值、峰值因数、峭度等各项特征参数，同时包括异常参数下的 波形数据文件名称。 各数据表如图3 - 9 到图3 1 3 所示。 图3 - 9 用户信息 f i g 3 - 9u s e rm e s s a g e 图3 1 0 气象参数表 f i g 3 - 1 0t h ed a t a b a s eo f w e a t h e rp a r a m e t e r 图3 1 l 风力机参数表 f i g 3 - 11t h ed a t a b a s eo fw i n d 2 6 第# r i b 状客! 删系数姑集 图3 1 2m c m 电机监洲仪参数丧 f i g 3 1 2 t h e p a r a m e t e r i n m c m 图3 1 3 数据采集单元参数表格 f i g 3 1 3 t h ec h a r to f p a r a m e t 目md a t aa c q u i s i t i o nu n i t 北京化工人学硕 j 学位论文 3 6 数据站软件平台设计 系统分别从三个模块采集数据，然后进行集成，成为一个综合的数据站。与 数据采集单元、m c m 电机仪的连接和传输都是通过各自的协议，而与风电控制 系统是通过统一标准的o p c 接口。系统中数据站的设计流程如图3 1 3 所示。 图3 1 3 数据库结构设计流程 f i g 3 1 3t h ed e s i g np r o c e s so fd a t a b a s es t r i l c t u i e 系统运行后，首先分别启动o p cc l i e n t 和串口，一方面，将o p cc l i e n t 与 风电控制系统中的o p cs e r v e r 相连接，当连接成功，读取s e r v e r 中的各项参数， 再将参数分类写入数据库中。另一方面，串口启动成功后，接收的数据来自两个 地方，一是m c m 电机监测仪，另外一个是数据采集单元，由于两种传输的协议 不同，因此需要对协议进行分析，判断数据的来源。根据判断的结果，分别将数 据写入相应的数据库中。这时，数据库中便集成了所有模块的数据信息，成为一 个综合的数据站。表3 4 为设计数据站时用到的类。 第三章风电状态监测系统数据集成 表3 - 4 软件实现中的类 t a b l e3 - 4t h ec l a s si ns o f i e r w a r e 序号项目 说明 lb h c d u t i l i t i e s 一些公用的方法和定义 2b h c d c o m m b a s c 通信基类 3b h c d d a t a b a s e 数据库操作基础类库 4 b h c d r t u c o n f i g 所有配置文件的读取 5o r i b w 3 2 数据库连接 6 b h c d d a t a c e n t e r本稃序中使用的数据中心 7 b h c d o p c c l i e n t 本程序中使j j 的o p c 客户端 8b h c d m c m 基y - a r t u b u s 协议的m c m 模块 9 b h c d z i g b e e w i f i基y - z i g b e e 协议的w i f i 网络传输 1 0 b h c d c o m m d o w n下行通信处理 l l b h c d c o m m u p 上行通信处理 1 2b h c d 主程序 3 7 小结 本章主要介绍了风电状态监测系统数据集成采集，包括风电控制系统，m c m 电机监测仪和数据采集单元，建立了监测系统数据站，通过不同协议和接口集成 采集来自不同单元和子系统的数据，并对不同数据进行定义和存储，为风电监测 系统集成监测、信号分析和故障诊断提供数据来源。 2 9 第p q 章声发射信号分析j 处理方法研究 4 1 引言 第四章声发射信号分析与处理方法研究 由于声发射信号来自裂纹本身，因此用仪器探测、记录、分析声发射信号和 利用声发射信号推断声发射源的位置和特性的技术称为声发射检测技术。 近年来，声发射检测有很大的发展，在无损检测中占有十分重要的位置。它 必须有外部条件才能产生，例如力、电、磁等因素的作用，使材料内部结构发生 变化，而声发射信号时在材料内部结构发生变化的过程中产生的，也只有这样才 能引起能量的释放。如果裂纹等缺陷处于静止状态，即没有变化和扩展，也就没 有声发射信号的产生。 声发射信号分析的主要目标是：1 ) 确定声发射发生的时间；2 ) 确定声发射 源的位置；3 ) 评价声发射源的强度。 4 2 声发射信号分析技术 声发射监测过程可概括为：声源产生的瞬态弹性波在介质中传播，到达材料 的表面并引起表面振动，布置在材料表面的传感器将接收到的信号转换为电信 号，经前置信号放大器放大、滤波器消除背景噪声，再由声发射采集卡接收并转 换为数字信号送入计算机进行信号保存和处理，最后经过对数据的分析判断出声 发射源的位置和特性。声发射信号处理的主要任务便是声源的定位、识别及材料 损伤评价。图4 1 为声发射检测原理框图。 声源 = 刽信号传播吲信号接收k = 爿背景噪声 分析判断k = 爿数据显示矧信号处理k = 爿参数输入 图4 - 1 声发射检测原理框图 f i g 4 - 1t h ep r i n c i p l eo f a e d e t e c t 声发射信号的分析处理是从声发射信号中提取有用的信号成分，对信号从各 个角度进行分析，进而确定声源位置及材料破坏程度。目前对声发射信号的分析 处理主要由两大类型：一种是以简单的波形特征参数来表示声发射信号的基本特 北京化t 人学硕上学位论文 征，即单参数分析法，它具有数据量小、分析速度快、实时性好等特点；另一种 是存储和记录声发射信号的波形，对波形进行深度分析，即波形分析法，它具有 极强的信号识别与评估能力，但因处理过程复杂，处理时i 、日j 相对较长，不能很好 地适合实时监测的要求。在本课题中，声发射传感器主要分布在叶片和轮毂上， 其重要功能为监测风轮是否有裂纹产生。 4 3 声发射信号处理 在采集原始声发射信号的过程中，由于会产生摩擦信号、机械噪声、环境噪 声等共同叠加的检测信号，如何从检测到的信号中将真正有用的表征不同类型缺 陷的声发射信号提取出来是至关重要的。因此，首先要对信号进行除噪预处理， 尽量还原最真实的原始a e 信号。 4 3 1 用小波分析实现声发射信号预处理 4 3 1 1 小波分析技术 小波分析属于时频分析的一种，它是一种窗口大小固定但其形状可以改变， 且时窗和频窗都可改变的时频局部分析方法，即在低频部分具有较高的频率分辨 率和较低的时间分辨率，而在高频部分具有较低的频率分辨率和较高的时间分辨 率。小波分析方法优于傅里叶变换的地方就在于它在时域和频域同时具有较好的 局部化性质。 小波分析在分析信号频率成分时采用基小波，其基本思想是用一族函数去表 示或者逼近一个信号或函数【3 7 】。假设a e 信号f ( t ) l 2 ( r ) ( l 2 ( r ) 表示能量有限 的信号空间) ，若能找到y ( f ) 口( 尺) ，且有： (