风电监测系统中数据集成与分析方法研究.doc

风电监测系统中数据集成与分析方法研究单位代码:10010学号:2可.衬畜畜 畜里里社京化工大学硕士研究生学位论文题目凤碳叫械中棘桌成令专业一鳗鱼鱼醚述一研究生阁袱指导教师真并芳日期:工010年上月，日社京化工大学硕士研究生学位论文题目风电监测系统中数据集成和分板方法研究研究生专业指导教师袁洪芳日期:二O一O年四月二十五日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己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:日期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_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:导师签名:姗衰关芍日期:日期:夕of0.工场口产口、夕、2学位论文数据集中中图分类号 号 TP39111学科分类号 号 520.406000论论文编号 号 100102010080888密级 级 级学学位授予单位代码码 1001000学位授予单位名称称北京化工大学 学作作者姓名 名周璐 璐学号 号 200700080888获获学位专业名称 称计算机应用技术 术获学位专业代码 码 08120333课课题来源 源主管部门(部委级)研究方向 向系统监测 测项 项 项目 (JD0904)论论文题目 目风电监测系统中数据集成与分析方法研究 究关关键词 词风电系统，状态监测，数据站，声发射信号，振动信号 号论论文答辩日期 期2010年5月22日 日*论文类型 型应用研究 究学学位论文评阅及答辫委员会情况 况姓 姓姓名 名职称 称工作单位 位学科专长 长指指导教师 师袁洪芳芳副教授 授北京化工大学 学信号处理、在线监测 测评评阅人 111聂伟 伟副教授 授北京化工大学 学通信与信号分析 析评评阅人 222吴海琦琦高级工程师师北京昆仑天辰仪仪自控仪表 表表 表 表 表表科技有限公司司 司评评阅人 33333333333评评阅人 44444444444评评阅人 55555555555答答辩委员会主席 席赵英 英教授 授北京化工大学 学分布式系统、网格计算算答答辩委员 111山岚 岚教授 授北京化工大学 学网络信，息获取技术 术答答辩委员 222彭四伟伟副教授 授北京化工大学 学编译技术应用 用答答辩委员 333张杰 杰副教授 授北京化工大学 学智能信，息处理 理答答辩委员 444聂伟 伟副教授 授北京化工大学 学通信与信号分析 析答答辩委员 55555555555注:一论文类型:1.基础研究2.应用研究3.开发研究4.其它二.中图分类号在中国图书资料分类法查询。三.学科分类号在中华人民共和国国家标准 (GB/T13745一9)学科分类与代码中查询。四.论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。摘要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:(l)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工大学硕_卜学位论文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ABSTRACT THERESEARCHOFTHEDATAINTEGRATIONAND ANALYSISOF、 VINDPO丫 VERCONDITION MONITORINGSYSTEMABSTRACT ReeentlythedeveloPmentofwindPowergenerationteehnology15 veryraPidinexPloitingnewenergyathomeandabroad.Theeondition monitoringsystemcanensuretheequiPmentsrunningnormallytoavoid hugeeconomiclosses.50theresearchingandaPPlicationabout monitoringsystem15veryimPortant.Itmonitorstherunningstateof imPortanteomPonentsinreal一 timeandPredictsthefuturestate.Inthe meantimeitcankeePPredictivemaintenaneeonequiPmentrunningstate. BycomParisonwithroutinemaintenaneeandtherePairafterfault，this maintenaneemodehasagreatPractiealsignificanceinthewindPower generationsystem. ThearticleresearchesthewindPowergenerationsystem，including theintegratingdataacquisitionunit， controlsystemand50on.Itstudies thedatadefinitionandtransmissionProtocolforeachdevice，the establishmentofdatastationtointegratetheinformation， includingstate featuressignalsofthesystem， oPeratingParametersandrunningstate.All data15Pre一 Proeessedandintegratedtoforminitialidentifieationand北京化工大学硕卜学位论文 diagnosis.ThisPaPerresearehesitmostlyinthreeasPeets: (l)Withelassifyanddefinevarioust即 esofdatafromwindPower generationmonitoringsystem， itestablishesthedatastationtointegrate thedataofstatefromvariousdatasources， includingthefo溯 ationof dataandthemainfeatureanalysisaboutaeousticemissionandvibration signalwirelessaequisitionunit， informationandmainParametersfrom theeontrolsystem. (2)Researchingmethodaboutanalysisonaeousticemissionsignals: ToanalyzetheParannetersofacoustieemissionsignal，itanalyzesthe trendofthecrackdeePlybasedontheanalysistolocatetheerackinthe windround， andmakejudgmentsonmaintenance. (3)Researehingmethodaboutanalysisonvibrationsignals:There15 alotofvibrationsignalanalysismethods， thisPaPermainlyusethe enveloPesPeetrumanalysisonthefaultfeatureextractingformvibrationsignal， andusefaultrecognitionwithneuralnetworkmethodtoachieve accuratefaultdiagnosis. InthisPaPer， itdeveloPedsoftwareaboutthedatastationonwind PowergenerationwirelessmonitoringsysteminC#， andothersoftware aboutsignalanalysisanddiagnosticsystem.Inthemeantime， awind PowergenerationwirelessmonitoringsystemPlatform15builtinthe laboratory.Thesoftware15testedandthetestresultsshowthatthesystemIVABSTRACT eanrealizevarioustyPesofdataintegratedaequisitionandtransmissionaeeurately， andachievetheconditionmonitoringandfaultdiagnosis basedonanalysisonavarietyofsignal. KEYWORDS:WindPowersystem， Conditionmonitoring，DataPlatform， AcousiteEmission， Vibrationsignal目录目录第一章绪论.1课题研究背景.2国内外研究现状及发展趋势.，.2.2.1国外研究现状及发展趋势.2.2.2国内研究现状和发展趋势.2.3课题研究的意义.3.4课题研究的主要内容.4曰1.曰1.曰 jJ1Jl11.第二章风电系统结构.”.72.1风力发电的工作过程.72.2风电系统总体组成.72.2.1风力机的结构组成.，.，.72.2.2风电控制系统.，.92.2.3数据采集单元.102.2.4风电状态监测系统.，.112.3小结.12第三章风电状态监测系统数据集成.133.1引言.133.2风电控制系统的数据采集.13 3.2.1OPC接口.，.，.143.2.2气象系统参数.，.，.巧3.2.3风力机系统参数.，.，.15 3.3MCM电机监测仪的数据采集.173.4数据采集单元的数据采集.183.4.1基于Zighee协议的无线传感器网络.，.193.4.2声发射信号特征参数.，.203.4.3振动信号特征参数.，.223.5数据库设计.，.243.5.1数据库技术概述.243.5.2数据库结构设计.，.253.6数据站软件平台设计.283.7小结.29第四章声发射信号分析与处理方法研究.31北京化工大学硕士学位论文4.1引言.，.，.314.2声发射信号分析技术.314.3声发射信号处理.324.3.1用小波分析实现声发射信号预处理.，二324.3.2声发射信号的特征参数分析.364.3.3声发射信号定位分析.374.3.4裂纹扩展情况分析.，.，.444.4小结.，.，.，.49第五章振动信号分析与处理方法研究.515.1引言.515.2滚动轴承的故障特征频率.515.3基于包络谱分析的故障识别.535.3.1包络谱分析原理.，.535.3.2滤波处理.535.3.3增加窗函数.，.555.3.4希尔伯特变换.，.，.565.3.5分析结果.，.，.575.4基于神经网络的故障识别.615.4.IBP算法的数学描述.，.，.615.4.2改进的BP算法，.635.4.3分析结果.655.5小结.69第六章风电状态监测系统数据集成和分析软件设计.”.“71 71727474747577786.1系统数据集成和分析总体结构.6.2系统数据集成和分析软件详细设计6.3系统实现界面.，.6.3.1数据集成接口.6.3.2状态参数显示.，.6.3.3MCM电机监测仪中的参数显示6.3.4波形信号分析.，.6.4小结.Q口QQ夕了声77第七章结论与展望.“7.1本文的主要工作及成果7.2进一步工作建议.参考文献.”.81致谢.，.”.”.85Vlll目录研究成果及发表的学术论文.87作者和导师简介.89ContentsContentS chaPter1Intruduction.l 1.1IntroductionoftheProjecthackground.1 1.2DomestieandexternalresearehstatusanddevloPmenttrends.2 1.2.1Ext翻 alresearchstatusanddevi叩menitrends.2 1.2.2Domesticresearchstatusanddeviopmenttrends.2 1.3Thesignificanceoftheresearch.3 1.4Themainresearchandconientarrangement.4 Chapter2Thestructureofwindpowersystem.7 2.1W6rkprocessofwindpower.7 2.2Thetotalstructureofwindpowersystme.7 2.2.1Thestructureofwindtuthine.，.7 2.2.2Thecontrolsystemofwindp0wer.9 2.2.3Dataacquistinnuint.，二，.，.10 2.2.4Theconditionmonitorsystemofwindpower.11 2.3Summary.12 CharPter3Thedataaequisitionandintegratton.13 3.1Foreword.13 3.2Thedataacquisitionofthecontrolsystem.13 3.2.1OPCinierface.14 3.2.2Theparameterofweathersystem.，.，.巧 3.2.3Theparameterofwindtuthine.，.巧 3.3ThedataacquisitionofMCM.17 3.4Thedataacquisitionofdataacquisitionunit.18 3.4.1ThewirelesssensornetworkbasedZigheeProtocal.19 3.4.2TheparametersofAEsignal.20 3.4.3Theparametersofvibrationsignal.22 3.5Databasedesign.24 3.5.1Theouthneofdatabasedesign.24 3.5.2Thestructureofdatabasedesign.，.25 3.6Thedesignofdatasoftwareplatform.28 3.7Summary二，.，.29Cha印 ter4TheresearchofAEsignalanalysis.31卢北京化工大学硕士学位论文 4.1F0rew0ul.31 4.2ThetechnologyofAEsignalanalysis.，.31 4.3AEsignalanalysis.32 4.3.1PretreatmentofAEsignalusingwavelctanalysis.、.犯 4.3.2AnalysisofparameterofAEsignal.36 4.3.3AnalysisoforientationofAEsignal.37 4.3.4Analysisofcrackleexpend.，.44 4.4Sumlnary.，.49 CharPter5Theresearehofvibrationsignalanatysis.51 5.1Foreword.51 5.2Thefaultcharacteristicfrequencyofroiling.，51 5.3FauhdistinguishbasedonenvefopesPectrUmanalysis.535 3.1TheprinciPlcofenveloPespectrumanalysis.，.53 5.3.2Filter.，.，