一种风机状态联合监测方法及系统与流程

本发明涉及信号处理领域，具体涉及一种风机状态联合监测方法及系统。

背景技术：

随着运转时间的加长，风机内粉尘会不均匀的附着在叶轮上，逐渐破坏风机的动平衡，使轴承振动逐渐加大，一旦振动达到风机允许的最大值时，风机必须停机修理。每年风机故障损失的发电量和故障导致的维护费用都给风电场带来巨大的经济损失。从减少故障维护时间和维护成本上讲，风机状态的及时评估是非常必要的。

目前基于风机振动信号的风机状态判断方法主要有时域方法和频域方法。时域方法主要是通过截取一段振动时域信号，然后对其进行各类统计参数的计算，如平均值、峰值、峰峰值、标准差、方差、均方根等，通过与己有的标准对比，进而判断当前风机的振动是否处于正常范围内。然而，时域信号参数值的计算只能反映振动幅度的大小，而不能有效判断风机的状态。频域方法主要有傅里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换等，用于提取信号的时频特征。但想要用这些方法分析我们感兴趣的成分时，往往需要经历复杂的筛选过程，同时时频分辨率受限，难以直观反映信号的局部特征；主成分分析、经验模态分解等方法，虽然可以用于提取信号中感兴趣的子成分，但是这一类方法需要保证感兴趣成分的贡献率达到较高水平；同时对于提取的成分而言，应该给出符合风机工作状态的物理解释，这在风机工业应用中实施难度较大。且现有的频域方法主要涉及提取子成分，完全不涉及如何基于子成分进行具体的风机状态监测。

公开号为cn108843611a的发明专利申请公开了一种基于振动信号联合谱相关系数分析的轴流风机状态识别方法，（1）营造轴流风机的各种工况状态，建立轴流风机标准工况数据库；（2）建立轴流风机标准工况幅值谱数据库和倒频谱数据库；（3）采集实时运行的轴流风机振动信号，数据处理后得到轴流风机实时工况的振动信号幅值谱和倒频谱；（4）分别计算实时工况与标准工况的振动信号幅值谱相关系数和倒频谱相关系数；（5）绘制联合谱相关系数点并计算与点（1，1）之间的绝对距离；（6）根据绝对距离，确定轴流风机当前的实时运行状态。

上述专利申请虽然能对风机的运行状态进行识别和判断，但是其是基于振动信号的频率成分信息及主要调制频率信息进行分析，当频率信息相似但时间变化趋势完全不同时，仍然会被误认为属于相同的风机运行状态。此外，上述申请通过快速傅里叶变换得到轴流风机振动信号子成分，但是其处理过程复杂，也不能兼顾频率与时间分辨率的需求。因此有必要寻求一种实施复杂度低、普适性好、有效性高的风机状态判断方法。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种风机状态联合监测方法及系统。本发明通过可以从时频谱中将风机特定时段和特定频段信号的子成分准确的提取出来，只用一个成分代替复杂的特征频率所表达的工况，能够直观的有效监测风机的运行状态。同时利用时域信号与时频谱图对信号的相关系数进行计算，提高风机状态判断的准确性。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种风机状态联合监测方法，包括步骤：

s1、多次采集风机各个工况状态下的振动信号，计算风机各个工况状态下的标准时域信号；

s2、对所述标准时域信号进行同步压缩小波变换，得到对应的标准三维时频谱图；

s3、采集风机实时振动信号，对所述实时振动信号进行同步压缩小波变换，得到实时三维时频谱图；

s4、截取所述实时三维时频谱图中待监测时间段及其对应的特征频段，生成各个截取时频谱图；

s5、对所述各个截取时频谱图进行逆同步压缩小波变换，得到所述实时振动信号子成分的时域信号；

s6、依次计算所述实时振动信号子成分的时域信号与各个工况状态下的标准时域信号间的第一相关系数；

s7、依次计算所述截取时频谱图与各个工况状态下的标准三维时频谱图间的第二相关系数；

s8、基于所述第一相关系数、第二相关系数计算实时振动信号与各个工况状态下的振动信号间的第三相关系数，根据所述第三相关系数判断风机的状态。

进一步地，所述工况状态包括启动工况、转子不平衡工况、地脚螺栓松动工况下、正常工况、关停工况；所述标准时域信号为多次对风机在各个工况状态下的振动信号进行采集，对多次采集的振动信号求取的平均信号。

进一步地，所述截取时频谱图为：

其中，为待监测时间段的时间索引，为应的特征频段的频率索引，b为时间，f为频率，wt为所述实时三维时频谱图。

进一步地，实时振动信号子成分的时域信号与启动工况下的标准时域信号间的第一相关系数为：

截取时频谱图与启动工况下的标准三维时频谱图间的第二相关系数为：

其中，分别为与的方差，为与的协方差；

实时振动信号与启动工况下的振动信号间所述第三相关系数为：

其中，为第一相关系数的权重。

进一步地，所述步骤s8具体为：

比较实时振动信号与工况状态包括启动工况、转子不平衡工况、地脚螺栓松动工况下、正常工况、关停工况下的振动信号的第三相关系数，选择最大第三相关系数所对应的标准信号的工况，作为风机的实时工况。

本发明还提出一种风机状态联合监测系统，包括：

标准时域信号模块，用于多次采集风机各个工况状态下的振动信号，计算风机各个工况状态下的标准时域信号；

第一变换模块，用于对所述标准时域信号进行同步压缩小波变换，得到对应的标准三维时频谱图；

第二变换模块，用于采集风机实时振动信号，对所述实时振动信号进行同步压缩小波变换，得到实时三维时频谱图；

截取模块，用于截取所述实时三维时频谱图中待监测时间段及其对应的特征频段，生成各个截取时频谱图；

第三变换模块，用于对所述各个截取时频谱图进行逆同步压缩小波变换，得到所述实时振动信号子成分的时域信号；

第一计算模块，用于依次计算所述实时振动信号子成分的时域信号与各个工况状态下的标准时域信号间的第一相关系数；

第二计算模块，用于依次计算所述截取时频谱图与各个工况状态下的标准三维时频谱图间的第二相关系数；

状态判断模块，用于基于所述第一相关系数、第二相关系数计算实时振动信号与各个工况状态下的振动信号间的第三相关系数，根据所述第三相关系数判断风机的状态。

进一步地，所述工况状态包括启动工况、转子不平衡工况、地脚螺栓松动工况下、正常工况、关停工况；所述标准时域信号为多次对风机在各个工况状态下的振动信号进行采集，对多次采集的振动信号求取的平均信号。

进一步地，所述截取时频谱图为：

其中，为待监测时间段的时间索引，为应的特征频段的频率索引，b为时间，f为频率，wt为所述实时三维时频谱图。

进一步地，实时振动信号子成分的时域信号与启动工况下的标准时域信号间的第一相关系数为：

截取时频谱图与启动工况下的标准三维时频谱图间的第二相关系数为：

其中，分别为与的方差，为与的协方差；

实时振动信号与启动工况下的振动信号间所述第三相关系数为：

其中，为第一相关系数的权重。

进一步地，所述状态判断模块具体为：

比较实时振动信号与工况状态包括启动工况、转子不平衡工况、地脚螺栓松动工况下、正常工况、关停工况下的振动信号的第三相关系数，选择最大第三相关系数所对应的标准信号的工况，作为风机的实时工况。

本发明提出的风机状态联合监测方法及系统，同时利用时域信号与时频谱图对信号的相关系数进行计算，提高风机状态判断的准确性，避免当频率信息相似但时间变化趋势完全不同时，仍然会被误认为属于相同的风机运行状态的问题。对于时频谱图，本发明将风机特定时段和特定频段信号的子成分准确的提取出来，只用一个成分代替复杂的特征频率所表达的工况，能够直观的有效监测风机的运行状态，提高了风机状态判断的效率。

附图说明

图1是实施例一提供的一种风机状态联合监测方法流程图；

图2是实施例二提供的一种风机状态联合监测系统结构图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例一

如图1所示，本实施例提出了一种风机状态联合监测方法，包括：

s1、多次采集风机各个工况状态下的振动信号，计算风机各个工况状态下的标准时域信号；

本发明将风机振动信号与风机各个工况状态下的标准信号进行比较，以确定风机的实时状态。为了构建风机标准信号数据，本发明让风机在不同的工况状态下运行，采集风机各个工况状态下的振动信号。具体地，可以在风机轴承设置振动传感器，获取风机轴承的振动信号。振动信号采用特定的采样频率进行采样，采集一段时间内的风机振动信号，得到时域振动信号。

本发明将风机的状态划分为启动工况、转子不平衡工况、地脚螺栓松动工况下、正常工况、关停工况。分别使风机在启动工况、转子不平衡工况、地脚螺栓松动工况下、正常工况、关停工况下运行。

具体地，首先开启风机，采集风机在启动过程中的振动信号，例如，对启动工况以采样频率为3000hz的条件采样20秒。启动工况是指开启风机按钮到风机进入稳定工作状态下的工况。风机正常启动后，进入正常工况，正常工况是指风机在各机械状态良好的情况下，按正常速度运行的工况，能够进行正常的工作。关停工况是指关闭风机按钮到风机完全停止运行的工况。为了采集风机在转子不平衡工况、地脚螺栓松动工况下的振动信号，人为在叶片根部的固定螺栓上增加指定配重，以实现转子不平衡工况，将地脚螺栓松动以实现地脚螺栓松动工况。

风机多次运行时，其振动信号也不尽相同，因此，为了提高风机各个工况状态下振动信号的标准化程度，本发明多次对风机在各个工况状态下的振动信号进行采集，对多次采集的振动信号求取平均信号，得到风机各个工况状态下的标准时域信号。此外，风机包括多个地脚螺栓，因此，本发明分别松动不同的地脚螺栓，得到不同地脚螺栓松动条件下的振动信号，并对不同地脚螺栓松动条件下的振动信号求取平均信号，作为地脚螺栓松动工况下的标准时域信号。

s2、对所述标准时域信号进行同步压缩小波变换，得到对应的标准三维时频谱图；

本发明采用同步压缩小波变换对各个工况状态下的标准时域信号进行处理，利用小波变换后信号频域中相位不受尺度变换影响的特性求取各尺度下对应的频率，再将同一频率下的尺度相加，即重新分配小波变换得到的小波系数并对其进行压缩，从而将相同频率附近的值压缩至该频率中，改善了尺度方向的模糊现象，提高了时频分辨率。具体为：

首先对标准时域信号做连续小波变换，得到小波系数，其中为伸缩因子、b为时间平移因子。再利用小波系数求取瞬时频率，将时间-尺度平面转换到时间-频率平面。假设尺度坐标步长，频率坐标步长，尺度与频率的关系为，其中为的频窗中心频率，为采样频率，此时可以将频率附近的值压缩到上，从而获得同步压缩小波变换的值wt，即：

其中表示求和符号。表示绝对值。

通过同步压缩小波变换，得到风机各个工况状态下的标准时域信号对应的三维时频谱图，其横坐标为时间b，纵坐标为频率f，图像wt的颜色表征信号能量分布。不同工况状态下风机的三维时频谱图用不同的名字命名保存，命名规则在此不作限制。

s3、采集风机实时振动信号，对所述实时振动信号进行同步压缩小波变换，得到实时三维时频谱图；

为了对风机的状态进行监测，本发明对风机实时振动信号进行采集。实时振动信号的采集与标准信号一样，在与标准信号采集相同的位置设置振动传感器，如风机轴承，获取风机轴承的实时振动信号。实时振动信号采集后，实时振动信号进行同步压缩小波变换，得到实时三维时频谱图。实时三维时频谱图的生成与步骤s2生成标准三维时频谱图一致，在此不再赘述。

s4、截取所述实时三维时频谱图中待监测时间段及其对应的特征频段，生成各个截取时频谱图；

为了克服时频分辨率受限、难以直观反映信号局部特征的问题，本发明对实时振动信号中的子成分进行提取，可以根据需要选择实时三维时频谱图中任意感兴趣时间段的时频信息，以对实时振动信号的局部特征进行全面分析。

具体地，当对时间段内的实时振动信号感兴趣时，获取截取区域对应的时间索引和频率索引，然后将目标区域以外的区域置零，从而获得目标区域对应的时频谱。即：

。

s5、对所述各个截取时频谱图进行逆同步压缩小波变换，得到所述实时振动信号子成分的时域信号；

获取到感兴趣时间段实时振动信号的截取时频谱图后，本发明对其进行逆同步压缩小波变换，以无损重构目标子成分信号，得到实时振动信号子成分的时域信号。本发明从风机实时时频谱中将风机特定时段和特定频段信号的子成分准确的提取出来，只用一个子成分代替复杂的特征频率所表达的工况，能够直观的有效监测风机的运行状态，能够对实时振动信号的局部特征进行分析。

s6、依次计算所述实时振动信号子成分的时域信号与各个工况状态下的标准时域信号间的第一相关系数；

本发明同时利用振动信号的时域信息及频域信息对风机的状态进行判断，以克服现有的频率信息相似但时间变化趋势完全不同时，仍然会被误认为属于相同的风机运行状态的问题。因此，本发明首先将实时振动信号子成分的时域信号与各个工况状态下的标准时域信号进行相似性计算。具体地，对于启动工况、转子不平衡工况、地脚螺栓松动工况下、正常工况、关停工况对于的标准时域信号x1(t)、x2(t)、x3(t)、x4(t)、x5(t)，分别计算与x1(t)、x2(t)、x3(t)、x4(t)、x5(t)的相关系数p11、p12、p13、p14、p15，具体为：

类似地，依次计算出p12、p13、p14、p15。

s7、依次计算所述截取时频谱图与各个工况状态下的标准三维时频谱图间的第二相关系数；

本发明将截取时频谱图与各个工况状态下的标准三维时频谱图进行相似性计算。具体地，对于启动工况、转子不平衡工况、地脚螺栓松动工况下、正常工况、关停工况对于的标准三维时频谱图、、、、，分别计算与wt1、wt2、wt3、wt4、wt5的相关系数p21、p22、p23、p24、p25，具体为：

其中，分别为与的方差，为与的协方差。类似地，依次计算出p22、p23、p24、p25。

s8、基于所述第一相关系数、第二相关系数计算实时振动信号与各个工况状态下的振动信号间的第三相关系数，根据所述第三相关系数判断风机的状态。

基于第一相关系数、第二相关系数，计算实时振动信号与启动工况、转子不平衡工况、地脚螺栓松动工况下、正常工况、关停工况的振动信号间的第三相关系数p31、p32、p33、p34、p35，具体为：

其中，为第一相关系数的权重。

当两个振动信号完全相同时，其第三相关系数为1，当两个振动信号完全不同时，其第三相关系数为0。因此，第三相关系数越大，说明两个振动信号越相似。因此，本发明计算出p31、p32、p33、p34、p35，比较p31、p32、p33、p34、p35的大小，选择最大第三相关系数所对应的标准信号的工况，作为风机的实时工况，实现风机状态的自动判断。

实施例二

如图2所示，本实施例提出了一种风机状态联合监测系统，包括：

标准时域信号模块，用于多次采集风机各个工况状态下的振动信号，计算风机各个工况状态下的标准时域信号；

本发明将风机振动信号与风机各个工况状态下的标准信号进行比较，以确定风机的实时状态。为了构建风机标准信号数据，本发明让风机在不同的工况状态下运行，采集风机各个工况状态下的振动信号。具体地，可以在风机轴承设置振动传感器，获取风机轴承的振动信号。振动信号采用特定的采样频率进行采样，采集一段时间内的风机振动信号，得到时域振动信号。

本发明将风机的状态划分为启动工况、转子不平衡工况、地脚螺栓松动工况下、正常工况、关停工况。分别使风机在启动工况、转子不平衡工况、地脚螺栓松动工况下、正常工况、关停工况下运行。

具体地，首先开启风机，采集风机在启动过程中的振动信号，例如，对启动工况以采样频率为3000hz的条件采样20秒。启动工况是指开启风机按钮到风机进入稳定工作状态下的工况。风机正常启动后，进入正常工况，正常工况是指风机在各机械状态良好的情况下，按正常速度运行的工况，能够进行正常的工作。关停工况是指关闭风机按钮到风机完全停止运行的工况。为了采集风机在转子不平衡工况、地脚螺栓松动工况下的振动信号，人为在叶片根部的固定螺栓上增加指定配重，以实现转子不平衡工况，将地脚螺栓松动以实现地脚螺栓松动工况。

风机多次运行时，其振动信号也不尽相同，因此，为了提高风机各个工况状态下振动信号的标准化程度，本发明多次对风机在各个工况状态下的振动信号进行采集，对多次采集的振动信号求取平均信号，得到风机各个工况状态下的标准时域信号。此外，风机包括多个地脚螺栓，因此，本发明分别松动不同的地脚螺栓，得到不同地脚螺栓松动条件下的振动信号，并对不同地脚螺栓松动条件下的振动信号求取平均信号，作为地脚螺栓松动工况下的标准时域信号。

第一变换模块，用于对所述标准时域信号进行同步压缩小波变换，得到对应的标准三维时频谱图；

本发明采用同步压缩小波变换对各个工况状态下的标准时域信号进行处理，利用小波变换后信号频域中相位不受尺度变换影响的特性求取各尺度下对应的频率，再将同一频率下的尺度相加，即重新分配小波变换得到的小波系数并对其进行压缩，从而将相同频率附近的值压缩至该频率中，改善了尺度方向的模糊现象，提高了时频分辨率。具体为：

首先对标准时域信号做连续小波变换，得到小波系数，其中为伸缩因子、b为时间平移因子。再利用小波系数求取瞬时频率，将时间-尺度平面转换到时间-频率平面。假设尺度坐标步长，频率坐标步长，尺度与频率的关系为，其中为的频窗中心频率，为采样频率，此时可以将频率附近的值压缩到上，从而获得同步压缩小波变换的值wt，即：

其中表示求和符号。表示绝对值。

通过同步压缩小波变换，得到风机各个工况状态下的标准时域信号对应的三维时频谱图，其横坐标为时间b，纵坐标为频率f，图像wt的颜色表征信号能量分布。不同工况状态下风机的三维时频谱图用不同的名字命名保存，命名规则在此不作限制。

第二变换模块，用于采集风机实时振动信号，对所述实时振动信号进行同步压缩小波变换，得到实时三维时频谱图；

为了对风机的状态进行监测，本发明对风机实时振动信号进行采集。实时振动信号的采集与标准信号一样，在与标准信号采集相同的位置设置振动传感器，如风机轴承，获取风机轴承的实时振动信号。实时振动信号采集后，实时振动信号进行同步压缩小波变换，得到实时三维时频谱图。实时三维时频谱图的生成与步骤s2生成标准三维时频谱图一致，在此不再赘述。

截取模块，用于截取所述实时三维时频谱图中待监测时间段及其对应的特征频段，生成各个截取时频谱图；

为了克服时频分辨率受限、难以直观反映信号局部特征的问题，本发明对实时振动信号中的子成分进行提取，可以根据需要选择实时三维时频谱图中任意感兴趣时间段的时频信息，以对实时振动信号的局部特征进行全面分析。

具体地，当对时间段内的实时振动信号感兴趣时，获取截取区域对应的时间索引和频率索引，然后将目标区域以外的区域置零，从而获得目标区域对应的时频谱。即：

。

第三变换模块，用于对所述各个截取时频谱图进行逆同步压缩小波变换，得到所述实时振动信号子成分的时域信号；

获取到感兴趣时间段实时振动信号的截取时频谱图后，本发明对其进行逆同步压缩小波变换，以无损重构目标子成分信号，得到实时振动信号子成分的时域信号。本发明从风机实时时频谱中将风机特定时段和特定频段信号的子成分准确的提取出来，只用一个子成分代替复杂的特征频率所表达的工况，能够直观的有效监测风机的运行状态，能够对实时振动信号的局部特征进行分析。

第一计算模块，用于依次计算所述实时振动信号子成分的时域信号与各个工况状态下的标准时域信号间的第一相关系数；

本发明同时利用振动信号的时域信息及频域信息对风机的状态进行判断，以克服现有的频率信息相似但时间变化趋势完全不同时，仍然会被误认为属于相同的风机运行状态的问题。因此，本发明首先将实时振动信号子成分的时域信号与各个工况状态下的标准时域信号进行相似性计算。具体地，对于启动工况、转子不平衡工况、地脚螺栓松动工况下、正常工况、关停工况对于的标准时域信号x1(t)、x2(t)、x3(t)、x4(t)、x5(t)，分别计算与x1(t)、x2(t)、x3(t)、x4(t)、x5(t)的相关系数p11、p12、p13、p14、p15，具体为：

类似地，依次计算出p12、p13、p14、p15。

第二计算模块，用于依次计算所述截取时频谱图与各个工况状态下的标准三维时频谱图间的第二相关系数；

本发明将截取时频谱图与各个工况状态下的标准三维时频谱图进行相似性计算。具体地，对于启动工况、转子不平衡工况、地脚螺栓松动工况下、正常工况、关停工况对于的标准三维时频谱图wt1、wt2、wt3、wt4、wt5，分别计算与wt1、wt2、wt3、wt4、wt5的相关系数p21、p22、p23、p24、p25，具体为：

其中，分别为与的方差，为与的协方差。类似地，依次计算出p22、p23、p24、p25。

状态判断模块，用于基于所述第一相关系数、第二相关系数计算实时振动信号与各个工况状态下的振动信号间的第三相关系数，根据所述第三相关系数判断风机的状态。

基于第一相关系数、第二相关系数，计算实时振动信号与启动工况、转子不平衡工况、地脚螺栓松动工况下、正常工况、关停工况的振动信号间的第三相关系数p31、p32、p33、p34、p35，具体为：

其中，为第一相关系数的权重。

当两个振动信号完全相同时，其第三相关系数为1，当两个振动信号完全不同时，其第三相关系数为0。因此，第三相关系数越大，说明两个振动信号越相似。因此，本发明计算出p31、p32、p33、p34、p35，比较p31、p32、p33、p34、p35的大小，选择最大第三相关系数所对应的标准信号的工况，作为风机的实时工况，实现风机状态的自动判断。

本发明提出的风机状态联合监测方法及系统，同时利用时域信号与时频谱图对信号的相关系数进行计算，提高风机状态判断的准确性，避免当频率信息相似但时间变化趋势完全不同时，仍然会被误认为属于相同的风机运行状态的问题。对于时频谱图，本发明将风机特定时段和特定频段信号的子成分准确的提取出来，只用一个成分代替复杂的特征频率所表达的工况，能够直观的有效监测风机的运行状态，提高了风机状态判断的效率。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。