风电机组碳刷状态智能监控系统及其风电机组和控制方法与流程

本发明涉及风电机组领域，特别是涉及一种风力发电机组碳刷状态智能监控系统及其风电机组。

背景技术

目前风电行业对风力发电机碳刷状态的监控，均采用在碳刷尾部加装挂钩，在刷握上设置限位开关的方法。当碳刷磨损到需要更的程度时，碳刷尾部的挂钩触碰到刷握上的限位开关，限位开关动作，并将报警信号传递给主控系统，主控系统显示报警状态，通知维护人员碳刷需要更换。

现有技术的缺陷：现有的双馈式发电机碳刷状态监控，只有当碳刷磨损到需要更换的程度时，才反馈一个更换信号。对发电机运行过程中，碳刷磨损速度、磨损量等状态数据，无法获取。

这一缺陷直接导致当出现集电环跳动超差、环面损伤、碳刷在刷握内卡死或转子三相电流不平衡等问题时，各相碳刷出现磨损量异常，但主控系统无法及时发现，容易造成故障进一步扩大。尤其是碳刷在刷握内卡死故障，容易造成碳刷与集电环表面打火，容易造成集电环损伤甚至烧毁的严重故障。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够实现风力发电机组的碳刷磨损量进行实时监控的风力发电机组碳刷状态智能监控系统及其风电机组。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明提供一种风电机组碳刷状态智能监控系统，包括智能诊断系统和若干碳刷长度测量装置；

所述若干碳刷长度测量装置分别用于与碳刷连接，用于监测碳刷长度数据；

所述诊断监控系统包括数据分析模块、数据存储模块和通讯模块；

所述数据分析模块与所述若干碳刷长度测量装置连接，用于接收所述若干碳刷长度测量装置的碳刷长度数据，对同一台电机功能相同的碳刷间的碳刷长度数据进行对比分析，将其分析结果传输至数据存储模块；

所述数据存储模块，用于存储所述数据分析模块分析得到的数据信息；

所述通讯模块，用于将所述数据存储模块中的数据分析结果反馈给风电机组主控系统，作为主控系统预警或报警的依据。

进一步地，所述数据分析模块还用于接收所述通讯模块提供的主控系统发送的数据、分析策略和指令信息，再对接收的碳刷长度数据按照根据预先设定的类别进行分类，然后再进行所述的对比分析；

所述通讯模块还用于接收所述风电机组主控系统提供的分析策略及主控系统数据和指令信息，并将接收信息传输至所述数据分析模块。

进一步地，还包括风险评估模块，用于接收所述数据分析模块的分析结果，并接收所述通讯模块提供的预先设定的风险评估策略，对碳刷状态进行风险等级评估，将风险评估结果和接收的分析结果传输至所述数据存储模块中保存，并通过通讯模块将风险评估结果反馈给风电机组主控系统，作为主控系统预警或报警的依据。

进一步地，还包括电源模块，所述电源模块为各模块及碳刷长度测量装置提供所需的电能；电源模块根据各模块对电源类型、电源功率、电压等级的需要进行供电。

进一步地，所述数据存储模块还带有usb数据接口、网络接口和/或无线通讯接口。

进一步地，所述与碳刷长度测量装置连接的碳刷的种类包括集电环各相碳刷、驱动端接地碳刷和非驱动端接地碳刷。

进一步地，所述碳刷长度测量装置包括移动头和行程测量部件，所述移动头用于与碳刷固定连接随碳刷同步移动，所述行程测量部件包括测量元件和与所述移动头接触连接的固定件，所述固定件用于与刷握固定连接，所述测量元件根据移动头相对所述固定件的移动距离测量碳刷运动的行程距离；

所述数据分析模块与所述行程测量部件连接，用于接收所述碳刷长度测量装置的测量数据。

进一步地，所述固定件包括安装板和安装在安装板上的静触头，所述测量元件包括与每个静触头分别连接的逻辑电路，所述逻辑电路与所述数据分析模块连接；

所述安装板采用绝缘材质，所述安装板用于固定在碳刷的刷握上，所述安装板的一侧安装有等距离依次线性排列的若干所述静触头，所述静触头均采用导电材质；

所述移动头包括绝缘底座和设置有动触头的导电块，所述绝缘底座的一侧安装有所述导电块，所述导电块的另一侧的所述动触头能够与相邻的两个静触头接触连接；所述绝缘底座的另一侧用于与碳刷尾部挂钩固定连接随碳刷同步移动，使动触头能够依次导通相邻的两个静触头，所述逻辑电路根据动、静触头的导通信号进行碳刷的剩余长度测量。

进一步地，所述安装板和移动头的外部还设置有外壳，所述外壳固定安装在刷握一侧；所述安装板固定安装在所述外壳的空腔内，所述外壳面向碳刷的一侧设置有用于碳刷尾部挂钩移动的沟槽，所述碳刷尾部挂钩伸入所述外壳的沟槽内与空腔内的所述移动头固定连接，所述移动头随所述碳刷尾部挂钩在所述外壳的空腔内相对所述安装板移动，所述外壳采用绝缘材质；

所述绝缘底座上设置有固定夹，所述碳刷尾部挂钩通过所述固定夹与所述绝缘底座固定连接。

进一步地，所述两个动触头的触点间的距离与相邻两个静触头的触点间的距离相当；所述静触头和动触头均为半球形，所述静触头和动触头均通过半球形的球面触点接触连接。

另一方面，提供一种风电机组，包括主控系统、若干碳刷和用于装入碳刷的刷握，还包括所述的风电机组碳刷状态智能监控系统，所述主控系统用于接收通讯模块反馈的分析结果，并通过通讯模块给数据分析模块数据分析策略；

每个碳刷设置有独立的所述碳刷长度测量装置，所述碳刷长度测量装置与所述刷握连接；

所述数据分析模块与所述碳刷长度测量装置连接，通过对同一台电机功能相同的碳刷间的数据进行对比分析；所述风险评估模块对分析结果基恩小风险等级评估，并通过通讯模块将分析结果和评估结果的异常状态作为报警信号传递给主控系统，主控系统作出是否预警或报警操作。

再一方面，提供一种风电机组碳刷状态智能监控方法，利用所述的风电机组碳刷状态智能监控系统进行的监控方法，包括如下步骤：

1)利用碳刷长度测量装置实时监测所述碳刷的碳刷长度数据，并将其发送至所述智能诊断系统中的数据分析模块；

2)所述数据分析模块接收所述碳刷长度测量装置提供的碳刷长度数据，对接收的碳刷长度数据按照根据预先设定的类别进行分类，对同一台电机功能相同的碳刷间的碳刷长度数据进行对比分析，得出分析结果，将分析结果传递给数据存储模块；并接收通讯模块提供的主控系统的数据、分析策略和指令信息；

3)所述数据存储模块接收并存储数据分析模块发送的分析结果，为通讯模块提供存储的数据；

4)所述通讯模块与风电机组的主控系统的通讯接口连接，所述主控系统通过通讯模块对发电机碳刷分析策略进行远程写入或修改，所述通讯模块也会将数据分析模块的分析及其分析结果反馈给主控系统，实现监控系统与主控系统的信息交互及数据保存。

进一步地，所述监控系统中还包括风险评估模块，所述监控方法还包括如下步骤：所述风险评估模块接收所述数据分析模块的分析结果，并接收所述通讯模块提供的预先设定的风险评估策略，对碳刷状态进行风险等级评估，将风险评估结果和接收的分析结果传输至所述数据存储模块中保存，并通过通讯模块将风险评估结果反馈给风电机组主控系统，作为主控系统预警或报警的依据。

由于采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：

(1)本发明的监控系统包括碳刷测量装置和智能诊断系统，碳刷测量装置通过对碳刷长度进行实时测量和实时监控，可以获取碳刷磨损速度、磨损量等碳刷长度数据，智能诊断系统通过对碳刷长度的测量数据进行对比分析，主要对同一台电机功能相同的碳刷间的数据进行对比分析，包括不同碳刷的长度对比，来判断碳刷状态，并将分析结果反馈给主控系统，方便主控系统对碳刷长度进行实时监控，根据对比分析结果作为预警或报警信号，以便主控系统及时做出预警或报警动作。

(2)本发明的智能诊断系统还能接收主控系统提供的分析策略和指令信息，实现监控系统与主控系统的信息交互及数据保存。

(3)本发明的行程测量部件通过动、静触头的导通状态，来获取碳刷与刷握的相对位置，得到碳刷的剩余长度，从而对碳刷长度阶段性的实时监测碳刷长度。

(4)本发明通过数据分析模块对同一台电机功能相同的碳刷间的数据进行对比分析，包括不同碳刷的长度对比，来判断碳刷状态，并将对比结果的异常状态反馈给主控系统，并由风险评估模块对对比分析结果进行风险等级评估，将其作为报警信号传递给主控系统，所述主控系统作出是否预警或报警操作。

(5)本发明可以对风力发电机碳刷状态测量、潜在故障进行分析，帮助维护人员及早发现发电机碳刷的潜在故障风险。同时，实现了远程对分析方法的更新、升级。一方面，有利于实时监控发电机碳刷状态，及早发现故障风险，提前做好维护、检修及更换的准备，缩短风电机组的停机时间；另一方面，通过监控碳刷状态，也在一定程度上对集电环跳动超差、环面损伤、碳刷在刷握内卡死或转子三相电流不平衡等问题的预警具有辅助作用。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的风电机组碳刷状态智能监控系统的逻辑结构示意图；

图2是本发明的风电机组碳刷状态智能监控系统的碳刷测量装置连接到刷握上的结构示意图；

图3是本发明的风电机组碳刷状态智能监控系统的碳刷测量装置连接到刷握上的连接结构示意图；

图4是本发明的风电机组碳刷状态智能监控系统的碳刷测量装置的侧面结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种风电机组碳刷状态智能监控系统的实施例，如图1所示，包括智能诊断系统和若干碳刷长度测量装置；若干碳刷长度测量装置分别用于与碳刷连接，用于监测碳刷长度数据；智能诊断系统包括数据分析模块、数据存储模块和通讯模块；数据分析模块与若干碳刷长度测量装置连接，用于接收若干碳刷长度测量装置的碳刷长度数据，对同一台电机功能相同的碳刷间的碳刷长度数据进行对比分析，将其分析结果传输至数据存储模块；数据存储模块，用于存储数据分析模块分析得到的数据信息；通讯模块，用于将数据存储模块中的数据分析结果反馈给风电机组主控系统，作为主控系统预警或报警的依据。

本发明的监控系统包括碳刷测量装置和智能诊断系统，碳刷测量装置通过对碳刷长度进行实时测量和实时监控，可以获取碳刷磨损速度、磨损量等碳刷长度数据，智能诊断系统通过对碳刷长度的测量数据进行对比分析，主要对同一台电机功能相同的碳刷间的数据进行对比分析，包括不同碳刷的长度对比，来判断碳刷状态，并将分析结果反馈给主控系统，方便主控系统对碳刷长度进行实时监控，根据对比分析结果作为预警或报警信号，以便主控系统及时做出预警或报警动作。

进一步地，数据分析模块还用于接收所述通讯模块提供的主控系统发送的数据、分析策略和指令信息，再对接收的碳刷长度数据按照根据预先设定的类别进行分类，然后再进行所述的对比分析；

通讯模块还用于接收所述风电机组主控系统提供的分析策略及主控系统数据和指令信息，并将接收信息传输至所述数据分析模块；

进一步地，还包括风险评估模块，用于接收数据分析模块的分析结果，并接收通讯模块提供的预先设定的风险评估策略，对碳刷状态进行风险等级评估，将风险评估结果和接收的分析结果传输至数据存储模块中保存，并通过通讯模块将风险评估结果反馈给风电机组主控系统，作为主控系统预警或报警的依据。

进一步地，还包括电源模块，电源模块为各模块及碳刷长度测量装置提供所需的电能，电源模块根据各模块对电源类型、电源功率、电压等级的需要供电，可以为碳刷长度测量装置、通讯模块、数据分析模块及数据存储模块等提供所需的电源。

进一步地，数据存储模块还带有usb数据接口、网络接口和/或无线通讯接口。使其具备蓝牙、wifi数据传输功能，当远程有线通讯发生故障时，工作人员也可进入风电机组内部，现场对进行数据交互。

本发明的通讯模块具有与风电机组主控系统plc通用的通讯接口。通过通讯模块，主控系统可对发电机碳刷分析策略进行远程写入或修改。通讯模块可以将主控系统指令及数据提供给数据分析模块及数据存储处理模块和风险评估模块，并将数据分析及分析结果反馈给主控系统，以实现本发明所涉及装置与主控系统的信息交互及数据保存。

进一步地，与碳刷长度测量装置连接的碳刷的种类包括集电环各相碳刷、驱动端接地碳刷和非驱动端接地碳刷。按照同一台电机功能相同进行碳刷分类。

进一步地，碳刷长度测量装置包括移动头和行程测量部件，移动头用于与碳刷固定连接随碳刷同步移动，行程测量部件包括测量元件和与移动头接触连接的固定件，固定件用于与刷握固定连接，测量元件根据移动头相对固定件的移动距离测量碳刷运动的行程距离；

数据分析模块与行程测量部件连接，用于接收行程测量部件的测量数据。

如图2、图3所示，碳刷长度测量装置4包括移动头和行程测量部件，移动头用于与碳刷3固定连接随碳刷1同步移动，行程测量部件包括测量元件和与移动头接触连接的固定件，固定件用于与刷握固定连接，测量元件根据移动头相对固定件的移动距离测量碳刷运动的行程距离；如图1所示，智能监控系统包括数据分析模块和通讯模块，数据分析模块与行程测量部件连接，用于根据行程测量部件的测量数据分析、监控碳刷状态，通讯模块与数据分析模块连接，通讯模块用于与主控系统的通讯接口连接实现智能监控。

本发明在使用时，将行程测量部件的固定件与刷握固定连接，移动头与碳刷的碳刷尾部挂钩固定连接，测量元件根据移动头相对固定件的移动距离测量碳刷的剩余长度，可对碳刷长度进行实时测量和实时监控，智能诊断系统通过对行程测量部件的测量数据进行分析，数据分析模块对数据进行分析，得到分析结果，通讯模块将分析结果传送给主控系统，方便主控系统对碳刷长度进行实时监控，并可与同一环境下的其他碳刷的长度进行对比，以便做出预警或报警动作。

本发明针对目前风电行业普遍存在的双馈式风力发电机碳刷状态监控功能单一，对发电机运行过程中，碳刷磨损速度、磨损量等长度数据，无法实时监控的缺陷，提出了利用独有的碳刷长度测量装置和智能监控系统结合的方式，实现发电机碳刷磨损量的实时监控和异常情况报警功能。

作为一种改进，固定件包括安装板42和安装在安装板42上的静触头43，测量元件包括与每个静触头43分别连接的逻辑电路8，逻辑电路8与数据分析模块连接；安装板42采用绝缘材质，安装板42用于固定在碳刷3的刷握1上，安装板42的一侧安装有等距离依次线性排列的若干静触头43，静触头43均采用导电材质；移动头包括绝缘底座45和设置有动触头44的导电块，绝缘底座45的一侧安装有导电块，导电块的另一侧的动触头44能够与相邻的两个静触头43接触连接；绝缘底座45的另一侧用于与碳刷尾部挂钩2固定连接随碳刷3同步移动，使动触头44能够依次导通相邻的两个静触头43，逻辑电路根8据动触头44、静触头43的导通信号进行碳刷3的剩余长度测量。动触头和导电块为一体结构，均为导电材质。

碳刷长度测量装置的测量过程是，如图3所示，将碳刷固定在刷握上，刷握与安装板固定连接，绝缘底座与碳刷尾部挂钩固定连接，逻辑电路分别与静触头连接，静触头按从上到下依次编号为a1、a2、a3……an，安装完成后，初始状态下，导电块上的动触头的触点与静触头a1、a2接触连接，使a1、a2导通，逻辑电路可判断出碳刷处于原始长度，静触头的a1-a2导通，随着碳刷磨损，带动导电块的动触头向下运动，依次导通a1-a2、a2-a3、a3-a4……an-1-an，逻辑电路对应碳刷长度剩余量，可以通过信号灯指示信号，也可以通过控制器判断发出相应信号，依此判断碳刷的磨损程度，当检测到逻辑电路an-1-an导通时，则发出警报信号，或者向主控系统发出报警信号，通知碳刷磨损达到需要更换的程度。本发明的触点式的碳刷长度测量装置通过多触点进行碳刷长度的阶段性监控，可以方便连接碳刷长度剩余量，方便及时反馈。

进一步地，两个动触头44的触点间的距离与相邻两个静触头43的触点间的距离相当；静触头43和动触头44均为半球形，静触头43和动触头44均通过半球形的球面触点接触连接。使用两个动触头的触点与静触头进行接触连接，可以更准确的监测导通位置，确认碳刷的长度剩余量。

上述的静触头、动触头、导电块等需要使用导电材质的可采用金属导电材质，优选使用铜。

进一步地，还包括碳刷3和固定碳刷3的刷握1；碳刷3上带有碳刷尾部挂钩2随碳刷3移动；

为了起到保护、固定、支撑的作用，安装板42和移动头的外部还设置有外壳41，外壳41固定安装在刷握1一侧；安装板42固定安装在外壳41的空腔内，外壳41面向碳刷3的一侧设置有用于碳刷尾部挂钩2移动的沟槽，碳刷尾部挂钩2伸入外壳41的沟槽内与空腔内的移动头固定连接，移动头随碳刷尾部挂钩2在外壳41的空腔内相对安装板移动，外壳41采用绝缘材质；绝缘底座45上设置有固定夹，碳刷尾部挂钩2通过固定夹与绝缘底座45固定连接。碳刷尾部挂钩2的一端连接在外壳外侧的碳刷，一端连接在外壳41空腔内的移动头，碳刷尾部挂钩2随碳刷3同步移动带动移动头在空腔内相对静触头43移动。

本发明的碳刷长度测量装置4在使用时，如图2～图4所示，在刷握1上原来安装限位开关的位置，用螺栓5将碳刷长度测量装置4固定。碳刷3装入刷握1后，碳刷尾部挂钩2伸入碳外壳41的沟槽内。

本发明的碳刷长度测量装置在使用过程中，可根据实际情况，将所监测的碳刷3总长度l分为m段，据此调整安装板42静触头43的数量，以满足对监测需求。

以m＝5为例，如图2～图4所示。

1)将碳刷长度装置4的外壳41固定在刷握1上，安装板42固定在外壳41的空腔内。绝缘底座45一端通过固定夹与碳刷尾部挂钩2固定连接，碳刷尾部挂钩2在外壳41面向碳刷3的一侧的沟槽内移动；

2)安装板42为绝缘材质，与外壳41固定，具体长度和厚度根据静触头43数量确定，安装板42上等间距安装有静触头43，则根据m＝5，设置m+1个(6个)静触头43，每个静触头43分别连接有信号线，对应编号a1～a6，安装板42上设置有穿线孔，可穿过并固定连接静触头43的信号线，整个装置内部的信号线路汇聚成多芯电缆46，与逻辑电路8连接。

3)逻辑电路用于连接信号线，依据a1～a6信号线间的导通状态，逻辑电路与控制器连接并根据导通状态判断碳刷剩余长度，控制器可将判断结果实时反馈给主控系统。

初始状态下，信号线a1-a2通过动、静触头导通，逻辑电路判断出碳刷处于原始长度l。随着碳刷磨损，带动动触头向下运动，依次导通信号线a2-a3、a3-a4、a4-a5、a5-a6，逻辑电路与数据分析模块连接，对其测量导通测量数据进行分析，得到分析结果，通过通讯模块向主控系统传递相关数据。

本发明的碳刷长度测量装置通过采用简易结构的多触点测量元件对碳刷长度进行测量，利用逻辑电路判断动静触头的信号通断的方法，实现对风力发电机碳刷长度的实时监控。可在现有风力发电机碳刷装置上进行安装，替代限位开关，实现对风力发电机碳刷长度的实时监控，碳刷长度测量装置不需要磁性元件，不会受到风电场的磁场干扰，监测更加准确。本发明的结构更加简单、功能更加完善，且在风力发电机上更具有适用性。

本发明通过碳刷长度测量装置测量碳刷剩余长度，通过对同一台电机功能相同的碳刷间的数据进行对比分析，当某个或某几个碳刷剩余长度与其余碳刷不同时，即预示着发电机运行过程中，碳刷或集电环等部件可能存在故障，便于维护人员根据碳刷状态，提前对潜在故障进行排查，防止故障范围扩大到其他关键部件，引起机组停机。

另一方面，提供一种风电机组，包括主控系统、若干碳刷和用于装入碳刷的刷握，还包括上述的风电机组碳刷状态智能监控系统，主控系统用于接收通讯模块反馈的分析结果，并通过通讯模块给数据分析模块数据分析策略；每个碳刷设置有独立的碳刷长度测量装置，碳刷长度测量装置与刷握连接；数据分析模块与碳刷长度测量装置连接，通过对同一台电机功能相同的碳刷间的数据进行对比分析；风险评估模块对分析结果基恩小风险等级评估，并通过通讯模块将分析结果和评估结果的异常状态作为报警信号传递给主控系统，主控系统作出是否预警或报警操作。

再一方面，提供一种风电机组碳刷状态智能监控方法，利用上述的风电机组碳刷状态智能监控系统进行的监控方法，包括如下步骤：

1)利用碳刷长度测量装置实时监测碳刷的碳刷长度数据，并将其发送至智能诊断系统中的数据分析模块；

2)数据分析模块接收碳刷长度测量装置提供的碳刷长度数据，对接收的碳刷长度数据按照根据预先设定的类别进行分类，对同一台电机功能相同的碳刷间的碳刷长度数据进行对比分析，得出分析结果，将分析结果传递给数据存储模块；并接收通讯模块提供的主控系统的数据、分析策略和指令信息；

3)数据存储模块接收并存储数据分析模块发送的分析结果，为通讯模块提供存储的数据；

4)通讯模块与风电机组的主控系统的通讯接口连接，主控系统通过通讯模块对发电机碳刷分析策略进行远程写入或修改，通讯模块也会将数据分析模块的分析及其分析结果反馈给主控系统，实现监控系统与主控系统的信息交互及数据保存。

进一步地，监控系统中还包括风险评估模块，监控方法还包括如下步骤：风险评估模块接收数据分析模块的分析结果，并接收通讯模块提供的预先设定的风险评估策略，对碳刷状态进行风险等级评估，将风险评估结果和接收的分析结果传输至数据存储模块中保存，并通过通讯模块将风险评估结果反馈给风电机组主控系统，作为主控系统预警或报警的依据。

本发明采用监控碳刷长度方式获取碳刷数据，对碳刷状态实时监控，可以获取碳刷磨损速度、磨损量等碳刷长度数据，利用数据分析模块进行同一台电机功能相同的碳刷间的对比分析，通过智能诊断策略作出故障预警、报警等动作。当同一台电机相同功能的某个或某几个碳刷剩余长度与其余碳刷不同时，即预示着发电机运行过程中，碳刷或集电环等部件可能存在故障，故本发明的监控系统利用数据分析模块对碳刷长度数据进行分析处理，并由风险评估模块进行风险等级评估，作为主控系统预警或报警的依据，便于及早发现故障隐患，缩短风机故障停机时间。本发明针对双馈式风力发电机碳刷而设计，具有碳刷故障预警功能，相对现有技术，本发明用简洁实用的方式实现了碳刷故障监测、预警、报警功能。

本发明通过开发的双馈风力发电机碳刷状态测量、潜在故障分析功能，帮助维护人员及早发现发电机碳刷的潜在故障风险。同时，实现了远程对分析方法的更新、升级。一方面，有利于实时监控发电机碳刷状态，及早发现故障风险，提前做好维护、检修及更换的准备，缩短风电机组的停机时间；另一方面，通过监控碳刷状态，也在一定程度上对集电环跳动超差、环面损伤、碳刷在刷握内卡死或转子三相电流不平衡等问题的预警具有辅助作用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。