专利名称：风力发电机组运行状态远程监测及故障诊断系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机械设备故障诊断系统，具体地说，是涉及一种风力发电机组运行状态远程监测及故障诊断系统。
背景技术：
相对于其他可再生能源，风力发电在技术成熟度、基础设施建设以及成本方面都很有优势。可以预计风能将在未来世界能源结构中发挥极其重要的作用。但是，随着大规模风电场的投入运行，也出现了很多运行故障。风电作为一种新技术，要取得长期稳定发展，就必须不断降低成本。一方面要降低制造、安装成本，另外很重要的一个方面是降低运行维护成本。状态监测和故障诊断是降低风电机组的维修和操作成本的最有效的方式。但目前，国内风场只有少部分安装了风力机在线监测和故障诊断系统，且大多为国外产品，且处于试运行阶段，服务不足。此外，国内外现有的故障诊断系统大多是针对风电机组的某个或某些设备进行监测诊断，并不能完全监测整个风力发电机组的故障情况。因此，有必要建立远程监测及故障诊断专家系统，针对风电机组的典型故障类型，实时、连续、在线监测相关安全性能参数，实现数据自动存储、故障自动诊断和网络通讯。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种风力发电机组运行状态远程监测及故障诊断系统，该系统能够实现多路数据采集功能，可采集风电机组的机械振动、扭矩以及控制系统的运行参数，对所采集的信号经过运算处理后进行故障诊断，并可以发出报警，当严重报警时，还可启动机组的紧急刹车系统，以保护设备。本实用新型的目的是通过以下技术措施来实现的一种风力发电机组运行状态远程监测及故障诊断系统，包括用于采集风力发电机组中机械振动、扭矩信号以及电信号的传感器子系统、用于数据处理并与传感器子系统和风力发电机组机刹车系统连接的数据采集与分析子系统、用于接收和存储来自数据采集与分析子系统的数据并进行检测分析的状态监测与故障诊断服务子系统、以及通过光纤网络或无线网络与所述状态监测与故障诊断服务子系统连接的监测诊断工作站；所述的传感器子系统的数据输出端与数据采集分析子系统数据输入端连接并将所采集的信号传送至数据采集分析子系统，所述数据采集与分析子系统数据输出端与状态监测与故障诊断服务子系统的数据输入端连接，数据采集与分析子系统对来自传感器子系统的信号进行数据处理然后再将数据传送至状态监测与故障诊断服务子系统，由状态监测与故障诊断服务子系统对所接收的数据进行检测分析并作出故障诊断，当诊断结果为发生故障时发出警报信号，通知操作人员进行风力机组刹车操作。本实用新型所述的传感器子系统包括数个分别与数据采集与分析子系统的数据输入端连接的传感器，所述的数个传感器分别设置于风力发电机组的各风力机的机舱、主轴、齿轮箱和发电机以及发电机电力输出线路上，采集风力机的机舱、主轴、齿轮箱和发电机的振动信号、扭振信号、转速信号、扭矩与频率信号、电流信号和电压信号。[0007]所述的传感器包括低频加速度传感器、加速度传感器、转速传感器、扭矩传感器和电流电压互感器。本实用新型所述数据采集与分析子系统包括用于对传感器子系统的信号进行抗混频滤波、信号补偿等预处理的数据预处理模块、用于对经过数据预处理模块预处理的数据进行FFT、小波变换以及时域指标运算的数据采集与分析模块和通讯模块，所述数据预处理模块的数据输入端与传感子系统的数据输出端连接，其数据输出端则与所述数据采集与分析模块的数据输入端连接，所述数据采集与分析模块的数据输出端与所述通讯模块的数据输入端连接，所述通讯模块的数据输出端与所述的状态监测与故障诊断服务子系统的数据输入端连接，数据预处理模块接收来自传感器子系统的信号并对其进行预处理后，再将数据传送至数据采集与分析模块进行FFT、小波变换以及时域指标运算，然后再将运算结果通过通讯模块传输至状态监测与故障诊断服务子系统进行故障诊断。本实用新型所述状态监测与故障诊断服务子系统由Web子系统、数据存储模块、监测模块和诊断处置模块构成，所述的数据采集与分析子系统的数据输出端通过Web子系 统与数据存储模块连接，监测模块和诊断处置模块分别与数据存储模块连接，来自数据采集与分析子系统的数据经Web子系统传输至数据库伺服模块中存储，监测模块对数据存储模块中的数据进行分析，并将分析结果存储在数据存储模块中，诊断处置模块则根据监测模块的分析结果通过对温度、压力、扭矩、风速、电流、电功率等多个参数的动态响应与多种故障之间的对应关系，以及参数和参数变化率的阈值曲线来诊断故障，并在若诊断为故障时发出警报。所述的诊断处置模块包括用于故障处置的动力平衡工具子模块、报警子模块以及用于进行前向推理和诊断结果查询的专家诊断子模块，所述的动力平衡工具子模块、报警子模块和专家诊断子模块分别与数据存储模块相连接，对数据进行诊断分析并将诊断结果返回给数据存储模块。本实用新型可作以下改进所述通讯模块的数据输入端和风力电机组控制系统的接口连接，所述通讯模块采集风力电机组控制系统的运行信号并将信号传递至状态监测与故障诊断服务子系统进行故障诊断。所述的风力电机组控制系统的运行信号包括温度、压力、风速以及功率等。本实用新型可作进一步改进所述数据采集与分析子系统还包括信号控制模块，该信号控制模块与风力电机组的刹车系统连接，用于接收由通讯模块传递的来自状态监测与故障诊断子系统下达的刹车指令并将其传递给风力电机组的刹车系统，由刹车系统执行刹车，以达到在设备危险时紧急停机的目的。本实用新型与现有技术相比具有的优点I.本实用新型的传感器子系统设置在风力发电机组的各风力机的机舱、主轴、齿轮箱和发电机以及发电机电力输出线路上，具有多路数据采集功能，可采集风电机组的机械振动、扭矩以及控制系统等的运行参数，并将所采集的信号经过运算处理后发送给状态监测与故障诊断服务子系统，通过状态监测与故障诊断服务子系统可对来自多传感器的信号进行数据融合，实现对风电机组典型故障的准确诊断和故障定位。在状态监测与故障诊断服务子系统上可设置上述信号的报警值，并将所采集的信号与报警值进行比较，输出报警结果，同时可根据系统状态，改变风力发电设备的部分操作管理，以降低故障风险；该系统还具有保护输出功能，可以与风力发电机组的紧急刹车系统进行通信，当遇到严重报警时，启动风力发电机组的紧急刹车系统，以在危险状态下保护设备。2.本实用新型可将数据采集与分析子系统安装在风力发电机组设备上，减少了传感信号和控制信号在长距离输送过程的丢失风险。3.使用本实用新型可大大降低风电机组的维修成本。
图I为本实用新型的风力发电机组运行状态远程监测及故障诊断系统的总体示意图。图2为本实用新型的风力发电机组运行状态远程监测及故障诊断系统的传感器子系统安装示意图。 图3为本实用新型的风力发电机组运行状态远程监测及故障诊断系统的数据采集与分析子系统原理图。图4为本实用新型的风力发电机组运行状态远程监测及故障诊断系统的状态监测与故障诊断服务子系统原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式
进行描述，以便本领域的技术人员更好的理解本发明。如图f 4所示的风力发电机组运行状态远程监测及故障诊断系统是本实用新型的一个实施例。如图I所示，该系统由传感器子系统00、数据采集与分析子系统10、状态监测与故障诊断服务子系统20和监测诊断工作站30四个部分构成。传感器子系统00通过电缆与数据采集分析子系统10相连接，数据采集与分析子系统10通过光纤与状态监测与故障诊断服务子系统20连接，状态监测与故障诊断服务子系统20通过光纤网络或无线网络与监测诊断工作站30连接。如图2所示，传感器子系统主要包括振动传感器和电信号传感器两部分。其中，振动传感器部分的传感器布置方式如下低频加速度传感器A，位于机舱前端，用于采集机舱前端的横向振动信号；低频加速度传感器B，位于风力机主轴前轴承座，用以采集前轴承y方向的径向振动信号；低频加速度传感器C，位于风力机主轴前轴承座，用以采集前轴承X方向的径向振动信号；低频加速度传感器D，位于风力机主轴后轴承座，用以采集后轴承y方向的径向振动信号；低频加速度传感器E，位于风力机主轴后轴承座，用以采集后轴承X方向的径向振动信号；低频加速度传感器F，用于采集机舱和塔架的轴向振动信号；加速度传感器G,位于齿轮箱前端,米集齿轮箱前端X方向的振动信号；加速度传感器H,位于齿轮箱中部，采集齿轮箱的振动信号，以便反应内部齿轮的振动情况；加速度传感器I，位于齿轮箱后端，采集齿轮箱后端X方向的振动信号；加速度传感器J，位于发电机前端轴承座，采集发电机前端轴承X方向的振动情况；加速度传感器K，位于发电机后端轴承座，采集发电机后端轴承X方向的振动情况；低频加速度传感器L，位于机舱的后端，采集机舱的横向振动和扭振信号；加速度传感器M，位于发电机后端轴承座，采集发电机后端轴承y方向的振动情况；加速度传感器N，位于齿轮箱前端y方向；加速度传感器0，位于齿轮箱后端y方向；加速度传感器P，位于发电机前端轴承座，采集发电机前端轴承y方向的振动情况。而电信号传感器的布置方式如下电流互感器Q、R、S，分别用来采集发电机的三相电流信号；电压互感器T、U、V，分别用来采集发电机三相电压信号，该电流和电压信号经过计算后，同时可以得到发电机的有功功率和无功功率信号。如图3所示，数据采集与分析子系统10主要由数据预处理模块11、数据采集与分析模块12、通讯模块13和信号控制模块14四部分组成。传感器子系统00中各传感器采集的风力发电机组的机舱、塔架和发电机等的振动信号、扭振信号、电压信号和电流信号等数据通过电缆传递给数据预处理模块11，并对数据进行前期的处理，处理后的数据再传递给数据分析与采集模块12进行数据计算，之后经通讯模块13将计算好的数据传递给状态监测与故障诊断子系统20。风电机组控制系统接口 400可以将风力机的温度、压力和风速等通过modelbus等标准接口传递给通讯模块13，然后传给状态监测与故障诊断子系统20。信号控制模块14与风力机的刹车系统401相连接，当需要刹车动作时，状态监测与故障诊断系统20会通过通讯模块13将命令发给信号控制模块14，以控制风力机的刹车系统，进行刹车动作。 如图4所示，状态监测与故障诊断服务子系统20是以智能计算机作为硬件基础的，由Web子系统21、数据存储模块22、监测模块23和诊断处置模块24构成。数据采集与分析子系统10将数据传递给Web子系统21，存到数据存储模块22中，然后由监测模块23和诊断处置模块24对数据进行监测和诊断处置。监测模块23提供一些数据分析手段，有基本监测分析手段主监视图、振动棒图、时域波形、频谱分析、相关分析、轴心轨迹、轴心位置、轴振型线等；还有为滚珠轴承提供的分析手段幅值域指标、倒谱分析、包络分析；还有非稳过程分析工具短时FFT变换、Wigner分析、小波灰度图。诊断处置模块24主要由报警子模块241、专家诊断子模块242、动平衡工具子模块243组成。其中，专家诊断子模块242由前向推理二级子模块2421和诊断结果查询二级子模块2422组成，诊断处置模块24接收数据存储模块22中的数据分析结果，由前向推理子模块2421进行故障诊断判断，并将诊断结果保存至数据存储模块22中，并通知报警子模块241发出报警信号。而诊断结果查询二级子模块2422通过网络与监测诊断工作站30连接，供工作人员进行诊断结果的查询。本实用新型可用其他的不违背本实用新型的精神或主要特征的具体形式来概述。本实用新型的上述实施方案都只能认为是对本实用新型的说明而不是限制，因此凡是依据本实用新型的实质技术对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。
权利要求1.一种风力发电机组运行状态远程监测及故障诊断系统，其特征在于，包括用于采集风力发电机组中机械振动、扭矩信号以及电信号的传感器子系统、用于数据处理并与风力发电机组刹车系统连接的数据采集与分析子系统、用于接收和存储来自数据采集与分析子系统的数据并进行检测分析的状态监测与故障诊断服务子系统以及通过光纤网络或无线网络与所述状态监测与故障诊断服务子系统连接的监测诊断工作站；所述的传感器子系统的数据输出端与数据采集分析子系统数据输入端连接并将所采集的信号传送至数据采集分析子系统，所述数据采集与分析子系统数据输出端与状态监测与故障诊断服务子系统的数据输入端连接，数据采集与分析子系统对来自传感器子系统的信号进行数据处理然后再将数据传送至状态监测与故障诊断服务子系统，由状态监测与故障诊断服务子系统对所接收的数据进行检测分析并作出故障诊断，当诊断结果为发生故障时发出警报信号，通知操作人员进行风力机组刹车操作。
2.根据权利要求I所述的风力发电机组运行状态远程监测及故障诊断系统，其特征在于，所述的传感器子系统包括数个分别与数据采集与分析子系统的数据输入端连接的传感 器，所述的数个传感器分别设置于风力发电机组的各风力机的机舱、主轴、齿轮箱和发电机以及发电机电力输出线路上,采集风力机的机舱、主轴、齿轮箱和发电机的振动信号、扭振 信号、转速信号、扭矩与频率信号、电流信号和电压信号。
3.根据权利要求2所述的风力发电机组运行状态远程监测及故障诊断系统，其特征在于，所述的传感器包括低频加速度传感器、加速度传感器、转速传感器、扭矩传感器和电流电压互感器。
4.根据权利要求I或2或3所述的风力发电机组运行状态远程监测及故障诊断系统，其特征在于，所述数据采集与分析子系统包括用于对传感器子系统的信号进行抗混频滤波和信号补偿预处理的数据预处理模块、用于对经过数据预处理模块预处理的数据进行FFT、小波变换以及时域指标运算的数据采集与分析模块和通讯模块，所述数据预处理模块的数据输入端与传感子系统的数据输出端连接，其数据输出端则与所述数据采集与分析模块的数据输入端连接，所述数据采集与分析模块的数据输出端与所述通讯模块的数据输入端连接，所述通讯模块的数据输出端与所述的状态监测与故障诊断服务子系统的数据输入端连接，数据预处理模块接收来自传感器子系统的信号并对其进行预处理后，再将数据传送至数据采集与分析模块进行FFT、小波变换以及时域指标运算，然后再将运算结果通过通讯模块传输至状态监测与故障诊断服务子系统进行故障诊断。
5.根据权利要求4所述的风力发电机组运行状态远程监测及故障诊断系统，其特征在于，所述状态监测与故障诊断服务子系统由Web子系统、数据存储模块、监测模块和诊断处置模块构成，所述的数据采集与分析子系统的数据输出端通过Web子系统与数据存储模块连接，监测模块和诊断处置模块分别与数据存储模块连接，来自数据采集与分析子系统的数据经Web子系统传输至数据库伺服模块中存储，监测模块对数据存储模块中的数据进行分析，并将分析结果存储在数据存储模块中，诊断处置模块则根据监测模块的分析结果通过对温度、压力、扭矩、风速、电流和电功率多个参数的动态响应与多种故障之间的对应关系，以及参数和参数变化率的阈值曲线来诊断故障，并在若诊断为故障时发出警报。
6.根据权利要求5所述的风力发电机组运行状态远程监测及故障诊断系统，其特征在于，用于故障处置的动力平衡工具子模块、报警子模块以及用于进行前向推理和诊断结果查询的专家诊断子模块，所述的动力平衡工具子模块、报警子模块和专家诊断子模块分别与数据存储模块相连接，对数据进行诊断分析并将诊断结果返回给数据存储模块。
7.根据权利要求6所述的风力发电机组运行状态远程监测及故障诊断系统，其特征在于，所述通讯模块的数据输入端和风力电机组控制系统的接口连接，所述通讯模块采集风力电机组控制系统的运行信号并将信号传递至状态监测与故障诊断服务子系统进行故障诊断。
8.根据权利要求7所述的风力发电机组运行状态远程监测及故障诊断系统，其特征在于，所述数据采集与分析子系统还包括信号控制模块，该信号控制模块与风力电机组的刹车系统连接，用于接收由通讯模块传递的来自状态监测与故障诊断子系统下达的刹车指令并将其传递给风力电机组的刹车系统，由刹车系统执行刹车。
专利摘要本实用新型公开了一种风力发电机组运行状态远程监测及故障诊断系统，包括用于采集风力发电机组中机械振动、扭矩信号以及电信号的传感器子系统、用于数据处理并与传感器子系统和风力发电机组机刹车系统连接的数据采集与分析子系统、用于接收和存储来自数据采集与分析子系统的数据并进行检测分析的状态监测与故障诊断服务子系统以及通过光纤网络或无线网络与所述状态监测与故障诊断服务子系统连接的监测诊断工作站。该系统能够实现多路数据采集功能，可采集风电机组的机械振动、扭矩以及控制系统的运行参数，对所采集的信号经过运算处理后进行故障诊断，并可以发出报警，当严重报警时，还可启动机组的紧急刹车系统，以保护设备。
文档编号G05B19/418GK202735788SQ201220130180
公开日2013年2月13日 申请日期2012年3月31日 优先权日2012年3月31日
发明者冯永新, 杨涛, 邓小文, 刘石, 刘霞, 张磊 申请人:广东电网公司电力科学研究院