一种风力发电机组部件潜在运行风险的预警方法及系统与流程

1.本发明涉及风力发电测控技术领域，具体是一种风力发电机组部件潜在运行风险的预警方法及系统。


背景技术：

2.当前气候问题加剧，世界范围都在积极研发新能源以缓解气候危机。风能作为一种可持续再生的新能源已经成为新能源中重点的研发对象。风能不仅具有分布广泛储量丰富等有点，且其利用方便性价比高、不会极大影响生态环境以及没有明显的季节性。
3.对于风机而言，降低维护成本本质也是增加发电效率的重要方式之一。风机的变桨、偏航等行为都是力图在不损害风机前提下追求最大化发电效率，因此如何在发电效率不损失的情况下延长风机寿命便成为了重要研究方向。
4.风机的偏航控制可以大致分为2个阶段：1.偏航启动判定。当风速满足风机启动条件且风向与机舱位置相差角度持续较大时，风机启动单向偏航进行追风以寻求更大的发电效率。2.偏航停止判定。风机在偏航过程中会持续修正偏航误差，当偏航误差与风向差值小于一定范围时，风机便会停止偏航。
5.风机的变桨控制可以大致分为3种情况：1.停机收桨。当风机处于停机状态时风机会进行收桨以保护桨叶。2.大风变桨。当风机处于满负载状态时，风机会根据风速进行持续变桨来保证桨叶所受压力不会过大。3.人工收桨。手动操作进行收桨。
6.现有预警技术主要是针对部件自身产生的运行风险进行分析和预警，对于部件自身无问题但因部件运行逻辑和外界风况环境造成影响所导致的部件运行表现的异常并没有进行预警方面的研究（部件运行会受到控制逻辑和外部环境的影响，会存在部件本身无问题但控制逻辑或外部环境异常影响部件运行状况进而导致风机运行出现异常）。


技术实现要素：

7.为克服现有技术的不足，本发明提供了一种风力发电机组部件潜在运行风险的预警方法及系统，解决现有技术存在的对于部件自身无问题但因部件运行逻辑和外界风况环境造成影响所导致的部件运行表现的异常并没有进行预警等问题。
8.本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种风力发电机组部件潜在运行风险的预警方法，利用风电机组的历史数据进行统计分析，基于风电机组的历史数据和现在值，找出对应部件在异常状态下的数据特征；基于在异常状态下的数据特征进行风机当前运行时数据的数据甄别，从而判定风机该部件在不同工况下部件运行状态是否正常，并对不正常的运行状态进行预警。
9.作为一种优选的技术方案，风电机组的历史数据包括偏航系统和/或变桨系统；历史数据包括部件运行行程、运行动作次数、运行累计时间的一种或多种。
10.作为一种优选的技术方案，历史数据进行统计分析的方法为：对于可能存在运行风险的部件，找出与之相关的部件历史数据与工况数据，通过计算均值、计算分布范围和/
或计算极值的计算方式对数据进行统计分析，从而找出超出风机正常运行范围的数据。
11.作为一种优选的技术方案，预警包括变桨扇区湍流预警，变桨扇区湍流预警包括以下步骤：sa1，采集风机主状态、变桨以及风况长期数据；sa2，筛选出满发变桨的数据，并按照风向归入每个风向区域中；sa3，分析每个区域内变桨数据对于总数据的占比；sa4，若有区域中存在比值异常偏高，则对该风向区域进行扇区预警。
12.作为一种优选的技术方案，预警包括变桨置0初始位异常预警，变桨置0初始位异常预警包括以下步骤：sb1，采集风机主状态、变桨以及风况长期数据；sb2，通过对历史风况进行相似度分析，找到风况相近的风机；sb3，绘制每台风机功率爬升阶段的功率曲线并进行对比；sb4，若存在风机功率曲线异常偏低且该风机没有其他相关异常，则进行变桨置0异常预警。
13.作为一种优选的技术方案，预警包括偏航扇区湍流预警，偏航扇区湍流预警包括以下步骤：sc1，采集风机主状态、变桨以及风况长期数据；sc2，筛选出正常偏航风机数据，并按照风向归入对应的风向区域中；sc3，分析每个区域内偏航数据对于总数据的占比；sc4，若存在占比异常偏高的区域，则对该区域进行偏航湍流预警。
14.作为一种优选的技术方案，预警包括风机偏航逻辑异常预警，风机偏航逻辑异常预警包括以下步骤：sd1，采集风机主状态、偏航以及风况数据；sd2，筛选出正常偏航风机数据，并按照偏航流程将每次偏航拆成独立的数据段；sd3，监测每个数据段偏航数据是否满足偏航逻辑判定三个要求；sd4，若存在满足要求的数据段，进行偏航逻辑异常预警。
15.作为一种优选的技术方案，预警包括易损件损坏预警，易损件损坏预警包括以下步骤：se1，记录每个部件最新更换的时间与当前设定的最大使用次数；se2，统计每个部件从最新更换时间开始的累计使用次数；se3，若风机累计使用次数接近最大使用寿命次数时，进行预警；其中，累计使用次数接近最大使用寿命次数指：累计使用次数≥0.9
⌈
最大使用寿命次数
⌉
，
⌈⌉
表示向上取整；se4，统计实际更换时的使用次数，对设定的最大使用次数进行更新。
16.作为一种优选的技术方案，预警包括变桨停机过频预警，变桨停机过频预警包括以下步骤：sf1，读取设定时间段内的全场风机所有的变桨数据；sf2，依据主状态码筛选变桨数据中停机时间段的数据；sf3，若存在风机的停机次数显著高于全场值且高于固定设置的阈值，则对该风机进行预警。
17.一种风力发电机组部件潜在运行风险的预警系统，基于所述的一种风力发电机组部件潜在运行风险的预警方法，用以：利用风电机组的历史数据进行统计分析，基于风电机组的历史数据和现在值，找出对应部件在异常状态下的数据特征；基于在异常状态下的数据特征进行风机当前运行时数据的数据甄别，从而判定风机该部件在不同工况下部件运行状态是否正常，并对不正常的运行状态进行预警。
18.本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：（1）本发明不仅可以通过部件自身问题造成的直接影响进行预警（部件自身问题会直接导致风机运行异常），更可以对机组运行逻辑和外界风况环境造成的影响进行预警；（2）本发明可以实现对不同问题的预警，进而提升风机的寿命并减少进一步造成更大运行风险的可能性。
附图说明
19.图1是变桨湍流预警的步骤图；图2是变桨置0初始位异常的步骤图；图3是偏航湍流预警的步骤图；图4是偏航逻辑异常预警的步骤图；图5是易损件损坏预警的步骤图；图6是变桨停机过频预警的步骤图。
具体实施方式
20.下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
21.实施例1如图1至图6所示，本发明提出了一种风力发电机组部件潜在运行风险的预警方法，对风力发电机组部件潜在运行风险进行预警，涉及风力发电技术领域。其中所述方法为：利用风电机组相关部件（偏航系统、变桨系统等）的行程、时间、次数的历史数据以及其他运维数据进行辅助分析的方法进行统计分析。通过对行程、时间、次数的历史数据进行风机之间的横向对以及风机自身行程、时间、次数的历史值与行程、时间、次数的现在值的纵向对比进行统计分析，找出对应部件在异常状态下的数据特征。通过该数据特征进行风机当前运行时数据的数据甄别，从而判定风机该部件在不同工况下部件运行状态是否正常，进而达到部件预警的效果。横向对比、纵向对比方式的对比方法包括但不限于：均方差、频谱图、差值、布尔值等。
22.更具体地：一种风力发电机组部件潜在运行风险的预警方法，利用风电机组相关部件（偏航系统、变桨系统等）的行程、时间、次数的历史数据以及其他运维数据进行辅助分析的方法进行统计分析。通过对行程、时间、次数的历史数据进行风机之间的横向对比以及风机自身行程、时间、次数的历史值与行程、时间、次数的现在值的纵向对比进行统计分析，找出对应部件在异常状态下的数据特征。通过该数据特征进行风机当前运行时数据的数据甄别，从而判定风机该部件在不同工况下部件运行状态是否正常，进而达到部件预警的效果。横向
对比指：同一时间段内，某风电机组某部件的现在值与该风电机组其他相关联部件的现在值之间的对比；或；同一时间段内，某风电机组某部件的现在值与其他风电机组相同部件的现在值之间的对比。纵向对比指：某风电机组某部件的历史数据与该风电机组相同部件的现在值之间的对比。
23.进一步地，对于不同的可能存在的部件问题找出与之相关的部件历史数据与工况数据（即将存在潜在运行风险的部件的现在值与该部件正常运行时的历史数据进行对比；而且，将可能存在潜在运行风险的部件的风电机组的工况现在值与该风电机组正常工作时的历史工况数据进行对比），通过计算均值、分布范围、计算极值等方式对数据进行统计分析，从而找出问题数据。
24.进一步地，通过对比全场风机同一时间某一部件数据的分布情况、累计值等进行分析，进而判定是否存在风机该部件运行状况存在异常，从而进行预警。所分析的部件问题包括但不限于：变桨置0异常预警、变桨停机过频预警等。
25.进一步地，风机在功率爬升阶段桨叶会尽可能的置0以追寻最大迎风效率。若变桨置0显著异常，则对于异常风机而言，功率爬升阶段的速率会出现一个明显的下降。通过找到风场风况相近的风机进行对比，若存在风机在功率爬升阶段速率明显偏低，且风机本身机械结构和运行状况均为正常，则可以视为该风机可能存在变桨置0异常的问题，进而对该情况进行预警。
26.进一步地，变桨在停机阶段会进行收桨，当停机频率过高时变桨会进行频繁的收桨，进而影响变桨系统的寿命。找出全场风机同一时间段内每台风机变桨的时间段（该时间段根据风电机组运行情况、统计难度等实际情况提前设定，比如设定为1个月、半年等），利用风机主状态码找出因为停机所造成的变桨时间段。通过对时间段数量的统计便可以知道是否存在风机该时间段内停机收桨的频率异常，进而对该情况进行预警。
27.进一步地，对于与风况有关的部件问题，找出行程、时间、次数的历史数据中风况与当前情况相似的数据，并对两者数据利用求均值、计算数据分布范围、计算特定数据占比等方式进行数据对比，进而对当前情况进行是否异常判定，从而对该情况进行预警。所分析的部件问题包括但不限于：变桨扇区湍流预警、偏航扇区湍流预警、易损件损坏预警、偏航逻辑异常预警。
28.进一步地，启动变桨主要受满发变桨、停机变桨和手动变桨三种模式影响。而满发变桨则主要受大风情况下正对风机风能的变化频率。由动能公式ek=1/2mv^2可得变桨角度主要受正对风的风速和风密度影响。因此风速、分布不稳定的湍流会比正常的风更多的造成满发变桨。因此通过计算每个风向区域内满发变桨数量占该风向区域满发数据点位的比例，占比异常偏高的便可以视为存在变桨扇区湍流，进而对该区域进行预警。
29.进一步地，风机偏航启动和停止都依赖于风速以及风向和机舱位置的夹角。当存在风向区域风向来回大幅摆动时，风机便会在该区域内进行频繁的偏航行为。因此通过计算每个风向区域内风机偏航次数相比于风机正常工作数据的比值，占比异常偏高的便可以视为存在偏航扇区湍流，进而对该区域进行预警。
30.进一步地，偏航停止判定主要受偏航误差计算所影响。当一段时间内的偏航误差均值小于设定值时，风机便会停止偏航。但由于偏航误差均值存在变化上的滞后性，因此当风机恰好正对风向时，滞后性会导致风机会继续进行偏航直到偏航误差均值进入固定范围
内为止。但若风机正对风向后风向发生较大幅度的反向变化，则偏航误差变会无法进入范围内而是直接反向超出，此时风机会进行反向追风。因此从原理上而言，反向追风情况的产生一定满足三个条件：a.偏航误差存在过零点的正负跳变。b.偏航误差在接近绝对值180
°
时存在正负跳变。c.b条件的出现时间段至少要有一组位于a条件之后。通过以上判定条件便可以进行风机偏航逻辑异常执行的预警。
31.进一步地，易损件存在一个固定的使用寿命，伴随着风机的日常运行易损件也会被使用，当使用寿命达到接近阈值时便需要进行更换。通过监测每次更换后易损件的累计使用次数并实时与使用寿命进行对比，便可以对易损件损坏进行预警。
32.通过该预警算法不仅可以通过部件自身问题造成的直接影响进行预警（部件自身问题会直接导致风机运行异常），更可以对机组运行逻辑和外界风况环境造成的影响进行预警。该预警方法可以实现对不同问题的预警，进而提升风机的寿命并减少进一步造成更大运行风险的可能性。
33.实施例2如图1至图6所示，作为实施例1的进一步优化，在实施例1的基础上，本实施例还包括以下技术特征：本发明的目的在于寻找一种风力发电机组部件潜在运行风险的预警方法。通过该预警算法，可以利用风况和对应部件数据对部件问题进行预警。
34.为实现上述目的，本发明采用的技术路线如下：一种风力发电机组部件潜在运行风险的预警方法，包括：变桨扇区湍流预警；偏航扇区湍流预警；风机偏航逻辑异常预警；变桨置0初始位异常预警；易损件损坏预警、变桨停机过频等。
35.变桨湍流预警：启动变桨主要受满发变桨、停机变桨和手动变桨三种模式影响。而满发变桨则主要受大风情况下正对风机风能的变化频率。由动能公式ek=1/2mv^2可得变桨角度主要受正对风的风速和风密度影响。因此风速、分布不稳定的湍流会比正常的风更多的造成满发变桨。因此通过计算每个风向区域内满发变桨数量占该风向区域满发数据点位的比例，占比异常偏高的便可以视为存在变桨扇区湍流，进而对该区域进行预警。
36.偏航湍流预警：风机偏航启动和停止都依赖于风速以及风向和机舱位置的夹角。当存在风向区域风向来回大幅摆动时，风机便会在该区域内进行频繁的偏航行为。因此通过计算每个风向区域内风机偏航次数相比于风机正常工作数据的比值，占比异常偏高的便可以视为存在偏航扇区湍流，进而对该区域进行预警。
37.风机偏航逻辑异常执行预警：风机的偏航停止逻辑在扭缆角未到达解缆值时只取决于偏航误差是否小于一定范围内。但由于偏航误差的判定是由一定时间的平均值而定，因此在变化上会存在一定的滞后性。当风机在切近风向时由于偏航误差判定滞后性的问题，风机会继续进行偏航。若此时风向产生了一个反向的变化致使风机偏航误差直接从逐渐贴近变成超出，则风机此时会继续进行偏航而不会停止。进而从实际上而言风机此时在持续进行反向追风。因此从原理上而言，反向追风情况的产生一定满足三个条件：a.偏航误差存在过零点的正负跳变。b.偏航误差在接近绝对值180
°
时存在正负跳变。c.b条件的出现时间段至少要有一组位于a条件之后。通过以上判定条件便可以进行风机偏航逻辑异常执行的预警。
38.变桨停机过频预警：变桨在停机阶段会进行收桨，当停机频率过高时变桨会进行频繁的收桨，进而影响变桨系统的寿命。找出全场风机同一时间段内每台风机变桨的时间段，利用风机主状态码找出因为停机所造成的变桨时间段。通过对时间段数量的统计便可以知道是否存在风机该时间段内停机收桨的频率异常，进而对该情况进行预警。
39.风机变桨置0初始位异常预警：风机在功率爬升阶段桨叶会尽可能的置0以追寻最大迎风效率。若变桨置0显著异常，则对于异常风机而言，功率爬升阶段的速率会出现一个明显的下降。通过找到风场风况相近的风机进行对比，若存在风机在功率爬升阶段速率明显偏低，且风机本身机械结构和运行状况均为正常，则可以视为该风机可能存在变桨置0异常的问题，进而对该情况进行预警。易损件损坏预警：易损件存在一个固定的使用寿命，伴随着风机的日常运行易损件也会被使用，当使用寿命达到接近阈值时便需要进行更换。通过监测每次更换后易损件的累计使用次数并实时与使用寿命进行对比，便可以对易损件损坏进行预警。
40.易损件损坏预警：易损件存在一个固定的使用寿命，伴随着风机的日常运行易损件也会被使用，当使用寿命达到接近阈值时便需要进行更换。通过监测每次更换后易损件的累计使用次数并实时与使用寿命进行对比，便可以对易损件损坏进行预警。
41.如上所述，可较好地实现本发明。
42.本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
43.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，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。