摘要：海上风电场，由于其离岸距离远、所处自然环境恶劣，日常巡视维护和事故抢修十分不便，一旦出现故障将造成重大经济损失，因此海上风电场的设备维护是风电场建成运行后的主要问题。风电机组作为海上风电场的重要组成部分，同时也是最容易出现故障的部分，一旦出现问题，造成的损失是不可估量的，因此对海上风电场的风电机组进行实时状态监测，并在故障出现前一段时间作出准确的警告是非常关键和必要的。
关键词：海上风电；状态监测；故障预警
0 引言近年来由于化石能源逐渐枯竭、温室效应造成的地球暖化现象日益严重，因此可再生能源发电得到了极大的关注和发展，尤其是风力发电。2010 年底，我国风电装机总容量达到4182.7 万千瓦，比2009年增加了62%，风电已成为继水电之后我国电力系统中规模最大的可再生能源发电方式，风力发电事业取得了令人瞩目的成就。我国陆地可开发的风能资源储量约为250GW，近海约为750GW，丰富的近海风能使得海上风电事业得到了蓬勃地发展，随着海上风电的发展，海上风电机组监测和检修的问题也日益显现出来，如果对海上风电机组进行有效的监测也成为了一个重要的研究方向。
1.风电机组状态监测及故障预警技术现状1.1 风电机组的主要故障风电机组是故障的多发区，包括齿轮箱故障、发电机故障、主轴承故障、叶轮系统故障、液压系统故障等，其中，仅齿轮箱本身的故障问题直接相关的维护费用就占到了风电场运行与维护费用的20%-30%，主要体现在齿轮或轴承磨损、油温及轴承温度高等方面。
1.2 风电场维护存在的问题目前在风电场运行维护中存在的主要问题有：（1）对于兆瓦级以上风机制造技术，国内大部分整机制造厂家走的是购买国外许可证在国内进行组装生产的技术路线，关键零部件技术仍然掌握在国外企业中，这使得质保期过后，维修费用昂贵；（2）目前大部分风电场对于风电机组的故障诊断与维修，采取的是“事后检修”和“有计划的预防检修”的传统方式，这种方式效率低、维修周期长，造成人力物力财力的巨大浪费；（3）风电场设备零部件涉及门类广，价格高，并加之对设备状态性能没有长期历史数据的积累与分析，难以保证备有足够的检修材料与备品备件，影响设备的及时维护和检修。
1.3 国内外状态监测及故障预警产品目前国内外已有部分针对大型风电机组的监测系统产品。例如通用电气公司的Bently Nevada 系统；Pruftechnik 公司的VIBXPERT FFT数据采集与信号分析仪和VIBROWEB XP 诊断型的在线状态监测系统；德国SCHENCK VIBRO GMBH 公司的VIBRO-IC；SKF 公司的SKFWindCon 系统等。国内的产品主要有：西北工业大学旋转机械与风能装置测控研究所的CAMD-6100；东方振动和噪声技术研究所的DASP系统；金风科技公司的风电机组在线监测系统；北京唐智科技有限公司的JK07460 风力发电机传动系统故障诊断装置等。表1 列举了国内外部分风电机组状态监测产品进行参数对照。
目前的风电监测产品不仅具备传统设备的在线监测功能，还具有故障诊断和故障风险评估的功能，实现设备的早期故障预警，克服了传统监测设备只能在设备出现明显问题才发出警报的缺陷，另一方面，监测系统采用分布式的监控，降低了对系统通信和数据处理能力的要求，解决了传统监测系统“单点依靠”的问题，使得系统更适应海上风电场机组分布范围广、环境条件差的特点。使用这种监测系统能够更准确地发现故障源，大幅度地降低故障发生率，为设备的维修和备用设备的供给提供了时间。
表1 国内外部分风电设备状态监测及故障检测产品参数对照表
2.工程应用2.1 工程概况以国内某海上风电场为例。该风电场场区内海底地貌形态简单，水下地形较平坦，海底泥面标高一般为-5m~-15m，属于近海风电场。
海域面积约45km2，共布置66 台3MW 的风机，总装机容量为198MW。
66 台风力发电机组经机组平台上变压器升压后，通过8 回35kV 三芯海底集电电缆组成联合单元接入升压站，经升压后由2 回110kV 三芯海底电缆送出并通过陆上集控中心接入对侧110kV 变电站。
工程建设示意如图1 所示。
图1 国内某海上风电场示意图2.2 建设目标状态监测及故障预警系统是该海上风电场成为智能化海上风电场的重要组成部分，其基本目标是为该海上风电场的安全运行提供保障。具体达到如下几方面：1. 延长定期检修间隔；2. 减少检修耗时，降低检修费用，减少检修风险，提高检修精准度；3. 设备处于健康可控状态，对各种异常或故障做出诊断，进行趋势评估，提供充足的预警期；4. 提高设备的可靠性和可用率，增加发电能力，提高经济效益；5. 改善风电场运行性能，延长设备寿命周期；6. 通过性能评价，为优化设计、制造、安全经济运行及以后的工程设计提供数据和信息。
2.3 系统结构系统结构具体阐述如下:（1）底层数据采集及数据预处理分析海上风电机组工作原理及结构特征，以叶片、齿轮箱、发电机、液压系统、偏航系统、控制柜和机舱等主要部件以及外界因素（主要是指环境及电网状况）为基本单元，结合多传感器融合技术，采集数据，完成数据预处理，解决数据采集与传输问题。
（2）顶层分布式状态监测及故障预警智能系统建立“个体层—组织层—社会层”的三层体系结构，个体层，指代风电机组的主要需要监测的零部件，组织层指代风电机组本身，是指由零部件个体层构成的风电机组，形成小组织群体，再扩展至风电场，由多个机组及主要辅助设备组成社会层。从系统状态监测及故障预警体系的实现来讲，形成以特征参数—设备功能—风险预警的多层次的模式识别过程。具体来讲，主要是：1)根据系统的特性，从风电机组主要部件到风电机组到整个风电场映射形成一个全面的监测体系；2）分析测量参数与故障之间的逻辑关联关系，建立以关系数据库结构为组织形式的融合风电场设备和对应故障的多重信息知识库；3）由于风电场运行环境的复杂性，这使得单一设备和零部件本身的行为不再局限于自身范围内，往往会影响在功能或者地域上相关相连的其他设备与系统，这使得故障的发生和传播变成一个典型的动态行为过程，采用Petri 网完成对系统故障的异步并发诊断。采用有色Petri 网建立系统动态监测模型，基于可达图、可达树和不变量等Petri 网基本性能分析方法，分析所建立的监测模型的可达性、有界性、安全性、活性、可逆性等基本性能，并对主要因素进行灵敏度分析和模型状态可控性操；4）专家系统的建立专家系统包括故障发生频度、后果严重度和故障检测难易度三方面的综合风险评价指标体系，研究故障风险影响级别，提供故障主动预警和处理的最优策略。
图2 海上风电场风电机组状态监测及故障预警系统融合以上方案，基于多智能主体的分布式人工智能技术，最终形成特征参数——功能损耗——风险识别多层次交互的海上风电场风电机组状态监测与故障预警系统。
2.4 安装布置系统主要由传感器、检测单元和服务器组成。检测单元安装在风机机舱内，负责对振动数据进行采集、处理、分析、报警触发、故障预处理等，并将数据上传到服务器。服务器位于风场监控中心内，主要负责接收检测单元的上传数据，并存储，运行可视化界面程序并显示机组振动状态并提供本地分析使用远程访问功能。
图3 系统结构简图振动状态监测系统分为固定安装系统、半固定安装系统和便携式系统，该海上风电场风电机组状态监测及故障预警系统均采用固定安装系统。
1) 振动传感器的安装采用固定传感器，使用刚性机械紧固方式；传感器安装表面应光滑、平整和清洁；当刚性机械紧固方式不便采用时，可使用黏结剂或磁座安装方式。
2)。检测单元采用固定安装方式；数据采集可连续或周期性采集。
3) 设备的性能测试设备安装完成后进行验收测量、实验性分析测量。
2.5 顶层监测系统示例监测数据和数据分析结果实时显示在状态监测中心的显示器上，工作人员可以直观地了解风电机组的运行情况，同时根据系统的警告提示做出相应的故障处理，系统软件分析得到的故障点和故障趋势分别如图4、5、6 所示，
图6 故障点趋势分析预警3. 结语海上风电场风电机组状态监测及故障预警系统是智能化海上风电场的重要组成部分，该系统的应用对降低检修费用、延长设备寿命、提高经济效益等有着重要价值，从长远来看，对未来我国海上风电事业的发展有着重要意义。
海上风电场风电机组的状态监测及故障预警系统是一项复杂的工程，其关键技术是传感器、计算机网络和数据库及其数据分析，在实施过程应根据客观实际，分步进行，逐步完善，因此，从规划设计开始，就要全面考虑海上风电场的运行管理模式，正确选择和布置传感器，建立实时数据库和历史数据库，并在生产过程中逐步建立和完善故障诊断分析预警的专家系统，实现真正的状态监测及故障预警，为海上风电场的正常运行提供保障。
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论文作者:陈晓云 董英瑞
论文发表刊物:《电力设备》第01期供稿
论文发表时间:2015/9/22
标签：故障论文; 机组论文; 风电论文; 海上论文; 风电场论文; 状态论文; 系统论文; 《电力设备》第01期供稿论文;