专利名称：风电监控与故障诊断系统的制作方法
技术领域：
本发明属于新能源发电技术中风电场的监测及风电机组状态监测与故障诊断领域，具体涉及一种风电监控与故障诊断系统。
背景技术：
风力发电与火电、核电相比，单机容量小，占地面积广，且大多位于偏远地区，技术与运行条件都比较差，因此为了使各个风电机组都能够完全运行，以及对风电方面相关的信息进行有效的规范化管理，提高风电场的效率，一套性能完善的监控与管理系统对于风电场的运行是至关重要的。风电机组一般装有数据采集与监控(SCADA)系统，该系统可以对风电机组的运行实现基本的监测，具有报警及报告等功能，可以生成风电场事件报告，为提高风电场运行的稳定性和可靠性提供了强有力的支撑。SCADA系统有时会受到条件的限制，系统数据处理速度慢，自动化程度较低，且监测的参数仅限于电气量，如电流、电压、有功和无功等，实现的功能王要集中在电气方面。对于设计寿命为20 25年的风电机组，大约在5 7年会迎来第一个维修或维护的高峰期。在风电起步较晚的国家或者地区，大多风电场就即将进入这一时期。为了降低风电运行和维护成本，一种新的维修方式越来越受到人们的重视，即状态监测与故障诊断。状态监测与故障诊断系统采集的信号为风电机组传动链、塔架、叶片等的振动与冲击信息，目前可以在线实现故障定位、预知和报警等，故障原因和发展趋势等精密的故障诊断受条件限制，尚需在实验室完成。风电机组状态监测和故障诊断技术的应用，不仅可以变故障停机为计划停机，减少停机或避免事故扩大化，使企业对设备的维修管理从事故性维修、计划性维修逐步过渡到以状态监测为基础的预防性维修，保障风电机组安全可靠地运行，提高企业设备管理现代化水平，而且在故障诊断的同时还能及时发现机械结构设计的缺陷及零部件选型上的不合理，为设备的优化设计提供切实可靠的依据。目前，已有少量风电机组装设了风电机组状态监测与故障诊断设备。
发明内容
为克服上述缺陷，本发明提供了一种风电监控与故障诊断系统，能够同时实现风电电气量的监控及风电机组状态监测与故障诊断的功能，使其在对风电监控的同时，也能对风电机组的故障状态进行预知和报警，并在机组运行出现异常时，可对故障原因、发展趋势等进行精密的诊断。为实现上述目的，本发明提供一种风电监控与故障诊断系统，其改进之处在于，所述系统包括站控层计算机监控网络、间隔层数据通信网络、电网EMS系统、数据采集系统、变电站测控保护系统、远程工作站和机组(1... η);所述站控层计算机监控网络通过所述间隔层数据通信网络分别与所述电网EMS系统、所述数据采集系统、所述变电站测控保护系统进行数据交互；所述站控层计算机监控网络控制所述远程工作站；所述数据采集系统分别各个采集机组(1. . . η)的数据；所述站控层计算机监控网络通过所述间隔层数据通信网络接收风电场气象信息。本发明提供的优选技术方案中，所述站控层计算机监控网络，包括依次连接的操作员工作站1，2、服务主机、服务备机、五防工作站、保护师工作站、管理工作站、风电预报工作站、状态监测与故障诊断工作站、人工分析终端、Web服务器和网络打印机。本发明提供的第二优选技术方案中，所述间隔层数据通信网络，包括依次连接的多个通信控制单元。本发明提供的第三优选技术方案中，所述通信控制单元采用型号为NSC300的装置。本发明提供的第四优选技术方案中，所述电网EMS系统，通过路由器与所述间隔
层数据通信网络进行连接。本发明提供的第五优选技术方案中，所述数据采集系统，包括塔架叶轮信息采集器和分别与其连接的振动传感器、轴压电传感器和位移传感器。本发明提供的第六优选技术方案中，所述振动传感器采用型号为PCB356A15或者PCB352C33的振动传感器。本发明提供的第七优选技术方案中，所述塔架叶轮信息采集器设置数据处理板卡，所述数据处理板卡用于风电机组数据和风电场数据的提取和存储。本发明提供的第八优选技术方案中，所述风电机组数据，包括电压、电流、有功功率、无功功率、发电量、发电机转速、偏航角、传动链主轴轴心的运动轨迹、传动链各机械部件的振动和冲击信息、以及塔架和叶片的振动信息；所述风电场数据，包括风速、有功功率、无功功率和气象信息。本发明提供的第九优选技术方案中，所述变电站测控保护系统，包括分别向所述站控层计算机监控网络传输数据的测控装置和第三方智能设备。本发明提供的第十优选技术方案中，所述第三方智能设备，是接口设备。本发明提供的较优选技术方案中，所述远程工作站，通过网关和防火墙接受所述站控层计算机监控网络的控制。本发明提供的第二较优选技术方案中，所述各个机组(1. . . η)，包括分别向所述数据采集系统传输数据的风电机组和风机主控系统。与现有技术比，本发明提供的一种风电监控与故障诊断系统，可实现风电SCADA及风电机组状态监测与故障诊断两个系统的功能，但相比风电SCADA系统，在硬件上只多出了机载数据采集与分析系统、状态监测与故障诊断工作站和人工分析终端，较分别采用上述两个系统节约成本；解决了在一台风电机上若想实现对电气量和机械量的监控，并且在机组运行状态出现异常时能够及时准确地进行故障定位和对故障进行精密的诊断，需要采用常规风电SCADA系统及风电机组状态监测与故障诊断系统，而这两套系统相互独立，彼此之间没有联系，诸如发电机转速和偏航角信号等都需要重复采集，风电机组至风场监控中心的数据通信需要分别建立和调试的问题；本系统无需重复采集发电机转速、偏航角信号电气与机械技术参数共用风电机组至风电场监控中心的通信通道；将机械和电气技术参数通过专业的软件分析后形成相关联的数组，并利用其完成对风电机组运行状况的综合评判，提高了判断的准确性和可靠性；还有，本系统采用了独立的数据采集系统，不需要考虑所监控的机组型号，只需选定合适的智能采集模块、传感器和相应的数据采集装置，即可实现对不同型号机组的监控；再者，可根据风电场的规模和用户的需求，方便地完成系统的裁剪和各功能模块的选择。
图1为风电监控与故障诊断系统的完整结构框图。图2为风电监控与故障诊断系统的完整硬件拓扑图。图3为站控层计算机监控网络典型配置。
图4为间隔层数据通信网络典型配置。图5为包含箱式变压器测控信息的环网硬件拓扑示意图。图6为实施例中风电监控与故障系统硬件拓扑图。图7为与电网EMS系统通信升级拓扑示意图。
具体实施例方式如图1所示，风电监控与故障诊断系统，包括站控层计算机监控网络、间隔层数据通信网络、电网EMS系统、数据采集系统、变电站测控保护系统、远程工作站和机组(1. . . η);所述站控层计算机监控网络通过所述间隔层数据通信网络分别与所述电网EMS系统、所述数据采集系统、所述变电站测控保护系统进行数据交互；所述站控层计算机监控网络控制所述远程工作站；所述数据采集系统分别各个采集机组(1. · · η)的数据；所述站控层计算机监控网络通过所述间隔层数据通信网络接收风电场气象信息。所述站控层计算机监控网络，包括依次连接的操作员工作站1，2、服务主机、月艮务备机、五防工作站、保护师工作站、管理工作站、风电预报工作站、状态监测与故障诊断工作站、人工分析终端、Web服务器和网络打印机。所述间隔层数据通信网络，包括依次连接的多个通信控制单元。所述通信控制单元采用型号为NSC300的装置。所述电网EMS系统，通过路由器与所述间隔层数据通信网络进行连接。所述数据采集系统，包括塔架叶轮信息采集器和分别与其连接的振动传感器、轴压电传感器和位移传感器，所述振动传感器采用型号为PCB356A15或者PCB352C33的振动传感器。所述塔架叶轮信息采集器设置数据处理板卡，所述数据处理板卡用于风电机组数据和风电场数据的提取和存储。所述风电机组数据，包括电压、电流、有功功率、无功功率、发电量、发电机转速、偏航角、传动链主轴轴心的运动轨迹、传动链各机械部件的振动和冲击信息、以及塔架和叶片的振动信息；所述风电场数据，包括风速、有功功率、无功功率和气象信息。所述变电站测控保护系统，包括分别向所述站控层计算机监控网络传输数据的测控装置和第三方智能设备。所述第三方智能设备，是接口设备。所述远程工作站，通过网关和防火墙接受所述站控层计算机监控网络的控制。所述各个机组(1. . . η)，包括分别向所述数据采集系统传输数据的风电机组和风机主控系统。
面结合附图对风电监控与故障诊断系统做进一步详细说明。如图1和图2所示，本发明主要包括数据采集系统、变电站测控保护系统、间隔层数据通信网络、站控层计算机监控网络、远程工作站和GPS系统，间隔层数据通信网络可根据需求通过交换机和电力专线与电网调度(EMS)系统相联，进行数据通信。所述数据采集系统位于风电机组和风电场的现场环境中，负责风电场和风电机组技术参数的采集，并将采集的数据传送到单机数据处理和传输单元；所述单机数据处理和传输单元，完成对采集数据的处理后再上传至间隔层数据通信网络；所述变电站测控保护系统负责变电站的自动化系统的远动功能，将采集的模拟量、数字量、状态量和保护信息经过处理后上传至间隔层数据通信网络；所述间隔层数据通信网络通过交换机与站控层计算机监控网络连接，并根据需求设置电力专线与电网调度(EMS)系统相联，进行数据通信；所述站控层计算机监控网络从间隔层数据通信网络接收数据，根据风电场和风电机组实际运行的需要，进行人机操作处理，并向单机数据处理和传输单元和变电站测控保护系统下达控制命令。图2为本发明的完整硬件拓扑图，具备了本发明的系统结构的全部元素，且间隔层数据通信网络与站控层计算机监控网络的部分工作站均采用了备用单元。实际应用中，可根据风电场的大小和功能需求，对本发明的系统进行精简和剪裁，图3和图4分别给出了本发明中站控层计算机监控网络和间隔层数据通信网络的典型配置，其中图4中的变电站测控保护系统采用标准配置。为更加详细地对本发明进行说明，并体现本发明易裁剪的特点，下面列举一具体实例。应当指出本实例在以本发明技术方案为前提下进行实施，但本发明的保护范围不限于下述的实例。本发明应用于50丽风电场，该风电场共有33台单机容量为1. 5丽的双馈异步型的变速风机，总容量50MW。风机出口由一台变压器O. 69/35kV升压，通过4条35kV馈电电缆接入35/110kV的无人值守变电站并入电网；此外，风电场还具备一座测风塔。风电场和主机厂商对本发明的系统要求有具备监控多个厂商的多种型号的风电机组的功能；具备监测测风塔信息的功能；具备变电站监控功能，可实时查看变电站各种设备状态并进行遥控、遥调，包括每台风电机组的箱式变压器；具备风电机组状态监测与故障诊断功能，在机组传动链运行出现异常时给予报警提示；具备远程Web浏览功能，但远程Web浏览只能查看风机运行状态而不能控制风机的运行状态；暂不需具备和电网EMS系统接口功能，但要具备可升级能力；当风电机组运行出现异常，需要具备远程报警功能，可将报警信息以电子邮件、传真和电话等方式发送至主机厂商。根据所述条件要求，对本发明的系统配置和实施方案如下1.组网综合考虑网络的可靠性和经济性，将所有风电机组、箱式变压器和测风塔构成2个环网，统一接入间隔层数据通信网络；由于需要监控箱式变压器信息，因此在每台风电机组侧要安装交换机，使单机数据处理和传输单元同变压器测控装置的信息融合起来，这种情况下环网结构示意图如图5所示。2.系统结构。推荐的本发明的系统结构如图6所示。间隔层数据通讯网络主要包括三个通讯控制单元，其中两个负责风电场数据(包括风机和测风塔)的接收和规约转换，一个负责变电站数据的接受和规约转换；站控层计算机监控网络包含两台互为热备用数据服务器、一台状态监测与故障诊断工作站、一台Web服务器、两台操作员工作站和一台网络打印机；为保证系统的可靠性，数据服务器均为双网卡配置。Web服务器通过网关/路由器与Internet相连，主要为远程工作站提供浏览功能；两台操作员工作站中，一台负责对风场的综合监控，包括电气量和机械量监控，一台负责对变电站的综合监控，两台工作站的功能可以任意组合和切换；系统的报表和图形输出功能由网络打印机负责。站控层计算机监控网络为10/100M以太网，由一台24 口的交换机负责网络数据的交换；远程Web浏览功能通过在站控层计算机监控网络与远程工作站之间添加网关设备实现，所述网关设备具备路由器/防火墙/VPN服务器功能，通过配置网络地址转换(NAT)功能为远程计算机提供Web浏览服务，且Web浏览的用户不具备控制功能，此外，网关设备还提供VPN拨号接入服务，远程用户可以通过电话线路由Modem拨号方式接入到站控层计算机监控网络，这种拨号方式虽然速度较慢，但具有很高的安全性。3.与电网EMS系统通讯升级方案。若系统需要和电网EMS系统进行通讯，实现自动发电量监控和汇报等功能，可对系统进行如下改造与电网EMS系统通讯的功能由间隔层数据通信网络中的通讯控制单元实现；由于本系统包含多台通讯控制单元，因此需要将各台通讯控制单元相连，然后通过交换机和电力专线与电网EMS相连，实现数据通信，如图7所示；通讯协议一般采用104协议。4.远程报警方案。为保证系统的安全性，一般处于站控层计算机监控网络的数据服务器、操作员工作站都不具备联网功能，为实现以电子邮件的方式发送报警信息的功能，可在具备联网功能的Web服务器上架设SMTP服务器或者代理服务器，操作员工作站通过SMTP服务器或代理服务器向特定的电子邮件账户发送包含报警信息的邮件；为实现电话和传真报警的功能，可在操作员工作站上安装Modem，与电话线连接，并在系统软件平台中设置报警事件发生时自动发送传真以及自动拨号并发出语音报警。需要声明的是，本发明内容及具体实施方式
意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。
权利要求
1.一种风电监控与故障诊断系统，其特征在于，所述系统包括站控层计算机监控网络、间隔层数据通信网络、电网EMS系统、数据采集系统、变电站测控保护系统、远程工作站和机组(l...n);所述站控层计算机监控网络通过所述间隔层数据通信网络分别与所述电网EMS系统、所述数据采集系统、所述变电站测控保护系统进行数据交互；所述站控层计算机监控网络控制所述远程工作站；所述数据采集系统分别各个采集机组(1. . . n)的数据；所述站控层计算机监控网络通过所述间隔层数据通信网络接收风电场气象信息。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述站控层计算机监控网络，包括依次连接的操作员工作站1，2、服务主机、服务备机、五防工作站、保护师工作站、管理工作站、风电预报工作站、状态监测与故障诊断工作站、人工分析终端、Web服务器和网络打印机。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述间隔层数据通信网络，包括依次连接的多个通信控制单元。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述通信控制单元采用型号为NSC300的 装直。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电网EMS系统，通过路由器与所述间隔层数据通信网络进行连接。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据采集系统，包括塔架叶轮信息采集器和分别与其连接的振动传感器、轴压电传感器和位移传感器。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述振动传感器采用型号为PCB356A15或者PCB352C33的振动传感器。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述塔架叶轮信息采集器设置数据处理板卡，所述数据处理板卡用于风电机组数据和风电场数据的提取和存储。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述风电机组数据，包括电压、电流、有功功率、无功功率、发电量、发电机转速、偏航角、传动链主轴轴心的运动轨迹、传动链各机械部件的振动和冲击信息、以及塔架和叶片的振动信息；所述风电场数据，包括风速、有功功率、无功功率和气象信息。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述变电站测控保护系统，包括分别向所述站控层计算机监控网络传输数据的测控装置和第三方智能设备。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第三方智能设备，是接口设备。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述远程工作站，通过网关和防火墙接受所述站控层计算机监控网络的控制。
13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述各个机组(1...n)，包括分别向所述数据采集系统传输数据的风电机组和风机主控系统。
全文摘要
本发明提供一种风电监控与故障诊断系统，包括站控层计算机监控网络、间隔层数据通信网络、电网EMS系统、数据采集系统、变电站测控保护系统、远程工作站和机组(1...n)；所述站控层计算机监控网络通过所述间隔层数据通信网络分别与所述电网EMS系统、所述数据采集系统、所述变电站测控保护系统进行数据交互；所述站控层计算机监控网络控制所述远程工作站；所述数据采集系统分别各个采集机组(1...n)的数据；所述站控层计算机监控网络通过所述间隔层数据通信网络接收风电场气象信息。本发明提供的风电监控与故障诊断系统，能够同时实现风电电气量的监控及风电机组状态监测与故障诊断的功能，使其在对风电监控的同时，也能对风电机组的故障状态进行预知和报警。
文档编号G05B19/418GK102999025SQ20121044457
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月8日 优先权日2012年11月8日
发明者朱凌志, 张磊, 马晓晶, 陈宁, 赵大伟, 王湘艳, 赵亮 申请人:中国电力科学研究院, 国家电网公司