专利名称：风力发电机状态监测系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电机状态监测系统及方法，属于风力发电机监测技术领域
背景技术：
风能是非常重要并储量巨大的能源，它具有安全、清洁、充裕、稳定等特点。目前，风力发电已成为风能利用的主要形式，发展速度很快。近几年，风力发电产业开始进入一个高速增长期。截止到2009年，全球风力发电机装机容量已达到159213丽，新增装机容量38312丽，根据目前的增长趋势，世界风能协会预测到2020年底，全球装机容量至少为
I.9X106MW。我国风电发展自2000年起，几乎每年以成倍的增长速度不断增加，到2009年12月底总装机容量达到25805. 3MW，是除美国、德国外拥有风电装机容量最大的国家。受风场自然环境、风力发电机组和电力电子装置复杂等因素的影响，风力发电机组事故日趋增多。风力发电机组高额的运行维护成本严重影响了风场的经济效益。据相关数据统计，对于设计寿命为20年的风力发电机机组，运行维护成本估计占到风场收入的10% 15% ;对于海上风场，用于风力发动机运行维护的成本高达风场收入的20% 25%。高额的运行维护费用增加了风场的运营成本，降低了风电的经济效益。风力发电机结构复杂，价格昂贵，工作环境恶劣。地处野外，受自然条件影响大。风力发电机安装于五、六十米高的塔筒上，处于非常恶劣的环境，维修非常困难，因此，如何做到既不过剩维修，又能及时维修显得尤为重要。通过在线监测系统可实时监测风力发电机的状态，可以及时掌握其状态，及时干预，预先安排相应的维护维修计划，减少停机次数和时间，大幅度降低发电机组的运营成本，避免突发故障的发生，延长设备的使用寿命。最大限度的多发电。国内大型风力发电机状态监测情况是一部分风力发电机运营商使用国外风电公司的状态监测系统产品；一部分风力发电机只有发电量及电气设备状态监测系统，缺少机械传动系统的状态监测；还有一部分风力发电机采用几个振动传感器与简单仪表组成的简易监测系统，不能满足使用要求。近年来国内一些公司开展此类技术产品的研究，使用的监测方法一种是利用无线传感网络技术，该方法存在振动信号采样速度慢、信号处理和传输速度慢、可靠性差等缺点，不能满足实际要求；另一种采用Internet网络进行远程监测，使用现场服务器、远程服务器等，系统结构比较复杂，应用情况不明。
发明内容
本发明的目的是提供一种风力发电机状态监测系统及方法，该系统及方法能够实时掌握风力发电机状态，及时干预，预先安排相应的维护维修计划，减少停机次数和时间，大幅度降低发电机组的运营成本，避免突发故障的发生，延长设备的使用寿命。本发明还具有振动信号采样快、信号处理、传输速度快、可靠性强、成本低。
技术解决方案本发明风力发电机状态监测系统，包括两级计算机监测结构，下位机为数字信号处理系统DSP，固定于风力发电机顶部的机舱内，上位机为PC计算机，位于风力发电机地面监控室内，下位机DSP与上位机PC计算机利用通信接口实现数字信号的通信；还包括固定在风力发电机上机械传动系统上的传感器，振动传感器的输出端与信号调理单兀的输入端连接，信号调理单元的输出端再与信号采集单元的输入端连接，信号采集单元输出端与数字信号处理系统DSP的输入端连接。所述传感器包括转速传感器、加速度传感器或速度传感器。
所述风力发电机的机舱上安装有速度传感器；发动机输入轴上安装有转速传感器；主轴承座、发动机轴承及增速箱上分别安装有加速度传感器。本发明风力发电机状态监测系统的监测方法如下传感器采集的风力发电机振动信号经过信号调理单元的变换、滤波、放大，由信号采集单元完成模拟量到数字量的转换，再送入数字信号处理系统DSP分析处理。数字信号处理系统DSP对各个振动信号进行时域有量纲特征参数、无量纲特征参数的提取以及通过AR模型在频域进行频谱的快速估计，从而获得风力发电机振动状态的信息，然后数字信号处理系统DSP将这些特征参数通过通信接口传送到PC计算机，PC计算机实时显示风力发电机的状态，显示振动特征参数变化趋势图，存储异常状态下的各种特征参数，供查看分析。所述数字信号处理系统DSP处理信号的流程如下①.DSP对各个传感器采样，将模拟信号转换为数字量，采样按固定频率和数据量进行，边采样边将数字量保存在DSP内存中；②.由转速传感器的采样值计算出风力发电机转速；由各个振动传感器的采样数据分别计算出振动信号的时域统计特征值，时域统计特征包括平均值、有效值、方差、概率密度函数、相关分析、峭度、波形系数、裕度指标，将以上计算结果保存到DSP内存；③.利用AR模型快速计算出各个振动传感器信号的功率谱，并保存功率谱信息到DSP内存中；④.DSP请求与上位机PC通信，将风力发电机转速值、各个振动传感器信号的时域统计特征和功率谱信息传送到上位机PC计算机；DSP完成一次大循环工作；DSP处理信号的流程按上述步骤①至步骤④依次循环进行。本发明PC计算机监测程序为显示风力发电机状态监测界面菜单，响应数字信号处理系统DSP的传送信号请求，接收DSP传送的每一帧信号，以曲线或棒图方式显示时域、频域特征参数，根据各个振动传感器的振动特征参数，对照风力发电机振动判定标准，判断风力发电机的状态，若振动值属于正常则以绿色显示当前振动值；当出现异常振动且超标不大时以黄色闪烁显示报警状态并存储报警值和报警时间；当出现异常振动且超标较大时，表明需停机检修排除故障，计算机以红色闪烁方式显示振动特征值并以声音提示，存储异常值和发生时间。本发明通过振动传感器、转速传感器获取风力发电机状态信号，采用两级监测结构，将数字信号处理系统DSP与PC计算机通过通信总线实现数字信号的快速可靠通信。本发明数字信号处理系统DSP通过信号分析处理对采集后的各路振动信号进行时域有量纲、无量纲特征值的提取以及通过AR模型在频域进行频谱的估计，得到风力发电机振动状态的信息，然后将这些表示风力发电机状态的信息利用通信总线传送到地面控制室内的PC计算机。由PC计算机实时显示并存储风力发电机的振动特征信息，根据振动时域特征量值、发展趋势以及频域特征值信息综合分析，与风力发电机振动评定标准对比，判断出风力发电机状态有无故障，状态属于正常、异常报警或危险中哪一种，发展程度如何等信息，同时递推存储特征值和报警异常值。DSP以一定的采样频率和采样时间控制信号采集单元完成多通道模拟信号的数字量转换，然后将采集转换后的数字量保存在DSP的内存中。计算当前转速值，快速计算每一通道振动信号的时域统计特征。时域统计特征包括平均值、有效值、方差、概率密度函数、相关分析、峭度、波形系数、裕度系数。利用AR模型对振动信号的频谱进行快速估计分析， 得到各通道振动信号的频谱信息，将以上时域、频域特征信息暂存到DSP内存中。最后DSP与上位机PC利用通信总线通信，将以上转速值、每个振动传感器的时域特征参数、功率谱信息传送到PC计算机。上位机PC计算机显示风力发电机状态监测界面菜单，响应数字信号处理系统DSP的传送信号请求，接收DSP传送的每一帧信号，递推存储风力发电机振动特征参数，以曲线、棒图等方式显示时域、频域特征值，与振动标准比较判断风力发电机目前的状态正常、报警、危险，显示状态信息。同时根据需要可查看历史报警数据、统计报警值。风力发电机状态监测系统及方法，是一项综合了信息处理技术、计算机技术、传感器技术、概率与统计等学科的综合技术。利用DSP硬件功能强大、可靠性高和软件的高效高速等特点，对振动传感器输出信号的加工处理、去伪存真。运用时域统计原理，采用AR模型提取出能够敏感反映风力发电机状态的多种特征参数，达到实时在线监测判断风力发电机状态的目的。通过风力发电机状态监测系统及方法产生的优点是⑴系统采用两级计算机监测系统，充分发挥DSP数字信号处理能力强、快速、体积小、可靠性高的特点，充分发挥PC计算机强大的图形显示功能、数据管理和人机对话功能；(2)利用统计模型对振动信号功率谱快速估计，比使用常规FFT的变换方法具有简单、频谱分辨率高等优点；(3)监测系统可靠，满足风力发电机现场条件要求；价格低，便于推广使用。
图I风力发电机状态监测系统工作原理框图；图2风力发电机状态监测系统传感器安装布置示意图；图3风力发电机状态监测方法流程图；图4数字信号处理系统DSP软件流程图。
具体实施例方式下面结合附图详细说明
具体实施例方式参阅附图I和图3，本发明涉及一种风力发电机状态监测系统及方法，监测系统为两级计算机监测结构，下位机为数字信号处理系统DSP，固定于风力发电机顶部的机舱内，上位机为PC计算机，位于风力发电机地面监控室内，下位机DSP与上位机PC计算机利用通信接口实现数字信号的通信；在风力发电机机舱内轴向和横向位置处分别安装有速度传感器I;主轴承座的轴承径向、增速箱的行星齿轮径向、中间轴轴承径向、高速轴轴承径向及发电机靠近联轴器端轴承径向、自由端轴承径向位置处分别安装有加速度传感器2，发电机输入轴上安装有转速传感器3，速度传感器I、加速度传感器2和转速传感器3的输出端分别与信号调理单元的输入端连接，信号调理单元的输出端与信号采集单元的输入端连接，信号采集单元输出端与数字信号处理系统DSP的输入端连接，数字信号处理系统DSP的输出端与PC计算机连接。数字信号处理系统DSP对传感器即速度传感器I、加速度传感器2和转速传感器3采集到的信号进行处理分析，提取多种振动特征信息，依据风力发电机振动标准，判断风力发电机状态，从而实现风力发电机的实时 状态监测。传感器传感器用来获取风力发电机振动信号和转速。附图2所示的是一种实施方式，传感器包括六个加速度传感器、二个速度传感器、一个转速传感器。图2所示为风力发电机状态监测系统传感器安装布置示意图，风力发电机主要包括叶片、联轴器、增速箱、发电机、机舱等部件。图中箭头所示为本实施例中传感器的安装位置。信号调理单元信号调理单元对各个传感器输出信号进行变换、调理及抗混叠滤波，输出符合A/D转换器范围的电压信号。信号采集单元将信号调理单元输出的模拟信号转换成数字信号，以便数字信号处理系统DSP分析计算、处理、存储。该单元电路具有限幅、隔离保护措施及模数转换功能。数字信号处理系统DSP风力发电机的状态是以各种振动特征值表现出来的，因此，首先在振动敏感的部位安装适当的传感器，全方位获取风力发电机状态；其次DSP进行分析计算，提取各测点振动信号的特征值。DSP按固定频率自动完成各测点传感器信号的采样、特征值计算、频谱计
笪
οDSP分析提取的振动信号特征参数主要包括振动信号的时域特征参数和频域特征参数，当风力发电机由于机械故障原因，若出现轴不对中、基础松动、增速箱齿轮磨损，必将导致各种特征参数中某个或几个或全部特征值超出正常范围。依据判断标准即可识别出风力发电机处于异常报警范围。当风力发电机故障程度严重时，振动幅值必将增大，DSP提取的特征参数将超出正常范围更大，超出正常范围的特征参数个数也更多。因此，据此可得到风力发电机正常、报警、危险三种状态。所述数字信号处理系统DSP处理信号的流程如下①.DSP对各个传感器采样，将模拟信号转换为数字量，采样按固定频率和数据量进行，边采样边将数字量保存在DSP内存中；②.由转速传感器的采样值计算出风力发电机转速；由各个振动传感器的采样数据分别计算出振动信号的时域统计特征值，时域统计特征包括平均值、有效值、方差、概率密度函数、相关分析、峭度、波形系数、裕度指标，将以上计算结果保存到DSP内存；③.利用AR模型快速计算出各个振动传感器信号的功率谱，并保存功率谱信息到DSP内存中；④.DSP请求与上位机PC通信，将风力发电机转速值、各个振动传感器信号的时域统计特征和功率谱信息传送到上位机PC计算机；DSP完成一次大循环工作；DSP处理信号的流程按上述步骤①至步骤④依次循环进行。
图4所示为数字信号处理系统DSP软件流程图。PC计算机显示风力发电机状态监测界面菜单，响应数字信号处理系统DSP的传送信号请求，接收DSP传送的每一帧信号，递推存储风力发电机振动特征参数，以曲线、棒图等方式显示时域、频域特征值，与振动标准比较判断风力发电机目前的状态正常、报警、危险，给出报警信息。同时根据需要可查看历史报警数据、统计报警值。根据各测点振动特征量值对照振动判定标准，判断风力发电机处于哪种状态并显示在计算机上。当振动值正常则以绿色显示当前振动值；当出现异常振动且超标不大时以黄色闪烁显示报警状态并存储报警值和报警时间；当出现异常振动且超标较大时，表明需停机检修排除故障，计算机以红色闪烁方式显示振动特征值并以声音提示，存储异常值和发生时间，供分析之用。综上所述，本发明涉及风力发电机状态监测系统及方法，通过安装多个传感器分别获取风力发电机状态信号，利用数字信号处理系统DSP的快速信号分析处理功能，采用信号时域统计分析方法和AR模型快速估计功率谱，提取出各种敏感且稳定性好的特征参数，进而为判断风力发电机状体奠定坚实的基础。再经过通信接口将转速、各个振动传感器的时域特征参数、功率谱等信息传送到位于地面监控室的PC计算机，PC计算机实时显示风力发电机的当前状态信息以及各种振动特征参数，并存储报警值和报警时间。本发明充分发挥DSP数字信号处理能力强、快速、可靠性高的特点；充分发挥PC计算机强大的图形显示功能、数据管理和人机对话功能。本发明将DSP系统与PC计算机很好结合起来，发挥各自优势，形成一种可靠、有效的风力发电机状态监测系统及方法。
权利要求
1.风力发电机状态监测系统，为上下位两级计算机监测结构，下位机为数字信号处理系统DSP，固定于风力发电机顶部的机舱内，上位机为PC计算机，位于风力发电机地面监控室内，下位机DSP与上位机PC计算机利用通信接口实现数字信号的通信；其特征在于，还包括固定在风力发电机机械传动系统上的传感器，传感器的输出端与信号调理单元的输入端连接，信号调理单元的输出端再与信号采集单元的输入端连接，信号采集单元输出端与数字信号处理系统DSP的输入端连接。
2.根据权利要求I所述的风力发电机状态监测系统，其特征在于，传感器包括转速传感器、加速度传感器、速度传感器。
3.根据权利要求2所述的风力发电机状态监测系统，其特征在于，风力发电机的机舱上安装有速度传感器；发动机输入轴上安装有转速传感器；主轴承座、发动机轴承座及增速箱上分别安装有加速度传感器。
4.风力发电机状态监测系统的监测方法，其特征在于，传感器采集的风力发电机振动信号经过信号调理单元的变换、滤波、放大，由信号采集单元完成模拟量到数字量的转换，再送入数字信号处理系统DSP分析处理。数字信号处理系统DSP对各个振动信号进行时域有量纲特征参数、无量纲特征参数的提取以及通过AR模型在频域进行频谱的快速估计，从而获得风力发电机振动状态的信息，然后数字信号处理系统DSP将这些特征参数通过通信接口传送到PC计算机，PC计算机实时显示风力发电机的状态，显示振动特征参数变化趋势图，存储异常状态下的各种特征参数，供查看分析。
5.根据权利要求4所述的风力发电机状态监测系统的监测方法，其特征在于，所述数字信号处理系统DSP处理信号的流程如下 ①.DSP对各个传感器采样，将模拟信号转换为数字量，采样按固定频率和数据量进行，边采样边将数字量保存在DSP内存中； ②.由转速传感器的采样值计算出风力发电机转速；由各个振动传感器的采样数据分别计算出振动信号的时域统计特征值，时域统计特征包括平均值、有效值、方差、概率密度函数、相关分析、峭度、波形系数、裕度指标，将以上计算结果保存到DSP内存； ③.利用AR模型快速计算出各个振动传感器信号的功率谱，并保存功率谱信息到DSP内存中； ④.DSP请求与上位机PC通信，将风力发电机转速值、各个振动传感器信号的时域统计特征和功率谱信息传送到上位机PC计算机；DSP完成一次大循环工作； DSP处理信号的流程按上述步骤①至步骤④依次循环进行。
6.根据权利要求4或5所述的风力发电机状态监测系统的监测方法，其特征在于，PC计算机监测程序为显示风力发电机状态监测界面菜单，响应数字信号处理系统DSP的传送信号请求，接收DSP传送的每一帧信号，以曲线或棒图方式显示时域、频域特征参数，根据各个振动传感器的振动特征参数，对照风力发电机振动判定标准，判断风力发电机的状态，若振动值属于正常则以绿色显示当前振动值；当出现异常振动且超标不大时以黄色闪烁显示报警状态并存储报警值和报警时间；当出现异常振动且超标较大时，表明需停机检修排除故障，计算机以红色闪烁方式显示振动特征值并以声音提示，存储异常值和发生时间。
全文摘要
本发明涉及一种风力发电机状态监测系统及方法。本发明采用在风力发电机机械振动关键位置处设有振动传感器，并通过信号调理单元、信号采集单元、数字信号处理系统DSP及PC计算机构成监测系统。信号调理单元对各振动传感器输出信号进行信号调理，信号采集单元完成模拟量转换为数字量。数字信号处理系统DSP快速计算振动信号的时域和频域特征参数，利用通信方式将特征参数传送到PC计算机。计算机依据风力发电机振动标准和当前振动特征参数实时显示当前风力发电机的运行状态(正常、报警、危险)，显示各种特征参数趋势图等。一旦出现报警等异常状态立即以醒目的方式提示，并存储记录各种特征参数，供查看分析。
文档编号G01H1/00GK102620807SQ20121009199
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月22日 优先权日2012年3月22日
发明者李少波, 杨文志, 王新春, 苏凤岐, 董振域, 谌文俊, 魏毅立 申请人:内蒙古科技大学