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【摘 要】随着社会经济的快速发展，我国风力发电的快速发展，如何保证风电机组安全稳定经济地运行，如何提高风电机组的运行可靠性已经成为风电研究领域的热点问题。由于风电场现场测量、通信装置日趋先进，庞大的风机状态信息量给风电场运行管理人员带来了“数据灾”问题。研究开发能够清晰、形象的显示风机实时和历史的运行状态信息，同时能够通过分析风机历史状态数据对风机设备运行趋势作出预测的风电机组状态监测可视化系统，对风电场运行管理人员制定检修计划，降低风机运行、检修成本，保证风机安全高效运行具有重要意义。基于此，本文就风电机组状态监测及可视化进行分析与研究。
【关键词】风电机组；状态监测；可视化
引言
对于大型风电机组来讲，其状态监测的意义不言而喻。实现状态监测的关键技术包括计算机应用技术、传感器技术、通信和网络技术，利用这些技术可对运行中的各个设备进行实时监测，从而获取反映运行状态参数，通过判断、处理、分析来预测运行状况，同时提供报警和故障诊断信息，指导最佳运行操作，避免事故发生。计算机功能的不断强大，网络、通信以及信息技术的进一步发展使得设备状态监测将向着系统化、集成化方向发展，形成以设备智能管理系统作为状态监测的基础，完成对设备的实时监测、故障诊断功能，并针对诊断结果给出相应的整改、维修策略，并对设备进行状态分析和可靠性水平的性能评估。大型风电机组由于其工作现场特殊，一般风场坏境复杂恶劣，并在实际安装运行中出现了大量的故障，严重影响了风力发电机的运行和效率，所以对于风电机组的实时状态监测就显得十分重要。
一、风电机组状态监测系统
（一）状态监测系统构成
风电机组状态监测系统主要包括硬件和软件两部分。硬件部分包括振动传感器、数据采集仪、现场服务器和中心服务器。软件部分包括前置机数据传输软件和诊断分析软件，其中数据传输软件包括数据采集；数据存储；数据上传。诊断分析软件结构见图1。
随着计算机技术、网络技术的发展，状态监测系统由分布在现场的下位机进行数据采集，通常是微处理控制器如PLC、DSP等。通过网络将数据传送到中央控制服务器的上位机，对数据进行统一的存储、分析和处理，形成统一监诊网络，具有数据采集的独立性，分析监控的统一性以及结构的开放性等特点，成为当今风力发电机组状态监测研究和发展的主要方向。风电场中央监控系统与风力机就地控制系统之间的通信属于较远距离的一对多通信。目前风电场网络通信主要分为有线和无线两种，其中以有线为主，包括RS-485总线、Profibus现场总线和以太网，也有使用无线方式或者无线、有线混合使用的方式，但随着风电场容量的增大以及海上风电场对视频监控需求的提高，尤其考虑到有线介质不可预知的破坏，目前的系统很难同时兼顾可靠性、安全性和性价比的高要求。
图1诊断分析软件系统流程图
（二）测量点及传感器
根据国内外目前风电机组的实际运行情况，通常齿轮箱齿轮及其轴承、发电机及其轴承是较容易发生故障的部件，因此在常规的监测中，可将齿轮箱前后轴承、发电机前后轴承分别作为测量点。从信号频段的角度来考虑，由于不同的故障、不同的频段在测试方向上的敏感程度不同，故在旋转机械振动信息的采集上，对于低频信号（工频5倍以上）分垂直、水平、轴向3个方向；对高频信号对高频信号（1kHz以上），由于对方向性不太敏感，故只测垂直或水平一个方向即可。这是因为低频信号的方向性较强，而高频信号对方向不敏感的缘故。
进行准确振动分析必须遵循如下的测点选择原则：一是能够反映真实振动情况的部位；二是尽可能靠近轴承的承载区，轴承到传感器之间有坚实金属。风电机组机械传动部分主要由主轴、齿轮箱、发电机组成，在各部件轴承位置安放振动加速度传感器采集它们的加速度信号，同时在主轴叶轮端安放转速传感器采集机组的转速信号。
根据风力发电机组振动状态监测导则，风电机组监测系统所需的最少测量点见表1。
表1风电机组监测系统所需测量点
振动状态监测可采用以下3种类型的传感器：
1.加速度传感器，主要用于高温或强磁场环境振动状态监测和风电机组滚动轴承和齿轮箱的状态监测；
2.速度传感器，主要用于风电机组机舱和塔架的状态监测；
3.位移传感器，主要用于风电机组主軸在低速运行时轴向位移的状态监测。
二、风电机组状态监测系统构建的基本原则
状态监测系统的本质目的是要对机组重要部件的早期故障进行监测与预警而非对已发重大故障的事后确认。基于这一认识，本文抱着商榷的态度提出如下风电机组状态监测系统的构建基
非停故障源分析已清楚指出风电机组故障源既有机械方面又有电气方面，为什么非要仅对一种信号源进行分析。机械故障源用振动信号进行分析、电气故障源用电气信号进行分析，都是进行的直接测量与诊断，没有间接测量的问题，相互之间还能进行互证。监测故障源的涵盖范围更广泛和合理；
（二）弯扭同测：风轮与轴系平衡、滚珠轴承故障等在径向振动信号上表现明显；转子断条、气隙不匀等电气故障在发电机终端参数监测上更容易看出、齿轮箱的问题则因为齿轮本质上就是一种传递扭矩的装置而在扭振信号上有更突出表达，因此弯扭同测势必使对象早期故障能得到更有效监测与诊断。
（三）区别对待：虽然笔者非常反对将汽轮发电机组上运用的TDM整体全部移植来风电系统，但同时也极力推荐局部使用其功能。即风力机与发电机可看成（或近似地被看成）转速稳定的旋转机械，这就意味着其故障振动数据可以被当作稳定（至少慢变）、线性的信号，由此可使用基于傅立叶分析的一切传统而成熟的技术手段来处理和分析；而齿轮箱则无疑是强烈的非线性与不稳定信号来源，尤其是其早期故障信息，只能用非线性、自适应的分析方法来处理。
（四）状态检修：风电机组的状态监测系统不应该被定义为DCS系统，它不是用来显示及带保护用的，它应该被设计为风电机组进行状态检修的技术支持系统。基于这样的定位，系统将设计成针对机组早期故障进行诊断与预警，从而让运行与维护人员能在有准备的条件下合适地制定和开展设备检修工作，从而尽可能减少机组非计划停运时间并减少相应损失，从定检定修转变到状态检修。这就是为什么笔者从非停损失角度来讨论风电机故障源与状态监测系统的原因。在遵循了以上原则进行风电机组状态监测系统设计与开发（构建）时还必须做出一个好的平衡：即风电场机组数量众多（几十、甚至几百台），分布较广（边缘的机组离控制中心可能十几或几十公里），如何做到在实现使用功能的同时降低造价，是个技术也是个艺术问题。否则即便从技术上开发出了可以满足功能需求的产品，但因造价过高运营商不能接受也无法在现场推广使用。我国目前的风电机组装机容量已排名世界第一，这的确让业内人员为之骄傲。但客观说，我国虽然已是风电装机大国，却不是风电技术强国，这尤其在风电机组的控制技术与状态监测上表现得尤为突出。
结束语
风电发电机组因其恶劣的工作环境与瞬变的负荷特性而对机组可靠性有较高要求，本文就风电机组状态监测及其可视化进行分析与研究，促进电力工程的快速发展。
参考文献：
[1]张得科.风电机组传动链故障诊断及其主要部件的寿命分析[D].华北电力大学，2013.
[2]郑小霞，叶聪杰，符杨.海上风电机组状态监测与故障诊断的发展和展望[J].化工自动化及仪表，2013，04：429-434.
[3]羌予践，堵俊，华亮，时维俊.基于虚拟仪器的风电机组状态监测与故障诊断平台设计[A].中国电工技术学会电工测试专业委员会、武汉大学.2010电工测试技术学术交流会论文集[C].中国电工技术学会电工测试专业委员会、武汉大学：，2010：6.
[4]王惠中，沈燕妮.基于DSP+ARM的风电机组状态监测系统的研究[J].电气自动化，2011，06：26-28.
[5]王瑾，刘晓云，苏立，巫卿.基于WIFI无线通讯的风电机组状态监测设备的设计[J].水电站机电技术，2012，03：100-101+110.
【关键词】风电机组；状态监测；可视化
引言
对于大型风电机组来讲，其状态监测的意义不言而喻。实现状态监测的关键技术包括计算机应用技术、传感器技术、通信和网络技术，利用这些技术可对运行中的各个设备进行实时监测，从而获取反映运行状态参数，通过判断、处理、分析来预测运行状况，同时提供报警和故障诊断信息，指导最佳运行操作，避免事故发生。计算机功能的不断强大，网络、通信以及信息技术的进一步发展使得设备状态监测将向着系统化、集成化方向发展，形成以设备智能管理系统作为状态监测的基础，完成对设备的实时监测、故障诊断功能，并针对诊断结果给出相应的整改、维修策略，并对设备进行状态分析和可靠性水平的性能评估。大型风电机组由于其工作现场特殊，一般风场坏境复杂恶劣，并在实际安装运行中出现了大量的故障，严重影响了风力发电机的运行和效率，所以对于风电机组的实时状态监测就显得十分重要。
一、风电机组状态监测系统
（一）状态监测系统构成
风电机组状态监测系统主要包括硬件和软件两部分。硬件部分包括振动传感器、数据采集仪、现场服务器和中心服务器。软件部分包括前置机数据传输软件和诊断分析软件，其中数据传输软件包括数据采集；数据存储；数据上传。诊断分析软件结构见图1。
随着计算机技术、网络技术的发展，状态监测系统由分布在现场的下位机进行数据采集，通常是微处理控制器如PLC、DSP等。通过网络将数据传送到中央控制服务器的上位机，对数据进行统一的存储、分析和处理，形成统一监诊网络，具有数据采集的独立性，分析监控的统一性以及结构的开放性等特点，成为当今风力发电机组状态监测研究和发展的主要方向。风电场中央监控系统与风力机就地控制系统之间的通信属于较远距离的一对多通信。目前风电场网络通信主要分为有线和无线两种，其中以有线为主，包括RS-485总线、Profibus现场总线和以太网，也有使用无线方式或者无线、有线混合使用的方式，但随着风电场容量的增大以及海上风电场对视频监控需求的提高，尤其考虑到有线介质不可预知的破坏，目前的系统很难同时兼顾可靠性、安全性和性价比的高要求。
图1诊断分析软件系统流程图
（二）测量点及传感器
根据国内外目前风电机组的实际运行情况，通常齿轮箱齿轮及其轴承、发电机及其轴承是较容易发生故障的部件，因此在常规的监测中，可将齿轮箱前后轴承、发电机前后轴承分别作为测量点。从信号频段的角度来考虑，由于不同的故障、不同的频段在测试方向上的敏感程度不同，故在旋转机械振动信息的采集上，对于低频信号（工频5倍以上）分垂直、水平、轴向3个方向；对高频信号对高频信号（1kHz以上），由于对方向性不太敏感，故只测垂直或水平一个方向即可。这是因为低频信号的方向性较强，而高频信号对方向不敏感的缘故。
进行准确振动分析必须遵循如下的测点选择原则：一是能够反映真实振动情况的部位；二是尽可能靠近轴承的承载区，轴承到传感器之间有坚实金属。风电机组机械传动部分主要由主轴、齿轮箱、发电机组成，在各部件轴承位置安放振动加速度传感器采集它们的加速度信号，同时在主轴叶轮端安放转速传感器采集机组的转速信号。
根据风力发电机组振动状态监测导则，风电机组监测系统所需的最少测量点见表1。
表1风电机组监测系统所需测量点
振动状态监测可采用以下3种类型的传感器：
1.加速度传感器，主要用于高温或强磁场环境振动状态监测和风电机组滚动轴承和齿轮箱的状态监测；
2.速度传感器，主要用于风电机组机舱和塔架的状态监测；
3.位移传感器，主要用于风电机组主軸在低速运行时轴向位移的状态监测。
二、风电机组状态监测系统构建的基本原则
状态监测系统的本质目的是要对机组重要部件的早期故障进行监测与预警而非对已发重大故障的事后确认。基于这一认识，本文抱着商榷的态度提出如下风电机组状态监测系统的构建基
非停故障源分析已清楚指出风电机组故障源既有机械方面又有电气方面，为什么非要仅对一种信号源进行分析。机械故障源用振动信号进行分析、电气故障源用电气信号进行分析，都是进行的直接测量与诊断，没有间接测量的问题，相互之间还能进行互证。监测故障源的涵盖范围更广泛和合理；
（二）弯扭同测：风轮与轴系平衡、滚珠轴承故障等在径向振动信号上表现明显；转子断条、气隙不匀等电气故障在发电机终端参数监测上更容易看出、齿轮箱的问题则因为齿轮本质上就是一种传递扭矩的装置而在扭振信号上有更突出表达，因此弯扭同测势必使对象早期故障能得到更有效监测与诊断。
（三）区别对待：虽然笔者非常反对将汽轮发电机组上运用的TDM整体全部移植来风电系统，但同时也极力推荐局部使用其功能。即风力机与发电机可看成（或近似地被看成）转速稳定的旋转机械，这就意味着其故障振动数据可以被当作稳定（至少慢变）、线性的信号，由此可使用基于傅立叶分析的一切传统而成熟的技术手段来处理和分析；而齿轮箱则无疑是强烈的非线性与不稳定信号来源，尤其是其早期故障信息，只能用非线性、自适应的分析方法来处理。
（四）状态检修：风电机组的状态监测系统不应该被定义为DCS系统，它不是用来显示及带保护用的，它应该被设计为风电机组进行状态检修的技术支持系统。基于这样的定位，系统将设计成针对机组早期故障进行诊断与预警，从而让运行与维护人员能在有准备的条件下合适地制定和开展设备检修工作，从而尽可能减少机组非计划停运时间并减少相应损失，从定检定修转变到状态检修。这就是为什么笔者从非停损失角度来讨论风电机故障源与状态监测系统的原因。在遵循了以上原则进行风电机组状态监测系统设计与开发（构建）时还必须做出一个好的平衡：即风电场机组数量众多（几十、甚至几百台），分布较广（边缘的机组离控制中心可能十几或几十公里），如何做到在实现使用功能的同时降低造价，是个技术也是个艺术问题。否则即便从技术上开发出了可以满足功能需求的产品，但因造价过高运营商不能接受也无法在现场推广使用。我国目前的风电机组装机容量已排名世界第一，这的确让业内人员为之骄傲。但客观说，我国虽然已是风电装机大国，却不是风电技术强国，这尤其在风电机组的控制技术与状态监测上表现得尤为突出。
结束语
风电发电机组因其恶劣的工作环境与瞬变的负荷特性而对机组可靠性有较高要求，本文就风电机组状态监测及其可视化进行分析与研究，促进电力工程的快速发展。
参考文献：
[1]张得科.风电机组传动链故障诊断及其主要部件的寿命分析[D].华北电力大学，2013.
[2]郑小霞，叶聪杰，符杨.海上风电机组状态监测与故障诊断的发展和展望[J].化工自动化及仪表，2013，04：429-434.
[3]羌予践，堵俊，华亮，时维俊.基于虚拟仪器的风电机组状态监测与故障诊断平台设计[A].中国电工技术学会电工测试专业委员会、武汉大学.2010电工测试技术学术交流会论文集[C].中国电工技术学会电工测试专业委员会、武汉大学：，2010：6.
[4]王惠中，沈燕妮.基于DSP+ARM的风电机组状态监测系统的研究[J].电气自动化，2011，06：26-28.
[5]王瑾，刘晓云，苏立，巫卿.基于WIFI无线通讯的风电机组状态监测设备的设计[J].水电站机电技术，2012，03：100-101+110.