振动监测方法、设备和系统、介质以及风力发电机组

技术领域

本公开总体说来涉及风电领域，更具体地讲，涉及一种振动监测方法、设备和系统、介质以及风力发电机组。

背景技术

状态监测系统(CMS)是一种集成化的监测系统，由数据采集、数据传输、系统分析、实时监测等功能模块组成。

状态监测系统的数据采集系统包括传感器、采集器、服务器等，传感器可以包括测量振动信号的加速度传感器等，采集器可采集振动数据、工况数据等，服务器可存储数据并对数据进行分析。

目前的CMS在针对整机振动的监控方面主要存在以下不足：

(1)将叶轮转速等作为工况判断标志位不精确，无法准确定位风力发电机组的振源；

(2)数据分析维度单一，分析振动数据时未考虑机组机械传动链与电传动链间的模态耦合影响；

(3)缺乏机组运行工况数据，对振动故障诊断的支撑性不足；

(4)主要针对发电机的振动状态进行监控，不能对叶片的振动进行深度监控。

发明内容

本公开的示例性实施例的目的之一在于提供一种能够确定风力发电机组的振源的振动监测方法。

根据本公开的一方面，提供一种风力发电机组的振动监测方法，该振动监测方法包括：获取发电机侧电气数据、主控运行数据、传动系振动数据和机舱振动数据；根据发电机侧电气数据、主控运行数据、传动系振动数据和机舱振动数据，对风力发电机组进行振动分析，确定风力发电机组的振源。

根据本公开的另一方面，提供一种风力发电机组的振动监测设备，该振动监测设备包括：数据获取模块，被配置为获取发电机侧电气数据、主控运行数据、传动系振动数据和机舱振动数据；振动分析模块，被配置为根据发电机侧电气数据、主控运行数据、传动系振动数据和机舱振动数据对风力发电机组进行振动分析，确定风力发电机组的振源。

根据本公开的另一方面，提供一种风力发电机组的振动监测装置，该振动监测装置包括存储器和处理器，存储器存储有程序或指令，当程序或指令由处理器执行时实现如上所述的振动监测方法。

根据本公开的另一方面，提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有指令或程序，当指令或程序由处理器执行时实现如上所述的风力发电机组的振动监测方法。

根据本公开的另一发面，提供一种振动状态监测系统，该振动状态监测系统包括：精准测量系统，被配置为采集发电机侧电气数据；主控PLC，被配置为采集风力发电机组运行数据；机舱加速度模块，被配置为采集机舱振动数据；如上所述的振动监测设备，被配置为采集传动系振动数据，以及从精准测量系统、主控PLC、机舱加速度模块分别获取发电机侧电气数据、主控运行数据和机舱振动数据，并且根据发电机侧电气数据、主控运行数据、传动系振动数据和机舱振动数据，对风力发电机组进行振动分析，以确定风力发电机组的振源。

根据本公开的另一方面，提供一种风力发电机组，该风力发电机组包括如上所述的振动监测装置或如上所述的振动状态监测系统。

根据本公开的实施例的振动监测方法及设备充分考虑机组机械传动链与电传动链间的模态耦合影响。

根据本公开的实施例的振动监测方法及设备监控多维度数据，能够精确地对机组的振动工况进行判别。

根据本公开的实施例的振动监测方法及设备能够有效降低风力发电机组的大部件的损坏，提高风力发电机组的运维有效性。

附图说明

通过下面结合示例性地示出实施例的附图进行的描述，本公开示例性实施例的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1是示出根据本公开的第一实施例的振动监测方法的流程图；

图2是示出根据本公开的实施例的振动分析的流程图；

图3是示出根据本公开的实施例的叶片振动监测过程的流程图；

图4是示出根据本公开的实施例的发电机振动监测的流程图；

图5是示出根据本公开的实施例的塔架振动监测的流程图；

图6是示出根据本公开的实施例的塔架振动监测的流程图；

图7是示出根据本公开的实施例的振动监测设备的框图；以及

图8是示出根据本公开的实施例的振动状态监测系统的框图。

具体实施方式

现将详细参照本公开的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中，相同的标号始终指的是相同的部件。以下将通过参照附图来说明实施例，以便解释本公开。

根据本公开的实施例的振动监测方法和振动监测设备用于对风力发电机组进行振动监测，用以确定风力发电机组的振动位置或振源。

根据本公开的实施例的振动监测方法和振动监测设备利用多维数据确定风力发电机组的振源，多维数据可包括精准测量系统测量的发电机侧电气数据、主控运行数据、传动系振动数据以及机舱振动数据。

根据本公开的实施例的振动监测方法和振动监测设备利用上述多维数据中的至少两种数据确定风力发电机组的振源，从而可以充分考虑机械传动链与电气传动链之间的模态耦合，提高振动分析和判断的精准度。例如，可以基于主控运行数据、传动系振动数据以及机舱振动数据中的任意一者和发电机侧电气数据确定风力发电机组的振源，可以基于传动系振动数据和机舱振动数据中的任意一者和发电机侧电气数据确定风力发电机组的振源。

根据本公开的实施例的振动监测方法和振动监测设备能够对发电机振动、叶片振动、塔架振动进行全方面监控。下面将结合本公开的实施例描述本发明的总体构思。

图1是示出根据本公开的第一实施例的振动监测方法的流程图。

如图1所示，根据本公开的第一实施例的振动监测方法可包括步骤S110和S120。

在步骤S110，获取发电机侧电气数据、主控运行数据、传动系振动数据和机舱振动数据。

这里的发电机侧电气数据可包括发电机侧的三相电流数据、三相电压数据、发电机转速和发电机扭矩中的至少一者。发电机侧电气数据均可通过相应的传感器进行检测。发电机转速也可根据发电机侧的三相电流数据和/或三相电压数据来获得。

例如，可根据发电机输出电压与转速成正比的原理，根据发电机的输出电压，间接地获得发电机转速。也可根据发电机输出电压和电流计算出发电机转速，由此得到发电机测量转速与发电机测量扭矩。

作为示例，也可通过转速传感器将光信号变为与转速有关的电信号，从而测量发电机转速。例如，转速传感器可主要包括光电码盘或光栅，光电码盘或光栅能够产生与速度相关的脉冲式电信号，根据脉冲式电信号确定发电机转速。

主控运行数据可包括叶轮转速数据和变桨速率数据。作为示例，叶轮转速数据和变桨速率数据可存储在主控PLC(可编程逻辑控制器)中，在使用时，可直接从主控PLC获取即可。

传动系振动数据可包括主轴振动数据、主轴承振动数据、定子振动数据中的至少一种。主轴振动数据、主轴承振动数据和定子振动数据均可通过设置在相应位置的振动传感器获得。例如，主轴振动数据、主轴承振动数据和定子振动数据可通过振动监测设备(例如，CMS设备)进行采集。

机舱振动数据可包括机舱加速度X方向振动数据和机舱加速度Y方向振动数据，机舱振动数据可由包括加速度传感器的机舱加速度模块采集。

作为示例，获取发电机侧电气数据、主控运行数据、传动系振动数据和机舱振动数据的步骤可包括通过相应的传感器等采集的步骤，可以包括从存储发电机侧电气数据、主控运行数据、传动系振动数据和机舱振动数据的装置或设备直接获得发电机侧电气数据、主控运行数据、传动系振动数据和机舱振动数据的步骤，还可以包括基于获得的数据计算、估计得到相应的数据的步骤。

在步骤S120，根据发电机侧电气数据、主控运行数据、传动系振动数据和机舱振动数据，对风力发电机组进行振动分析，确定风力发电机组的振源。

振动分析可包括对发电机侧电气数据、主控运行数据、传动系振动数据和机舱振动数据进行诸如滤波、能量变换、特征频率提取等处理。

图2是示出根据本公开的实施例的振动分析的流程图。

根据本公开的实施例的振动分析可包括步骤S1210和步骤S1220，即，步骤S120可包括步骤S1210和步骤S1220。

在步骤S1210，对发电机侧电气数据、主控运行数据、传动系振动数据、机舱振动数据中的至少二者执行带通滤波处理和/或FFT变换。

这里的带通滤波处理可基于数据的类型或想要分析的振源选择不同的中心频率。例如，当对主控运行数据进行分析或想要分析叶片是否振动时，可以选择以叶片的固有频率为中心频率。当对机舱振动数据进行分析或想要分析塔架是否振动时，可以选择以塔架一阶频率为固有频率。

叶片的固有频率和塔架的一阶频率均可以预先设计值。

可通过振动能量信号值或幅频阈值比较方法来确定风力发电机组的振源。

在步骤S1220，可以将经过带通滤波处理后的数据分别转换为振动能量信号值，并且将振动能量信号值分别与对应的预设振动能量阈值进行比较来确定风力发电机组的振源。

可通过下面的振动能量方程(式(1))将经过带通滤波处理后的数据转换为振动能量信号值：

其中，X为信号总能量，X

例如，可以将带通滤波后的发电机侧电气数据、主控运行数据、传动系振动数据、机舱振动数据分别转换为相应的振动能量信号值，然后将各个振动能量信号值与相应的预设振动能量阈值进行比较来确定风力发电机组的振源。

作为示例，如果与经过以叶片的固有频率为中心频率的带通滤波后的数据对应振动能量信号值超过预设振动能量阈值，则可以确定叶片发生振动。如果与经过以塔架的一阶频率为中心频率的带通滤波后的数据对应振动能量信号值超过预设振动能量阈值，则可以确定塔架发生振动。

在步骤S1220，也可将经过FFT变换后的数据与预设幅频阈值进行比较来确定风力发电机组的振源。

本公开的带通滤波可以FIR型带通滤波，但这仅仅是示例。FIR型滤波的具体算法如下：

h(n)＝h

在式(2)、式(3)和式(4)中，H(z)为传递函数，h

例如，可以将经过FFT变换后的机舱加速度X方向振动数据和机舱加速度Y方向振动数据与相应的幅频阈值进行比较来确定塔架是否振动，如果FFT变换后的机舱加速度X方向振动数据和机舱加速度Y方向振动数据中的至少一个超过相应的幅频阈值，则可以确定塔架发生振动。

图3是示出根据本公开的实施例的叶片振动监测过程的流程图。

根据本公开的实施例的叶片振动监测过程可包括步骤S310、步骤S320、步骤S330和步骤S340，上述步骤可以是步骤S120的一部分。

在步骤S310，对叶轮转速数据和变桨速率数据分别执行以叶片的固有频率为中心频率的第一带通滤波。

这里的第一带通滤波可以是如上所述的FIR型带通滤波，FIR型带通滤波的算法可通过上面的式(2)、式(3)和式(4)所述。

在步骤S320，将带通滤波后的叶轮转速数据和带通滤波后的变桨速率数据分别转换为第一振动能量信号值和第二振动能量信号值。

具体转换过程可参见上面的式(1)。

在步骤S330，将第一振动能量值与第一阈值进行比较并且将第二振动能量值与第二阈值进行比较。

本公开的阈值(例如，能量阈值、幅频阈值等)均可以是预先设计的经验值，不同的振动能量值可以对应不同的阈值。

在步骤S340，响应于第一振动能量值大于第一阈值和/或第二振动能量值大于第二阈值，确定叶片发生共振。

也就是说，当第一振动能量值和第二振动能量值中的至少一个超过相应的阈值时，可以确定叶片发生振动或共振。

作为示例，可以基于发电机侧电气数据、传动系振动数据以及主控运行数据确定发电机是否发生共振。即，根据发电机侧电气数据、主控运行数据、传动系振动数据和机舱振动数据对风力发电机组进行振动分析，确定风力发电机组的振源的步骤可包括：基于发电机侧电气数据、传动系振动数据以及主控运行数据确定发电机是否发生共振。

图4是示出根据本公开的实施例的发电机振动监测的流程图。

基于发电机侧电气数据、传动系振动数据以及主控运行数据确定发电机是否发生共振的步骤可包括步骤S410、步骤S420、步骤S430和步骤S440。

在步骤S410，对发电机侧电气数据、传动系振动数据以及主控运行数据分别执行FFT变换，以确定发电机的基波频率、基波频率一倍频和基波频率二倍频。

也就是说，可以通过FFT分析从发电机侧电气数据、传动系振动数据以及主控运行数据提取发电机的基波频率、基波频率一倍频和基波频率二倍频。

在步骤S420，对发电机侧电气数据、传动系振动数据以及主控运行数据分别执行以基波频率、基波频率一倍频和基波频率二倍频为中心频率的带通滤波。

这里的带通滤波也可以是FIR型带通滤波，FIR型带通滤波的算法可如上面的式(2)、式(3)和式(4)所述，这里不再赘述。

在步骤S430，将带通滤波后的发电机侧电气数据、传动系振动数据以及主控运行数据分别转换为能量信号值。具体转换过程可参见上面的式(1)。

在步骤S440，将能量信号值分别与对应的预设振动能量阈值进行比较，根据比较的结果确定发电机是否发生共振。

例如，可以将带通滤波后的发电机侧电气数据转换为第三振动能量信号值，将带通滤波后的传动系振动数据转换为第四振动能量信号值，并且将带通滤波后的主控运行数据转换为第五能量信号值，然后分别将第三振动能量信号、第四振动能量信号、第五振动能量信号分别与第三阈值、第四阈值、第五阈值进行比较，只要第三振动能量信号、第四振动能量信号、第五振动能量信号中的至少一个超过相应的阈值，则可以确定发电机发生共振。

根据发电机侧电气数据、主控运行数据、传动系振动数据和机舱振动数据对风力发电机组进行振动分析，并且确定风力发电机组的振源的步骤可包括：基于主控运行数据以及机舱振动数据确定塔架是否发生共振。

图5是示出根据本公开的实施例的塔架振动监测的流程图，图6是示出根据本公开的实施例的塔架振动监测的流程图。

基于主控运行数据以及机舱振动数据确定塔架是否发生共振的步骤可包括步骤S510、步骤S520和步骤S530。

在步骤S510，对叶轮转速数据、机舱加速度X方向振动数据和机舱加速度Y方向振动数据分别执行塔架一阶频率为固有频率的带通滤波处理。也就是说，可将叶轮转速数据、机舱加速度X方向振动数据和机舱加速度Y方向振动数据中的频率在塔架一阶频率附件的数据提取出来，然后进行分析和处理。

在步骤S520，将经过带通滤波处理后的叶轮转速数据、机舱加速度X方向振动数据和机舱加速度Y方向振动数据分别转换为振动能量值。

例如，可以将带通滤波后的叶轮转速数据转换为第六振动能量信号值，将带通滤波后的机舱加速度X方向振动数据转换为第七振动能量信号值，并且将带通滤波后的机舱加速度Y方向振动数据转换为第八能量信号值。

在步骤S530，将振动能量值分别与对应的预设振动能量阈值进行比较，根据比较的结果确定塔架是否发生共振。

例如，可分别将第六振动能量信号、第七振动能量信号、第八振动能量信号分别与第六阈值、第七阈值、第八阈值进行比较，只要第六振动能量信号、第七振动能量信号、第八振动能量信号中的至少一个超过相应的阈值，则可以确定塔架发生共振。

基于主控运行数据以及机舱振动数据确定塔架是否发生共振的步骤可包括步骤S610和步骤S620。

在步骤S610，对叶轮转速数据、机舱加速度X方向振动数据和机舱加速度Y方向振动数据分别执行FFT变换。

在步骤S620，将FFT变换后的数据分别与对应的预设幅频阈值进行比较，根据比较的结果确定塔架是否发生共振。

图7是示出根据本公开的实施例的振动监测设备的框图。

根据本公开的实施例的振动监测设备可包括数据获取模块710和振动分析模块720。

数据获取模块710可获取发电机侧电气数据、主控运行数据、传动系振动数据和机舱振动数据。

振动分析模块720可根据发电机侧电气数据、主控运行数据、传动系振动数据和机舱振动数据对风力发电机组进行振动分析，确定风力发电机组的振源。

例如，振动分析模块720可基于发电机侧电气数据、传动系振动数据以及主控运行数据确定发电机是否发生共振。振动分析模块720可基于主控运行数据以及机舱振动数据确定塔架是否发生共振。

振动分析模块720可对发电机侧电气数据、主控运行数据、传动系振动数据、机舱振动数据中的至少二者执行带通滤波处理和/或FFT变换；将经过带通滤波处理后的数据分别转换为振动能量信号值，并且将振动能量信号值分别与对应的预设振动能量阈值进行比较来确定风力发电机组的振源，或者，将经过FFT变换后的数据与预设幅频阈值进行比较来确定风力发电机组的振源。

具体地，振动分析模块720可以将带通滤波后的发电机侧电气数据、主控运行数据、传动系振动数据、机舱振动数据分别转换为相应的振动能量信号值，然后将各个振动能量信号值与相应的预设振动能量阈值进行比较来确定风力发电机组的振源。如果与带通滤波后的数据对应振动能量信号值超过预设振动能量阈值，则可以确定风力发电机组的振源(例如，叶片、塔筒或发电机)。如果多个振动能量信号值超过相应的预设振动能量阈值，则可以确定风力发电机组存在多个振源。例如，如果与经过以塔架的一阶频率为中心频率的带通滤波后的数据对应振动能量信号值超过预设振动能量阈值且与经过以叶片固有频率为中心频率的带通滤波后的数据对应的振动能量信号值超过预设振动能量阈值，则可以确定塔架和叶片均发生振动。

图8是示出根据本公开的实施例的振动状态监测系统的框图。

根据本公开的实施例的振动状态监测系统可包括精准测量系统810、主控PLC(可编程逻辑控制器)820、机舱加速度模块830和振动监测设备840。

振动监测设备840可以是如上所述的振动监测设备。

精准测量系统810可以采集发电机侧电气数据，主控PLC820可采集风力发电机组运行数据，机舱加速度模块830可采集机舱振动数据。

精准测量系统810、主控PLC820、机舱加速度模块830和振动监测设备840采集的设备均可输入到振动监测设备840，可由振动监测设备840进行存储和/或分析。

振动监测设备840可采集传动系振动数据并且从精准测量系统810、主控PLC820、机舱加速度模块830分别获取发电机侧电气数据、主控运行数据和机舱振动数据，并且根据发电机侧电气数据、主控运行数据、传动系振动数据和机舱振动数据，对风力发电机组进行振动分析，以确定风力发电机组的振源。

作为示例，振动监测设备840可对发电机侧电气数据、主控运行数据、传动系振动数据、机舱振动数据中的至少二者执行FFT变换，然后将经过FFT变换后的数据与预设幅频阈值进行比较来确定风力发电机组的振源。

当经过FFT变换后的数据超过预设幅频阈值时，可以确定风力发电机组的振源(例如，叶片、塔架和发电机中的至少一个发生振动或共振)。

注意的是，虽然本公开没有描述振动监测设备执行与如上所述的所有振动监测方法对应的步骤，但本领域的技术人员知晓本公开的振动监测设备可执行与如上所述的振动监测方法对应的所有步骤。

上述各个步骤可被编写为软件程序或指令，因此，根据本公开的示例性实施例的齿轮箱的振动监测方法可经由软件实现，本公开的示例性实施例的计算机可读存储介质可存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时实现如上述示例性实施例所述的齿轮箱的振动监测方法。

计算机可读存储介质包括非暂时性计算机可读存储介质，例如，可包括诸如软盘和磁带的磁介质、光介质(包括光盘(CD)ROM和DVD ROM)、诸如软式光盘的磁光介质、设计用于存储和执行程序命令的诸如ROM、RAM的硬件装置以及闪速存储器。所述程序命令包括由计算机使用解释器可执行的语言代码以及由编译器产生的机器语言代码。

在一个示例中，指令或软件包括由一个或更多个处理器或计算机直接执行的机器代码(诸如，由编译器产生的机器代码)。在另一示例中，指令或软件包括由一个或更多个处理器或计算机使用解释器执行的更高级代码。可基于附图中示出的框图和流程图以及说明书中的相应描述使用任何编程语言来编写指令或软件。

根据本公开的各个实施例，装置(例如模块或它们的功能)或方法可以通过存储在计算机可读存储介质中的程序或指令来实现。在该指令被处理器执行的情况下，处理器可以执行对应于该指令的功能或执行对应于该指令的方法(例如，振动监测方法)。模块的至少一部分可以由处理器实现(例如，执行)。编程模块的至少一部分可以包括用于执行至少一个功能的模块、程序、例程、指令集和过程。

例如，根据本公开的实施例的风力发电机组的振动监测设备可包括处理器以及存储器，存储器用于存储程序代码，并将程序代码传输给处理器；处理器用于根据程序代码中的指令执行如上所述的风力发电机组的振动监测方法。

根据本公开的实施例的齿轮箱的振动监测方法可通过软件、或硬件或其组合实现。硬件装置可以通过用于执行本公开的各个实施例的操作的一个或更多个软件模块来实现。

本公开的模块或编程模块可以包括在省略一些部件或添加其它部件的情况下前述部件中的至少一个。模块、编程模块或者其它部件的操作可以顺序执行、并行执行、循环执行或试探执行。此外，一些操作可以以不同的顺序执行、可被省略或用其他操作进行扩展。

本公开的示例性实施例的计算机可读存储介质和/或振动监测设备可以是风力发电机组的一部分。

根据本公开的实施例的风力发电机组可包括如上所述的振动监测设备或如上所述的计算机可读存储介质。

根据本公开的实施例的振动监测方法及设备能够精确地确定风力发电机组的振源。

根据本公开的实施例的振动监测方法及设备充分考虑机组机械传动链与电传动链间的模态耦合影响。

根据本公开的实施例的振动监测方法及设备监控多维度数据，能够精确地对机组的振动工况进行判别。

根据本公开的实施例的振动监测方法及设备能够有效降低风力发电机组的大部件的损坏，提高风力发电机组的运维有效性。

虽然已描述了本公开的一些示例性实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本公开的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改，例如，可以将不同实施例的技术特征进行组合。