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摘要】本文基于SCADA數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)風(fēng)場環(huán)境辨識、機(jī)組模型辨識、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、故障精細(xì)化處理，四個(gè)模塊獨(dú)立實(shí)現(xiàn)各自功能，同時(shí)其它三模塊向故障精細(xì)化處理模塊提供分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)故障診斷高級功能。

【關(guān)鍵詞】SCADA數(shù)據(jù)、模型辨識

隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電占全部發(fā)電容量的比重愈來愈重。據(jù)國家能源局公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2018年，我國風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)容量18426萬千瓦、同比增長12.4%，占全部發(fā)電裝機(jī)容量的9.7%，比2017年提高0.5個(gè)百分點(diǎn)。全年發(fā)電量3660億千瓦時(shí)，占全部發(fā)電量的5.2%，比2017年提高0.4個(gè)百分點(diǎn)。

風(fēng)電場數(shù)量和規(guī)模的擴(kuò)大，對風(fēng)電場業(yè)主運(yùn)營提出更高要求，目前風(fēng)電場運(yùn)營存在以下痛點(diǎn)：一是對風(fēng)電場實(shí)際環(huán)境條件和設(shè)計(jì)環(huán)境條件差異未予評估；二是對風(fēng)電機(jī)組實(shí)際參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)是否符合未予評估；三是對風(fēng)電機(jī)組故障率、功率曲線、可利用率缺乏準(zhǔn)確評估手段；四是對典型故障缺乏分析手段和方法。

本文基于現(xiàn)有SCADA數(shù)據(jù)，提出一種風(fēng)電場后評估系統(tǒng)，試圖對以上痛點(diǎn)提出總體解決方案。一是通過環(huán)境辨識確定風(fēng)場實(shí)際風(fēng)區(qū)等級；二是通過機(jī)組模型辨識確定風(fēng)電機(jī)組實(shí)際參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)值；三是通過運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測評估風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；四是通過故障精細(xì)化處理模塊分析典型故障原因。

該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，以上四個(gè)模塊，每個(gè)模塊單獨(dú)運(yùn)行可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立功能，該系統(tǒng)的獨(dú)特之處在于故障精細(xì)化處理模塊。故障診斷的基本步驟，首先是確定風(fēng)場環(huán)境參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)值，其次確定機(jī)組參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)值，第三是對機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)做分析統(tǒng)計(jì)，掌握上述三種數(shù)據(jù)之后，經(jīng)過綜合分析即故障精細(xì)化處理，最終定位故障點(diǎn)。該系統(tǒng)正是通過前三個(gè)模塊向故障精細(xì)化處理模塊提供數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)故障精細(xì)化處理的高級功能。 

選購風(fēng)機(jī)設(shè)備時(shí)，首先需要考慮風(fēng)區(qū)等級，如50年一遇極端風(fēng)速、風(fēng)速為15m/s時(shí)湍流強(qiáng)度的期望值等等。如果實(shí)際風(fēng)區(qū)等級和設(shè)計(jì)風(fēng)區(qū)等級不符，對風(fēng)里發(fā)電機(jī)組載荷影響較大。例如，風(fēng)電場設(shè)計(jì)風(fēng)區(qū)IIIB，實(shí)際風(fēng)區(qū)IIIA，則導(dǎo)致設(shè)計(jì)載荷偏大，致使風(fēng)機(jī)壽命小于設(shè)計(jì)壽命。如圖2所示，某風(fēng)電機(jī)組在環(huán)境條件IIIA和IIIB分別計(jì)算疲勞載荷，比較后發(fā)現(xiàn)IIIA風(fēng)區(qū)疲勞載荷最高增大42%，平均增大約11%。單個(gè)機(jī)位受地形影響存在湍流度偏大等情況，導(dǎo)致超速、振動等故障頻發(fā)，如果設(shè)計(jì)風(fēng)區(qū)和實(shí)際風(fēng)區(qū)嚴(yán)重不符甚至?xí)蝻L(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)壽命不足導(dǎo)致嚴(yán)重安全事故。

風(fēng)場環(huán)境辨識基于SCADA數(shù)據(jù)中的風(fēng)速、風(fēng)向記錄高頻采樣數(shù)據(jù)，評估整個(gè)風(fēng)電場及單個(gè)機(jī)位的湍流強(qiáng)度是否和設(shè)計(jì)風(fēng)區(qū)等級相符，對風(fēng)機(jī)運(yùn)行、故障診斷提供環(huán)境數(shù)據(jù)支持。對于后者舉例如下，如風(fēng)場頻繁報(bào)振動故障，存在兩種可能性：一是該現(xiàn)場風(fēng)等級高于設(shè)計(jì)等級，導(dǎo)致實(shí)際振動值超過設(shè)計(jì)值；二是機(jī)組本身控制參數(shù)、葉片等問題，風(fēng)場環(huán)境辨識的目的正是排除第一種可能性。

制造或安裝誤差導(dǎo)致機(jī)組實(shí)際參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)可能存在較大偏差，如塔基剛度不夠、螺栓松動導(dǎo)致塔架固有頻率向下偏移。機(jī)組模型辨識即通過實(shí)測數(shù)據(jù)評估機(jī)組實(shí)際參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)偏差，意義是指導(dǎo)故障診斷、機(jī)組優(yōu)化設(shè)計(jì)等。

機(jī)組模型辨識包含以下幾個(gè)方面：

1）塔架固有頻率辨識：測試待機(jī)狀態(tài)下整機(jī)振動數(shù)據(jù)，頻譜分析提取塔架固有頻率，確定和理論值偏差。

2）葉片氣動特性/參考角度辨識：分析實(shí)測功率曲線，確定參考角度設(shè)置是否和該葉片理論值匹配，辨析單葉片氣動不平衡、螺栓安裝錯(cuò)位等誤差源。

3）風(fēng)向儀誤差辨識：根據(jù)瞬時(shí)偏航誤差將數(shù)據(jù)分組，并基于分組數(shù)據(jù)獲得不同偏航誤差下的性能曲線，根據(jù)性能曲線及其對應(yīng)的分組可辨識得到每臺機(jī)組的風(fēng)向儀誤差。

4）安全系統(tǒng)保護(hù)參數(shù)辨識：現(xiàn)場存在修改安全系統(tǒng)參數(shù)屏蔽故障等情況，保護(hù)參數(shù)辨識通過識別極限轉(zhuǎn)速設(shè)定值、極限功率設(shè)定值、極限振動設(shè)定值等參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)值，避免機(jī)組運(yùn)行于危險(xiǎn)風(fēng)況。

案例分析：塔架固有頻率辨識

停機(jī)工況下的振動數(shù)據(jù)如4圖所示，圖中第一行為風(fēng)速和葉輪轉(zhuǎn)速信號，第二行為驅(qū)動向和非驅(qū)動向風(fēng)機(jī)原有振動傳感器振動信號的頻譜圖。如圖4所示，停機(jī)工況下，驅(qū)動向和非驅(qū)動向在0～1Hz范圍內(nèi)的尖峰頻率分別為0.3484Hz和0.3487Hz。由于在停機(jī)工況下受轉(zhuǎn)頻影響較小，所以在0～1Hz范圍內(nèi)的尖峰頻率即可確定為塔筒固有頻率。

運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測是通過分析故障數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)功率數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)機(jī)組功率特性評估、機(jī)組可靠性評估等，根據(jù)現(xiàn)場風(fēng)機(jī)實(shí)際情況制定最適宜的機(jī)組維護(hù)、優(yōu)化方案。運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測包含以下方面：

1）風(fēng)電機(jī)組故障統(tǒng)計(jì)分析

基于實(shí)際運(yùn)行的風(fēng)電場，統(tǒng)計(jì)場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組全年的故障數(shù)量，結(jié)合風(fēng)電場月度發(fā)電量、月平均風(fēng)速和月平均氣溫，通過分析風(fēng)電機(jī)組故障數(shù)量與機(jī)組運(yùn)行狀況和環(huán)境溫度之間的關(guān)聯(lián)性，得到系統(tǒng)故障高發(fā)的原因。

2）實(shí)際和理論功率曲線誤差分析

根據(jù)風(fēng)電場代表性風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)機(jī)實(shí)際功率曲線擬合,并且根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測空氣密度進(jìn)行功率曲線修正。

3）風(fēng)場可利用率分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠性量化指標(biāo)可以通過機(jī)組的可利用率來度量，是固有可靠性和使用管理可靠性的綜合度量指標(biāo)，不但是對風(fēng)電場運(yùn)營維護(hù)管理的考核指標(biāo)，也是對生產(chǎn)商的風(fēng)電機(jī)組制造水平的重要考核指標(biāo)。

 案例分析：風(fēng)場可利用率對比分析

如圖6所示，時(shí)間利用率1基于人工記錄計(jì)算，時(shí)間利用率2基于Scada計(jì)算。Scada數(shù)據(jù)和人工記錄的停機(jī)記錄相比，前者在客觀性、全面性等方面具有明顯優(yōu)勢。時(shí)間可利用率1全場平均值計(jì)算結(jié)果為88.46%。時(shí)間可利用率2全場平均值計(jì)算結(jié)果為81.15%。時(shí)間可利用率2較小，原因是人工記錄的停機(jī)記錄存在漏記等情況。總之，基于Scada計(jì)算的時(shí)間利用率2，綜合考慮數(shù)據(jù)可靠性、風(fēng)機(jī)故障界定及非風(fēng)機(jī)故障剔除等因素，最終結(jié)果可作為風(fēng)場時(shí)間可利用率的依據(jù)。

案例分析：故障統(tǒng)計(jì)分析診斷振動故障

某機(jī)組多次報(bào)振動超限故障，如圖7所示，振動故障共發(fā)生了62次。統(tǒng)計(jì)這62次振動故障所伴隨的PLC狀態(tài)、偏航狀態(tài)，振動故障和偏航狀態(tài)具有明顯相關(guān)性，如圖8所示，最終將故障點(diǎn)定位于偏航系統(tǒng)，現(xiàn)場工作人員檢查并更換偏航墊片后故障得以解決。

故障精細(xì)化處理是建立典型故障專家?guī)欤瑢λl(fā)生故障，根據(jù)故障特征觸發(fā)相應(yīng)故障模塊，對故障原因?qū)崿F(xiàn)自診斷。

故障精細(xì)化處理模塊將故障分為兩大類型實(shí)時(shí)突發(fā)型和趨勢演化型，依據(jù)此兩大類型，再根據(jù)故障數(shù)據(jù)特征值將故障細(xì)分為變槳系統(tǒng)故障、變頻器故障、振動故障等，確定故障類型后，模塊自動確定數(shù)據(jù)記錄模式包括歷史故障記錄、短周期數(shù)據(jù)記錄、長周期數(shù)據(jù)記錄、故障錄波，最終通過實(shí)時(shí)診斷或歷史數(shù)據(jù)診斷分析故障原因。

案例分析：控制參數(shù)不適應(yīng)風(fēng)區(qū)導(dǎo)致超速故障診斷

某風(fēng)場地形為山地，機(jī)組頻繁報(bào)轉(zhuǎn)速超限故障，如圖10所示。對風(fēng)速做模型辨識后，發(fā)現(xiàn)湍流度超過設(shè)計(jì)值。對機(jī)組做模型辨識后，確認(rèn)機(jī)組實(shí)際參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)一致。結(jié)合轉(zhuǎn)速和變槳角度數(shù)據(jù)，分析故障原因是控制參數(shù)不適應(yīng)該湍流度。經(jīng)過控制參數(shù)優(yōu)化以后，轉(zhuǎn)速超限故障得以消除。如圖11所示，紅色為優(yōu)化參數(shù)之前的轉(zhuǎn)速、變槳角度，黑色為優(yōu)化參數(shù)之前的轉(zhuǎn)速、變槳角度，可以看到，參數(shù)優(yōu)化后，轉(zhuǎn)速大幅波動現(xiàn)象消失，超速故障消除。

基于SCADA數(shù)據(jù)的風(fēng)電場后評估系統(tǒng)，通過環(huán)境辨識、機(jī)組模型辨識、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、故障精細(xì)化處理為風(fēng)電場運(yùn)營方提供故障分析診斷及風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)評估系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場的智能數(shù)字化管理、風(fēng)機(jī)故障智能分析、備件管理檢修工作統(tǒng)籌安排提供數(shù)據(jù)支持，從而提高設(shè)備可利用率，最終實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

來源：風(fēng)能產(chǎn)業(yè)