由(you)於(yu)環(huan)境(jing)條(tiao)件(jian)的(de)限(xian)製(zhi)
，風(feng)力(li)發(fa)電(dian)場(chang)往(wang)往(wang)地(di)處(chu)偏(pian)遠(yuan)，且(qie)機(ji)組(zu)與(yu)地(di)麵(mian)的(de)垂(chui)直(zhi)距(ju)離(li)極(ji)高(gao)
，因(yin)此(ci)風(feng)電(dian)機(ji)組(zu)的(de)維(wei)修(xiu)成(cheng)本(ben)極(ji)為(wei)昂(ang)貴(gui)。隨(sui)著(zhe)風(feng)力(li)發(fa)電(dian)的(de)需(xu)求(qiu)不(bu)斷(duan)提(ti)高(gao)
，麵(mian)臨(lin)的(de)主(zhu)要(yao)課(ke)題(ti)之(zhi)一(yi)就(jiu)是(shi)在(zai)降(jiang)低(di)運(yun)營(ying)與(yu)維(wei)護(hu) (O&M) 成(cheng)本(ben)的(de)同(tong)時(shi)
，提(ti)高(gao)風(feng)電(dian)機(ji)組(zu)在(zai)不(bu)同(tong)狀(zhuang)態(tai)下(xia)工(gong)作(zuo)和(he)並(bing)網(wang)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)。目(mu)前(qian)風(feng)力(li)發(fa)電(dian)的(de)運(yun)維(wei)成(cheng)本(ben)居(ju)高(gao)不(bu)下(xia)，因(yin)此(ci)全(quan)球(qiu)對(dui)風(feng)力(li)發(fa)電(dian)的(de)接(jie)受(shou)度(du)亦(yi)有(you)限(xian)。通(tong)過(guo)在(zai)線(xian)狀(zhuang)態(tai)監(jian)測(ce)係(xi)統(tong)，可(ke)以(yi)預(yu)診(zhen)斷(duan)故(gu)障(zhang)情(qing)況(kuang)、判斷維修需求，協助風場排定合適的維護作業，從而降低運營成本

 

 

    風力發電一般均為反應 (Reactive) 或損壞 (Run-to-failure) 維護。隨著風機大型化和近海
、海上風電的快速發展
，風機運維成本居高不下，其主要原因在於：

 

    無法隨時巡視維護 - 不同於其他發電設備，風電機組難以排定維修人員隨時檢查維修。

 

    高維護成本 - 由於必須前往偏遠地區
，發電機組又架離地麵極高的距離

，因此維護成本也較高。

 

    故障機率高 - 齒輪箱與相關部件在設計時已刻意減輕其重量，因此較容易受到應力影響而故障。

 

    此外
，負載與作業條件均不斷變化，因此風電機組必須承受更高的機械應力。高應力的條件之下
，就更需要維護作業。

 

    美國電力研究院 (Electric Power Research Institute
，EPRI) 已針對電力產業提供完整的案例研討，而反應維護 (持續運作機器直到故障為止) 為最低效能且最高成本的發電設備維護方式。

 

    預防維護 (Preventive maintenance) 是根據製造商建議的維護周期所進行
，和反應維護相比，約可省下24% 的成本。

 

    預測維護 (Predictive maintenance) 則是基於狀態監測而預測所需的維護作業，和反應維護相比
，約可省下47% 的成本。

  

    狀態監測係統的功能，就是連續監測風機關鍵部件並進行預診斷，以便操作人員相應地排定維護從而避免重大損失。

 

    2011年11月份起
，由國家能源局發布的《風力發電機組振動狀態監測導則》jiangzhengshishishi。biaozhunbenshensuiranshituijianxingde，danshituijianxingbiaozhunheqiangzhixingbiaozhundoushizhengfufabude
，woguoxingyeyibanbaguojiabiaozhunzuoweizuidibiaozhun，shishishangtuijianxingbiaozhunjihuyeshiqiangzhizhixingde。^[1]

 

    《導則》指出，海上風電機組應選擇采用固定安裝係統，陸上2兆瓦以上(含2兆瓦)風電機組選擇采用固定安裝係統。陸上2兆瓦以下風電機組可選擇半固定安裝係統或便攜式係統。

　

    雖然我國現有風機主流機型為1.5兆瓦
，但是隨著風機大型化的趨勢，風機製造商目前正在研發和推廣的大部分是2MW以上的機型，這就意味著越來越多的風機製造商會把振動監測係統納入其研發/集成體係。

 

 

    風電機組監測係統位於受測設備的四周，並測量「最可能引起故障」的參數。圖 1 為風電機組監測係統的典型構架圖。通過傳感器與數據采集硬件采集實際信號，通過軟件分析信號以判斷機器狀態並預測故障。

 

 

 

    從振動、應變、溫度，到電能質量
，針對重要設備/部件可以測量到各類不同的物理信號。在整合這些信號之後，即可進一步了解設備的狀態。

 

    一、振動

 

    通過振動監測可以了解旋轉機械設備的狀態，因此振動是風電機組監測最重要的方麵之一。風電機組都包括主軸承、齒輪箱與發電機
，通過振動監測可以有效地了解這些設備的健康狀態。圖 2 是振動傳感器的安裝位置

，用以獲取軸向 (Axial) 或徑向 (Radial) 信息。根據有效的頻率範圍
，可以使用位置傳感器 (低頻段)、速度傳感器 (中頻段)
，或加速度傳感器 (高頻段)。振動傳感器固定在待測部件之上
，從而獲取與瞬時本地運動相應的模擬信號。針對這類測量，采集設備應具備高采樣率、高動態範圍與抗混迭等功能。

 

    此ci外wai，還hai可ke以yi監jian測ce風feng機ji機ji艙cang與yu塔ta架jia的de結jie構gou振zhen動dong，從cong而er了le解jie結jie構gou彎wan曲qu，以yi及ji風feng力li的de氣qi體ti動dong力li效xiao應ying。通tong過guo監jian測ce這zhe些xie振zhen動dong信xin號hao
，就jiu可ke以yi在zai關guan鍵jian部bu件jian發fa生sheng重zhong大da故gu障zhang之zhi前qian，先xian發fa現xian部bu件jian是shi否fou產chan生sheng任ren何he問wen題ti
，比bi如ru齒chi輪lun或huo軸zhou承cheng的de老lao化hua/破損。而針對旋轉機械，必須對傳感器信號進行階次分析以獲取諧波信息。諧波 (Harmonics) 可以用來判斷部件性能，並利於早期診斷。

 

    二、潤滑油品質

 

    因為不適當的潤滑可能降低效率並造成機件故障，所以潤滑油也是風機係統中的重要‘成員’。大多數的軸承與齒輪老化
，都是因為使用潤滑油不當而導致進一步損傷風機傳動係統。這類監控包含油粒子 (Oil particle) 計數與濕度測量。

    通(tong)過(guo)如(ru)粒(li)子(zi)計(ji)數(shu)器(qi)等(deng)裝(zhuang)置(zhi)
，即(ji)可(ke)了(le)解(jie)潤(run)滑(hua)油(you)的(de)品(pin)質(zhi)與(yu)可(ke)能(neng)的(de)汙(wu)染(ran)狀(zhuang)態(tai)。而(er)工(gong)業(ye)級(ji)用(yong)油(you)中(zhong)的(de)水(shui)汙(wu)染(ran)物(wu)，扮(ban)演(yan)了(le)極(ji)重(zhong)要(yao)的(de)角(jiao)色(se)。水(shui)分(fen)過(guo)高(gao)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)元(yuan)件(jian)過(guo)熱(re)
、腐蝕
，或嚴重故障。大多數的濕度傳感器，都可以通過模擬電壓/電流或者RS232 接口，而采集到相應的濕度信息。

 

    三、應變

 

    應ying變bian監jian測ce常chang見jian於yu結jie構gou健jian康kang監jian測ce等deng應ying用yong中zhong
，且qie在zai風feng力li發fa電dian領ling域yu逐zhu漸jian凸tu顯xian其qi重zhong要yao性xing。實shi驗yan室shi往wang往wang通tong過guo應ying力li測ce量liang
，測ce試shi風feng機ji葉ye片pian的de使shi用yong壽shou命ming。這zhe些xie測ce量liang通tong常chang使shi用yong金jin屬shu箔bo (Metal foil) yingbianji，xiangyingdeshujucaijizhuangzhizexuyaojubeidianyajiliyuqiaolubuchangdenggongneng。yingbianjikeanzhuangyuyepianderenheweizhi，dangenjuchuanganqishuliangdebutong，qifenbuweizhiyeyousuochayi。chuanganqiyingtuoshananzhuangyuyepianzhishang
，yitongshinengcede「擺振 (Flapwise)」與「揮舞 (Edgewise)」兩個方向的數據。圖 3 顯示「擺振 (Flapwise)」與「揮舞 (Edgewise)」兩個方向的差異。

 

    某mou些xie製zhi造zao商shang則ze已yi經jing將jiang光guang纖xian傳chuan感gan器qi嵌qian入ru至zhi葉ye片pian中zhong
，可ke輕qing鬆song獲huo取qu葉ye片pian的de應ying變bian信xin息xi

，且qie長chang距ju離li亦yi可ke保bao持chi信xin號hao完wan整zheng度du。通tong過guo新xin的de光guang纖xian傳chuan感gan技ji術shu，即ji可ke更geng精jing確que監jian控kong葉ye片pian旋xuan轉zhuan時shi的de應ying力li。

 

四
、聲音信號

 

    風電機組噪聲影響 (Noise impact) 測量，常用於判定風力發電係統是否符合如 IEC 61400-11:2002 (International Electrotechnical Commission) 規範。聲音監測主要是通過麥克風測量風機的內
、外部噪聲。針對這一類測量
，采集裝置應具備高采樣率、高動態範圍，與抗混迭功能。當監測設備內部噪聲時，測量主體即為齒輪箱與主軸承

；外部監測則主要測量風機的整體噪聲。通過噪聲數據，可以找出高頻部分而預測可能的故障。此外，還可以測量如聲強信號
，或通過 Third-octave 分析，檢驗風機的噪聲。

 

    五、溫度

 

    預測維護也需要對溫度進行測量。雖然有多款傳感器可測量溫度
，但最常見的仍是熱電偶與RTD。而適用的數據采集裝置，則應具備較小的輸入範圍與冷端補償 (CJC) 功能。結構健康監測也常常監測內、外部溫度。另外更應注意某些關鍵部件的溫度，如發電機的轉子 (Rotor) 與定子 (Stator)，均為風機診斷的重要判據。

 

    六、電能質量

 

    由於電能質量將受風速、渦(wo)流(liu)
，與(yu)風(feng)向(xiang)變(bian)換(huan)所(suo)影(ying)響(xiang)，因(yin)此(ci)電(dian)能(neng)質(zhi)量(liang)是(shi)風(feng)電(dian)機(ji)組(zu)狀(zhuang)態(tai)監(jian)測(ce)的(de)重(zhong)要(yao)領(ling)域(yu)。風(feng)力(li)發(fa)電(dian)係(xi)統(tong)的(de)運(yun)行(xing)必(bi)須(xu)達(da)到(dao)特(te)定(ding)的(de)電(dian)壓(ya)與(yu)電(dian)流(liu)要(yao)求(qiu)。下(xia)麵(mian)列(lie)出(chu)了(le)一(yi)些(xie)常(chang)見(jian)的(de)電(dian)能(neng)質(zhi)量(liang)分(fen)析(xi)：峰值功率輸出、無功功率
、電壓波動
、諧波。測量無功功率 (Reactive power) 部分，可以幫助判定電壓/電流是否相位一致；通過諧波可進一步分析所有輸出信號。同樣的，風力的瞬間變化將可造成電壓波動 (Voltage fluctuation)，從而影響電力輸出。

 

 

    針對風電機組狀態監測應用，NI 提供專屬的解決方案。針對發電機/齒輪箱製造商或整機廠商
，NI 提供了靈活高性能的軟硬件平台，以設計高效能
、低成本、可自定製的風機監測解決方案。根據產業需求，NI亦持續提供最新的信號處理算法
，以找出信號的關鍵特征，並預測機器部件的狀態。這些算法包含階次分析、倒譜 (Cepstral) 分析
、軸承調變檢測、小波、AR 模型、電能質量、功率因素

、Rainfall stress cycle分析，以及許多統計分析算法。通過 NI LabVIEW 軟件，即可使用這些內置的信號處理算法、或者導入現有的文本代碼 (如 C 與其他數學文本語言)
，並可進一步擴展設計新的算法。

 

    yiyanjiujieguoweili

，chilunxiangjiqizhouchengshifengdianjizuzhongguzhanglvzuigaodebujian。tongguojiasuduchuanganqiduichilunxianghezhouchengjinxingjiancehezhendongfenxi，nenggouyouxiaodiduiguzhangjinxingyuzhenduan。danruofengdianjizushiyongdeshiduojichilunxiang，zeguoduozhendongyuanjiangzaochengfuzadechilunniehe、tiaobian，yuyunxingzhendong。ruoyaozhengquefenxichilunxiangdezhendong
，zexuyaodaikuanzugoudezhendongxinhaocaijishebei，yijiluchangshijiandeboxing。huanjuhuashuo，zhuangtaijiancejiejuefanganbixunengdadao 51.2 kHz 以上的采樣率，並能儲存超過 2 MB 的二進製時間波形。NI CompactRIO 平台即具備此功能。而高級頻譜分析包括Zoom FFT 與 Zoom order spectrum，可進一步找出高頻振動特性參數，且不致遺漏邊帶 (Sideband) 信息。邊帶分析可輔助分析師找出故障齒輪。

 

    此外
，NI 平台可支持以太網、RS232/RS485
、Modbus
、OPC
、CAN、Fieldbus
、PROFIBUS

，甚至自定義的通信協議。靈活的通信構架，可讓 NI 係統輕鬆整合風電機組中的其他裝置。

 

 

    本(ben)文(wen)主(zhu)要(yao)探(tan)討(tao)了(le)風(feng)電(dian)機(ji)組(zu)監(jian)測(ce)的(de)構(gou)架(jia)與(yu)主(zhu)要(yao)監(jian)測(ce)項(xiang)目(mu)。風(feng)機(ji)監(jian)測(ce)係(xi)統(tong)主(zhu)要(yao)是(shi)針(zhen)對(dui)預(yu)測(ce)維(wei)護(hu)所(suo)設(she)計(ji)的(de)
，以(yi)期(qi)能(neng)在(zai)重(zhong)大(da)故(gu)障(zhang)發(fa)生(sheng)之(zhi)前(qian)
，找(zhao)出(chu)可(ke)能(neng)存(cun)在(zai)的(de)問(wen)題(ti)並(bing)及(ji)時(shi)修(xiu)複(fu)。風(feng)機(ji)狀(zhuang)態(tai)監(jian)測(ce)可(ke)以(yi)從(cong)振(zhen)動(dong)、應變
、潤滑油、聲音、溫度、電能質量等各個方麵，針對重要設備/部件進行測量
、分析和數據整合
，從而對設備狀態進行預診斷並給出適宜的維護建議。

 

[1] 解讀《風力發電機組振動狀態監測導則》中國風機網