风力发电机组在线振动系统组成部件(风力发电机组传动系统)

风力发电机组在线振动系统主要由振动信号采集单元、风电场数据处理中心和远程数据诊断中心组成。信号采集传输单元实时采集风力发电机组机舱传动部件的振动信号，通过信号调理转换成电压信号，通过ADC转换器转换成数字信号，由数据采集器进行信号整合，通过网线连接到风电场SCADA光纤监控网络；风电场数据处理中心实时显示测量的转速、振动等信号，并进行简单的数据分析和存储；远程数据诊断中心通过VPN连接到监控网络，专家可以对异常机组的故障进行诊断分析。具体的网络拓扑如图1所示。

风力发电机组在线振动系统

1.信号采集单元

每台风力发电机组配有8个不同频段的加速度振动传感器和一个电感式接近开关。振动传感器信号经过信号调理器后输出ADC电压信号，ADC转换器将模拟转换为数字。数据采集器控制ADC转换器采集数据，采样频率由控制程序设置。接近开关信号接入数据采集器的编码器通道，测量电机转速，所有测量信号接入风电场SCADA监控网络。振动采集单元的具体结构如图2所示。

风力发电机组在线振动系统

(1)振动传感器

振动传感器选用压电式IEPE/ICP振动加速度传感器，具有测量精度高、安装可靠、信号传输距离远、环境适应性强等特点。本设计选用的振动传感器性能满足以下要求：通频传感器灵敏度为100mV/g，标准应用范围为50g，低频传感器灵敏度为500mV/g，应用范围为10g；频率范围：0.5 ~ 10千赫；范围：不小于0 ~ 10g防护等级：IP65。具体选型结果和安装位置见表1。

风力发电机组在线振动系统

(2)信号调节器

设计了两个JK343L加速度传感器信号调理器，通过BNC和2针MIL-C5015连接器电缆连接到振动传感器，为振动传感器提供4mA恒流源。具有硬件滤波、去偏压和抗混叠功能，可以输出差分电压信号。单个JK343L信号调理器有四个通道，24VDC恒流电源电压，低频下限0.08Hz，高频上限1~100kHz，默认设置30kHz，输出电压增益1~100，默认设置1。

(3)速度传感器

选用BESM18EI感应接近开关，安装在齿轮箱高速轴一侧，用于测量电机转速。信号连接到数据采集器增量编码器的测速接口。

(4)模数转换器

采用基于AD7606芯片的8通道16位ADC同步模拟数据转换器。所有通道的采样速率最高可达200kSPS。它配有一个二阶抗混叠模拟滤波器，具有8级数字滤波器的过采样功能。输出接口通过8080并行方式连接到数据采集器的GPIO接口。

(5)数据收集器

数据采集器为STM32F429BIT6/LQFP-208 ARM微处理器，主频180MHz，板载通用GPIO接口，MicroSD数据卡存储接口，RS232串行通信接口(SP3232)，CAN2.0通信接口(SN65HVD230)，100M以太网传输接口(DM9000)。通过C语言编程实现以下功能：8路1Hz频率的数据连续并行采样，8路自定义频率小于20kHz的1分钟定时数据采样，采集器离线时MicroSD卡的数据存储，以太网TCP/IP数据的传输，编码器通道的速度采集，与风机主控制器的PLC CAN模块通信传输风机功率和温度等附加信息。数据采集器使用100米CAT6网线连接到风机底部监控柜的线路开关，将采集到的信号发送到SCADA监控网络。

风力发电机在线振动系统

2.风电场数据处理中心

数据处理

监控主机携带的监控软件具有实时数据监控、数据存储与分析、故障预测等功能。主监控界面采用Python编程环境的PyQT5模块开发，SocketServer模块接收和处理数据，SqlServer模块将数据存储在数据库中，使用scipy、numpy和pandas库进行数据分析。

实时数据监控，每隔1S采集一次各机组的循环数据，实时显示风机的运行状态、振动值和振动曲线。

数据存储分析，将实时数据存储到后台服务器的数据库中，具有数据导出、记录数据的时域指标(峰值、均方根值、偏斜度、峰度、波形因子、峰值因子、脉冲因子、余量因子)分析、时域分析、频域分析等功能。

故障预测：用自学习的方法分析历史数据的各种时域指标，形成故障阈值，自动识别异常成分。根据部件的特征频率设定记录参数，定期采集振动数据，通过FFT变换和包络解调分析识别故障位置和损伤程度。

(2)数据库服务器

服务器作为在线振动系统的数据中心，构建Postgre SQL 12数据库，根据风机名称建立数据表，存储风机振动、转速、功率、温度等所有信息。由前端监控软件获取，并以独立文件的形式存储定期采集的高频录波数据。

3.远程数据诊断中心

远程数据诊断中心通过防火墙VPN连接到风电场的监控网络，主机具有使用网页访问数据库，导出历史数据和录波数据的功能。振动分析专家可以利用专业的分析软件对数据进行诊断分析，检查自动分析结果的准确性，及时生成监测报告，保证设备的安全运行。