摘要：本文研究了風電機組故障診斷技術，提出了一種分散式層次化的風電機組狀態監測故障診斷系統的設計思想，並運用C++語言，開發了基於Windows操作系統的風電機組狀態監測故障診斷系統。介紹了系統的總體結構和功能、特點和主要實現方法。希望能通過狀態監測故障診斷降低風力機運行維護成本，提高風力機的運行效率和可靠性，為風力機的結構優化和改進提供依據。
1 引言
中國風能資源十分豐富，它是一種乾淨的可再生能源，風能利用的主要方式是風力發電，風力機是風力發電的主要裝置，是風電技術中的核心。經過20多年的發展，風力機的設計、製造己經不是難題，截止到2006年底，全世界的風電裝機總量將近7500萬千瓦，國內累計風電機組裝機容量達到260萬kW，目前，如何提高風力機的可靠性以及維持這些己安裝機組的正常運行，成為擺在廣人科技工作者面前的一項重要課題。
目前國內狀態監測故障診斷技術在石油、化工、電力(主要指火電)冶金等行業得到了廣泛的應用，並取得了非常好的效果。但該技術在風力發電領域的應用還處於探索階段。新疆金風科技的國家風力發電工程技術研究中心與新疆大學聯合，正在進行風力機組狀態監測故障診斷方面的研究。
我國風電場中安裝的風電機組多數為進口機組。隨著運行時間的積累，發現在風力發電機組的液壓、監控、機械傳動等幾大系統中齒輪箱的故障率是偏高的。
近年來，一批齒輪箱發生故障，有的風電場齒輪箱損壞率高達40~50%，極個別品牌機組齒輪箱更換率幾乎接近100%。這些齒輪箱有些由廠家更換，也有的由國內齒輪箱專業廠進行了修理。雖然齒輪箱發生損壞不僅僅在我國出現，全世界很多地方同樣出現過問題，但在我國目前風電機組運行出現的故障中己佔了很大比重，並且齒輪箱是更換維修最貴的部件之一(在德國的費用大約是60歐元每千比)。這已引起全世界的風電場和設備製造廠的高度重視，可見齒輪箱的狀態監測與故障診斷已迫在眉睫。
本論文就風力機的故障診斷作一些探索性研究。希望能通過狀態監測故障診斷降低風力機運行維護成本，提高風力機的運行效率和可靠性，為風力機的結構優化和改進提供依據。
2 風電機組齒輪箱結構及運行特徵
過去小容量風電機組齒輪箱多採用平行軸斜齒輪增速結構，後來為避免齒輪箱造價過高、重量體積過大，500kW以上的風電機組齒輪箱多為平行軸與行星輪的混合結構。
1)由於我國有些地區地形地貌、氣候特徵與歐洲相比有特殊性，可能對標準設計的齒輪箱正常運行有一定影響。我國風電場多數處于山區或丘陵地帶，尤其是東南沿海及島嶼，地形複雜造成氣流受地形影響發生畸變，由此產生在風輪上除水平來流外還有徑向氣流分量。我國相當一部分地區氣流的陣風因子影響較大，對於風電機組機械傳動系統來說，經常出現超過其設計極限條件的情況。作為傳遞動力的裝置一齒輪箱，由於氣流的不穩定性，導致齒輪箱長期處於複雜的交變載荷作用之下。
2)在我國北方地區，冬季氣溫很低，一些風場極端(短時)最低氣溫達到-40℃以下，而風力機的設計最低運行氣溫通常在-30℃以上，個別低溫型風力機最低可達到-40℃。如果長時間在低溫下運行，將損壞風力機中的部件，如齒輪箱。因為當風速較長時間較低或停風時，齒輪油會因氣溫太低而變得很稠，尤其是採取飛濺潤滑部位，無法得到充分的潤滑，導致齒輪或軸承短時缺乏潤滑而損壞。如果機艙溫度也很低，那麼管路中潤滑油也會發生流動不暢的問題，這樣當齒輪箱油不能通過管路到達散熱器，齒輪油溫會不斷上升直至停機。
歸結起來，我們可以分析在我國風電場經常發生齒輪箱故障可能主要有以下原因:
1.齒輪箱潤滑不良造成齒面、軸承過早磨損
2.設計上存在缺陷
3.失速調節型風電機組安裝角如果設置過大時，冬季就會出現過功率現象，過高載荷影響齒輪箱的壽命。
3 故障診斷原理
機組故障診斷的基本原理是：利用風電機組旋轉部件運行時的各種特徵參數來識別機組的運行狀態，確定故障發生的部位和嚴重程度，分析故障發生的原因，從而保證機組在一定的工作環境和工作期限內可靠、有效地運行、確定檢修時間。
本文採用信號分析方法進行故障診斷：藉助信號分析和處理手段，對測量值的運行曲線進行時域或頻域(如傅立葉變換)分析，可以發現突變點、周期性波動及零漂等，進而判斷變化趨勢，檢測出設備部件故障，並在此基礎上進行維修。
4 系統構成及設計
4.1 系統總體構成
本系統是一個集數據採集、振動監測、故障診斷為一體的多任務信息處理系統。為了達到振動監測和精確故障診斷的目的，要求信號採集和處理及時準確，本系統採取分散式多層次結構，整個系統從體系結構上分三個層次，下層為現場數據採集層，由數據採集調理模塊和CAN匯流排組成網路化採集系統、中層為企業級監控層，由基於C/S模式的工業乙太網組成、上層為遠程客戶端，基於Internet和B/S技術可以實現遠程監測與故障診斷。具體結構組成如圖1所示。本文主要介紹其中的軟體設計部分。
4.2 系統軟體設計
該部分是整個系統的核心，採用統一界面，提供對多個部件的振動及其它過程參數的同步集中監視、振動狀況分析和故障診斷。振動監測診斷系統分析軟體的設計基於以下兩個原則：
① 面向對象的設計：採用C++Builder編程
語言在Windows操作系統下開發完成。監視畫面和分析圖表的設計都採用面向對象的設計方法，在各種基礎圖形畫面元件庫和振動分析信號處理演算法庫的基礎上進行設計。
② 開放式結構：提供靈活方便的網路介面和資料庫訪問介面，每一功能由獨立的模塊完成，方便用戶對系統的維護、改進和功能擴展。
為了便於資料庫的維護，在設計中採用了Access2003資料庫。診斷系統是以頻譜分析為基礎，主要完成對信號的採集、存儲、濾波、檢波、分析和診斷等功能。
故障分析診斷系統軟體功能包括：系統設置、回收數據、振值分析、故障診斷及其它功能等。每項選擇下的子功能均採用下拉式菜單窗口，並以漢字形式提供各個功能的選擇。
點參數庫編輯，設定採集器，數據採集器的選擇，用戶管理等。其中，測點參數庫編輯，以結構樹的方式清晰的察看企業的各個分支單位，窗口中顯示出註冊的所有車間、設備、測點的參數，使用者可以在此窗口對各個車間、設備、測點參數進行統一編輯管理。
(2)回收數據：包括回收振值，回收波形，上傳波形。主要是完成與下位機的通信，並把接受到的數據及時保存到資料庫。
(3)振值分析：包括測點頻譜分析，測點趨勢分析，三維頻譜分析等。
(4)故障診斷：包括時域分析和頻域分析等。其中，時域和頻域分析中，系統具有完善的適用於齒輪和滾動軸承故障診斷的信號分析方法，主要有:
1) 時域分析:波形及其特徵數據、趨勢分析。
2) 頻域分析:頻譜及其特徵數據、細化譜、倒頻譜、包絡分析、瀑布圖。
3) 時頻分析:小波變換。
4) 對比分析
信號分析為故障診斷提供了重要手段。
5結 語
本文研究了風電機組故障診斷技術，提出了一種分散式層次化的風電機組狀態監測故障診斷系統的設計思想，研究了一種以頻譜分析為基礎的故障診斷軟體系統。從風力發電機組運行管理的角度來看，我們必須了解齒輪箱的狀態，以及當出現問題時能得到正確的判斷和相應的處理。我們感到只有藉助儀器的測試數據並通過專門的分析軟體對數據進行分析，才能真正了解故障的原因並採取措施，避免故障的進一步擴大，並指導日後的維修。
狀態監測與故障診斷技術在風力發電領域的應用還處於探索階段。風力機故障機理的研究是風力機及其零部件結構該進、優化設計工作中的一項重要基礎工作。本文僅對振動分析診斷技術的應用進行了探討，其實故障診斷理論在風力機中的應用還包括雜訊測試、載荷測試、鐵譜分析、診斷專家系統等方面的研究。
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