一種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一體化故障診斷方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一體化故障診斷方法，包括：對永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的多種類型的信號進行采樣及數(shù)據(jù)預(yù)處理；利用多小波包分解技術(shù)提取不同頻帶的采樣信號暫態(tài)分量；計算采樣信號的小波時間熵，支持向量機故障診斷模型進行訓(xùn)練，訓(xùn)練好的故障診斷模型輸出對應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的故障部件及故障類型信息；本發(fā)明采用小波理論結(jié)合多個“二叉樹”支持向量機構(gòu)成的故障診斷模型，有效提高了訓(xùn)練速度和識別精度，特別適用于解決小樣本、非線性及高維數(shù)的大型機電系統(tǒng)故障診斷問題。
【專利說明】_種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)_體化故障診斷方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及新能源發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一體化故 障診斷方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，風(fēng)能作為一種綠色能源在世界能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著愈來愈重要的作用，風(fēng) 電裝備也因此得到迅猛發(fā)展。風(fēng)電場一般處于偏遠地區(qū)，工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，風(fēng)力發(fā)電機組 發(fā)生故障的幾率比較大，而且風(fēng)電機組安裝在幾十米高的塔架上，維修非常不便。如果機組 的關(guān)鍵零部件發(fā)生故障，將會使設(shè)備損壞，甚至導(dǎo)致機組停機，造成巨大的經(jīng)濟損失。對于 工作壽命為20年的機組，運行維護成本一般占到整個風(fēng)電場總投入的10%?15%，而對于 海上風(fēng)電場，整個比例高達20%?25%。因此，為了降低風(fēng)電機組運行的風(fēng)險，維護機組安 全經(jīng)濟運行，都應(yīng)該發(fā)展風(fēng)電機組故障診斷技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障診斷可以有效檢測出 傳動系統(tǒng)、齒輪箱和發(fā)電機系統(tǒng)等的內(nèi)部故障，優(yōu)化維修策略、減少非計劃停機次數(shù)和降低 機組的運行維護費用等。
[0003] 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所處現(xiàn)場往往環(huán)境惡劣且長期運行于變工況和電磁干擾環(huán)境中，常 見的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障率較高 的部件主要有齒輪箱、發(fā)電機、變流器。永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的故障往往不是孤立，經(jīng)常 是由多個故障部件相互影響造成的，因此有必要研宄永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一體化故障 診斷方法。
[0004] 齒輪箱常見的故障中，齒輪和滾動軸承的故障占齒輪箱故障的80%左右，齒輪和 滾動軸承的故障診斷，對于識別齒輪箱故障類型有重要的意義。齒輪常見的故障有齒輪磨 損、斷齒等。滾動軸承的常見故障有軸承內(nèi)圈損壞和外圈損壞等。
[0005] 風(fēng)力發(fā)電機的常見故障有定子匝間短路故障、定子相間短路故障、轉(zhuǎn)子氣隙偏心 故障和電機軸承故障等。
[0006] 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變流器主要包括機側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器，變流器裝置的故障主 要考慮其IGBT器件的故障，包括網(wǎng)側(cè)變流器開路故障和機側(cè)變流器開路故障。
[0007] 現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障診斷技術(shù)僅僅針對某一部件進行故障分析，如專利號為 CN201310694994. 7的"一種針對風(fēng)電齒輪箱的故障診斷方法"，或者是某一部件的某一故障 進行故障分析，如專利號為CN201310184354. 1的"一種永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器的 開路故障診斷方法"，只能辨識出故障與否，而不能診斷出故障類型和故障位置。目前，尚未 有診斷方法能夠集成對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所有故障率較高部件的故障分析，快速準確地辨識出 故障信息。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開了一種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一體化故 障診斷方法，該方法集成了齒輪箱、滾動軸承、發(fā)電機、變流器等風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的故障診斷 一體化功能，快速準確地辨識出故障部件及故障類型，投入成本低，智能化水平高，工程化 應(yīng)用前景廣闊，特別適用于解決小樣本、非線性及高維數(shù)的大型機電系統(tǒng)故障診斷。
[0009] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下：
[0010] 一種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一體化故障診斷方法，包括以下步驟：
[0011] 步驟一：對永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的多種類型的信號進行采樣及數(shù)據(jù)預(yù)處理；
[0012] 步驟二：利用多小波包分解技術(shù)對步驟一中進行采樣及數(shù)據(jù)預(yù)處理的信號分別提 取不同頻帶的暫態(tài)分量；
[0013] 步驟三：根據(jù)步驟二中的采樣信號暫態(tài)分量計算小波時間熵，采樣信號的小波時 間摘作為支持向量機故障診斷模型的特征向量；
[0014] 步驟四：將步驟三中采樣信號的小波時間熵作為樣本輸入支持向量機故障診斷模 型進行訓(xùn)練，訓(xùn)練好的支持向量機故障診斷模型輸出對應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的故障部件及故障 類型信息；
[0015] 步驟五：以每隔設(shè)定時間以設(shè)定的頻率采樣信號并存入數(shù)據(jù)庫，按照步驟二和步 驟三計算采樣信號的小波時間熵，作為步驟四中訓(xùn)練好的支持向量機故障診斷模型的輸入 特征向量，獲得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的故障部件及故障類型信息。
[0016] 所述步驟一中，對永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的多種類型的信號進行采樣及數(shù)據(jù)預(yù)處 理，具體為：對永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機側(cè)變流器三相交流電流、變流器直流側(cè)母線電壓、 網(wǎng)側(cè)變流器三相交流電流以及滾動軸承振動加速度這8個信號按設(shè)定的頻率分別進行采 樣，獲得離散時間序列作為樣本，并存入數(shù)據(jù)庫中。
[0017] 所述步驟二中，利用多小波包分解技術(shù)提取不同頻帶的采樣信號暫態(tài)分量，包括 對機側(cè)變流器三相交流電流、變流器直流側(cè)母線電壓、網(wǎng)側(cè)變流器三相交流電流以及滾動 軸承振動加速度這8個信號的離散時間序列分別進行多小波包分解。
[0018] 每個信號的離散時間序列進行多小波包分解方法為：
[0019] 離散時間序列X (η)被分解到m個頻帶下，每個頻帶下的暫態(tài)分量為Dj (n) (j = 1，2,. . .，m)。通過多小波包分解后的故障信號離散時間序列x(n)可以表示為

【權(quán)利要求】
1. 一種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一體化故障診斷方法，其特征是，包括以下步驟： 步驟一：對永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的多種類型的信號進行采樣及數(shù)據(jù)預(yù)處理； 步驟二：利用多小波包分解技術(shù)對步驟一中進行采樣及數(shù)據(jù)預(yù)處理的信號分別提取不 同頻帶的暫態(tài)分量； 步驟三：根據(jù)步驟二中的采樣信號暫態(tài)分量計算小波時間熵，采樣信號的小波時間熵 作為支持向量機故障診斷模型的特征向量； 步驟四：將步驟三中采樣信號的小波時間熵作為樣本輸入支持向量機故障診斷模型進 行訓(xùn)練，訓(xùn)練好的支持向量機故障診斷模型輸出對應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的故障部件及故障類型 信息； 步驟五：以每隔設(shè)定時間以設(shè)定的頻率采樣信號并存入數(shù)據(jù)庫，按照步驟二和步驟三 計算采樣信號的小波時間熵，作為步驟四中訓(xùn)練好的支持向量機故障診斷模型的輸入特征 向量，獲得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的故障部件及故障類型信息。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一體化故障診斷方法，其特征是， 所述步驟一中，對永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的多種類型的信號進行采樣及數(shù)據(jù)預(yù)處理，具體 為：對永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機側(cè)變流器三相交流電流、變流器直流側(cè)母線電壓、網(wǎng)側(cè)變流 器三相交流電流以及滾動軸承振動加速度這8個信號按設(shè)定的頻率分別進行采樣，獲得離 散時間序列作為樣本，并存入數(shù)據(jù)庫中。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一體化故障診斷方法，其特征是， 所述步驟二中，利用多小波包分解技術(shù)提取不同頻帶的采樣信號暫態(tài)分量，包括對機側(cè)變 流器三相交流電流、變流器直流側(cè)母線電壓、網(wǎng)側(cè)變流器三相交流電流以及滾動軸承振動 加速度這8個信號的離散時間序列分別進行多小波包分解。
4. 如權(quán)利要求3所述的一種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一體化故障診斷方法，其特征是， 每個信號的離散時間序列進行多小波包分解方法為： 離散時間序列X(η)被分解到m個頻帶下，每個頻帶下的暫態(tài)分量為Dj (n)(j= 1，2,. . .，m)，通過多小波包分解后的故障信號離散時間序列x(η)可以表示為
5. 如權(quán)利要求4所述的一種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一體化故障診斷方法，其特征是， 所述步驟三中，計算采樣信號的小波時間熵，包括對機側(cè)變流器三相交流電流、變流器直流 側(cè)母線電壓、網(wǎng)側(cè)變流器三相交流電流以及滾動軸承振動加速度8個信號的設(shè)定組離散時 間序列分別計算小波時間熵。
6. 如權(quán)利要求5所述的一種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一體化故障診斷方法，其特征是， 每個信號的離散時間序列計算小波時間熵，具體為：在求出的Ι^(η)上定義滑動窗，設(shè)窗寬 為w，滑動因子為δ，于是h(n)在滑動窗內(nèi)的離散時間序列可以表示為： W(r；w,δ) ={Dj(k),k= 1+rδ, . . . ,w+rδ} m-w 式中，r= 1，2，...，R;尺; 將滑動窗劃分為以下L個區(qū)間，有 JV(F^S) =Pzi 式中，（Z1=[sH,S1),I= 1，2,…，L}，互不相交，sQ<SS2<· · ·<SL S0=min[ff(r；w,δ) ] =min[Dj(k),k=1+rδ,. . . ,w+rδ] sL=max[ff(r；w,δ) ] =min[Dj(k),k= 1+rδ, . . . ,w+rδ] 設(shè)F(Z1)表示小波系數(shù)DjGOeW(r;w，δ)落于區(qū)間Z1的概率，即等于Dj(k)落入Z1 的數(shù)目與W(r;w，δ)滑動窗寬w的比值； 計算離散時間序列x(n)的小波時間熵Q作為支持向量機故障診斷模型的輸入特征向 量
7. 如權(quán)利要求1所述的一種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一體化故障診斷方法，其特征是， 所述步驟四中，支持向量機故障診斷模型的訓(xùn)練，將計算得到的機側(cè)變流器三相交流電流、 變流器直流側(cè)母線電壓、網(wǎng)側(cè)變流器三相交流電流以及滾動軸承振動加速度的小波時間熵 作為樣本輸入支持向量機故障診斷模型進行訓(xùn)練，其中設(shè)定組數(shù)據(jù)用于模型的訓(xùn)練，其余 的組數(shù)據(jù)用于模型的測試。
8. 如權(quán)利要求7所述的一種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一體化故障診斷方法，其特征是， 所述故障診斷的模型由8個"二叉樹"支持向量機模型構(gòu)成，分別用于分類正常狀態(tài)與故障 狀態(tài)，齒輪箱故障與非齒輪箱故障，齒輪磨損故障與齒輪斷齒故障，滾動軸承故障與非滾動 軸承故障，滾動軸承內(nèi)圈故障與滾動軸承外圈故障，風(fēng)力發(fā)電機故障與非風(fēng)力發(fā)電機故障， 風(fēng)力發(fā)電機定子匝間短路故障與定子相間短路故障，機側(cè)變流器開路故障與網(wǎng)側(cè)變流器開 路故障。
9. 如權(quán)利要求8所述的一種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一體化故障診斷方法，其特征是， 所述支持向量機故障診斷模型進行訓(xùn)練時，為了獲得盡可能豐富的訓(xùn)練樣本，設(shè)計了以下 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的狀態(tài)：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正常運行、齒輪箱齒輪磨損、齒輪箱齒輪斷齒、滾動軸 承內(nèi)圈損壞、滾動軸承外圈損壞、風(fēng)力發(fā)電機定子匝間短路故障、風(fēng)力發(fā)電機定子相間短路 故障、網(wǎng)側(cè)變流器開路故障和機側(cè)變流器開路故障。
【文檔編號】G01M13/02GK104459388SQ201410705096
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月26日
【發(fā)明者】王瑞琪, 李景文, 厲一梅, 程艷, 孫樹敏, 石鑫, 李筍, 王昭鑫, 靳占新, 趙鵬, 張用, 董嘯, 李濤, 李寶賢, 李超英 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院