谢海峰　陈兴媒　朱灵佳　吴超

摘 要： 针对近几年中国风电行业的飞速发展，对风电机组的单一运行状态监测越来越不能满足当前的发展趋势，开发了一套风电机组整机结构安全预警监控系统，能够在线连续测量并存储风机主要结构件在运行过程中的关键安全参数，提供风轮不平衡、传动链扭振、整机晃动与共振、塔架倾斜与塔架整体变形位移量、基础环倾斜与松动、不均匀沉降或其它因素（如腐蚀等）造成的基础结构整体性倾斜，共6类安全监测。

关键词： 风电机组;整机结构;在线安全监测

【中图分类号】TM614 【文献标识码】A 【文章编号】1674-3733（2020）20-0170-03

中国风电行业经过近几年的飞速发展，风电技术取得了巨大进步，随着低风速资源和海上风资源的开发利用，机组朝着更高、更大功率的方向演进。同时行业内倒塔、叶片开裂脱落和断裂、传动系统失效等重大灾难性事故时有发生。所以，开发一套能够满足目前风电行业的安全运行监测系统就显得十分有意义。

状态监测在20世纪60年代起源于美国，开始主要用于航天系统方面，之后逐渐拓展到电力系统等其他行业。当时比较著名的美国公司有本特利、BEI、西屋，欧洲方面有德国的普鲁夫、瑞士的ABB等公司。早期评估设备运行状态主要凭借专家在现场通过自身的听觉以及触觉，所以经常会发生误判断。

近年来，状态监测随着与计算机技术的结合，逐渐形成了具有综合分析与处理能力的监测网络。应用领域越来越广，其中当然包括风电行业。风电机组状态监测系统目前主要包括主机厂自身配套的状态监测系统，丹麦的Vestas、美国的GE、德国的B&K、西班牙的Gamesa等这些主机厂都有相关产品;第三方监控系统，如美国卓越通信的SCADA系统;监测风机传动链的CMS，如深圳米库的MK3000远程在线振动监测与分析系统。

上述风电机组的监测系统对机组的安全保护相对单一，为了更好的实现对整机安全运行的全面监测，开发了一套风电机组整机结构安全预警监控系统，能够在线连续测量并存储风机主要结构件在运行过程中的关键安全参数，提供风轮不平衡、传动链扭振、整机晃动与共振、塔架倾斜与塔架整体变形位移量、基础环倾斜与松动、不均匀沉降或其它因素（如腐蚀等）造成的基础结构整体性倾斜，共6类安全监测。系统命名为MK3500在线安全结构监测系统。

1 系统介绍

1.1 系统硬件安装及网络构架

系统监测点布置在风电机组的相关特定位置。其中基础不均匀沉降监测，使用MK3500风电专用倾角传感器，安装在风机内部地基底部;基础环松动监测，安装在基础环上，通过L型支架粘贴固定在基础环内壁上;塔架位移监测，安装在塔架顶部位置处，通过L型支架粘贴固定在塔筒壁上;风轮不平衡监测，安装在主轴承下方机架上，通过高强度结构粘接剂安装;传动链扭振监测，使用2支MK3500传感器，两边各1支，通过高强度结构粘接剂安装在齿轮箱两端悬臂上;机舱振动监测，使用MK3500传感器安装在发电机尾部机架上，通过高强度结构粘接剂安装;转速传感器安装，使用接近开关，通过转速支架安装在齿轮箱输出轴轴承座。典型配置如表1所示。

机舱MK3500-DAU01保护表安装在机舱控制柜旁踏板上，通过支架安装，用于采集处理风轮不平衡，传动链扭振，机舱晃动信号。塔架MK3500-DAU02保护表安装在塔底塔筒内电缆架上固定，用于采集处理地基不均匀沉降和塔架位移信号。两块保护表的数据信号统一保存到安装在机舱控制柜顶部的工控机，再通过安装在控制柜内的一台交换机和一台4G路由器将数据发往云平台，最后通过互联网实现对机组的实时远程在线监控，整体网络构架如图1所示。

2 系统实际信号应用

某风电场69号2MW风电机组，塔架高度80米，风轮直径115米，风轮额定转速13.5RPM，基础为基础环式地基，该风场于2016年建成并网，为高山风场，所受湍流较大。机组于2019年10月加装了一套MK3500风电机组结构安全保护系统，并于当月发出远程预警，初步判断为基础环松动故障。11月，经过第三方检测公司验证基础顶面混凝土和基础侧面混凝土抗压强度均低于设计要求，造成基础环连接处的混凝土破碎，确认出现了基础环松动故障。现场基础加固前后的数据如下：

（1）机舱晃动X向（机舱前后晃动）以及Y向（机舱左右晃动）测点数据显示在加固前机舱晃动最大达到0.1g，加固后机舱晃动为0.067g;加固前机组自振频率为0.2991Hz，加固后机组自振频率为0.3113Hz。加固前后机舱晃动减小，自振频率变大，基础修复后机组整体刚性增强，如图所示：

（2）基础环松动测点数据显示在加固前基础环最大倾斜角度达到了0.42度，超出红色标准圈;加固后基础环最大倾斜角度0.15度，加固后基础环无松动现象如图所示：

（3）塔架位移测点数据显示在加固前塔架顶部倾角最大达到1.5度，最大位移達到1200mm，加固后塔筒最大倾斜角度为0.55度，塔架位移420mm，运行数据如下。

现场照片如图所示。

3 结论

1）本系统监测点从上到下覆盖了整个风电机组，相比目前市场上流行的传动链监测系统CMS监测的位置置于整个机组更加重要。由于CMS技术已经成熟也相对简单，所以实现本系统与CMS的结合相对容易，本系统开发成功后真正做到了对风电机组的全面实时状态监测，本系统最终通过实例进行了验证。

2）从检测成本方面，目前风电机组基础第三方公司检测主要有地质雷达法和超声横波成像法两种检测方法。地质雷达法必须使用专用雷达软件，经滤波、增益恢复等一系列处理后，才能显现所需要的雷达图像信息，超声波检测又是众所周知的一种高成本检测手段，所以安装本系统还可以大大降低检测成本。