大數(shù)據(jù)思維戰(zhàn)勝小螺栓:寄云把脈風(fēng)機(jī)葉根螺栓斷裂病

發(fā)布時(shí)間:2017-05-19   來源:中國電力網(wǎng)

  風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的電力設(shè)備。某風(fēng)電企業(yè)是國內(nèi)排名前三的大型風(fēng)電設(shè)備制造廠商,專業(yè)從事大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)、制造和銷售以及風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)、運(yùn)營和咨詢服務(wù),在高海拔風(fēng)機(jī)市場(chǎng)具有顯著的優(yōu)勢(shì),已有數(shù)百臺(tái)在線運(yùn)營,優(yōu)異的產(chǎn)品性能和良好的售后服務(wù)獲得了國內(nèi)眾多電力投資商的高度認(rèn)可,在業(yè)內(nèi)具有良好口碑。

  小螺栓,大問題

  風(fēng)力發(fā)電機(jī)各部件主要通過螺栓連接,每個(gè)葉片根部均有50個(gè)螺栓固定,因?yàn)轱L(fēng)機(jī)的變槳操作、螺栓零件的自然老化或葉片受到過大應(yīng)力等因素,葉根螺栓會(huì)產(chǎn)生斷裂甚至脫落的情形。葉根螺栓的斷裂可能導(dǎo)致螺栓脫落掉進(jìn)風(fēng)機(jī)機(jī)艙,造成風(fēng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)部機(jī)組的損壞,且當(dāng)一個(gè)螺栓出現(xiàn)問題,很容易造成其他螺栓接連斷裂,最終將造成葉片掉落,甚至倒塌的嚴(yán)重后果。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉根螺栓的斷裂與否完全依賴人工的排查,然而風(fēng)場(chǎng)通常設(shè)置在如山區(qū)、草原、海邊或者離岸等偏遠(yuǎn)的地區(qū),且一個(gè)風(fēng)場(chǎng)通常由數(shù)十臺(tái)風(fēng)機(jī)組成,定期的巡檢并不能及時(shí)發(fā)現(xiàn),往往在出現(xiàn)嚴(yán)重故障后才會(huì)發(fā)現(xiàn)。如何能及時(shí)發(fā)現(xiàn)螺栓斷裂避免后續(xù)嚴(yán)重故障發(fā)生,是該風(fēng)電企業(yè)急需解決的問題。

  頭疼醫(yī)頭,腳痛醫(yī)腳不可取

  目前,該風(fēng)電企業(yè)主要采用半年一次的人工定期巡檢排查故障。然而風(fēng)場(chǎng)通常設(shè)置在偏遠(yuǎn)的地區(qū),風(fēng)機(jī)檢修人員不易安排,且一個(gè)風(fēng)場(chǎng)通常由數(shù)十臺(tái)風(fēng)機(jī)組成,對(duì)于逐個(gè)風(fēng)機(jī)進(jìn)行高頻率的人工排查非常耗費(fèi)人力及時(shí)間成本。理論上還可以增加傳感器來進(jìn)行檢測(cè),如螺栓預(yù)緊力傳感器、環(huán)形墊圈傳感器等,通過實(shí)時(shí)檢測(cè)每顆螺栓的預(yù)緊力來判斷有沒有螺栓斷裂。因?yàn)樵靸r(jià)昂貴,目前主要應(yīng)用在核工業(yè)、科研等領(lǐng)域,對(duì)于單個(gè)葉片就有50顆螺栓固定的風(fēng)機(jī)來說,一方面性價(jià)比太低,另外也會(huì)使得系統(tǒng)更加復(fù)雜。

  概括來說就是頭疼醫(yī)頭腳疼醫(yī)腳的方式,不僅增加了額外的人力物力,還沒有帶來更多的延伸利益。寄云科技提出可以通過對(duì)其他傳感器的測(cè)量和監(jiān)控,比如風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、傾角、風(fēng)速、方向等參數(shù),間接找到葉根螺栓斷裂的時(shí)間點(diǎn),及時(shí)通知運(yùn)營人員對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行更換或者采取其他的維護(hù)措施。這種方式不需要額外的傳感器就能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)斷裂的螺栓,還能進(jìn)一步開發(fā)實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)螺栓斷裂,以便于運(yùn)營人員在螺栓斷裂之前采取措施,避免螺栓斷裂。

  大數(shù)據(jù)思維望聞問切

  風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身有數(shù)十個(gè)傳感器,可返回?cái)?shù)百個(gè)字段,這些傳感器數(shù)據(jù)反應(yīng)了風(fēng)機(jī)的各種不同的狀態(tài),長期以來,該風(fēng)電客戶已經(jīng)積累了大量包括葉片角度、葉片變槳速率、輪殼轉(zhuǎn)速及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速等在內(nèi)的數(shù)據(jù)。寄云科技提出基于機(jī)器學(xué)習(xí)的監(jiān)督學(xué)習(xí)分析法,在不增加傳感器的情況下,解決風(fēng)機(jī)葉根螺栓斷裂故障的檢測(cè)問題,降低運(yùn)營成本。

  基于機(jī)器學(xué)習(xí)的監(jiān)督學(xué)習(xí)分析法是指從眾多的風(fēng)機(jī)周邊傳感器數(shù)據(jù)指標(biāo)中篩選出相關(guān)變量,建立風(fēng)機(jī)正常和異常運(yùn)轉(zhuǎn)模型,確定螺栓斷裂發(fā)生的時(shí)間段,再通過對(duì)分類算法閾值的不斷學(xué)習(xí),逐步找到精準(zhǔn)的斷裂發(fā)生時(shí)間點(diǎn),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓斷裂的精準(zhǔn)檢測(cè)。具體實(shí)施步驟如下:

  1、特征提取。從大量傳感器指標(biāo)中篩選并提取生成和螺栓斷裂有關(guān)的變量,計(jì)算各項(xiàng)傳感器數(shù)據(jù)在斷裂前后的分布差異,篩選其中顯著項(xiàng); 對(duì)各項(xiàng)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行斷裂前后的頻域分析,找出顯著差異項(xiàng);

  2、建立正常及異常模型。根據(jù)風(fēng)向、風(fēng)速等外部環(huán)境因素相關(guān)的傳感器數(shù)值分布進(jìn)行工作狀態(tài)切分,并以檢測(cè)出螺栓斷裂當(dāng)日之前較小時(shí)間窗口數(shù)據(jù)作為確認(rèn)異常數(shù)據(jù),訓(xùn)練不同狀態(tài)下的正常/異常判定模型,確認(rèn)模型對(duì)于異常狀態(tài)的可檢測(cè)性。

  3、確定故障發(fā)生時(shí)間。在檢測(cè)出螺栓斷裂當(dāng)日之前的長時(shí)間窗口內(nèi),利用訓(xùn)練好的判定模型進(jìn)行檢測(cè),尋找正常轉(zhuǎn)變?yōu)楫惓5奶c(diǎn),即正常轉(zhuǎn)為異常模型的點(diǎn)。

  4、分類算法閾值的學(xué)習(xí)。利用3中捕獲的跳點(diǎn),獲得新的異常數(shù)據(jù)區(qū)間,重新訓(xùn)練異常判定模型,對(duì)于模型進(jìn)行優(yōu)化。重復(fù)進(jìn)行3和4步驟,逐步逼近異常發(fā)生的真實(shí)、精準(zhǔn)的早期時(shí)間點(diǎn)。

  5、故障檢測(cè)?;?的最終分析結(jié)果,對(duì)螺栓斷裂進(jìn)行檢測(cè),再次確定故障的發(fā)生時(shí)間和位置。在積累了足夠的數(shù)據(jù)和模型之后,進(jìn)一步基于故障前各個(gè)傳感器變化的趨勢(shì),對(duì)葉根螺栓斷裂進(jìn)行檢測(cè)。

  目前,通過寄云基于機(jī)器學(xué)習(xí)的監(jiān)督學(xué)習(xí)分析法,確定了正常和故障狀態(tài)下傳感器表現(xiàn)的差異及故障特征,并給出了找到螺栓斷裂準(zhǔn)確時(shí)間的分析方法,后續(xù)將繼續(xù)對(duì)既有的分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和積累,逐步實(shí)現(xiàn)葉根螺栓斷裂的預(yù)測(cè),以便于運(yùn)營人員在斷裂前進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)的調(diào)整,進(jìn)而減少運(yùn)維和設(shè)備的維修費(fèi)用,提高風(fēng)場(chǎng)的生產(chǎn)效率。利用數(shù)據(jù)分析的寄云基于機(jī)器學(xué)習(xí)的監(jiān)督學(xué)習(xí)分析法不僅適用于風(fēng)電企業(yè),也可以應(yīng)用到更多類似的大型機(jī)械生產(chǎn)和運(yùn)維環(huán)境中,為大型機(jī)械故障的檢測(cè)提供了解決思路和方法。



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