基于SCADA故障告警数据的风电机组隐患分析及处理方法

文 | 孟鹏飞，李强

由于目前风电机组SCADA系统的故障报警功能不够完善（未包含重复性故障的统计分析功能），而且当前还存在现场运行维护人员故障分析水平较低的情况，如果无法及时发现重复性故障及其背后隐藏的安全隐患，最终将导致风电场无法有效掌握机组的运营水平和健康状态。若主轴或发电机轴承温度高、机舱振动等关键告警或故障未及时引起注意，可能会导致轴承损坏甚至机舱着火、叶片折断等重大事故发生。

针对以上情况，本文提供了基于SCADA故障告警数据的风电机组隐患分析及处理方法，通过使用Excel的数据透视表功能快速对机组的故障报警记录进行系统的统计分析，标定出重复性告警或故障，发现机组的安全隐患，由此开展针对性的闭环消缺，并以处理V52-850kW风电机组的“油过滤错误故障”为例，阐述该方法的操作流程。该方法不仅可以快速定位机组的潜在隐患、高效地开展运行消缺、提高机组可靠性、避免设备的进一步恶化损坏，而且可提升运行维护人员的故障分析、处理能力。

案例分析

风电机组隐患的分析及处理方法分为以下三个步骤：（1）发现隐患：通过对SCADA系统中的告警和故障记录进行分析，找到重复性告警或故障；（2）消除隐患：“诊治”潜在隐患机组，通过油样检测、振动检测、磨损状况检测、探伤检测等手段进行专项检查，再结合检查或检测结果给出诊断意见（检修维护的建议）；（3）隐患跟踪回访：对“诊治”后隐患机组的健康状况进行分析和跟踪，直至转为健康机组。

下文将以处理“某风电场风电机组油过滤错误故障”为例，阐述隐患分析及处理方法的具体步骤。

表1 隐患总表

一、发现隐患

首先对全场风电机组告警和故障记录进行分析，分析工具为Excel中的“数据透视表”。数据透视表可以根据不同的关键字对数据源进行分类汇总，汇总方法包括计数、求和、平均、方差统计等。进行风电机组体检的数据源，为风电机组SCADA系统采集的告警和故障记录数据，包含风电机组编号、故障名称、故障代码、触发时间、故障恢复时间、严重等级等，不同风电制造商的SCADA系统采集的数据类别不同。利用数据透视表可以对SCADA告警和故障记录按照机组编号、故障类型、严重等级、故障时间等分类进行统计分析，从而判断出全场机组运行状态。以样本量、统计时间范围的大小来选定重复性告警或故障次数，判定机组是否处于隐患状态。在本文隐患总表（表1）中，将单台机组重复性告警或故障次数达10次以上的告警或故障标定为红色，表示机组处于隐患状态；当初次消缺后，标定为黄色，表示运行待观察；后续跟踪此告警或故障已完全消除，则标定为绿色。

表2 机组隐患排名表

表3 故障总数排名表

以某风电场机组2017年1－4月的SCADA告警和故障记录作为数据源进行数据透视，分别得到该风电场的风电机组隐患总表（表1）、机组隐患排名表（表2）、故障总数排名表（表3）、单台机组隐患排名表（表4）。因风电机组数目、告警或故障种类较多，不便一一列出，故以上各表只显示部分风电机组数据。

从表1中得出报“油过滤错误故障”的风电机组有：QA34#(348次)、QA38#(277次)、QA40#（2次，2017年3月2日和3日各报1次，3月中旬已更换齿轮箱）、QA41#（46次）、QA48#（329次）、QA50#（298次），共计1300次。

由表2可以看出整个风电场部分风电机组对应告警或故障总数的排名情况，其中故障次数排在第一位的是QA48#机组，故障总数为1812次；由表3得出部分风电机组具体故障情况，其中排在第一位的是“油过滤器错误”故障；由表4得出单台风电机组（QA34#）告警或故障次数分布情况，排在第一位的为“油过滤错误”故障。

表4 QA34隐患排名表

由表1可知，“油过滤错误故障”为各类告警或故障中出现次数最多的故障，涉及的风电机组有：QA34#、QA38#、QA41#、QA48#、QA50#，应对这些机组进行专项检查消缺。

二、消除隐患

齿轮箱润滑系统中设有用于对油液中的杂质进行过滤的过滤器，在其出口处（即过滤器下端）设有压差开关，可通过持续检测过滤器入口与出口油压差值（通常的设定值为3.5bar）来判断组合过滤器中滤芯的清洁度，并向主控发出检测信号。当齿轮箱油温小于等于40℃时，系统忽略过滤器压差开关发出的信号；当齿轮箱油温大于40℃时，主控开始判断过滤器压差开关信号，当过滤器入口与出口油压差值大于3.5bar时，压差开关会向主控发出报警信号，主控会报出该故障；当过滤器入口与出口油压差值小于等于3.5bar时，压差开关会向主控发出正常信号，主控不会报出故障。

可能导致此故障的原因有：（1）压差开关实际选型与程序中配置型号不符；（2）滤芯堵死；（3）齿轮箱压差开关损坏。

解决方案：（1）压差开关类型分为常开、常闭型，检查是否与程序设置一致；（2）检查滤芯是否堵塞，油液中是否有较多杂质。若滤芯堵塞且油液中杂质较多，则需更换滤芯并根据油液杂质情况考虑是否进行油液检验；（3）检查压差开关是否损坏，若损坏则予以更换。

（一）隐患初次消缺

2017年5月22日，现场运行维护人员处理QA34#风电机组报油过滤错误故障，检查发现齿轮箱滤芯堵塞，故排除“可能导致此故障的原因中的（1）和（3）”。更换滤芯时，发现滤芯的油液中有较多铁屑以及黑色橡胶杂质，如图1和图2所示。更换齿轮箱滤芯后风电机组恢复运行，待观察。同时，抽取了该齿轮箱油样进行送检化验。

（二）隐患原因预判

通过初次消缺处理，预判可能的原因如下：（1）QA34#风电机组齿轮箱齿面因磨损而产生铁屑，而黑色橡胶杂质可能来源于齿轮箱加油口、空气过滤器的密封圈或者外部润滑系统软油管的内壁；（2）其他4台风电机组（QA48#、QA50#、QA38#、QA41#）的齿轮箱情况可能类似，齿轮箱内有铁屑以及橡胶杂质，导致滤芯无法过滤，进而报油滤芯错误故障。

（三）预判结果验证

风电场运行维护人员于2017年5月23－25日对上述4台机组进行了专项检查，检查结果为：（1）滤芯堵塞，滤芯的油液中均含有少量的铁屑和黑色橡胶杂质；（2）因齿轮箱的加油口、空气过滤器无黑色密封圈等橡胶，故初步判定黑色橡胶杂质来自于外部润滑系统软油管的内壁，因橡胶油管内壁长时间受热老化运行脱落，在齿轮箱内部被啮碎产生黑色橡胶杂质。

（四）专项检查消缺

1.齿轮箱内窥镜检查

为找到故障发生的具体原因，避免故障扩大，5月25日暂时停运了以上5台风电机组（QA34#、QA38#、QA41#、QA48#、QA50#），对 QA34#、QA38#、QA48# 风电机组齿轮箱使用内窥镜（型号：IPLEX RX工业内窥镜）进行检查，检查结果如下：

图1 铁屑和黑色橡胶杂质

图2 黑色橡胶杂质

（1）QA34#风电机组：太阳轮轻微点蚀；行星轮轻微磨损，如图3－图5所示。

（2）QA38#风电机组：中速轴大齿轮轻微点蚀。

（3）QA48#风电机组：行星齿轮面磨损，轻微点蚀；太阳轮齿面轻微点蚀。

（4）检查判定黑色橡胶杂质来自于外部润滑系统软油管的内壁。

由上文分析可得结论：（1）齿轮箱运行磨损产生的铁屑和外部润滑系统软油管内壁脱落的黑色橡胶杂质（被齿轮啮合碾压后产生）导致滤芯堵塞；（2）齿轮箱运行情况待观察，需定期做内窥镜检查；（3）润滑油应送检化验。

内窥镜检查完毕后，陆续使以上5台风电机组恢复运行，并根据油样检测结果作进一步处理。

2.油样化验

本次专项检查更换了QA48#、QA50#、QA38#、QA41#风电机组齿轮箱的滤芯，并抽取齿轮箱油样进行送检化验。油化验使用的仪器及型号具体如下：滴定仪（型号：702/瑞士万通）、光谱仪（型号：PRODIGY XP ICP/美国LEEMAN）、自动粘度测试仪（型号：美国SPECTRO）、水份测定仪（型号：831KF /瑞士万通）、分析式铁谱仪（维克森北京科技有限公司）、颗粒计数仪（美国太平洋-HACH）、铁屑分析仪（型号：ANALEXPQ-M / KITTIWAKE公司）。QA34#风电机组的油样监测报告如图6所示，其中，油品理化、污染、磨损指标均正常，光谱分析情况也正常；且由对比历年数据变化幅度较小可知系统润滑情况正常，该齿轮油可继续使用。其他4台风电机组机组油样结果相同，故不再赘述。

三、隐患跟踪回访

此后继续观察以上5台风电机组齿轮箱的运行情况，根据运行情况开展进一步工作，若持续性报“油过滤错误故障”，应及时化验监测齿轮箱油液，并做内窥镜检查；若更换老化的外部润滑系统软油管以及多次更换油滤芯仍然无效，需考虑过滤或者更换齿轮箱油。

隐患分析及处理的有效方法

利用数据透视表能够及时发现机组运行中的一些缺陷及异常，以便及时控制和处理，使问题在萌芽状态就得到处理，从而保证风电机组安全稳定的运行。下文主要阐述了运行维护人员应如何利用好隐患分析及处理方法，以便更加高效地做好机组运行维护及相关管理工作。

图3 QA34#风电机组太阳轮齿面轻微点蚀

图4 QA34#风电机组行星齿部分齿面存在黑线

图5 QA34#风电机组行星齿部分齿面划痕、磨损

（1）定期对风电机组做数据透视，周期可为月、季度、年，形成月/季度/年隐患报告。

（2）做好隐患报告后，对机组重复性告警或故障进行标定，便于闭环处理跟踪。

（3）建立隐患消缺台账，便于后续跟踪对比分析。建议日常消缺时，若某故障处理完毕后，查找隐患报告中与此故障相同的机组进行一并处理。遇到严重重复性的告警或故障，需及时开展专项检查整改工作。

图6 QA34#风电机组齿轮箱油样监测报告

（4）建议定期检修维护某台风电机组前，查找隐患报告中该台风电机组的重复性告警或故障，定检时一并消缺处理，提高工作效率，减少停机率，降低维护成本。

（5）日常运行维护期间，若当日无故障，可核对隐患报告中重复性告警或故障，做好消缺计划安排。

（6）重复性告警或故障处理完毕后，运行人员务必做好分析总结及分享交流，以此来提高其故障分析、处理能力，积累维护经验。

结论

本文提出了基于SCADA告警数据的风电机组隐患分析及处理方法，包括发现问题、解决问题、故障跟踪回访三部分，并以具体事例对该方法进行全面论述。该方法有利于风电场运行维护人员快速全面掌握机组健康状况，及时发现隐患，对风电机组的安全稳定运行具有重要的意义。此外，也可提升运行维护人员的技术水平。