基于高低速插值拟合的风电机组振动信号归一化方法研究

许新华 刘晓光 杜虹锦 张士龙

摘   要：文章针对工业生产过程中风电机组关键零部件的健康监测和剩余寿命预测问题，提出一种基于高低速插值拟合的风电机组振动信号归一化方法。风电机组通常运行于时变转速下，由此导致的振动幅值突变等问题将直接影响剩余寿命预测结果的准确性。提出将不同转速下的振动信号均转化为同一基准转速下的振动信号，使用获取的训练数据样本通过插值最小二乘拟合算法估计振动信号转换模型的参数，由此实现风电机组在高低转速运行条件下的振动信号归一化。通过对某风电机组发电机轴承的监测振动信号进行试验验证，表明上述方法可以有效降低转速变化对振动信号幅值的干扰，提高后续风电机组剩余寿命预测的精度。

关键词：风电机组;剩余寿命预测;振动信号;归一化;插值拟合

1    基于转速的振动信号转换模型

1.1  模型构建

本文提出了基于高低速插值拟合的风电机组振动信号归一化方法框架，该方法主要包括信号转换模型构建、模型参数估计、监测振动信号转换3个步骤。

以运行于时变转速下的风电机组为研究对象，构建基于转速的振动信号转换模型。为了描述由转速变化而引起的监振动测信号幅值变动，建立如下观测函数对二者间的函数关系进行描述。

如果已知不同转速下的待估计参数，则可以根据（1）式计算得到ti时刻所对应的任意转速下的外部响应信号幅值。倘若将ti时刻在转速r和基准转速下获取的振动信号幅值分别记为yri和yBi，则二者间的转换关系可以用如下表达式描述。

提出方法的模型构建过程总结如下：首先在观测函数中引入转速变化对信号幅值的影响，其次通过信号转换函数将时变转速下的监测信号转化为基准转速下的监测信号。

1.2  模型参数估计

上文中构建的信号转换模型，在不同转速下对应了不同的模型参数。对转换模型的模型参数进行估计，首先需要统计历史转速信息，选取运行时间最长的转速作为基准转速，然后通過插值最小二乘拟合算法将不同转速下的监测信号转换到基准转速下的振动信号。

信号变换参数α'r和β'r的估计过程如下。

（1）假设风电机组在r种不同的转速下运行，训练数据样本共有n个，其中第n个样本的转速信息和振动信号分别为rn=（r1，n，r2，n，…，rKn，n）和yn=（y1，n，y2，n，…，yKn，n），式中Kn为第n个样本的采样点数。

（2）对机组的历史监测数据进行统计，找到该机组在非基准转速r下每个单元的所有时刻。利用插值最小二乘拟合算法计算转速r下所有时刻点上基准工况信号序列在基准转速下的线性插值，并记为。

（3）计算插值信号序列和转换后信号序列的误差平方和，根据最小二乘拟合的原理，寻找一组模型参数α'r和β'r使其取最小值。

将（2）式代入（3）式进行计算。

（4）利用一维优化估计，即计算式（4）对参数β'r的偏导数并令其等于零，获得如下参数β'r的解为关于α'r的非线性函数。

（5）将（5）式代入（4）式，计算出参数α'r的估计结果记为，然后将代入式（5）可得到参数β'r的估计结果。

（6）重复上述步骤（1—5），依次建立选取的基准转速地监测信号与其他转速下各监测信号的函数关系，求得除基准转速外其他（r-1）个转速下的转换参数的估计值。

将信号变换参数α'r和β'r代入（2）式中，输入任意转速下的监测信号，可以计算得到这些信号在同一基准转速下的振动有效值，即实现了风电机组振动信号的归一化。随后，将归一化后的振动信号用于状态监测以及剩余寿命预测当中，使得监测与预测结果更为准确。

2    试验验证

2.1  验证方法

对某风电机组的发电机转速信息进行统计分析，发电机转速集中在1 080 r/min和1 800 r/min附近，其中1 080 r/min为该机组发电的切入转速，也是其最低转速，1 800 r/min为该机组的额定转速，即机组保持额定输出功率的工作转速。当机组处于高风速的环境下时，通过调节桨矩角来改变风能利用率，以保持发电机在额定功率下平稳运转。考虑以二者的均值转速1 440 r/min为界，将发电机转速分为高速、低速两个等级。根据不同转速运行时长的统计结果，选取占总时长63%的低速级作为基准转速，使用提出的振动信号归一化方法进行信号转换。

2.2  验证结果

利用本文提出的方法对某风电机组发电机自由端轴承和驱动端轴承振动信号分别进行归一化处理，处理前后的振动信号有效值及对应的转速信息如图1所示。

观察图1可以发现，原始振动信号在工作转速突变时会产生相应幅值突变，而使用提出方法对原始振动信号进行归一化处理后，信号序列消除了部分由于转速突变而引起的信号波动。另外，该风电机组轴承原始振动信号由于转速波动的影响在临近失效点发生了误报现象：其中的自由端原始振动信号显示该轴承在服役148天后超出了失效阈值，但经过归一化转换之后，失效时间变为180天，与实际失效时间相符。

通过对某风电机组发电机轴承的历史失效数据使用提出方法进行归一化处理，然后利用处理前后的振动信号计算轴承失效时间并进行对比分析，验证了本文提出的振动信号归一化方法可以消除转速变化引起的幅值变动，有效地避免剩余寿命预测误报发生。

3    结语

本文提出了一种基于高低速插值拟合的风电机组振动信号归一化方法，该方法适用于风电机组中旋转类零部件的监测振动信号处理。在工程实际应用当中，相关操作人员可以根据不同旋转类零部件的运行特性，合理地确定某一基准转速以达到期望的振动信号归一化效果。

[参考文献]

[1]靳晶新，叶林，吴丹曼，等.风能资源评估方法综述[J].电力建设，2017（4）：1-8.

[2]中国能源网.2017年全球风电产业运行态势及我国风电装机统计分析[EB/OL].（2018-08-03）[2020-06-10].https：//www.china5e.com/news/news-1037760-1.html.