專利名稱：風力發電機組音頻監測和故障診斷系統及其方法
技術領域：
本發明涉及一種風力發電機組音頻監測和故障診斷系統，屬于風力發電安全監測技術領域。本發明還涉及一種風力發電機組音頻監測和故障診斷方法。
背景技術：
風能是一種干凈的、可再生的能源，利用風能發電的方式是一種環保、發展前景很好的發電方式。如今，風力發電得到迅速發展，在發電行業有著舉足輕重的作用。一般風力發電機組主要由漿葉、輪轂、槳距調節、制動器、低速軸、齒輪箱、發電機、控制器、風速計、風向標、高速軸、偏航驅動器、偏航電機、塔架等構成。風力發電機組因為其本身的特點，一般在偏遠、環境惡劣的地方修建，由于風力發電還有待發展，運行故障頻發，而特定的環境導致其維修工作很困難，維修費用很高，因此需要大力發展風力發電安全檢測技術來減少成本，減少運行風險，提高運行效率。
傳感器是一種能滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求的檢測裝置，它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。根據傳感器的感知功能可將傳感器分為熱敏元件、光敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件等十大類。如今，風電檢測技術中，對風電機組的振動狀態進行檢測的方法中，通常在風電機組的某些部件上設置振動傳感器，傳感器獲得的振動數據與正常運行下的振動數據相比較來判斷各部件的運行狀態。聲音是機械振動狀態的傳播，這種傳播過程是一種機械性質的波動，故而稱為聲波；同樣，聲音傳感器也可以對風力發電進行安全檢測。目前根據多個音頻傳感器可以來判斷聲音的方位，因此可通過傳感器采集風電機組的各種音頻信號，之后判斷系統的健康狀態。
采集到的聲音信號通過處理得到我們所需要的信號。數據信號處理已經在通信、 聲音、圖像、自動控制等領域廣泛應用。數字信號處理的主要研究對象是聲音信號和圖像信號，其中聲音信號的處理是重要的應用之一。濾波是將信號中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項重要措施。濾波分為經典濾波和現代濾波。經典濾波是根據傅立葉分析和變換提出的一個工程概念。根據高等數學理論，任何一個滿足一定條件的信號，都可以被看成是由無限個正弦波疊加而成。只允許一定頻率范圍內的信號通過，而阻止另一部分頻率信號通過的電路，叫做經典濾波器或濾波電路?，F代濾波是運用模擬電子電路對模擬信號進行濾波，其基本原理就是利用電路的頻率特性實現對信號中頻率成分的選擇。濾波系統對聲音信號進行濾波，使得原本雜亂無章的信號變成可辨識的信號。發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種通過對采集的音頻信號進行分析的風力發電機組音頻監測和故障診斷系統及其方法。
為了解決上述的技術問題，本發明的技術方案是一種風力發電機組音頻監測和故障診斷系統，其包括
音頻傳感器，設置在風電機組內部用來采集機組運行時各部件發出的音頻；
音頻信號接收模塊，將采集到的音頻信號采集到計算機中；
信號處理模塊，對采集到的音頻信號進行處理分析；
故障診斷模塊，將處理后的音頻信號與各部件的健康頻率特性進行比較，診斷出具體故障部件；
監測顯示模塊，對監測及診斷的具體情況進行友好表達；
通訊模塊，將風電機組的健康狀態通過網絡實時傳送到指定端口。
所述音頻傳感器利用多個全向麥克風采集風電機組中的音頻信號，全向麥克風陣列采集完整可靠的音頻信號，通過頻譜分析判斷機組的健康狀態，同時可對各聲源進行定位。
本發明的風力發電機組音頻監測和故障診斷方法包括以下步驟
(1)通過設置在風電機組內部的音頻傳感器對風力發電機組運行時各部件發出的音頻進行采集；
(2)對采集到的音頻信號做統一預評估，并根據各個風機組件對應的音頻頻段，對采集到的信號進行濾波處理，將得到的各部件發出的音頻信號與機組正常運行時各部件發出的音頻頻段基準值進行比較；
(3)經過比較若不滿足要求，對音頻信號再作進一步分析，處理后的信號在經故障診斷后，診斷出具體的故障部位；
(4)發出故障報警信號，工作人員便可以了解機組實時信息。
本發明的主要特征是
(1)用采集音頻信號來檢測風電機組的安全；
(2)多個音頻傳感器可以對聲源定位，有一定針對性；
(3)聲音在20赫茲 20000赫茲頻率范圍內是可以為人們所聽到的，工作人員可以在監控中心聽到風機內部的聲音；
(4)本發明能在故障的情況下，追蹤到故障部件，維修更有效率更有針對性。
風力發電機組健康運行時各部件發出的音頻都有自己固有的頻率特征，故障診斷模塊就是將處理后的音頻信號與各部件的健康頻率特性進行比較診斷出具體故障部件
對于采集到的音頻信號處理后，將得到的風電機組音頻的狀態頻譜先與風電機組頻譜歷史數據對比，如果相似度超過一定的閥值，例如98 %，認為是正常狀態，如果沒有超過就表示機組內有故障，將處理得到各部件聲音頻段，與各部件正常狀態下頻段基準值比較，得知發生故障部件，記錄故障信息，然后向監測顯示模塊發送故障信息，從而做到有效的風電機組健康狀態監測。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。
圖1為本發明風電機組聲音檢測裝置的結構示意圖。
圖2為用于本發明風電機組聲音檢測方法的流程圖。
圖3為健康狀態下風電機組各部件對應頻段頻譜示意圖。
圖4為發生故障的風電機組頻譜示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，風力發電機組音頻監測和故障診斷系統，其包括音頻傳感器、音頻信號接收模塊、信號處理模塊、故障診斷模塊、監測顯示模塊和通訊模塊。
音頻傳感器，設置在風電機組內部用來采集機組運行時各部件發出的音頻；
音頻信號接收模塊，將采集到的音頻信號采集到計算機中；
信號處理模塊，對采集到的音頻信號進行處理分析；
故障診斷模塊，將處理后的音頻信號與各部件的健康頻率特性進行比較，診斷出具體故障部件；
監測顯示模塊，對監測及診斷的具體情況進行友好表達；
通訊模塊，將風電機組的健康狀態通過網絡實時傳送到指定端口。
所述音頻傳感器利用多個全向麥克風采集風電機組中的音頻信號，全向麥克風陣列采集完整可靠的音頻信號，通過頻譜分析判斷機組的健康狀態，同時可對各聲源進行定位。
如圖2所示，通過設置在風電機組內部的音頻傳感器對風力發電機組運行時各部件發出的音頻進行采集。
然后對采集到的音頻信號做統一預評估，并根據各個風機組件對應的音頻頻段， 對采集到的信號進行濾波處理，將得到的各部件發出的音頻信號與機組正常運行時各部件發出的音頻頻段基準值進行比較。
經過比較若不滿足要求，對音頻信號再作進一步分析，處理后的信號在經故障診斷后，診斷出具體的故障部位。
最后，發出故障報警信號，工作人員便可以了解機組實時信息。
以圖3為例，機艙內包含以下部件輪轂1、低速軸2、齒輪箱3、制動裝置4、高速軸 5以及發電機6。
風機運行時，可采用多個全向麥克風采集機組內音頻信號，全向式麥克風對于來自不同角度的聲音，而對各角度的聲音靈敏度是相同的，這樣有利于收錄整個環境的音頻信號。
再將得到的風電機組音頻的狀態數據先與風電機組頻譜歷史數據對比，即與圖3 中的頻譜對比，如果相似度超過一定閥值，例如98%，認為是正常狀態。
如果沒有超過就表示機組內有故障，向監控顯示中心發送故障信息。
如圖4所示的頻譜圖，很顯然此圖中的頻譜與圖3中頻譜相似度不超過98 %，之后對聲音信號進行下一步的檢測，對采集到的音頻信號再處理，可利用窄帶頻譜分析法，得到各部件音頻頻段，與預設的各部件正常狀態下頻段比較，于是得知高速軸5發生故障，記錄下適時故障信息，然后向監控顯示模塊發送故障部件信息。
權利要求
1.一種風力發電機組音頻監測和故障診斷系統，其特征在于包括音頻傳感器，設置在風電機組內部用來采集機組運行時各部件發出的音頻；音頻信號接收模塊，將采集到的音頻信號采集到計算機中；信號處理模塊，對采集到的音頻信號進行處理分析；故障診斷模塊，將處理后的音頻信號與各部件的健康頻率特性進行比較，診斷出具體故障部件；監測顯示模塊，對監測及診斷的具體情況進行友好表達；通訊模塊，將風電機組的健康狀態通過網絡實時傳送到指定端口。
2.根據權利要求1所述的風力發電機組音頻監測和故障診斷系統，其特征在于所述音頻傳感器利用多個全向麥克風采集風電機組中的音頻信號，全向麥克風陣列采集完整可靠的音頻信號，通過頻譜分析判斷機組的健康狀態，同時可對各聲源進行定位。
3.一種風力發電機組音頻監測和故障診斷方法，其特征在于包括以下步驟(1)通過設置在風電機組內部的音頻傳感器對風力發電機組運行時各部件發出的音頻進行采集；(2)對采集到的音頻信號做統一預評估，并根據各個風機組件對應的音頻頻段，對采集到的信號進行濾波處理，將得到的各部件發出的音頻信號與機組正常運行時各部件發出的音頻頻段基準值進行比較；(3)經過比較若不滿足要求，對音頻信號再作進一步分析，處理后的信號在經故障診斷后，診斷出具體的故障部位；(4)發出故障報警信號，工作人員便可以了解機組實時信息。
全文摘要
本發明公開了一種新型的風力發電機組音頻監測與故障診斷的系統和方法，本發明的風電機組狀態監測與故障診斷系統主要包含音頻傳感器、音頻信號接收模塊、信號處理模塊、監測顯示模塊、故障診斷模塊和通訊模塊；首先采集風電機組中的音頻信號，經過對音頻信號的處理，判斷機組是否故障，多個音頻傳感器可以判斷故障的具體部件，本發明為風電機組的狀態監測與故障診斷提供一種經濟、高效的方法。
文檔編號G01M15/00GK102494894SQ20111036693
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月17日 優先權日2011年11月17日
發明者湯奕, 賈麗娟, 高丙團 申請人:高丙團