隨著許多風(fēng)力發(fā)電機(jī)的質(zhì)保期到期，業(yè)主開始直接承擔(dān)運(yùn)營風(fēng)力發(fā)電場的維護(hù)成本，而風(fēng)機(jī)主要部件如果發(fā)生故障會嚴(yán)重影響到維護(hù)的成本。這兩個(gè)因素使得風(fēng)電行業(yè)越來越意識到狀態(tài)監(jiān)測的價(jià)值。越來越多的業(yè)主和運(yùn)營商安裝了狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（CMS）以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。通過這種早期檢測，修理成本可以顯著降低。正式有了這個(gè)趨勢，市場上涌現(xiàn)了很多供應(yīng)商提供此類系統(tǒng)。幾乎每一個(gè)主機(jī)廠都能提供了自己的CMS，同時(shí)齒輪箱和軸承供應(yīng)商加入了戰(zhàn)場。業(yè)主購買時(shí)通常會想比較不同的數(shù)據(jù)（如振動(dòng)，油質(zhì)，SCADA數(shù)據(jù)），以確定哪種準(zhǔn)確性較高。但不幸的是，沒有性能標(biāo)準(zhǔn)或基準(zhǔn)可以進(jìn)行此類比較。這樣對業(yè)主來說，決定什么CMS能在合適的價(jià)格下提供需要的性能非常困難。
　　理解CMS系統(tǒng)的總體目標(biāo)是很重要的：CMS被設(shè)計(jì)為用戶提供建議，從而使他們做出最佳的運(yùn)行和維護(hù)的決策。這個(gè)過程中把物理測量（例如震動(dòng)，油液碎屑，溫度，壓力）的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成用于行動(dòng)的建議是至關(guān)重要的。
　　雖然各CMS方法不同，但幾乎所有的CMS都遵循以下的六步驟：
　　1、數(shù)據(jù)采集：物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)換成模擬量的測量，然后將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式;
　　2、數(shù)據(jù)處理：數(shù)字化測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為對運(yùn)行狀況的有意義的指示;
　　3、識別：指示信號的“正常”或“異常”分類;
　　4、診斷：對故障數(shù)據(jù)確認(rèn)（排除干擾信號）及位置和嚴(yán)重程度判斷;
　　5、預(yù)后：對發(fā)生故障的組件還能持續(xù)運(yùn)行多久進(jìn)行估計(jì);
　　6、建議：確定何種維護(hù)行動(dòng)是必要的，何時(shí)應(yīng)該執(zhí)行它。
　　這從“數(shù)據(jù)采集”到“建議”的六個(gè)步驟的處理過程是以直線形移動(dòng)的。由于每一步驟的輸出為下一步驟的輸入，在一個(gè)步驟處理得到的數(shù)據(jù)質(zhì)量會影響下面的步驟。因此，有必要從整體系統(tǒng)層面考慮CMS的設(shè)計(jì)。另外值得一提的也是經(jīng)常被忽略的是，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在第六步建議后即結(jié)束了處理過程。但其實(shí)還有決策的步驟，其應(yīng)由操作者參考這些建議作出更好的操作和維護(hù)的決定。這樣有經(jīng)驗(yàn)的操作人員也對CMS系統(tǒng)的效能起著重要的作用。
　　1、數(shù)據(jù)采集
　　上節(jié)已提到CMS每個(gè)步驟的數(shù)據(jù)質(zhì)量會影響下游的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。因此第一步驟的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的靈敏度，帶寬和所選擇的傳感器的精度是非常重要的，這些數(shù)據(jù)是后續(xù)一系列處理分析的基礎(chǔ)。選擇傳感器還需要確定其是否在所有的故障模式下采集到的數(shù)據(jù)能夠反應(yīng)組件健康狀況。例如，對發(fā)電機(jī)和齒輪箱就需要選擇不同的傳感器具備不同的敏感振動(dòng)頻率區(qū)間；并考慮故障模式下振動(dòng)縱波還是橫波更能反映組件的狀況。另外，不同的監(jiān)測方法也需要考慮組件的可能故障模式。如：油液碎屑系統(tǒng)可以監(jiān)測點(diǎn)蝕的故障，但不能檢測到開裂的問題；振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)可以檢測點(diǎn)蝕和開裂，但多數(shù)不能確定在行星齒輪組件的健康狀況。
　　所以應(yīng)首先針對風(fēng)機(jī)上最大的維護(hù)成本的部件，確定其最常見的故障模式。根據(jù)故障模式和部件的特性，選擇合適的傳感器及監(jiān)測方法。
　　2、數(shù)據(jù)處理
　　測量已被轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式的數(shù)據(jù)處理后， CMS必須處理該傳感器的測量量并轉(zhuǎn)換成組件健康狀況的有意義的指示。在CMS中，數(shù)據(jù)處理步驟包括兩個(gè)不同的子步驟。第一步是信號“噪音”濾波，即將有用的信號和無關(guān)的信號分離開。當(dāng)信號分離完成的越好，就會增加CMS的靈敏度，更容易辨別“無故障”和“故障”狀態(tài)。濾波也減少了在復(fù)雜的環(huán)境中，不同運(yùn)行條件下引起的這些分量條件信號不可避免的變化。
　　數(shù)據(jù)處理的第二步驟是提取濾波后的可指示該部件健康狀態(tài)的特征信號。理想的特征信號應(yīng)能識別部件可能存在的不同故障模式。例如，一個(gè)齒輪可以有幾種故障模式，包括根部裂紋，表面凹陷，或咬合不好。這些故障模式的每個(gè)都表現(xiàn)為不同的特征，沒有單一的特征信號能準(zhǔn)確地描述所有這些故障。因此，識別每個(gè)元件的潛在故障模式應(yīng)對應(yīng)于基于不同的過濾方法的多個(gè)特征指標(biāo)。數(shù)據(jù)處理后處于故障和非故障的重合部分的信號應(yīng)盡量少，否則造成CMS系統(tǒng)識別故障靈敏度低。
　　數(shù)據(jù)處理的理想目標(biāo)應(yīng)是去除干擾信號，提取到有用的可以確定所有潛在故障模式的特征指示。
　　3、識別
　　此步驟即用提取的特征指示與參考值進(jìn)行比較并區(qū)分為正常和非正常狀態(tài)。參考值通常基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或根據(jù)模型計(jì)算所得確定。一般來說，無故障和故障的信號指示分布有部分的重疊，如果獲取的信號指示位于重疊區(qū)，造成區(qū)分狀態(tài)的錯(cuò)誤是不可避免的。區(qū)分正常和非正常狀態(tài)的閾值水平以及它是如何選擇是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。風(fēng)機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)的復(fù)雜性和數(shù)量繁多的不同風(fēng)機(jī)品牌和型號都大大增加了選擇閾值的困難。閾值設(shè)置過高會造成遺漏而設(shè)置過低會造成誤報(bào)。所以通常選擇的值會考慮平衡遺漏率和誤報(bào)率。
　　選擇CMS系統(tǒng)時(shí)一個(gè)關(guān)鍵的問題是需要詢問該系統(tǒng)是怎么選擇報(bào)警閾值的。不好的識別處理會更容易出現(xiàn)誤報(bào)，導(dǎo)致很多不必要的維護(hù)工作。
　　4、診斷
　　一旦識別出故障的指示信號，CMS必須確認(rèn)故障，并確定其位置和嚴(yán)重程度。用體檢的例子可以形象的理解此步驟。如果患者被識別出血壓讀數(shù)高于閾值，醫(yī)生可能傾向于診斷高血壓。然而，如果經(jīng)進(jìn)一步詢問，發(fā)現(xiàn)病人檢查的這周工作壓力很大。此外，該患者沒有高血壓家族史并且其之前的血壓值一直較低。在這種情況下，醫(yī)生不會診斷高血壓?，F(xiàn)在想象一下，如果病人確實(shí)有高血壓家族史和他的歷史血壓值已經(jīng)向上趨勢好幾年。診斷將是高血壓而下一步驟將是確定高血壓的嚴(yán)重性。確認(rèn)故障需要通過類似的過程，檢查其歷史的指示記錄，比較同樣的指示發(fā)生時(shí)的設(shè)備運(yùn)行條件。如果這是第一次發(fā)生超過閾值，而設(shè)備運(yùn)行在一個(gè)瞬時(shí)高載的狀態(tài)，我們最好忽略這個(gè)故障指示，除非后續(xù)不斷出現(xiàn)此類指示。
　　如果已確認(rèn)故障指示，其后就需要確定故障的嚴(yán)重程度，這是CMS診斷的重要組成部分。這部分需要從故障指示信號的超出程度及當(dāng)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)以及該部件的使用歷史來綜合確定。
　　5、預(yù)后
　　一個(gè)小故障而剩余幾個(gè)月的使用壽命與只剩一小時(shí)，嚴(yán)重故障的操作會完全不同。
　　一旦故障已經(jīng)被驗(yàn)證和嚴(yán)重性是已知的，下一個(gè)問題就是需要知道該組件將持續(xù)多久需要更換，也被稱為剩余使用壽命的估計(jì)。組件的剩余使用壽命可以通過多種方式來估計(jì)，但它需要知道：故障的當(dāng)前嚴(yán)重性和該部件的未來運(yùn)行條件的估計(jì)。在我們上面的例子中，一旦患者的病情的嚴(yán)重程度被確定，醫(yī)生可以用根據(jù)情況來預(yù)后。如果當(dāng)前的血壓超出不多（故障嚴(yán)重性）和患者已經(jīng)開始健康的生活方式（未來的運(yùn)行條件），之后10年患者沒有太大的問題。但如果高血壓同樣超出不多，但病人缺乏運(yùn)動(dòng)，生活方式不健康，高血壓不及時(shí)治療會在5年內(nèi)發(fā)展成為心臟病。這兩種情況下，開始在同一級別，但未來運(yùn)行條件導(dǎo)致了完全不同的預(yù)后。CMS有略微不同的是運(yùn)行條件不會變化，但會估計(jì)在不同的維護(hù)策略下部件達(dá)到其使用壽命的終點(diǎn)的時(shí)間。
　　6、建議
　　一旦CMS確定了故障嚴(yán)重性的估計(jì)和該部件的剩余使用壽命，系統(tǒng)需要提出必要的維護(hù)操作策略。該建議需要綜合分析診斷和預(yù)后的數(shù)據(jù)。在我們的例子中，如果患者被診斷為輕度高血壓和預(yù)后會有對它們的總體健康沒有影響，建議將維持其當(dāng)前的生活方式。如果患者接受診斷相同但預(yù)后是，輕度高血壓會導(dǎo)致五年后出現(xiàn)心臟疾病，建議就是多鍛煉和更健康的飲食。對于風(fēng)機(jī)，該建議將是維護(hù)檢修計(jì)劃的形式。如軸承出現(xiàn)故障時(shí)，建議是一個(gè)月內(nèi)通過目視檢查故障，并在三個(gè)月內(nèi)安排更換軸承。這允許有充足的時(shí)間提前計(jì)劃維護(hù)修理，減少停機(jī)時(shí)間和收入損失。
　　此文從整體框架介紹了狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)以及選擇CMS時(shí)的指導(dǎo)原則。許多市場上的系統(tǒng)沒有完整覆蓋整個(gè)狀態(tài)監(jiān)測的六個(gè)步驟。這可能需要操作員來人工處理大量的數(shù)據(jù)。所以選擇CMS時(shí)一定要問供應(yīng)商的系統(tǒng)覆蓋哪部分，是否需要額外的服務(wù)才能得到第六步的維護(hù)檢修建議結(jié)果。一句話總結(jié)本文觀點(diǎn)，判斷一個(gè)CMS的功效好壞只需要看其為運(yùn)營商提供更好的運(yùn)行維護(hù)的決策建議能力的高低。