JP6250345B2

JP6250345B2 - 監視システムおよび監視方法

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Publication number: JP6250345B2
Application number: JP2013196814A
Authority: JP
Inventors: 博志池田; 隆長谷場; 彰利竹内
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2013-09-24
Publication date: 2017-12-20
Anticipated expiration: 2033-09-24
Also published as: US20160245263A1; EP3051126A4; JP2015063916A; CN105579702A; WO2015046129A1; EP3051126A1

Description

本発明は、監視システムおよび監視方法に関するものであり、より特定的には、監視機器を含めた風力発電装置用監視システムおよび風力発電装置用監視システムを用いた監視方法に関するものである。

風力発電装置では、運転監視装置（ＳＣＡＤＡ：ＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙＣｏｎｔｒｏｌＡｎｄＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）や状態監視システム（ＣＭＳ：ＣｏｎｄｉｔｉｏｎＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）により、運転状態や機器の劣化および損傷状態が遠隔地から監視される。ＳＣＡＤＡでは、たとえば風車の回転速度、風速または発電量などの運転情報が収集され、またＣＭＳでは、たとえば風車のブレード、主軸受、増速機または発電機などの機器の劣化および損傷状態が監視される。このような機器の状態監視の例としては、たとえば特開２００５−１７１２８号公報（以下、特許文献１という）において、鉄道車両設備などの機械設備の状態監視方法が提案されている。

特開２００５−１７１２８号公報

従来の風力発電装置用状態監視システム（ＣＭＳ）では、主に振動センサを用いて機器の劣化および損傷状態が監視される。よって、従来では監視対象である各々の機器に対してセンサを近接して配置する必要がある。そのため、多数のセンサを配置する必要があり、その結果装置コストが増大するという問題がある。

また、風力発電装置では、風速により主軸の回転速度が変化し、風向きによりナセルが回転するなど、運転条件が常時変化している。そのため、このような運転条件の変化が機器の状態監視においてノイズとして作用する場合があり、その結果高精度な機器の診断が困難になるという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、よりコスト削減された監視システムおよび当該監視システムを用いた監視方法を提供することである。

本発明に従った監視システムは、風力発電装置の機器の状態を監視する監視システムである。上記監視システムは、上記機器を内部に保持する筐体の上記内部に配置され、基準値として決定される正常運転時の第１の音情報および前記第１の音情報とは別に定期的に得られる第２の音情報を取得する検出部と、検出部により取得される第１および第２の音情報と、前記第１の音情報を得ることができる際の基準となる運転条件である第１の運転条件および前記第２の音情報を得ることができる際の運転条件である第２の運転条件を収集し、インターネット上のサーバに転送するデータ収集部と、監視端末とを備えている。上記サーバは、上記第１の音情報および上記第１の運転条件と、上記第２の音情報および上記第２の運転条件とを保存し、上記データ収集部より転送される上記第１および第２の音情報に基づいて上記基準値との比較および分析を行う比較分析部をさらに備えている。上記第１および第２の音情報は音圧の時系列信号である。上記第１および第２の運転条件は、範囲をもった回転速度、発電量、ヨー回転速度および風速である。上記監視端末は上記比較分析部による比較および分析の結果を表示し監視する。

本発明に従った監視システムでは、風力発電装置の筐体の内部に配置される機器の動作による音情報を検出部により取得することができる。そして、取得された音情報をデータ収集部が収集し、インターネット上のサーバに転送する。転送された音情報はサーバに保存され、基準値（閾値）と比較され診断される。診断結果は、風力発電装置の外部に備えられた監視端末により表示、監視される。これにより、検出部により取得される音情報に基づいて筐体から離れた場所より機器の損傷や劣化状態を診断することができる。また、上記検出部によれば、従来の振動センサに比べてより広範囲に上記機器の動作による情報を取得することができる。そのため、筐体の内部に配置すべき検出部の数をより少なくすることが可能になり、その結果監視システムのコストをより削減することができる。したがって、本発明に従った監視システムによれば、よりコスト削減された監視システムを提供することができる。

上記監視システムにおいて、風力発電装置は、風力により回転する主軸と、主軸に接続された増速機と、増速機に隣接して配置され、主軸を支持する主軸受と、主軸受とは反対側において増速機に接続される発電機とを含んでいてもよい。また、検出部は、主軸受と増速機との間に配置される第１検出部と、増速機と発電機との間に配置される第２検出部とを含んでいてもよい。

これにより、筐体の内部に配置すべき検出部の数をさらに少なくすることができる。その結果、監視システムのコストをさらに削減することができる。

上記監視システムにおいて、検出部は、指向性を有し、指向性が高い方向を上記機器に対して変更可能な可動式であり、第１および第２の音情報を取得する集音部を含んでいてもよい。

これにより、筐体の内部に配置すべき検出部の数を一層少なくすることができる。また、上記機器に対する集音部の方向と取得される音情報とを関連付けることが可能になり、その結果機器の劣化、損傷状態をより確実に診断することができる。

上記監視システムにおいて、風力発電装置の定格出力が５００ｋＷよりも大きくてもよい。このように、上記監視システムは定格出力が大きい風力発電装置の機器の監視において好適に用いることができる。

本発明に従った監視方法は、風力発電装置の機器の状態を監視する監視方法である。上記監視方法は、風力発電装置において基準となる運転条件である第１の運転条件を決定するステップと、上記第１の運転条件において、上記機器を内部に保持する筐体の上記内部に配置される検出部により正常時の上記機器の動作に基づく基準値としての第１の音情報を取得し決定するステップと、上記第１の音情報とは別に定期的に第２の音情報が得られる際の運転条件である第２の運転条件が、風力発電装置の運転時において上記第１の運転条件と合致する場合のみ、上記検出部により上記機器の動作に基づく上記第２の音情報を取得し、上記第２の音情報と上記基準値とを比較して、上記機器の状態を診断するステップとを備えている。上記第１および第２の音情報は音圧の時系列信号である。上記第１および第２の運転条件は、範囲をもった回転速度、発電量、ヨー回転速度および風速である。

本発明に従った監視方法では、まず、風力発電装置の基準運転条件が決定され、上記基準運転条件において上記機器の動作による音情報の基準値が決定され、風力発電装置の運転条件が基準運転条件である場合において取得された音情報が上記基準値と比較される。これにより、風力発電装置の運転条件を一定にした状態で機器の動作による音情報の比較を行うことができる。そのため、上記検出部により広範囲において上記機器の動作による音情報を取得した場合でも、風力発電装置の運転条件の変化が機器の状態の診断においてノイズとして作用することを抑制することができる。その結果、機器の状態をより高精度に診断することができる。したがって、本発明に従った監視方法によれば、風力発電装置の機器の状態をより高精度に診断することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明に従った監視システムによれば、よりコスト削減された監視システムを提供することができる。また、本発明に従った監視方法によれば、風力発電装置の機器の状態をより高精度に診断することができる。

実施の形態１に係る風力発電装置および風力発電装置用監視システムの一部の構成を示す概略図である。実施の形態１に係る風力発電装置用監視システムの一部の構成を示す概略図である。実施の形態１に係る監視方法を概略的に示すフローチャートである。実施の形態２に係る風力発電装置用監視システムの一部の構成を示す概略図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
はじめに、本発明の一実施の形態である実施の形態１について説明する。まず、本実施の形態に係る風力発電装置の構成について説明する。図１を参照して、本実施の形態に係る風力発電装置１０は、ブレード２０と、ナセル３０（筐体）と、支柱４０と、主軸５０と、増速機６０と、発電機７０と、主軸受８０とを主に備えている。

ナセル３０の内部には、風力発電装置１０の機器（主軸５０、増速機６０、発電機７０および主軸受８０）と、マイク９０，９１（検出部）と、データ収集装置９２（データ収集部）と、カメラ９３とが主に配置されている。マイク９０，９１により、風力発電装置１０の上記機器の動作に基づく音響データ（音情報）を取得可能になっている。また、カメラ９３により、ナセル３０の内部に配置される上記機器の画像データを取得可能になっている。マイク９０，９１およびデータ収集装置９２は、後述する本実施の形態に係る風力発電装置用監視システムを構成する。

ナセル３０は、地上（図示しない）に設置された支柱４０の上方（すなわち高所）に配置されている。ナセル３０は、支柱４０の軸周りにおいて回転自在となっている。ブレード２０は、ナセル３０の外部に突出した主軸５０の一端に接続されている。主軸５０は、ナセル３０内に配置されており、ブレード２０が受ける風力により回転可能となっている。

増速機６０は、ブレード２０が接続される上記一端とは反対側の他端において主軸５０に接続されている。増速機６０は、主軸５０の回転を増速し、増速された主軸５０の当該回転を出力軸６１を介して発電機７０へ出力する。増速機６０は、たとえば遊星ギヤまたは中間軸、高速軸などを含む歯車増速機構により構成されている。

発電機７０は、主軸受８０とは反対側において増速機６０に接続されている。発電機７０は、出力軸６１を介して増速機６０に接続され、増速機６０から出力された回転により発電する。発電機７０は、たとえば誘導発電機である。

主軸受８０は、増速機６０に隣接して配置されており、主軸５０を軸周りにおいて回転可能に支持する。主軸受８０は、転がり軸受であり、たとえば自動調芯ころ軸受、円すいころ軸受、円筒ころ軸受または玉軸受などである。また、これらの軸受は、単列のものでも複列のものでもよい。

風力発電装置１０の定格出力は特に限定されるものではないが、たとえば５００ｋＷよりも大きくなっている。

次に、本実施の形態に係る風力発電装置の動作について説明する。図１を参照して、まず、風力を受けてブレード２０が回転することにより、ブレード２０に接続された主軸５０が主軸受８０により支持されつつ回転する。主軸５０の当該回転は増速機６０に伝達されて増速され、出力軸６１の回転に変換される。そして、出力軸６１の当該回転は発電機７０に伝達され、電磁誘導作用により発電機７０において起電力が発生する。このようにして、上記風力発電装置は動作する。

次に、本実施の形態に係る風力発電装置用監視システムの構成について説明する。図１および図２を参照して、本実施の形態に係る風力発電装置用監視システムは、風力発電装置１０の機器（主軸５０、増速機６０、発電機７０および主軸受８０）の損傷および劣化状態を監視するための装置である。

上記風力発電装置用監視システムは、ナセル３０の内部に配置されるマイク９０，９１およびデータ収集装置９２と（図１）、データ収集装置９２より転送される音情報を保存し、基準値（閾値）と比較して診断するインターネット１０２上のサーバ１０１（比較分析部）と、サーバ１０１と接続され、サーバ１０１による診断結果を表示し監視する監視用端末１００（監視端末）とを主に備えている。

図１を参照して、マイク９０，９１は、風力発電装置１０の上記機器の動作による音響データを取得するためのものである。図１に示すように、マイク９０(第１検出部）は、主軸受８０と増速機６０との間において主軸５０の外周面に対向するように配置されている。マイク９０は、主軸５０、増速機６０および主軸受８０との間に配置されている。マイク９０は、上記配置により主に主軸５０、主軸受８０および増速機６０の回転動作による音響データを取得可能になっている。

図１に示すように、マイク９１（第２検出部）は、増速機６０と発電機７０との間に配置されている。マイク９１は、上記配置により主に増速機６０および発電機７０の動作による音響データを取得可能になっている。

マイク９０，９１は、全指向性（無指向性）を有するものであってもよいし、指向性を有するものであってもよい。また、本実施の形態ではマイクの設置数が２個である場合を説明したがこれに限定されず、複数のマイク（検出部）が設置されていればよい。また、複数のマイクの各々は、ナセル３０の内部においてブレード２０、主軸受８０、増速機６０および発電機７０の各々に対して距離を保持しつつ近接するように配置することが好ましい。また、マイク９０，９１により取得される音響データは、音圧の時系列信号や音圧の実効値などである。

データ収集装置９２は、マイク９０，９１により取得された音響データを収集し、インターネット１０２上のサーバ１０１にデータを転送するためのものである。データ収集装置９２は、ケーブル９４，９５を介してマイク９０，９１の各々に接続されている。これにより、マイク９０，９１により取得される音響データをデータ収集装置９２に入力可能になっている。

データ収集装置９２は、主軸５０、増速機６０および発電機７０の回転速度、発電機７０の発電量、ナセル３０のヨー回転速度ならびに風速などの運転条件に基づく信号も入力可能となっている。また、データ収集装置９２は、インターネット１０２上のサーバ１０１にデータを転送し、監視用端末１００（図２）はインターネット１０２上のサーバ１０１に接続されている。

図１および図２を参照して、監視用端末１００は、マイク９０，９１により取得される風力発電装置１０の上記機器の動作による音響データをサーバ１０１が分析した結果を表示し監視するためのものである。監視用端末１００は、インターネット１０２上のサーバ１０１と接続されている。これにより、マイク９０，９１により取得され、データ収集装置９２により収集される音響データを、ナセル３０の外部に配置される監視用端末１００に対して入力可能となっている。また、監視用端末１００は、マイク９０，９１と同様にデータ収集装置９２とも接続され、インターネット１０２上のサーバ１０１に画像データが保存され、監視用端末１００でデータを確認することができる。

以上のように、本実施の形態に係る風力発電装置用システムでは、風力発電装置１０のナセル３０の内部に配置される機器（主軸５０、増速機６０、発電機７０および主軸受８０）の動作による音響データをマイク９０，９１により取得し、データ収集装置９２に入力できるようになっている。それらのデータは、インターネット１０２上のサーバ１０１に保存され、閾値と比較、診断される。それらの診断結果は、監視用端末１００で表示し監視することができる。これにより、マイク９０，９１により取得される音響データに基づいて、上記機器の損傷や劣化状態を地上において診断することができる。また、マイク９０，９１によれば、振動センサに比べてより広範囲において上記機器の動作情報を取得することができる。そのため、ナセル３０の内部に配置すべきセンサの数をより少なくすることが可能になり、その結果監視システムのコストをより削減することができる。また、センサの取付や配線に必要な工程数をより少なくすることもできる。さらに、振動センサを用いる場合には、監視対象となる機器表面の塗装を剥がして当該振動センサを取り付けるための平坦面を確保し、ネジ穴加工などをする必要もあるが、当該振動センサをマイク９０，９１により代替することでこれを回避することもできる。このように、本実施の形態に係る風力発電装置用監視システムは、よりコスト削減された監視システムになっている。

上記風力発電装置用監視システムは、主軸受８０と増速機６０との間に配置されるマイク９０と、増速機６０と発電機７０との間に配置されるマイク９１とを含んでいてもよい。上記配置により、より少ない数のセンサによって風力発電装置１０の機器の動作による音響データを取得することができる。その結果、監視システムのコストをさらに削減することができる。

次に、本実施の形態に係る監視方法について説明する。上記本実施の形態に係る監視方法は、上記風力発電装置１０の機器（主軸５０、増速機６０、発電機７０および主軸受８０）の損傷や劣化状態を監視するための方法であり、上記本実施の形態に係る風力発電装置用監視システムを用いて実施される。

図３を参照して、まず、ステップ（Ｓ１０）として観測モード運転が実施される。このステップ（Ｓ１０）では、図１を参照して、風力発電装置１０の上記機器の監視における基準となる運転条件（すなわち基準運転条件）が決定される。

このステップ（Ｓ１０）では、まず主軸５０、増速機６０および発電機７０の回転速度、発電機７０の発電量、ナセル３０のヨー回転速度ならびに風速などの運転条件に基づく信号が、運転監視装置（図示しない）やセンサから上記監視システムのデータ収集装置９２に入力される。そして、上記回転速度、発電量、ヨー回転速度および風速が所定範囲内である運転条件が基準運転条件として決定される。この基準運転条件は、たとえば風力発電装置１０が定格出力を発生している場合に成立してもよい。それらの情報は、インターネット１０２上のサーバ１０１上に保存される。

次に、ステップ（Ｓ２０)として学習モード運転が実施される。このステップ（Ｓ２０）では、図１を参照して、ナセル３０の内部に配置されるマイク９０，９１により、正常運転時における上記機器（主軸５０、増速機６０、発電機７０および主軸受８０）の動作による音響データが取得される。この音響データは、風力発電装置１０の運転条件が上記（Ｓ１０）で決定された基準運転条件に合致する場合にのみ取得される。これにより、上記基準運転条件の下において音響データの基準値（閾値）が決定される。それらの情報は、インターネット１０２上のサーバ１０１に保存され、基準値（閾値）の決定はサーバ１０１で行う。

次に、ステップ（Ｓ３０）として運用モード運転が実施される。このステップ（Ｓ３０）では、図１および図２を参照して、ナセル３０の内部に配置されるマイク９０，９１により、風力発電装置１０の運転時における上記機器（主軸５０、増速機６０、発電機７０および主軸受８０）の動作による音響データが定期的に取得される。そして、データ収集装置９２から入力された音響データがインターネット１０２上のサーバ１０１に保存され、サーバ１０１で基準値（閾値）との比較、診断が行われ、監視用端末１００上で表示、監視される。また、風力発電装置１０の運転条件が上記（Ｓ１０）で決定された基準運転条件に合致する場合においてのみ、取得された音響データと上記（Ｓ２０）で決定された基準値とが比較される。そして、取得された音響データが上記基準値（閾値）を超える場合（たとえば取得された実効値や周波数のスペクトルの値が上記基準値となる実効値や周波数のスペクトルの値を超える場合）には、監視用端末１００上にインターネット１０２上のサーバ１０１から警報が発信される（図３中の「ＹＥＳ」の場合）。一方、取得された音響データが上記基準値を超えない場合（たとえば取得された実効値や周波数のスペクトルが上記基準値となる実効値や周波数のスペクトルの値を超えない場合）には、風力発電装置１０の上記機器の監視が継続される（図３中の「ＮＯ」の場合）。このようにして風力発電装置１０の上記機器の状態が診断される。

以上のように、本実施の形態に係る監視方法では、まず風力発電装置１０の基準運転条件が決定され（Ｓ１０）、上記基準運転条件において上記機器の動作による音響データの基準値（閾値）が決定され（Ｓ２０）、風力発電装置１０の運転条件が基準運転条件である場合において取得された音響データが上記基準値と比較される。これにより、風力発電装置１０の運転条件を一定にした状態で上記機器の動作による音響データの比較を行うことができる。そのため、マイク９０，９１により広範囲において上記機器の動作による音響データを取得した場合でも、風力発電装置１０の運転条件の変化が上記機器の状態の診断においてノイズとして作用することを抑制することができる。その結果、上記機器の状態をより高精度に診断することができる。したがって、本実施の形態に係る監視方法によれば、風力発電装置１０の機器の状態をより高精度に診断することができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態２について説明する。本実施の形態に係る風力発電装置用監視システムは、上記実施の形態１の場合と基本的には同様の構成を備え、同様の使用され、かつ同様の効果を奏する。しかし、本実施の形態に係る風力発電装置用監視システムは、検出部の構成において上記実施の形態１の場合とは異なっている。

図２および図４を参照して、本実施の形態に係る風力発電装置用監視システムは、上記実施の形態１の場合と同様に、風力発電装置１０の機器（主軸５０、増速機６０、発電機７０および主軸受８０）の損傷や劣化状態を監視するための装置である。上記風力発電装置用監視システムは、ナセル３０の内部に配置される可動式のマイク９７と（図４）、取得した音情報を収集し、サーバに転送するデータ収集部と、それらの音情報をインターネット上のサーバに保存し、基準値（閾値）と比較をし、診断する比較診断部と、診断結果を表示、監視し、ナセル３０の外部に配置される監視用端末１００（図２）とを主に備えている。

マイク９７（集音部）は、指向性を有するマイクであり、風力発電装置１０の上記機器の動作による音響データ（音情報）を取得可能になっている。

マイク９７は、可動式である。マイク９７は、可動部を動作させることにより上記機器に対する方向を変更可能になっている（図４中破線）。これにより、マイク９７の指向性が高い方向を主軸５０、増速機６０、発電機７０および主軸受８０などの機器に対して変更可能になっている。

以上のように、本実施の形態に係る風力発電装置用監視システムは、指向性を有し、指向性が高い方向を上記機器に対して変更可能な可動式のマイク９７を備えている。これにより、さらに少ない数のセンサによって風力発電装置１０の機器の動作による音響データを取得することができる。その結果、監視システムのコストを一層削減することができる。また、上記機器に対するマイク９７の方向と取得される音響データとを関連付けて監視を行うことが可能になり、その結果機器の劣化、損傷状態をより確実に診断することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の監視システムおよび監視方法は、風力発電装置用監視システムおよび風力発電装置用監視システムを用いた監視方法において、特に有利に適用され得る。

１０風力発電装置、２０ブレード、３０ナセル、４０支柱、５０主軸、６０増速機、６１出力軸、７０発電機、８０主軸受、９０，９１，９７マイク、９２データ収集装置、９３カメラ、９４，９５，９６ケーブル（ＬＡＮケーブル）、１００監視用端末、１０１サーバ、１０２インターネット。

Claims

風力発電装置の機器の状態を監視する監視システムであって、
前記機器を内部に保持する筐体の前記内部に配置され、基準値として決定される正常運転時の第１の音情報および前記第１の音情報とは別に定期的に得られる第２の音情報を取得する検出部と、
前記検出部により取得される前記第１および第２の音情報と、前記第１の音情報を得ることができる際の基準となる運転条件である第１の運転条件および前記第２の音情報を得ることができる際の運転条件である第２の運転条件を収集し、インターネット上のサーバに転送するデータ収集部と、
監視端末とを備え、
前記サーバは、前記第１の音情報および前記第１の運転条件と、前記第２の音情報および前記第２の運転条件とを保存し、前記データ収集部より転送される前記第１および第２の音情報に基づいて前記基準値との比較および分析を行う比較分析部をさらに備え、
前記第１および第２の音情報は音圧の時系列信号であって、
前記第１および第２の運転条件は、範囲をもった回転速度、発電量、ヨー回転速度および風速であり、
前記監視端末は前記比較分析部による比較および分析の結果を表示し監視する、監視システム。
前記風力発電装置は、
風力により回転する主軸と、
前記主軸に接続された増速機と、
前記増速機に隣接して配置され、前記主軸を支持する主軸受と、
前記主軸受とは反対側において前記増速機に接続される発電機とを含み、
前記検出部は、
前記主軸受と前記増速機との間に配置される第１検出部と、
前記増速機と前記発電機との間に配置される第２検出部とを含む、請求項１に記載の監視システム。
前記検出部は、指向性を有し、前記指向性が高い方向を前記機器に対して変更可能な可動式であり、前記第１および第２の音情報を取得する集音部を含む、請求項１に記載の監視システム。
前記風力発電装置の定格出力が５００ｋＷよりも大きい、請求項１〜３のいずれか１項に記載の監視システム。
風力発電装置の機器の状態を監視する監視方法であって、
前記風力発電装置において基準となる運転条件である第１の運転条件を決定するステップと、
前記第１の運転条件において、前記機器を内部に保持する筐体の前記内部に配置される検出部により正常時の前記機器の動作に基づく基準値としての第１の音情報を取得し決定するステップと、
前記第１の音情報とは別に定期的に第２の音情報が得られる際の運転条件である第２の運転条件が、前記風力発電装置の運転時において前記第１の運転条件と合致する場合のみ、前記検出部により前記機器の動作に基づく前記第２の音情報を取得し、前記第２の音情報と前記基準値とを比較して、前記機器の状態を診断するステップとを備え、
前記第１および第２の音情報は音圧の時系列信号であって、
前記第１および第２の運転条件は、範囲をもった回転速度、発電量、ヨー回転速度および風速である、監視方法。