WO2020195691A1

WO2020195691A1 - 状態監視システム

Info

Publication number: WO2020195691A1
Application number: PCT/JP2020/009556
Authority: WO
Inventors: 仁齊藤; 隆長谷場
Original assignee: Ntn株式会社
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2020-10-01
Also published as: JP2024014949A; EP3951167A4; US11939955B2; EP3951167B1; US20240229773A1; EP3951167A1; US20220170446A1

Abstract

状態監視システム（５００）は、監視用端末（２０２）と、加速度センサ（７１～７３）と、データ処理装置（８０）とを備える。データ処理装置（８０）は、加速度センサ（７１～７３）で計測したデータから診断パラメータ（Ｒ）を算出し、診断パラメータ（Ｒ）に基づいて風力発電装置（１０）に含まれる軸受または歯車の損傷の度合いを判断し、軸受または歯車の損傷の度合いに応じた風力発電装置（１０）の発電電力の抑制度合いを示す情報を監視用端末（２０２）に表示させる。

Description

状態監視システム

　この発明は、状態監視システムに関し、特に発電装置の状態監視システムに関する。

　環境に配慮した発電装置として、風力発電装置が注目されている。風力発電装置においては、風力を回転力に変換するブレードおよびその回転力を電力に変換するための変換装置を格納するナセルが、支柱上の高所（例えば地上数十メートル）に配設される。各風力発電装置において、各種センサから収集されるデータを用いて風力発電装置の状態監視が行なわれている。このような状態監視は、遠隔地から通信回線などを経由して行なわれる場合が多い。

　このような風力発電装置の状態監視装置の例が、特開２００９－２８７５６４号公報（特許文献１）、特開２０１３－１８５５０７号公報（特許文献２）、特開２０１８－０６０３８７号公報（特許文献３）に開示されている。

特開２００９－２８７５６４号公報特開２０１３－１８５５０７号公報特開２０１８－０６０３８７号公報特許第３８８２３２８号公報

　上記特開２００９－２８７５６４号公報（特許文献１）に記載された技術では、風力発電装置周辺の環境条件に応じて風力発電装置の出力を制御している。しかしながら、風力発電装置を構成する回転機械（増速機等）の損傷については、出力制御の要素として考慮されていない。

　風力発電装置を構成する回転機械（増速機等）に損傷の疑いがある場合、機械の交換やメンテナンス等を行なう必要がある。その作業の間は発電装置を停止させるため発電できず、発電事業者にとっては利益の損失となる。

　また、回転機械が損傷している状態で運転を継続した場合、損傷が進行して突発的な故障が発生し、発電装置を停止せざるを得ない状況が生じる。その場合、停止してからメンテナンス計画の立案、交換用機械の手配等を行なうことになるため、ダウンタイムが長期化するおそれもある。

　上記の問題を回避するため、発電事業者の判断で、発電装置の出力を定格より低い状態として運転を継続させる場合がある。出力を抑えると回転速度は定格運転時と比べて遅くなり、損傷の進行も定格運転時と比較して緩やかになる。これによって、損傷の進行を抑えつつ発電することができる。

　上記のように出力を抑制して運転させる場合、どの時期からどの程度出力を抑えるかについては、例えば機械の異音やグリースまたは潤滑油中に含まれる金属摩耗粉等から人間が判断する。人間の判断により制御を行なうため、その制御が最適ではない可能性がある。例えば、最適な出力よりも高い出力で運転させたり、逆に低い出力で運転させたりする、といったことが考えられる。

　また、風力発電装置に搭載されている監視システム（ＳＣＡＤＡ:Supervisory　Control　And　Data　Acquisition）によって出力を制御している場合もある。しかし、ＳＣＡＤＡが収集するデータは、風向、風量、発電量、回転速度といった運転状況に関するものであり、回転機械の振動については収集していない。軸受または歯車の損傷の兆候は高周波帯域の振動に現れるため、ＳＣＡＤＡでは回転機械の損傷具合に応じた出力制御の実現は難しい。

　本発明は、このような課題を解決するためのものであって、その目的は、発電装置の損傷状態に応じた抑制量を提示する状態監視システムを提供することである。

　本開示は、風力発電装置の状態を監視する状態監視システムに関する。状態監視システムは、監視用端末と、加速度センサと、データ処理装置とを備える。データ処理装置は、加速度センサで計測したデータから診断パラメータを算出し、診断パラメータに基づいて風力発電装置に含まれる軸受または歯車の損傷の度合いを判断し、軸受または歯車の損傷の度合いに応じた風力発電装置の発電電力の抑制度合いを示す情報を監視用端末に表示させる。

　好ましくは、データ処理装置は、メモリと、診断パラメータの大きさが第１しきい値を超える回数をメモリに記憶させる演算部とを含む。演算部は、回数が予め定められた第１の数になるまでは、抑制度合いを示す情報を監視用端末に表示させず、回数が予め定められた第１の数以上となった場合に、抑制度合いを示す情報を監視用端末に表示させる。

　より好ましくは、演算部は、診断パラメータが第１しきい値よりも大きい第２しきい値を超えた場合に、風力発電装置の運転を制御する制御装置に対して風力発電装置の運転の停止を指示する信号を出力する。

　好ましくは、データ処理装置は、風力発電装置の回転要素の回転速度と発電出力との積に基づいて、診断パラメータの時間的な変化率を算出する際の区間を決定する。データ処理装置は、区間における診断パラメータの変化率が、前回の区間の診断パラメータの変化率よりも増加した場合には、抑制度合いを算出し、算出した抑制度合いが反映された情報を監視用端末に表示させる。

　好ましくは、データ処理装置は、診断パラメータの大きさがしきい値を超えた場合に、加速度センサで計測する頻度を増加させる。

　より好ましくは、加速度センサは、複数の加速度センサ素子を備える。データ処理装置は、複数の加速度センサ素子の各々で計測したデータの各々に対して、診断パラメータを算出する。データ処理装置は、複数の加速度センサ素子のうち対応する診断パラメータの大きさがしきい値を超えた加速度センサ素子については、計測頻度を増加させる一方で、複数の加速度センサ素子のうち対応する診断パラメータの大きさがしきい値を超えていない加速度センサ素子については、計測頻度を変更しない。

　より好ましくは、加速度センサは、複数の加速度センサ素子を備える。データ処理装置は、複数の加速度センサ素子の各々で計測したデータの各々に対して、診断パラメータを算出する。データ処理装置は、複数の加速度センサ素子のうち対応する診断パラメータの大きさがしきい値を超えた加速度センサ素子が存在する場合、複数の加速度センサ素子について計測頻度を増加させる。

　本発明によれば、発電装置の損傷状態に応じた抑制量を提示する。このため、発電事業者の作業者の勘などに頼ることなく、発電装置の損傷の進行を抑えつつ、メンテナンス時期まで発電事業を継続する抑制量に設定し、突発的な故障などを避けることができる。

この発明の実施の形態に従う状態監視装置が適用される風力発電装置の構成を概略的に示した図である。状態監視システムの構成を示す機能ブロック図である。診断パラメータＲとして実効値ＲＭＳを採用した場合に設定されるしきい値を説明するための図である。実施の形態１において状態監視システムの稼働直後に実行される処理を説明するためのフローチャートである。ステップＳ９で実行される出力抑制判断処理のフローチャートの前半部を示す図である。ステップＳ９で実行される出力抑制判断処理のフローチャートの後半部を示す図である。負荷パラメータＰの積分について説明するための図である。診断パラメータＲの変化率の算出について説明するための図である。実施の形態２において状態監視システムの稼働直後に実行される処理を説明するためのフローチャートである。図９のステップＳ１０４において実行される追加計測タイミングの設定処理を説明するためのフローチャートである。追加計測タイミングを設定する場合のしきい値を説明するための図である。実施の形態２の変形例において、実行される追加計測タイミングの設定処理を説明するためのフローチャートである。追加計測タイミングがどのように設定されるかの一例を説明するための図である。実施の形態３において状態監視システムの稼働直後に実行される処理を説明するためのフローチャートである。図１４のステップＳ１３１において実行される追加計測タイミングの設定処理を説明するためのフローチャートである。実施の形態３の変形例において、実行される追加計測タイミングの設定処理を説明するためのフローチャートである。

　以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。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］
　図１は、この発明の実施の形態に従う状態監視装置が適用される風力発電装置の構成を概略的に示した図である。図１を参照して、風力発電装置１０は、主軸２０と、ブレード３０と、増速機４０と、発電機５０と、制御盤５２と、送電線５４と、主軸用軸受（以下、単に「軸受」と称する。）６０とを備える。

　増速機４０、発電機５０、制御盤５２、および軸受６０は、ナセル９０に格納され、ナセル９０は、タワー１００によって支持される。

　主軸２０は、ナセル９０内に進入して増速機４０の入力軸に接続され、軸受６０によって回転自在に支持される。そして、主軸２０は、風力を受けたブレード３０により発生する回転トルクを増速機４０の入力軸へ伝達する。ブレード３０は、主軸２０の先端に設けられ、風力を回転トルクに変換して主軸２０に伝達する。

　軸受６０は、ナセル９０内において固設され、主軸２０を回転自在に支持する。軸受６０は、転がり軸受によって構成され、例えば、自動調芯ころ軸受や円すいころ軸受、円筒ころ軸受、玉軸受等によって構成される。なお、これらの軸受は、単列のものでも複列のものでもよい。

　増速機４０は、主軸２０と発電機５０との間に設けられ、主軸２０の回転速度を増速して発電機５０へ出力する。一例として、増速機４０は、遊星ギヤや中間軸、高速軸等を含む歯車増速機構によって構成される。発電機５０は、増速機４０の出力軸に接続され、増速機４０から受ける回転トルクによって発電する。発電機５０は、例えば、誘導発電機によって構成される。

　制御盤５２は、インバータ（図示せず）等を含んで構成される。インバータは、発電機５０による発電電力を系統の電圧および周波数に変換し、系統に接続される送電線５４へ出力する。

　風力発電装置１０の監視を行なうために、状態監視システムが風力発電装置１０に設置される。

　図２は、状態監視システムの構成を示す機能ブロック図である。図１、図２を参照して、状態監視システム５００は、加速度センサ７１～７３と、近接センサ７４と、電流センサ７５と、データ処理装置８０と、監視用端末２０２とを備える。加速度センサ７１～７３と、近接センサ７４と、電流センサ７５と、データ処理装置８０とは、ナセル９０に格納される。これらの要素間の接続については、有線でも無線でも良い。

　加速度センサ７１～７３は、風力発電装置１０のナセル９０内にある増速機４０、発電機５０、軸受６０といった回転機械にそれぞれ設置され、これらの振動を検出するとともに、振動の各検出値をデータ処理装置８０へ出力する。加速度センサ７１～７３は、各回転機械を構成する軸受、歯車の振動を検出できる位置に設置するのが好ましい。

　加速度センサ７１～７３は、回転機械内の軸受または歯車の損傷を検知する用途で用いる。そのため、損傷の兆候が表れる高周波帯域（２ｋＨｚ～１０ｋＨｚ）の振動を測定できるセンサが望ましい。

　近接センサ７４は、風力発電装置１０の回転数を検出する用途で用いる。発電機５０のシャフトの回転を検出できる位置に設置することが望ましい。近接センサ７４は、例えば、発電機５０のシャフトのボルトの頭部などの突起または穴などがシャフトの回転によって近接する周期を検出することによって、風力発電装置の回転速度を検出する。

　電流センサ７５は、風力発電装置１０の発電出力を検出する目的でナセル９０内に設置される。

　データ処理装置８０は、加速度センサ７１～７３、近接センサ７４、電流センサ７５の出力をそれぞれ受けてノイズを除去するフィルタ８１～８５と、ノイズ除去された信号をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器９１～９５と、演算部（プロセッサ）２００と、記憶部であるメモリ２０１とを備える。

　演算部２００は、定期的（例えば２時間毎）に各センサでの計測を行なう。演算部２００は、加速度センサ７１～７３での収集データについては各々のセンサに対応する複数の診断パラメータＲを算出する。診断パラメータＲは、軸受または歯車の損傷検出に感度の高いものとする。診断パラメータＲは、計測条件をそろえるため、回転速度と発電出力が設定値を超過している場合にのみ算出するものとする。

　診断パラメータＲとしては、例えば、以下の式で与えられる、実効値ＲＭＳ、変調値ＭＯＦ、ピーク値Ｐｅａｋ、エンベロープスペクトルピーク値ＥｎｖＰｅａｋのような特徴量を用いることができる。

　式（１）は、実効値ＲＭＳを示し、ｔは時刻を示し、Ｔは、ｔ２－ｔ１の算出区間を示し、ｖ（ｔ）は、時間波形を示す。

　式（２）は、変調値ＭＯＦを示し、ｖ_ＡＭ（ｔ）は、時間波形の包絡線を示す。

　式（３）は、ピーク値Ｐｅａｋを示す。

　式（４）は、エンベロープスペクトルピーク値を示す。ｆは周波数を示し、Ｖ_ＡＭ（２πｆ）は、エンベロープスペクトルを示す。エンベロープスペクトルは、下式（５）で表される。

　演算部２００は、また、風力発電装置１０の発電制御を行なう発電制御装置３００と連携可能に構成される。例えば、演算部２００は、風力発電装置１０の損傷が進行した場合に、発電を停止させる停止信号を発電制御装置３００に送信する。発電制御装置３００は、ＳＣＡＤＡ（Supervisory　Control　And　Data　Acquisition）の一種である。

　図３は、診断パラメータＲとして実効値ＲＭＳを採用した場合に設定されるしきい値を説明するための図である。図３に示すように、診断パラメータＲについては、２種類のしきい値を設定する。２種類のしきい値は任意に設定しても良いし、一定期間の測定データに基づいて生成しても良い。例えば、しきい値Ｒｔｈ１（初期損傷検出しきい値）としきい値Ｒｔｈ２（使用限界しきい値）とを設定する。

　しきい値Ｒｔｈ１は、初期損傷を検出するためのしきい値である。しきい値Ｒｔｈ１によって、軸受または歯車の損傷の度合いが、正常（損傷無し）であるか軽度な損傷であるかを判断することができる。

　しきい値Ｒｔｈ２は、損傷の度合いが軸受または歯車の交換が必要な位に進行したことを検出するためのしきい値である。しきい値Ｒｔｈ２は、初期損傷検出用のしきい値Ｒｔｈ１よりも大きな値をとる。

　図４は、実施の形態１において状態監視システムの稼働直後に実行される処理を説明するためのフローチャートである。図２、図４を参照して、演算部２００は、ステップＳ１において、しきい値超過カウンタの計数値ｍをｍ＝０に初期化する。続いて、演算部２００は、ステップＳ２において、予め設定した計測周期（例えば、２時間）が経過するまで時間待ちを行ない、ステップＳ３において、加速度センサ７１～７３を用いて計測を行なう。そしてステップＳ４において計測で得られたデータから診断パラメータＲ（図３に例示する）を算出する。

　続いて、ステップＳ５において、演算部２００は、しきい値Ｒｔｈ１を超過した診断パラメータＲの数Ｘ１がｎ１個以上であるか否かを判断する。図１の例では振動センサが３個なので、診断パラメータＲの数も３個であるが、さらに多くの振動センサの数があっても良い。判定値であるｎ１は１以上の整数であり、振動センサの数に応じて適宜定めることができる。Ｘ１≧ｎ１が成立しない場合（Ｓ５でＮＯ）には、ステップＳ１に処理が戻る。Ｘ１≧ｎ１が成立した場合（Ｓ５でＹＥＳ）には、演算部２００は、ステップＳ６においてしきい値超過カウンタの計数値ｍが設定値以上であるか否かを判断する。

　ｍが設定値未満である場合（Ｓ６でＮＯ）、ステップＳ７において計数値ｍに１が加算され、再びステップＳ２以降の処理が実行される。このようにすることによって、計測データに混入したノイズ等で一時的にしきい値を超過しても、ステップＳ９の出力抑制判断処理は実施されない。

　設定個数（ｎ１）以上の診断パラメータＲが、設定値の回数だけ連続でしきい値Ｒｔｈ１を超過した場合（Ｓ５でＹＥＳかつＳ６でＹＥＳ）は、ステップＳ８において演算部２００は、軸受または歯車が使用限界を超えたか否かを判断する。具体的には、演算部２００は、しきい値Ｒｔｈ２を超えた診断パラメータＲの数がｎ２個以上であるか否かを判断する。

　しきい値Ｒｔｈ２を超えた診断パラメータＲの数がｎ２個未満である場合（Ｓ８でＮＯ）、演算部２００は、ステップＳ９において出力抑制判断処理を実行して、推奨する出力抑制量を監視用端末２０２に表示する。オペレータは、監視用端末２０２に表示された抑制量を参考にし、発電機の出力を決定し、発電機の運転を継続する。発電機の運転が継続された場合、ステップＳ２以降の処理が再び実行される。

　一方、ステップＳ８において、しきい値Ｒｔｈ２を超過した診断パラメータの数Ｘ２がｎ２個以上である場合には、演算部２００はステップＳ１０において、軸受または歯車の交換時期であると判断し、ＳＣＡＤＡに対して運転停止信号を出力し、ステップＳ１１において制御が終了する。これによって、例えば夜間などオペレータが不在な時に軸受または歯車の損傷の度合いが限界値を超える位に進行しても、自動的に風力発電装置の運転を止めることができる。これによって、大規模なメンテナンスが必要な損傷に至ることを避けることができる。

　図５は、ステップＳ９で実行される出力抑制判断処理のフローチャートの前半部を示す図である。図６は、ステップＳ９で実行される出力抑制判断処理のフローチャートの後半部を示す図である。出力抑制判断処理では、図５、図６のフローチャートに従って推奨出力を表示する。

　ステップＳ５１では、演算部２００は出力抑制判断処理が初めて行なわれたか否かを判断する。出力抑制判断処理が初めて行なわれた場合には（Ｓ５１でＹＥＳ）、ステップＳ５２において、演算部２００は最新の計測日時を積分区間の始点に設定する。続いてステップＳ５３において、演算部２００はオペレータに提示する推奨出力を１００％に設定し、ステップＳ５４に処理を進める。一方、出力抑制判断処理が既に実行された履歴がある場合には（Ｓ５１でＮＯ）、演算部２００は、ステップＳ５２，Ｓ５３の処理を実行せずにステップＳ５４に処理を進める。

　ステップＳ５４では、演算部２００は、回転速度と発電出力の積（負荷パラメータ）を算出する。そしてステップＳ５５において、負荷パラメータＰを時間について積分する。

　図７は、負荷パラメータＰの積分について説明するための図である。図７には、診断パラメータＲおよび負荷パラメータＰが縦軸に、日時が横軸に示されている。例えば、初期損傷しきい値Ｒｔｈ１を初めて超えた時刻ｔ１を始点として積分した積分値Ｓが予め設定した値Ｓ０を超過する毎に、診断パラメータＲの変化率ｄＲ／ｄｔ（区間：負荷パラメータの積分区間）を求める。

　例えば時刻ｔ２において積分値Ｓ＝Ｓ１となった時に、予め設定した値Ｓ０を超過したとすると、この時点で変化率ｄＲ／ｄｔが算出される。また、時刻ｔ２を次の始点として、時刻ｔ３において積分値Ｓ＝Ｓ２となった時に、予め設定した値Ｓ０を超過したとすると、この時点で再度変化率ｄＲ／ｄｔが算出される。

　図８は、診断パラメータＲの変化率の算出について説明するための図である。図７、図８を参照して、時刻ｔ２において変化率ｄＲ１／ｄＴ１が算出され、時刻ｔ３において変化率ｄＲ２／ｄＴ２が算出された様子が示されている。このように、負荷パラメータＰの積分値Ｓが予め設定した設定値Ｓ０を超過する毎に（ステップＳ５６でＹＥＳ）、演算部２００は、最新の計測時を積分区間の終点に設定し（ステップＳ５７）、始点－終点間で近似直線を引き、診断パラメータＲの変化率ｄＲ／ｄｔ（区間：負荷パラメータの積分区間）を求める（ステップＳ５８）。

　続いて、ステップＳ５９において、演算部２００は、前回の診断パラメータＲの変化率のデータがあるか否かを判断する。前回の診断パラメータＲの変化率のデータがある場合（Ｓ５９でＹＥＳ）、演算部２００は、ステップＳ６０において、診断パラメータＲの変化率が前区間の変化率より大きいか否かを判断する。

　ステップＳ５９において前回の診断パラメータＲの変化率のデータがない場合、およびステップＳ６０において診断パラメータＲの変化率が前区間の変化率以下であった場合、演算部２００は、ステップＳ６１において、算出した診断パラメータＲの変化率をメモリ２０１に記憶させ、ステップＳ６３において運転出力を前回の状態に維持する旨の情報として前回と同じ推奨出力を監視用端末２０２に表示させる。

　診断パラメータＲの変化率が前区間の変化率より大きい場合（Ｓ６０でＹＥＳ）、演算部２００は、損傷が進行していると判断し、ステップＳ６２において推奨出力を現在設定値の０．９倍に修正するとともに、ステップＳ６３において運転出力を抑制する旨の情報として修正された推奨出力を監視用端末２０２に表示させる。なお、０．９倍は、抑制の一例である。ステップＳ６２において０．９以外の１よりも小さい数を乗じたり、所定の電力を差し引いたりしても良い。

　図７、図８には、回転速度と発電量の積である負荷パラメータＰが算出され、変化率の大小によって発電電力を抑制した例が示されている。図７においては、初めて出力抑制判断処理を実施した計測日時ｔ１が“始点”に設定される。以降は、出力抑制判断処理が行なわれる度に、“始点”から最新計測日時までの区間で負荷パラメータＰの積分値Ｓが算出される。

　時刻ｔ２において負荷パラメータＰの積分値Ｓ１が設定値Ｓ０を超過した時、積分区間の“始点”が更新される。図７において、積分値Ｓ１が設定値Ｓ０を超過した時点での最新計測日時ｔ２が新たな“始点”に設定され積分値Ｓ２の算出が開始される。積分値Ｓ２が設定値Ｓ０を超過した時点での最新計測日時ｔ３が新たな“始点”に設定される。

　そして、各積分区間における診断パラメータＲの変化率ｄＲ／ｄｔが算出される。なお、診断パラメータＲの変化率は、図８に示すように、近似直線の傾きとすることができる。

　算出した変化率を、前区間で算出した変化率と比較する。図８では、ｄＴ１＝ｔ１～ｔ２の区間で算出したｄＲ１／ｄＴ１と、ｄＴ２＝ｔ２～ｔ３の区間で算出したｄＲ２／ｄＴ２を比較することが示されている。

　現区間での変化率と前区間での変化率とを比較して現区間での変化率が大きかった場合、演算部２００は、損傷の度合いが進行していると判断し、出力を抑制する旨の情報（推奨出力）を監視用端末２０２に表示させる。例えば、推奨出力は初期値を１００％とし、損傷進行と判定する度に１０％下げる。図８においては、ｄＲ１／ｄＴ１＜ｄＲ２／ｄＴ２となったため、損傷進行と判断される。この際の推奨出力は９０％（＝１００％×０．９）となる。その結果、図７では、時刻ｔ３においてオペレータが出力を９０％に抑制した結果、発電量が低下するので負荷パラメータＰも一段低下している。

　なお、設定個数（ｎ２）以上の診断パラメータＲが使用限界しきい値Ｒｔｈ２を超過した場合は、軸受または歯車が交換時期に到達したと判断し、演算部２００は、ＳＣＡＤＡ３００に対して運転停止信号を出力するので、オペレータが監視していない時に損傷が進行してしまった場合でも、風力発電装置が大幅なダメージを被る前に運転を停止することが可能である。

　実施の形態１について、再び図１～図８を参照して、総括する。
　本開示は、風力発電装置１０の状態を監視する状態監視システムに関する。状態監視システム５００は、監視用端末２０２と、加速度センサ７１～７３と、データ処理装置８０とを備える。データ処理装置８０は、加速度センサ７１～７３で計測したデータから診断パラメータＲを算出し、診断パラメータＲに基づいて風力発電装置１０に含まれる軸受または歯車の損傷の度合いを判断し、軸受または歯車の損傷の度合いに応じた風力発電装置１０の発電電力の抑制度合いを示す情報を監視用端末２０２に表示させる。

　軸受または歯車の損傷の度合いは、診断パラメータがしきい値Ｒｔｈ１を超えた回数ｍと、診断パラメータの変化率で判断される。図４に示すように、データ処理装置８０は、しきい値Ｒｔｈ１を超過した回数ｍが設定値以上である場合に、出力抑制判断処理を行なう。データ処理装置８０は、図６のステップＳ６０に示すように診断パラメータの変化率が前回の変化率と比べて増加した場合には、損傷の度合いが進んだと判断して、推奨出力を現在よりも低下させる。

　本実施の形態の状態監視システム５００によれば、回転機械の損傷を抑えつつ、風力発電装置１０での発電が可能となる。これにより、定格出力で運転を続けた場合と比べ、突発的な大きな故障発生のリスクを下げ、ダウンタイムを削減できる。

　また、日本の冬季は風が強い日が多く風力発電装置を可能な限り運転させたいという要求がある。本実施の形態の状態監視システム５００を使用すれば、回転機械に損傷が疑われる風力発電装置についても損傷の度合いが大きく進行しない程度の出力に抑えて運転をすることができるため、発電に適した時期に稼働させることができ、発電事業者の利益に繋がる。

　好ましくは、データ処理装置８０は、メモリ２０１と、診断パラメータＲの大きさが第１しきい値Ｒｔｈ１を超える回数ｍをメモリに記憶させる演算部２００とを含む。演算部２００は、回数ｍが予め定められた第１の数になるまでは、抑制度合いを示す情報を監視用端末に表示させず（Ｓ６でＮＯ）、回数ｍが予め定められた第１の数以上となった場合に（Ｓ６でＹＥＳ）、抑制度合いを示す情報を監視用端末に表示させる（Ｓ９）。

　このようにすることによって、一時的な強風による振動の増加などの影響が排除され、損傷が生じた場合に正しく抑制度合いを示す情報を表示することができる。

　より好ましくは、演算部２００は、診断パラメータＲが第１しきい値Ｒｔｈ１よりも大きい第２しきい値Ｒｔｈ２を超えた場合に（Ｓ８でＹＥＳ）、風力発電装置１０の運転を制御する制御装置（ＳＣＡＤＡ３００）に対して風力発電装置１０の運転の停止を指示する信号を出力する。

　回転機械の損傷がさらに進行したと判断した場合、本実施の形態の状態監視システムは、ＳＣＡＤＡと連携することで風力発電装置の運転を自動的に停止することができる。これにより、突発故障により生じるダウンタイムを削減できる。

　好ましくは、データ処理装置８０は、風力発電装置の回転要素の回転速度と発電出力との積に基づいて、診断パラメータＲの時間な変化率を算出する際の区間を決定する。データ処理装置８０は、区間における診断パラメータの変化率ｄＲ／ｄｔが、前回の区間の診断パラメータの変化率ｄＲ／ｄｔよりも増加した場合には（Ｓ６０でＹＥＳ）、抑制度合いを算出し、算出した抑制度合いが反映された情報を監視用端末２０２に表示させる。

　このようにすることによって、損傷が進行したか否かを判断することができる。
　［実施の形態２］
　実施の形態１では、回転機械の状態を監視し、回転期間の損傷が進行した場合には、発電量を抑制したり、運転を停止させたりすることを説明した。ただし、定期的な監視のみでは、損傷が急速に進行する場合などに状況を把握できない可能性もある。そこで、実施の形態２では、損傷が疑われる状態となった場合に、該当部位の監視頻度を増加させ、損傷が急速に進行する場合にもその進行状況を監視可能とする。実施の形態２の状態監視システムは、実施の形態１の状態監視システムが行なう処理に加えて、以下の処理を実行する。

　図９は、実施の形態２において状態監視システムの稼働直後に実行される処理を説明するためのフローチャートである。図９のフローチャートでは、図４のフローチャートの処理に加えて、ステップＳ１０１～Ｓ１０４の処理が実行される。

　実施の形態２では、初めて出力抑制判断が実施（初期損傷が検出された）されて以降、各診断パラメータについて特定の値（しきい値Ｒｔｈ１）を越えたものがあった場合、対応する加速度センサでの計測タイミングを追加して設定する。この計測タイミングは、加速度センサの全チャンネルにおいて実施されるステップＳ３，Ｓ４の定時計測とは別に、ステップＳ１０２，Ｓ１０３で計測が実行されるタイミングである。図９のステップＳ１０４において追加で実行される計測のタイミングが設定される。

　そして、ステップＳ１０１において、追加計測タイミングになったか否かが判断される。追加計測タイミングになった場合（Ｓ１０１でＹＥＳ）、ステップＳ１０２において当該追加計測タイミングが設定されている加速度センサのチャンネルのみに対して、計測が実施され、ステップＳ１０３において診断パラメータが算出される。

　なお本実施の形態では、図５および図６に示した出力抑制判断は、定時計測時のみ実施される。追加計測タイミングでの計測データは、出力抑制判断に用いられない。

　追加計測タイミングの設定はセンサ毎に行なうものとする。図１０は、図９のステップＳ１０４において実行される追加計測タイミングの設定処理を説明するためのフローチャートである。

　まず、ステップＳ１１１において、データ処理装置８０は、追加計測タイミングを全ての計測チャンネルについて、リセットする。そして、ステップＳ１１２において、チャンネルカウンタｊの初期化が行なわれる。その結果、ｊ＝１に設定される。さらにステップＳ１１３において、追加計測タイミング用のカウンタｃが初期化される。その結果、ｃ＝０に設定される。

　ステップＳ１１４では、データ処理装置８０は、ｊ番目の計測チャンネルｃｈ（ｊ）について、しきい値Ｒｔｈ１を超過した診断パラメータがあるか否かを判断する。しきい値Ｒｔｈ１を超過した診断パラメータがあった場合（Ｓ１１４でＹＥＳ）、ステップＳ１１５において、追加計測タイミング用のカウンタｃがインクリメントされ、ｊ番目のチャンネルｃｈ（ｊ）について、追加計測タイミングを設定する。追加計測タイミングは、ｃの値だけ定時計測タイミング間に設定される。そして、ステップＳ１１７に処理が進められる。

　一方、しきい値Ｒｔｈ１を超過した診断パラメータがない場合（Ｓ１１４でＮＯ）、ステップＳ１１５，Ｓ１１６の処理は実行されずに、ステップＳ１１７に処理が進められる。

　ステップＳ１１７では、次のチャンネルｃｈ（ｊ＋１）が存在するか否かが判断される。次のチャンネルｃｈ（ｊ＋１）が存在する場合、ステップＳ１１８に処理が進み、ｊがインクリメントされ、再びステップＳ１１３以降の処理が実行される。

　例えば、しきい値Ｒｔｈ１を超過した診断パラメータがセンサｃｈ（１）には無く、センサｃｈ（２）には有った場合、センサｃｈ（１）での計測は定時計測のみ実行されるが、センサｃｈ（２）での計測は定時計測に加え、その一定時間後（次の定時計測が始まるまでに）に別途実施される。

　以上説明したように、実施の形態２に示した異常診断システムは、ある部位において損傷の発生、進展を検知したときには、その部位の計測回数を正常部位よりも増やす。これにより正常時は計測回数を減らしてデータ量を抑え、ストレージの容量削減に寄与する一方で、必要な場合に計測回数が増加され詳細な分析を行なうことができる。

　好ましくは、実施の形態２では、データ処理装置８０は、診断パラメータの大きさがしきい値Ｒｔｈ１を超えた場合に、加速度センサ７１で計測する頻度を増加させる。

　より好ましくは、加速度センサ（７１～７３）は、複数の加速度センサ素子７１～７３を備える。データ処理装置８０は、複数の加速度センサ素子７１～７３の各々で計測したデータの各々で計測したデータの各々に対して、診断パラメータを算出する。データ処理装置８０は、複数の加速度センサ素子７１～７３のうち対応する診断パラメータの大きさがしきい値Ｒｔｈ１を超えた加速度センサ素子については、計測頻度を増加させる一方で、複数の加速度センサ素子７１～７３のうち対応する診断パラメータの大きさがしきい値Ｒｔｈ１を超えていない加速度センサ素子については、計測頻度を変更しない。

　このように、実施の形態２では、損傷が疑われる部位のみ計測回数を正常部位よりも増やすことで、注意が必要な部位を集中的に計測できる。これにより損傷進展の兆候を捉えやくすなり、出力抑制の判断に有効な情報を得ることができる。

　［実施の形態２の変形例］
　実施の形態２の図１０のフローチャートでは、追加計測タイミングを設定するか否かのしきい値Ｒｔｈ１は１つであった。実施の形態２の変形例では、追加計測タイミングを設定するか否かのしきい値を複数設ける例を示す。その場合、超過したしきい値の数に応じて、追加計測タイミングの数を増やす。

　図１１は、追加計測タイミングを設定する場合のしきい値を説明するための図である。図１１では、追加計測タイミングを設定するか否かのしきい値を２つ設ける例を説明する。例えば、図１１に示すように、初期損傷を検出するしきい値Ｒｔｈ１と使用限界を検出するしきい値Ｒｔｈ２との間に、しきい値Ｒｔｈ３を設ける。加速度センサで検出する実効値は、図１１に示すように損傷が進むにつれて、時刻ｔ１１においてしきい値Ｒｔｈ１を超え、時刻ｔ１２においてしきい値Ｒｔｈ３を超え、さらに時刻ｔ１３においてしきい値Ｒｔｈ２を超える。追加計測タイミングを設定するか否かのしきい値は、図１１の例では、しきい値Ｒｔｈ１としきい値Ｒｔｈ３の２つとなる。追加計測タイミングの個数は、しきい値Ｒｔｈ１を超過した場合は１個、しきい値Ｒｔｈ３を超過した場合は２個とする。しきい値の個数はさらに増やしても良く、追加計測タイミングの個数もさらに増やしても良い。

　なお、図１１では、追加計測タイミングを設定する判定のしきい値の一つを図３の初期損傷検出しきい値Ｒｔｈ１と共通としたが、追加計測タイミングを設定する判定のしきい値を初期損傷検出しきい値Ｒｔｈ１とは別に定めるようにしても良い。

　図１２は、実施の形態２の変形例において、実行される追加計測タイミングの設定処理を説明するためのフローチャートである。実施の形態２の変形例では、図１０で説明したステップＳ１０４に代えて、図１２に示すステップＳ１０４Ａの処理が実行される。

　まず、ステップＳ１１１において、データ処理装置８０は、追加計測タイミングを全ての計測チャンネルについて、リセットする。そして、ステップＳ１１２において、チャンネルカウンタｊの初期化が行なわれる。その結果、ｊ＝１に設定される。さらにステップＳ１１３において追加計測タイミング用のカウンタｃが初期化される。その結果、ｃ＝０に設定される。

　続くステップＳ１２１では、データ処理装置８０は、ｊ番目の計測チャンネルｃｈ（ｊ）について、しきい値Ｒｔｈ１を超過した診断パラメータがあるか否かを判断する。しきい値Ｒｔｈ１を超過した診断パラメータがあった場合（Ｓ１２１でＹＥＳ）、ステップＳ１２２において、追加計測タイミング用のカウンタｃがインクリメントされる。

　さらに、ステップＳ１２３において、データ処理装置８０は、ｊ番目の計測チャンネルｃｈ（ｊ）について、しきい値Ｒｔｈ３を超過した診断パラメータがあるか否かを判断する。しきい値Ｒｔｈ３を超過した診断パラメータがあった場合（Ｓ１２３でＹＥＳ）、ステップＳ１２４において、追加計測タイミング用のカウンタｃがもう一度インクリメントされ、ステップＳ１１６に処理が進められる。しきい値Ｒｔｈ３を超過した診断パラメータがない場合（Ｓ１２３でＮＯ）、ステップＳ１２４の処理は実行されずに、ステップＳ１１６に処理が進められる。

　ステップＳ１１６では、ｊ番目のチャンネルｃｈ（ｊ）について、追加計測タイミングを設定する。追加計測タイミングは、ｃの値だけ定時計測タイミング間に設定される。すなわち、しきい値Ｒｔｈ３を超えた場合は、ｃ＝２であるので２回、しきい値Ｒｔｈ１を超えたがしきい値Ｒｔｈ３を超えない場合は、ｃ＝１であるので１回追加計測タイミングが設定される。そして、ステップＳ１１７に処理が進められる。

　一方、しきい値Ｒｔｈ１を超過した診断パラメータがない場合（Ｓ１２１でＮＯ）、ステップＳ１２２～Ｓ１２４，Ｓ１１６の処理は実行されずに、ステップＳ１１７に処理が進められる。

　図１３は、追加計測タイミングがどのように設定されるかの一例を説明するための図である。図１３に示すように、損傷が観測されていない正常時には、定時計測タイミングのみが設定される。定時計測タイミングは、時刻ｔ２１と時刻ｔ２５であり、２時間おきに設定される。

　観測値がしきい値Ｒｔｈ１を超えたが、しきい値Ｒｔｈ３を超えない間は、図１２においてｃ＝１であるので、追加計測タイミングは、定時計測タイミングの間に１つ定められる。図１３の例では、時刻ｔ２３に追加計測タイミングが設定されている。この場合、計測の間隔は１時間おきとなる。

　観測値がしきい値Ｒｔｈ３を超えた場合は、図１２においてｃ＝２であるので、追加計測タイミングは、定時計測タイミングの間に２つ定められる。図１３の例では、時刻ｔ２２およびｔ２４に追加計測タイミングが設定されている。この場合、計測の間隔は２／３時間おきとなる。

　実施の形態２では、図１０で示した処理によって、図１３に示した正常時、追加タイミング設定１のいずれかが各計測チャンネルごとに設定される。また実施の形態２の変形例では、図１２で示した処理によって上記のような正常時、追加タイミング設定１、追加タイミング設定２のいずれかが各計測チャンネルごとに設定される。

　実施の形態２の変形例では、損傷が疑われる程度に応じて部位ごとに計測回数を増やす頻度を決めることができ、注意が必要な部位をさらに集中的に計測できる。これにより損傷進展の兆候を捉えやくすなり、出力抑制の判断に有効な情報を得ることができる。

　［実施の形態３］
　実施の形態２および実施の形態２の変形例では、追加計測のタイミングについては、監視は行なうが、出力抑制の判断に使用していなかった。実施の形態３では、追加計測のタイミングにおいても出力抑制の判断を実行することによって、発電機を確実に保護する。

　図１４は、実施の形態３において状態監視システムの稼働直後に実行される処理を説明するためのフローチャートである。図１４のフローチャートでは、図４のフローチャートの処理において、ステップＳ２に代えてステップＳ１３０の処理が実行され、さらにステップＳ１３１の処理が追加される。

　ステップＳ１３１においては、追加計測タイミングの設定が実行される。そして、ステップＳ１３０では、定時計測タイミングと追加計測タイミングの両方が検出され、すべての計測チャンネルにおいてステップＳ３、Ｓ４の計測および診断が実行される。

　他の部分の同じステップ番号の処理については、図４で説明しているので説明は繰り返さない。

　追加計測タイミングの設定は、いずれかの計測チャンネルにおいてしきい値を超過した診断パラメータがあった場合には、全体の計測チャンネルにたいして共通に設定される。図１５は、図１４のステップＳ１３１において実行される追加計測タイミングの設定処理を説明するためのフローチャートである。

　図１５のフローチャートでは、図１０のフローチャートの処理において、チャンネル番号ｊが１追加されたステップＳ１１８の後に戻る先が、ステップＳ１１４に変更されている。これにより、チャンネルごとにカウンタｃが初期化されないので、チャンネル全体に対して、追加計測タイミングカウンタｃが加算されていく。そして、ステップＳ１１６においてチャンネルごとに設定されていた追加計測タイミングは、ステップＳ１４１，Ｓ１４２において全体のチャンネルに対して共通に設定される。

　すなわち図１５のステップＳ１１４、Ｓ１１５，Ｓ１１７，Ｓ１１８の処理が繰り返されることによって、計測チャンネルの少なくとも１つにしきい値Ｒｔｈ１を超過した診断パラメータがある場合には、ｃ≧１となるため、ステップＳ１４２において追加計測タイミングが１個設定される。

　逆に、いずれの計測チャンネルにもしきい値Ｒｔｈ１を超過した診断パラメータがない場合のみ、ｃ＝０となるため、ステップＳ１４２における追加計測タイミングは設定されない。

　［実施の形態３の変形例］
　実施の形態３の図１５のフローチャートでは、追加計測タイミングを設定するか否かのしきい値Ｒｔｈ１は１つであった。実施の形態３の変形例では、実施の形態２の変形例と同様に追加計測タイミングを設定するか否かのしきい値を複数設ける例を示す。その場合、超過したしきい値の数に応じて、追加計測タイミングの数を増やす。しきい値を複数設ける例については、図１１と同様である。

　図１６は、実施の形態３の変形例において、実行される追加計測タイミングの設定処理を説明するためのフローチャートである。実施の形態３の変形例では、図１５で説明したステップＳ１３１に代えて、図１６に示すステップＳ１３１Ａの処理が実行される。

　図１６のフローチャートでは、図１２のフローチャートの処理において、チャンネル番号ｊが１追加されたステップＳ１１８の後に戻る先が、ステップＳ１２１に変更されている。これにより、チャンネルごとにカウンタｃが初期化されないので、チャンネル全体に対して、追加計測タイミングカウンタｃが加算されていく。そして、ステップＳ１１６においてチャンネルごとに設定されていた追加計測タイミングは、ステップＳ１５１～Ｓ１５４において全体のチャンネルに対して共通に設定される。

　すなわち図１６のステップＳ１２１～Ｓ１２４、Ｓ１１７，Ｓ１１８の処理が繰り返されることによって、しきい値Ｒｔｈ１を超過した診断パラメータが存在する計測チャンネルの数に応じて、カウンタｃの値が積算される。そして全部の計測チャンネルがカウンタｃに反映された後に、ｃが２以上であれば（Ｓ１５１でＹＥＳ）、ステップＳ１５２において追加計測タイミングが２個設定される。また、ｃが１であれば（Ｓ１５１でＮＯかつＳ１５３でＹＥＳ）、ステップＳ１５４において追加計測タイミングが１個設定される。なお、ｃが０である場合（Ｓ１５１でＮＯかつＳ１５３でＮＯ）、追加計測タイミングは設定されない。実施の形態３で設定された追加計測タイミングでは、定時計測タイミングと同様に、図５、図６に示した出力抑制判断が実施される。

　以上説明したように、実施の形態３の異常診断システムでは、加速度センサは、複数の加速度センサ素子７１～７３を備える。データ処理装置８０は、複数の加速度センサ素子７１～７３の各々で計測したデータの各々に対して、診断パラメータを算出する。データ処理装置は、複数の加速度センサ素子のうち対応する診断パラメータの大きさがしきい値を超えた加速度センサ素子が存在する場合、複数の加速度センサ素子７１～７３のすべてについて計測頻度を増加させる。

　これにより、損傷が疑われる場合に計測回数を正常時よりも増やすことができる。この場合、出力を抑制するか否かの判定が正常時より多く実施され、損傷がある風力発電装置であっても慎重な運用が可能となる。

　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、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、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。

　１０　風力発電装置、２０　主軸、３０　ブレード、４０　増速機、５０　発電機、５２　制御盤、５４　送電線、６０　軸受、７１～７３　加速度センサ、７４　近接センサ、７５　電流センサ、８０　データ処理装置、８１～８５　フィルタ、９０　ナセル、９１～９５　Ａ／Ｄ変換器、１００　タワー、２００　演算部、２０１　メモリ、２０２　監視用端末、３００　発電制御装置、５００　状態監視システム。

Claims

　風力発電装置の状態を監視する状態監視システムであって、
　監視用端末と、
　加速度センサと、
　データ処理装置とを備え、
　前記データ処理装置は、前記加速度センサで計測したデータから診断パラメータを算出し、前記診断パラメータに基づいて前記風力発電装置に含まれる軸受または歯車の損傷の度合いを判断し、前記軸受または前記歯車の損傷の度合いに応じた前記風力発電装置の発電電力の抑制度合いを示す情報を前記監視用端末に表示させる、状態監視システム。
　前記データ処理装置は、
　メモリと、
　前記診断パラメータの大きさが第１しきい値を超える回数を前記メモリに記憶させる演算部とを含み、
　前記演算部は、前記回数が予め定められた第１の数になるまでは、前記情報を前記監視用端末に表示させず、前記回数が予め定められた第１の数以上となった場合に、前記情報を前記監視用端末に表示させる、請求項１に記載の状態監視システム。
　前記演算部は、前記診断パラメータが前記第１しきい値よりも大きい第２しきい値を超えた場合に、前記風力発電装置の運転を制御する制御装置に対して前記風力発電装置の運転の停止を指示する信号を出力する、請求項２に記載の状態監視システム。
　前記データ処理装置は、前記風力発電装置の回転要素の回転速度と発電出力との積に基づいて、前記診断パラメータの時間的な変化率を算出する際の区間を決定し、
　前記データ処理装置は、前記区間における前記診断パラメータの変化率が、前回の区間の前記診断パラメータの変化率よりも増加した場合には、前記抑制度合いを算出し、算出した前記抑制度合いが反映された前記情報を前記監視用端末に表示させる、請求項１に記載の状態監視システム。
　前記データ処理装置は、前記診断パラメータの大きさがしきい値を超えた場合に、前記加速度センサで計測する頻度を増加させる、請求項１に記載の状態監視システム。
　前記加速度センサは、複数の加速度センサ素子を備え、
　前記データ処理装置は、前記複数の加速度センサ素子の各々で計測したデータの各々に対して、前記診断パラメータを算出し、
　前記データ処理装置は、前記複数の加速度センサ素子のうち対応する診断パラメータの大きさが前記しきい値を超えた加速度センサ素子については、計測頻度を増加させる一方で、前記複数の加速度センサ素子のうち対応する診断パラメータの大きさが前記しきい値を超えていない加速度センサ素子については、計測頻度を変更しない、請求項５に記載の状態監視システム。
　前記加速度センサは、複数の加速度センサ素子を備え、
　前記データ処理装置は、前記複数の加速度センサ素子の各々で計測したデータの各々に対して、前記診断パラメータを算出し、
　前記データ処理装置は、前記複数の加速度センサ素子のうち対応する診断パラメータの大きさが前記しきい値を超えた加速度センサ素子が存在する場合、前記複数の加速度センサ素子について計測頻度を増加させる、請求項５に記載の状態監視システム。