邱強(qiáng)杰，陳眾，文亮，俞曉鵬

(長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

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基于有限狀態(tài)機(jī)的變槳系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測模型

邱強(qiáng)杰，陳眾，文亮，俞曉鵬

(長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

摘要：運用離散事件系統(tǒng)理論中的有限狀態(tài)機(jī)對風(fēng)力發(fā)電變槳系統(tǒng)建模，根據(jù)變槳系統(tǒng)的運行過程將其分為8個運行狀態(tài)，狀態(tài)的轉(zhuǎn)移通過9個事件驅(qū)動，事件由變化的風(fēng)機(jī)參數(shù)觸發(fā)。運用Simulink中的Stateflow模塊進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，此模型可以準(zhǔn)確反映變槳系統(tǒng)運行過程中工作狀態(tài)的變化，狀態(tài)轉(zhuǎn)移直觀、清晰。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；變槳系統(tǒng)；有限狀態(tài)機(jī)；狀態(tài)轉(zhuǎn)移；Stateflow模塊

風(fēng)力發(fā)電在近年得到了飛速發(fā)展，變槳系統(tǒng)可以在風(fēng)速發(fā)生改變時通過調(diào)節(jié)槳距角來提高風(fēng)能利用率。對風(fēng)力發(fā)電變槳系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，可以提高系統(tǒng)運行的透明性，及時了解系統(tǒng)運行的健康程度，減少不必要的損失[1-3]。目前，國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)多種建模方法。最早的是機(jī)理分析法，該方法考慮力矩平衡關(guān)系，從深層的物理本質(zhì)出發(fā)，建立匹配的物理模型來分析系統(tǒng)的基本特性，由于變槳系統(tǒng)復(fù)雜，因此很難建立精確的機(jī)理模型。隨后出現(xiàn)的測試法利用數(shù)學(xué)方程組成的輸入、輸出關(guān)系來描述系統(tǒng)的特性，卻掩蓋了其內(nèi)部的物理特質(zhì)。隨著研究的推進(jìn)，出現(xiàn)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、馬爾可夫等新型建模方法，但在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用還不廣泛[4-5]。

上述方法從不同角度對風(fēng)力發(fā)電變槳系統(tǒng)進(jìn)行了建模，對推動風(fēng)力發(fā)電的研究有著重要的意義，但各模型對變槳系統(tǒng)的運行變化、狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程展現(xiàn)得不夠充分。本文在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，利用有限狀態(tài)機(jī)對變槳系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測建模，將風(fēng)力發(fā)電變槳系統(tǒng)分成有限個工作狀態(tài)，狀態(tài)的轉(zhuǎn)移由事件驅(qū)動，事件由變化的風(fēng)機(jī)參數(shù)觸發(fā)，使?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換過程透明性得到極大的提高。

1有限狀態(tài)機(jī)

有限狀態(tài)機(jī)理論是指把一個完整的系統(tǒng)按照其本身的運作邏輯，從具有明顯區(qū)別的有限個不同的工作狀態(tài)剝離出來，形成一個狀態(tài)機(jī)主體。整個系統(tǒng)通過特定的事件驅(qū)動狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，事件的變化可能來自外部也可能來自系統(tǒng)本身。

在有限狀態(tài)機(jī)中，可以把整個模型分為5個不同的集合：工作狀態(tài)集X、輸入事件集Y、輸出事件集Z、狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)集B以及輸出函數(shù)集F，其中輸出事件集Z由內(nèi)部的輸出函數(shù)集F決定。有限狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1有限狀態(tài)機(jī)的結(jié)構(gòu)

有限狀態(tài)機(jī)是建立實時系統(tǒng)模型的一種重要方法，具有易于建立和應(yīng)用度廣等優(yōu)點，應(yīng)用于系統(tǒng)的分析、設(shè)計等多個重要階段，并能清晰地反映系統(tǒng)的邏輯運作。風(fēng)力發(fā)電變槳系統(tǒng)是一個非線性的離散事件系統(tǒng)，其內(nèi)部邏輯復(fù)雜，狀態(tài)多變，用常規(guī)的方法進(jìn)行分析不足以完全體現(xiàn)其全部特性。有限狀態(tài)機(jī)理論可以分離風(fēng)力發(fā)電變槳系統(tǒng)的不同工作狀態(tài)，通過變化的事件驅(qū)動狀態(tài)遷移，準(zhǔn)確地將系統(tǒng)運行規(guī)則展現(xiàn)出來。

2變槳系統(tǒng)有限狀態(tài)機(jī)建模

2.1變槳系統(tǒng)運行過程分析

2.1.1待機(jī)階段

在風(fēng)速沒有達(dá)到啟動風(fēng)速時，風(fēng)機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)，風(fēng)機(jī)槳葉順槳，槳距角為90°，風(fēng)輪鎖緊。

2.1.2啟動階段

當(dāng)風(fēng)速達(dá)到啟動風(fēng)速時，風(fēng)機(jī)從待機(jī)狀態(tài)中激活，槳葉打開，槳距角調(diào)節(jié)到0°，風(fēng)輪速度隨風(fēng)速增加。

2.1.3運行階段

風(fēng)速小于額定風(fēng)速時，槳距角保持90°不變；風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速時，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速也達(dá)到額定值，開始并網(wǎng)發(fā)電；風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，槳葉動作，槳距角隨風(fēng)速的變化自動調(diào)節(jié)，保證發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持在額定狀態(tài)。

2.2變槳系統(tǒng)建模

為使仿真更直觀，采用Stateflow模塊進(jìn)行狀態(tài)機(jī)建模。Stateflow是矩陣實驗室(Matrix Laboratory，MATLAB)中針對復(fù)雜邏輯控制的一個模塊，具有可視化和仿真直觀等優(yōu)點，可以清楚地把復(fù)雜動態(tài)邏輯表現(xiàn)出來，符合有限狀態(tài)機(jī)的基本原則。利用Stateflow與Simulink相結(jié)合來建?？梢詳U(kuò)展模型的功能。

2.2.1工作狀態(tài)

變槳系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2所示，其中X1，X2，…，X8對應(yīng)狀態(tài)機(jī)的8個不同狀態(tài)，Y1，Y2，…，Y9對應(yīng)狀態(tài)機(jī)的9個不同事件。

圖2　變槳系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移

X1：系統(tǒng)默認(rèn)轉(zhuǎn)移狀態(tài)，開始仿真后會首先激活此狀態(tài)。它所代表的功能是系統(tǒng)讀取配置文件并初始化，檢測變槳系統(tǒng)是否可以正常工作。

X2：系統(tǒng)的空閑待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)初始化完成并且沒有發(fā)生錯誤會自動轉(zhuǎn)到此狀態(tài)。在此狀態(tài)下，機(jī)組的傳感器開始工作，將各項實時數(shù)據(jù)傳遞給控制系統(tǒng)。

X3：當(dāng)檢測到風(fēng)速達(dá)到啟動風(fēng)速時，變槳系統(tǒng)進(jìn)入啟動狀態(tài)，槳葉完全打開，風(fēng)輪開始轉(zhuǎn)動。

X4：槳葉完全打開后，傳動系統(tǒng)開啟，在此狀態(tài)下，風(fēng)輪帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子隨風(fēng)轉(zhuǎn)動。

X5：當(dāng)檢測到風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時，風(fēng)機(jī)開始并網(wǎng)發(fā)電。

X6：當(dāng)風(fēng)速增大到超過額定風(fēng)速時，為了保持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速，槳葉動作，槳距角增大。

X7：風(fēng)速變化隨機(jī)性很強(qiáng)。當(dāng)風(fēng)速變小導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時，槳葉動作，槳距角減?。恢钡桨l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速回到額定值或風(fēng)速減小到低于額定值時，槳距角維持0°；當(dāng)風(fēng)速再增大到大于額定風(fēng)速時，狀態(tài)再轉(zhuǎn)移到X6。只要風(fēng)速在正常工作區(qū)間內(nèi)，變化系統(tǒng)就一直在該狀態(tài)與X6之間切換。

X8：當(dāng)風(fēng)速減小到低于系統(tǒng)啟動風(fēng)速或者高于系統(tǒng)切出風(fēng)速、系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤、手動關(guān)閉操作時，變槳系統(tǒng)關(guān)閉，槳葉收攏到偏航角90°的位置。

2.2.2觸發(fā)事件與數(shù)據(jù)

狀態(tài)之間的變化是由觸發(fā)事件驅(qū)動，系統(tǒng)的觸發(fā)事件分為外部觸發(fā)事件與本地觸發(fā)事件2種。外部觸發(fā)事件是系統(tǒng)基本信號的來源，在Simulink中輸入。本地觸發(fā)事件是系統(tǒng)內(nèi)部各個部分相互溝通的關(guān)鍵，可在子系統(tǒng)間傳輸信號，達(dá)到子系統(tǒng)間相互交流的目的，在狀態(tài)機(jī)內(nèi)部進(jìn)行設(shè)置，分為狀態(tài)內(nèi)部定義的事件和外部參數(shù)激活的事件2種。如Y4為變槳系統(tǒng)控制風(fēng)輪制動器松閘的事件，只有在狀態(tài)X3被激活時才會觸發(fā)；Y2事件則在風(fēng)速大于啟動風(fēng)速時被激活。輸出事件是輸出系統(tǒng)所需要事件的出口，可以輸入到Simulink用于其他系統(tǒng)中，本模型沒有用到輸出事件。具體的觸發(fā)事件見表1，其中Y9是任意一個子事件發(fā)生即可觸發(fā)。

表1觸發(fā)事件

事件事件名描述Y1SY_error=0系統(tǒng)沒有錯誤Y2wind_speed>=ST_speed風(fēng)速大于啟動風(fēng)速Y3pitch_angle=0槳距角調(diào)節(jié)到0°Y4ST_brake_release風(fēng)輪制動器松閘Y5generator_speed>=rated_generator_speed發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速Y6wind_speed>=rated_wind_speed風(fēng)速大于額定風(fēng)速Y7wind_speed—&wind_speed>rated_wind_speed風(fēng)速減小Y8wind_speed++&wind_speed>rated_wind_speed風(fēng)速增大Y9wind_speed>=end_speedSY_error=1;wind_speed<=ST_speedmanual_mode=1風(fēng)速達(dá)到切出風(fēng)速,系統(tǒng)出現(xiàn)故障;風(fēng)速小于啟動風(fēng)速,轉(zhuǎn)到手動模式

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)跟事件一樣，同樣可以分為外部輸入數(shù)據(jù)、內(nèi)部數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)3種，具體數(shù)據(jù)清單見表2。

表2數(shù)據(jù)清單

數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)名描述外部輸入數(shù)據(jù)wind_speed風(fēng)速實時數(shù)據(jù)generator_speed電機(jī)轉(zhuǎn)速pitch_angle槳距角manual_mode等于1時代表切換到手動操作模式SY_error等于1時系統(tǒng)代表系統(tǒng)出現(xiàn)故障內(nèi)部數(shù)據(jù)ST_speed啟動風(fēng)速rated_wind_speed額定風(fēng)速rated_generator_speed發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速end_speed切出風(fēng)速輸出數(shù)據(jù)state狀態(tài)編號

3仿真試驗

此仿真可以檢驗所建立的模型是否可以在風(fēng)機(jī)輸入?yún)?shù)改變的情況下，真實地反映風(fēng)力發(fā)電變槳系統(tǒng)的工作狀態(tài)，通過示波器觀察state數(shù)值的變化，可清晰地觀測到系統(tǒng)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)移情況。

Stateflow模塊設(shè)置完畢并在Simulink中接入各項風(fēng)機(jī)參數(shù)即可開始仿真。有限狀態(tài)機(jī)仿真如圖3所示，狀態(tài)的轉(zhuǎn)移和激活由事件驅(qū)動脈沖發(fā)生器的過零信號來驅(qū)動，此脈沖發(fā)生器的觸發(fā)類型為上升沿。為使仿真更加直觀，周期設(shè)置為2 s，即每2 s由事件驅(qū)動脈沖發(fā)生器發(fā)出一次信號，檢測是否有觸發(fā)事件發(fā)生并驅(qū)動狀態(tài)轉(zhuǎn)變。在實際工作中，可以根據(jù)風(fēng)機(jī)的型號、狀態(tài)監(jiān)測的靈敏度等設(shè)置周期。對于大型風(fēng)機(jī)，狀態(tài)監(jiān)測更加緊密，數(shù)值可以設(shè)置得很?。粚τ谛⌒惋L(fēng)機(jī)，對靈敏度要求比較低，數(shù)值可以適當(dāng)增大。

圖3　有限狀態(tài)機(jī)仿真

模型中內(nèi)部數(shù)據(jù)的設(shè)置：ST_speed為3 m/s，rated_wind_speed為15 m/s，rated_generator_speed為1 800 r/min；end_speed 為25 m/s。應(yīng)用到不同規(guī)格的風(fēng)電機(jī)組時，需更改參數(shù)。

有限狀態(tài)機(jī)模型仿真波形如圖4所示。開啟仿真后狀態(tài)機(jī)首先檢測默認(rèn)轉(zhuǎn)移狀態(tài)，2 s后轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)默認(rèn)狀態(tài)X1，讀取配置文件并初始化；4 s時系統(tǒng)無錯誤(SY_error=0)則轉(zhuǎn)到空閑狀態(tài)X2；6 s時監(jiān)測到風(fēng)速達(dá)到啟動風(fēng)速(Y2觸發(fā))，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到啟動變槳系統(tǒng)狀態(tài)X3，在這2 s內(nèi)偏航角迅速調(diào)整到0°；激活pitch_angle=0事件，狀態(tài)在8 s時轉(zhuǎn)移到X4，風(fēng)輪開始轉(zhuǎn)動，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在風(fēng)輪的帶動下加速；10 s時，監(jiān)測到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速已經(jīng)超過發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速(Y5觸發(fā))，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到X5，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運行；風(fēng)速持續(xù)增大，在12 s時監(jiān)測到超過了額定風(fēng)速(Y6觸發(fā))，工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移到X6，增大槳距角使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速維持在額定狀態(tài)。其后的6 s內(nèi)，風(fēng)速逐漸趨于平靜，系統(tǒng)狀態(tài)不再發(fā)生改變。

圖4　有限狀態(tài)機(jī)模型仿真波形

狀態(tài)轉(zhuǎn)移的及時性可以通過更改事件驅(qū)動脈沖發(fā)生器的周期來實現(xiàn)，當(dāng)其周期足夠小，驅(qū)動事件會變得很頻繁，系統(tǒng)運行狀況一旦改變就能及時反映出來。為了仿真更直觀，本文此數(shù)值設(shè)置得較大，狀態(tài)的轉(zhuǎn)移有些延遲。

由仿真結(jié)果可以看到，基于有限狀態(tài)機(jī)的風(fēng)力發(fā)電變槳系統(tǒng)模型可以在風(fēng)機(jī)參數(shù)改變時觸發(fā)事件，并且激活相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，證明此建模方法應(yīng)用在變槳系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測上是可行的，模型忠實地反映了機(jī)組的工作狀態(tài)，且快速、精準(zhǔn)，具有研究價值。

4結(jié)論

本文將離散事件系統(tǒng)理論中的有限狀態(tài)機(jī)建模方法應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電變槳系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測建模中，通過Simulink中的Stateflow模塊進(jìn)行狀態(tài)機(jī)建模與仿真，把變化復(fù)雜的系統(tǒng)運行狀況用風(fēng)機(jī)運行參數(shù)觸發(fā)事件、事件激活狀態(tài)遷移事件響應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行簡化。Stateflow模塊高度可視的模型和便捷的仿真，可以精確、簡潔地反映復(fù)雜動態(tài)邏輯關(guān)系。仿真結(jié)果表明，基于有限狀態(tài)機(jī)的風(fēng)力發(fā)電變槳系統(tǒng)模型可以迅速、準(zhǔn)確地反映風(fēng)電機(jī)組的運行狀態(tài)，可靠性良好；狀態(tài)的轉(zhuǎn)移情況可由state的數(shù)值變化來體現(xiàn)，方便、透明。

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邱強(qiáng)杰(1991)，男，湖南婁底人。在讀碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制。

陳眾(1974)，男，湖南長沙人。副教授，工學(xué)博士，主要研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制，人工智能技術(shù)及應(yīng)用等。

文亮(1989)，男，湖南長沙人。在讀碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制。

(編輯李麗娟)

投稿網(wǎng)址：http://gddl.gddky.csg.cn

State Monitoring Model for Pitch System Based Finite State Machine

QIU Qiangjie, CHEN Zhong, WEN Liang, YU Xiaopeng

(College of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha, Hunan 410114, China)

Abstract：Finite state machine in theory of discrete event system (DES) is used for modeling on wind power generation pitch system. According to operational process of the pitch system, the system is divided into eight operational states, transition of states is driven by nine events and events are triggered by variational parameters of the wind power generator. Stateflow module in Simulink is used for simulation and results indicate that this model is able to correctly reflect changes of working states of the pitch system in its operational process and state transition is intuitive and clear.

Key words：wind power generation system; pitch system; finite state machine; state transition; Stateflow module

作者簡介：

中圖分類號：TK89

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-290X(2016)02-0036-04

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.02.007

收稿日期：2015-09-17修回日期：2015-10-30