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        基于大數(shù)據(jù)風(fēng)電場(chǎng)狀態(tài)參數(shù)相關(guān)性分析

        2018-04-08 09:30:52華電電力科學(xué)研究院李雪玉
        電力設(shè)備管理 2018年2期
        關(guān)鍵詞:狀態(tài)參數(shù)油溫齒輪箱

        華電電力科學(xué)研究院 李雪玉

        1 引言

        風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)特性取決于其運(yùn)行工況,受氣候、湍流、風(fēng)機(jī)尾流、葉片污染的氣動(dòng)損失、風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)線損失、氣候等多方面的影響。因此,風(fēng)電場(chǎng)采集的大數(shù)據(jù)之間的關(guān)系復(fù)雜,大量的干擾信息難于直接將采集的數(shù)據(jù)用于后期對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)的分析。因此對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)大數(shù)據(jù)的有效預(yù)處理是非常重要的,這就需要深入研究風(fēng)電場(chǎng)中各種數(shù)據(jù)的相關(guān)性并剔除無效數(shù)據(jù)的干擾,為后期風(fēng)電場(chǎng)的分析奠定基礎(chǔ)。

        2 風(fēng)電場(chǎng)狀態(tài)參數(shù)選擇

        風(fēng)電場(chǎng)狀態(tài)參數(shù)主要包括各風(fēng)機(jī)的機(jī)艙、齒輪箱、主軸、發(fā)電機(jī)、變流器、電網(wǎng)環(huán)境、自然環(huán)境等的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。表1例舉了風(fēng)電場(chǎng)中監(jiān)測(cè)的風(fēng)電機(jī)組的主要狀態(tài)參數(shù)。其中,發(fā)電機(jī)繞組溫度包括定子繞組的三相溫度、轉(zhuǎn)子繞組的三相溫度共6個(gè)繞組溫度。

        表1 風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)參數(shù)

        風(fēng)電場(chǎng)SCADA數(shù)據(jù)主要分布在0~13.5m/s的風(fēng)速區(qū)間。考慮到風(fēng)電機(jī)組的切入風(fēng)速為3m/s,本文初步選取風(fēng)速區(qū)間為3~13.5m/s的SCADA數(shù)據(jù)。大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控 (SCADA) 系統(tǒng)可以對(duì)機(jī)組各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和存儲(chǔ),一般為每10min存儲(chǔ)1次,本文從機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)時(shí)間序列中每10min隨機(jī)抽取一個(gè)運(yùn)行參數(shù),得到一組非等間隔時(shí)間序列。

        3 SCADA數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

        風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)具有不同的測(cè)量單位,原始數(shù)據(jù)的量綱也各不相同,因此需對(duì)SCADA數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理再進(jìn)行相關(guān)性分析。

        設(shè)原始數(shù)據(jù)矩陣為X=(xij)n×p,按 (3.1)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化變換。

        式中:zij為標(biāo)準(zhǔn)化變換后的數(shù)據(jù)矩陣Z=(zij)n×p的元素;D(xj)為變換前的方差;為平均值,按(3.2)計(jì)算。

        4 狀態(tài)參數(shù)綜合相關(guān)性指標(biāo)

        4.1 Pearson相關(guān)性系數(shù)

        設(shè) (Xi,Yi) (i=1.2…,n)為取自總體 (X,Y) 的樣本,則樣本的Preason相關(guān)性系數(shù)為:

        式中:rs為Pearson相關(guān)性系數(shù);X為X的平均值;為Y的平均值;n為樣本數(shù)。

        Pearson相關(guān)性系數(shù)r反映了兩個(gè)參數(shù)X、Y之間的線性相關(guān)性,|r|的值越接近于1,說明參數(shù)X、Y之間的線性相關(guān)性越強(qiáng)。當(dāng)r=0時(shí),說明參數(shù)X、Y不相關(guān)。

        4.2 Spearman等級(jí)相關(guān)系數(shù):

        設(shè)兩個(gè)樣本X和Y為數(shù)據(jù)對(duì) (x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)。用Ri表示xi在 (x1,x2,…,xn) 中的秩;Qi表示 yi在(y1,y2,…,yn)中的秩;為Ri的平均值;為Qi的平均值;n為樣本數(shù)。

        將水熱預(yù)處理后的微藻生物質(zhì)離心15 min,離心機(jī)轉(zhuǎn)速為 5 000 r·min-1(RCF=5 000×g),取離心后的固體物質(zhì)用于DSC的實(shí)驗(yàn)分析。

        將 (4.2) 和 (4.3) 代入(4.1),rs簡(jiǎn)化為:

        表2 風(fēng)速與風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)參數(shù)的相關(guān)性分析

        rs取值區(qū)間為 [-1,1],rs>0為正相關(guān),rs<0為負(fù)相關(guān),rs=0為完全不相關(guān)。通常認(rèn)為當(dāng)|rs|>0.8時(shí)相關(guān)程度較高。

        4.3 綜合相關(guān)性指標(biāo)

        當(dāng)兩個(gè)樣本存在線性相關(guān)性時(shí),Pearson相關(guān)性系數(shù)比較適合;當(dāng)樣本存在嚴(yán)重非線性畸變或者樣本中存在脈沖干擾時(shí),Spearman秩相關(guān)系數(shù)較為合適。由于風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速的波動(dòng)性 、環(huán)境溫度的季節(jié)性、運(yùn)行控制方式的動(dòng)態(tài)性、電網(wǎng)負(fù)荷的隨機(jī)性等多種因素使風(fēng)電場(chǎng)SCADA數(shù)據(jù)包含各種干擾數(shù)據(jù),同時(shí)風(fēng)電機(jī)組的多種狀態(tài)參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系十分復(fù)雜。因此,結(jié)合兩種相關(guān)系數(shù)建立風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)參數(shù)的綜合相關(guān)性指標(biāo)CCI(Comprehensive Correlation Index),從理論上是更好的一種方法。即:

        式中,r、rs分別為Pearson、 Spearman相關(guān)系數(shù)。

        5 狀態(tài)參數(shù)之間相關(guān)性分析

        表2表明,風(fēng)速參數(shù)與齒輪箱輸出軸溫度、繞組溫度、相電流、有功功率的參數(shù)相關(guān)性較大。風(fēng)速與齒輪箱油溫的CCI值大于風(fēng)速與入口油溫的CCI值,說明風(fēng)速與齒輪箱油溫的參數(shù)相關(guān)性大于風(fēng)速與入口油溫的參數(shù)相關(guān)性。與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)符合,可見CCI值能正確反映風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)參數(shù)與風(fēng)速的相關(guān)性。

        相電流與風(fēng)速具有較大的參數(shù)相關(guān)性,是由于機(jī)組采用穩(wěn)壓控制,使得風(fēng)電機(jī)組的相電壓基本恒定,相電流直接影響機(jī)組功率。

        風(fēng)速對(duì)機(jī)艙振動(dòng)影響小的原因是振動(dòng)信號(hào)的的低采樣頻率導(dǎo)致某一風(fēng)速的振動(dòng)幅值分散性較大,對(duì)風(fēng)速與振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)性指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生了較大干擾,掩蓋了風(fēng)速與振動(dòng)幅值的相關(guān)性。

        表3說明塔頂柜、塔底柜與環(huán)境溫度的參數(shù)之間具有較大的相關(guān)性,其原因是在風(fēng)電機(jī)組中,塔頂柜、塔底柜的安裝位置與發(fā)電機(jī)、齒輪箱、主軸等發(fā)熱量大的部件距離較遠(yuǎn),易受環(huán)境溫度影響。葉輪側(cè)軸承、齒輪箱側(cè)軸承、軸承A的溫度與環(huán)境溫度的參數(shù)之間相關(guān)性較高,這與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相符。

        表3 環(huán)境溫度與風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)參數(shù)的相關(guān)性分析

        由表4可知,繞組溫度之間的參數(shù)相關(guān)性較大;繞組溫度與軸承B溫度的參數(shù)相關(guān)性比繞組與其它參數(shù)的相關(guān)性大;與冷卻風(fēng)溫度參數(shù)相關(guān)性較大的是軸承A溫度參數(shù)。

        表4 發(fā)電機(jī)溫度參數(shù)的綜合相關(guān)性分析

        從表5可以看出,齒輪箱輸入軸溫度參數(shù)與輸出軸溫度參數(shù)的相關(guān)性高;同時(shí),齒輪箱油溫受入口油溫的影響較其它參數(shù)大。

        由表6可知,機(jī)艙的振動(dòng)參數(shù)與溫度參數(shù)具有較小的相關(guān)性;機(jī)艙的塔底柜溫度參數(shù)與塔頂柜溫度參數(shù)具有較大的相關(guān)性。

        表7表明,主軸的葉輪側(cè)軸承溫度參數(shù)和齒輪箱側(cè)軸承溫度參數(shù)具有較大的相關(guān)性。

        從表2到表7可以看出,同一部件的狀態(tài)參數(shù)中存在CCI值較大的參數(shù)對(duì),說明參數(shù)具有較大的相關(guān)性,參數(shù)之間相互影響大,從某種程度上也反映了同一部件的狀態(tài)參數(shù)所包含的狀態(tài)信息具有一致性。同時(shí),狀態(tài)參數(shù)中存在CCI值比較小的參數(shù)對(duì),一方面說明參數(shù)的相關(guān)性較小,另一方面說明參數(shù)不僅受到同一部件狀態(tài)參數(shù)的影響,某一部件的狀態(tài)參數(shù)還會(huì)受到其它部件的影響。

        表5 齒輪箱溫度參數(shù)的綜合相關(guān)性指標(biāo)

        表6 機(jī)艙狀態(tài)參數(shù)的綜合相關(guān)性指標(biāo)

        表7 主軸狀態(tài)參數(shù)的綜合相關(guān)性指標(biāo)

        從表8可知:機(jī)艙的塔底柜溫度與塔頂柜溫度;齒輪箱油溫與輸入軸、輸出軸、入口油溫之間;主軸葉輪側(cè)軸承溫度、齒輪箱側(cè)軸承溫度與機(jī)艙塔底柜溫度、塔頂柜溫度之間的相關(guān)性均較高。這說明風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)參數(shù)不僅與同一部件狀態(tài)參數(shù)有較大的相關(guān)性,也與其它部件的狀態(tài)參數(shù)有不可忽略的相關(guān)性。其原因是,風(fēng)電機(jī)組由多個(gè)復(fù)雜部件或子系統(tǒng)構(gòu)成,機(jī)組正常工作依賴于各部件緊密聯(lián)系協(xié)調(diào)運(yùn)行,在運(yùn)行過程中各部件的狀態(tài)參數(shù)同時(shí)受多種因素的影響。

        6 結(jié)論

        根據(jù)Pearson、Spearman相關(guān)系數(shù)的特點(diǎn)提出了風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)參數(shù)的綜合相關(guān)性指標(biāo),并采用綜合相關(guān)性指標(biāo)量化風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)參數(shù)之間的相關(guān)性,通過分析風(fēng)速、環(huán)境溫度、狀態(tài)參數(shù)的綜合相關(guān)性指標(biāo)CCI,研究了風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律,為建立風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)參數(shù)異常辨識(shí)模型奠定基礎(chǔ)。

        表8 不同部件部分狀態(tài)參數(shù)的綜合相關(guān)性指標(biāo)

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