徐孝峰 劉勁堯 江丁勇
摘 要:文章主要分析了海上風(fēng)電機(jī)組分布式的控制系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀,并重點(diǎn)分析了對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組分布式中存在的問題以及相關(guān)的定位研究。它不僅可以設(shè)計(jì)出具體的通信故障的診斷以及定位的方案,還可以對(duì)分布式系統(tǒng)機(jī)組之間的通信鏈路進(jìn)行簡(jiǎn)化,起到有效控制風(fēng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)間拓?fù)涞男Ч?。研究和分析該裝置,可以進(jìn)一步對(duì)分布式風(fēng)電機(jī)組所構(gòu)成的風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行群落的劃分。
關(guān)鍵詞:海上風(fēng)電機(jī)組;分布式控制系統(tǒng)故障診斷和分析;定位
0 引言
風(fēng)能是一種可再生能源,并且以其清潔、無污染、儲(chǔ)量豐富的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為如今解決能源危機(jī)以及環(huán)境污染問題的重要手段之一。當(dāng)前,環(huán)境污染問題已經(jīng)成為全世界共同關(guān)注的問題,并且受到全世界人們的重視。海上風(fēng)力發(fā)電不需要占用陸地資源,并且還以其利用率高等優(yōu)點(diǎn)受到人們的關(guān)注。目前,海上風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)離陸地,并且環(huán)境惡劣,因此對(duì)于風(fēng)電機(jī)組發(fā)生故障率的可能性較高,這樣就會(huì)對(duì)發(fā)電的效益產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。
1 分布式風(fēng)電機(jī)群的群落劃分分析
為了對(duì)分布式系統(tǒng)進(jìn)行有效的故障診斷和定位分析,本文主要是采用集群以及局部?jī)?yōu)化的方式對(duì)拓?fù)淇刂扑惴ㄟM(jìn)行具體的群落劃分。CLTC算法主要是根據(jù)功率的大小以及節(jié)點(diǎn)間互發(fā)等特征來具體對(duì)通信的性能以及通信的鏈路進(jìn)行選擇。一般來說,CLTC算法會(huì)選擇性能較強(qiáng)的并且通信鏈路較多的節(jié)點(diǎn)作為主節(jié)點(diǎn),之后還要選擇自身功率以及群內(nèi)節(jié)點(diǎn)通信機(jī)制的能力從節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行控制,之后還需要通過主節(jié)點(diǎn)控制群的邊界功率對(duì)群之間的邊界節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)的連接,以此來完成整個(gè)分布式風(fēng)電機(jī)組的群落劃分效果[1]。CLTC算法大致會(huì)劃分成3個(gè)部分:風(fēng)電機(jī)組節(jié)點(diǎn)分群、機(jī)群內(nèi)無線拓?fù)淇刂埔约皺C(jī)群間拓?fù)錂C(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。(1)風(fēng)電機(jī)組節(jié)點(diǎn)分群。其主要是利用風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的相互通信來具體得到相鄰風(fēng)機(jī)的終端數(shù)以及對(duì)應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)度值。其中,節(jié)點(diǎn)度值主要是指該節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)邊的條數(shù)。除此之外,還需要將分布式風(fēng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的所有終端節(jié)點(diǎn)都加入各自的群落。(2)機(jī)群內(nèi)無線拓?fù)淇刂?。?dāng)確定主節(jié)點(diǎn)之后,還可以再一次進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)機(jī)群內(nèi)的拓?fù)淇刂七M(jìn)行初始化。在各個(gè)主節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)廣播消息到所有的從節(jié)點(diǎn)之后,還可以從節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的確認(rèn)。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)自身以及相鄰的從節(jié)點(diǎn)集,并且還可以形成一個(gè)以主節(jié)點(diǎn)到群首的簇,之后再將標(biāo)記的信息送到從節(jié)點(diǎn)。對(duì)于主節(jié)點(diǎn)來說,主要是利用最小生成樹的算法進(jìn)行局部的拓?fù)鋬?yōu)化[2]。之后還需要解決非均分簇帶來的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載能耗均衡不平衡以及“熱區(qū)”等現(xiàn)象,將所導(dǎo)致的影響網(wǎng)絡(luò)壽命的問題進(jìn)行解決。利用非均勻分簇路由算法對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇優(yōu)化后,還可以采用改進(jìn)蟻群優(yōu)化的算法具體搜索出無線網(wǎng)絡(luò)簇間的多條路徑,以此來進(jìn)一步組建出無線網(wǎng)絡(luò)路由非均勻分簇多目標(biāo)優(yōu)化問題的模型,以此來解決網(wǎng)絡(luò)負(fù)載能耗均衡、不平衡以及出現(xiàn)的“熱區(qū)”等問題。(3)機(jī)群間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)群間的拓?fù)湟?guī)則還需要具體進(jìn)行研究,并且還要通過一定的策略具體設(shè)置群成員的發(fā)送功率。為了進(jìn)一步滿足分布式節(jié)點(diǎn)故障診斷的需求,還需要在兩個(gè)群落間的邊界節(jié)點(diǎn)上和自己群落中的主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)系。最終,還需要將網(wǎng)絡(luò)中所有的機(jī)群按照一定的規(guī)則進(jìn)行連接,以此來完成機(jī)群之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),具體情況如下圖 1所示。
2 海上風(fēng)電機(jī)組分布式故障診斷定位
隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及社會(huì)的進(jìn)步,風(fēng)能、潮汐能、太陽能等清潔能源已經(jīng)成為重點(diǎn)研究對(duì)象。其中,海上風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模也在迅速擴(kuò)大,相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也變得更加復(fù)雜。下面本文將針對(duì)傳統(tǒng)海上風(fēng)電機(jī)群中通信故障診斷技術(shù),并且只能在輸出“懷疑”和“信任”兩個(gè)數(shù)值的問題上采取心跳檢測(cè)pull算法,以此對(duì)分布式故障機(jī)組進(jìn)一步進(jìn)行診斷和定位研究。首先,本文對(duì)心跳機(jī)制原理進(jìn)行分析[3]。要分析心跳機(jī)制的具體步驟,人們要從某一個(gè)節(jié)點(diǎn)出發(fā),定時(shí)向鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送心跳。當(dāng)鄰節(jié)點(diǎn)收到心跳消息后,就需要在一定的時(shí)間內(nèi)被動(dòng)發(fā)送相應(yīng)的應(yīng)答消息,之后還需要提高鄰節(jié)點(diǎn)返回來的心跳信息時(shí)間來具體確定節(jié)點(diǎn)的通信情況,并進(jìn)行分析。其次,是對(duì)風(fēng)電機(jī)群的分布式節(jié)點(diǎn)故障診斷進(jìn)行分析,主要是根據(jù)分布式網(wǎng)絡(luò)中主從節(jié)點(diǎn)特性的不同將主從節(jié)點(diǎn)的故障進(jìn)行診斷,進(jìn)行具體分析。之后還需要對(duì)主節(jié)點(diǎn)的故障進(jìn)行診斷并進(jìn)行具體的分析。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)節(jié)點(diǎn)的診斷之后,還需要進(jìn)一步對(duì)通信故障的定位問題進(jìn)行解決。由于在一個(gè)群落中僅僅只存在一個(gè)主節(jié)點(diǎn),如果主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障,就需要從節(jié)點(diǎn)來連接周圍從節(jié)點(diǎn)的主節(jié)點(diǎn)故障,之后進(jìn)行定位。具體情況如圖2所示。
3 仿真與實(shí)驗(yàn)分析
首先是對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)CLCT算法的拓?fù)淙郝溥M(jìn)行劃分仿真。為了進(jìn)一步對(duì)設(shè)計(jì)好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫阅苓M(jìn)行有效性的驗(yàn)證,還需要采取MATLAB仿真,并且在邊長(zhǎng)1 400 m的正方形區(qū)域內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)一百個(gè)節(jié)點(diǎn)的部署,以此來進(jìn)行仿真和模擬。除此之外,通信的半徑都是150 m,在節(jié)點(diǎn)初始的能量是0.5 J,節(jié)點(diǎn)的收、發(fā)電路能耗也需要進(jìn)行控制,發(fā)射的放大器能耗也需要進(jìn)行控制[4]。無拓?fù)淇刂扑惴ǖ娘L(fēng)電機(jī)組通信節(jié)點(diǎn)還需要將坐標(biāo)原點(diǎn)劃分為匯聚節(jié)點(diǎn),并且將所有的節(jié)點(diǎn)都最大化發(fā)送。而網(wǎng)絡(luò)還會(huì)因?yàn)殒溌窋?shù)量相互重疊的原因而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大,這就會(huì)對(duì)其連通情況產(chǎn)生影響。如果使用CLTC算法對(duì)風(fēng)電機(jī)組通信拓?fù)溥M(jìn)行調(diào)整,就需要對(duì)功率進(jìn)行控制,并且這也會(huì)為風(fēng)電機(jī)組的故障診斷以及定位提供一定的可靠性區(qū)間。心跳檢測(cè)算法的優(yōu)越性在進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試時(shí),還需要將和傳統(tǒng)的通信故障檢測(cè)算法進(jìn)行比較。之后還需要考慮不同的情況,主要是面對(duì)故障節(jié)點(diǎn)率的增加,相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)診斷的正確率就會(huì)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。由于傳統(tǒng)的通信故障檢測(cè)算法在階段故障率是30%左右時(shí),相應(yīng)的診斷精確度下降的幅度也會(huì)較大,主要是由于輸出“懷疑”和“信任”的二值性,而且在使用過程中會(huì)產(chǎn)生過度依賴鄰居節(jié)點(diǎn)的情況。基于上述情況,人員就需要對(duì)分布式心跳機(jī)制檢測(cè)算法的節(jié)點(diǎn)故障進(jìn)行仔細(xì)的診斷,以此來進(jìn)一步將診斷的變化趨向于平穩(wěn),在這種情況下得到的診斷精準(zhǔn)度也會(huì)進(jìn)一步提高。自然界中存在多種類型的能源,分類的方式也多種多樣,需要人們仔細(xì)研究才能促進(jìn)能源的合理開發(fā)和利用。
4 結(jié)語
綜上所述,根據(jù)當(dāng)前海上風(fēng)電機(jī)組分布式控制系統(tǒng)以及機(jī)組故障診斷和定位難等問題,人們可以通過基于群落劃分以及心跳檢測(cè)等算法的分布式故障診斷以及定位的策略來具體進(jìn)行研究,之后還可以通過實(shí)驗(yàn)以及仿真對(duì)方案的可行性和適用性進(jìn)行分析。相較于傳統(tǒng)的通信檢測(cè)算法,這個(gè)方案可以將風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行群落劃分,并且還要在不通過基站的情況下對(duì)鄰節(jié)點(diǎn)的心跳發(fā)射以及心跳返回的情況進(jìn)行診斷和定位,該方式簡(jiǎn)捷有效,并且在處理方面還具有一定的創(chuàng)新性和優(yōu)越性。
[參考文獻(xiàn)]
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Fault diagnosis and location analysis of offshore wind turbine distributed control system
Xu Xiaofeng, Liu Jinyao, Jiang Dingyong
(Huadian Fujian Wind Power Co., Ltd., Fuzhou 350000, China)
Abstract:This paper mainly analyzes the application status of distributed control system of offshore wind turbine, and focuses on the problems existing in the distributed control system of offshore wind turbine and the related positioning research. It can not only design the specific communication fault diagnosis and positioning scheme, but also simplify the communication link between the distributed system units. It can effectively control the topology of wind turbine network. Through the research and analysis of the device, the wind farm community composed of distributed wind turbines can be further divided.
Key words:offshore wind turbine; fault diagnosis and analysis of distributed control system; location