基于SCADA數(shù)據(jù)的風(fēng)力機(jī)功率曲線評(píng)價(jià)方法試驗(yàn)研究*

郭玉立

(湖南科技大學(xué) 機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201)

0 引 言

風(fēng)能是一種潔凈的可再生能源。近年來(lái)風(fēng)力機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。隨著風(fēng)力機(jī)裝機(jī)量的增加，風(fēng)力機(jī)事故頻發(fā)導(dǎo)致運(yùn)維成本逐年遞增。因此，對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行性能狀況評(píng)價(jià)很有必要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究：Jafarian等[1]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法運(yùn)用風(fēng)速和空氣密度估算風(fēng)力機(jī)的發(fā)電性能；Julwan等[2]提出在復(fù)雜工程系統(tǒng)可靠性分析中概率方法的應(yīng)用，采集定性的歷史故障數(shù)據(jù)推斷該系統(tǒng)的失效概率；Habibi等[3]通過(guò)分析SCADA數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)力機(jī)的故障預(yù)警和性能退化提高了對(duì)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)；Lazakis等[4]根據(jù)風(fēng)力機(jī)性能指標(biāo)提出其運(yùn)行狀態(tài)中實(shí)際輸出功率與標(biāo)準(zhǔn)功率相比可浮動(dòng)的正常區(qū)間；Q.Han等[5]結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)存在的問(wèn)題建立風(fēng)力機(jī)可靠性評(píng)估理論與程序，提高了對(duì)風(fēng)力機(jī)性能監(jiān)測(cè)與掌控；Clemens等[6]研究了風(fēng)力機(jī)性能退化與故障，提出基于風(fēng)力機(jī)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)其故障發(fā)生概率的推斷；彭華東等[7]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論應(yīng)用到風(fēng)電機(jī)組故障預(yù)測(cè)中，實(shí)現(xiàn)了故障類(lèi)型與故障預(yù)測(cè)的判斷；張穆勇等[8]針對(duì)風(fēng)電機(jī)組故障數(shù)據(jù)樣本數(shù)較少，提出了基于運(yùn)行數(shù)據(jù)的風(fēng)電機(jī)組可靠性分析與評(píng)估方法；張帆等[13]提出基于SCADA參數(shù)關(guān)系的風(fēng)力機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別，通過(guò)輸入輸出參數(shù)關(guān)系確定異常故障狀態(tài)。以上這些研究?jī)H是分析了能夠體現(xiàn)風(fēng)力機(jī)性能狀況重要參數(shù)、風(fēng)力機(jī)的主要部件故障診斷以及依據(jù)歷史故障數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行故障分析。在基于SCADA數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行性能可靠度評(píng)估、考慮風(fēng)力機(jī)性能參數(shù)的離散性以及對(duì)風(fēng)力機(jī)性能綜合評(píng)價(jià)方面有待進(jìn)一步研究。

針對(duì)以上不足，筆者提出一種基于風(fēng)力機(jī)SCADA數(shù)據(jù)中風(fēng)速-功率的性能評(píng)價(jià)方法。首先對(duì)風(fēng)力機(jī)SCADA原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，以性能可靠性理論為依據(jù)、結(jié)合組合權(quán)重法構(gòu)建風(fēng)力機(jī)性能可靠度模型；其次，提出風(fēng)力機(jī)功率離散度問(wèn)題，計(jì)算風(fēng)力機(jī)功率變異系數(shù)；最后，結(jié)合風(fēng)力機(jī)性能可靠度與功率變異系數(shù)建立評(píng)分規(guī)則并通過(guò)算例驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 風(fēng)力機(jī)功率曲線可靠度建模

1.1 SCADA數(shù)據(jù)

風(fēng)力機(jī)的工作原理是由風(fēng)能引起葉片的旋轉(zhuǎn)，由機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。

風(fēng)力機(jī)SCADA數(shù)據(jù)記錄了各個(gè)部位較為全面的數(shù)據(jù)，其中功率可以直觀的表現(xiàn)出風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀況。風(fēng)力機(jī)的輸入為風(fēng)能，輸出為電能。輪轂轉(zhuǎn)速、風(fēng)向等參數(shù)雖然對(duì)風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀況產(chǎn)生一定的影響但功率是產(chǎn)生電能的直接因素同時(shí)也是評(píng)價(jià)其性能狀況的重要指標(biāo)。筆者采取我國(guó)南方某風(fēng)電場(chǎng)2 MW風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，圖1為風(fēng)力機(jī)風(fēng)速-功率散點(diǎn)圖；表1所列為2MW風(fēng)力機(jī)參數(shù)。

圖1 風(fēng)力機(jī)風(fēng)速-功率散點(diǎn)圖

表1 2MW風(fēng)力機(jī)參數(shù)

1.2 SCADA數(shù)據(jù)預(yù)處理

為提高風(fēng)力機(jī)性能評(píng)價(jià)的精度，首先對(duì)風(fēng)力機(jī)SCADA數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，其中以下情況記錄的數(shù)據(jù)應(yīng)去除：

(1) 標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速區(qū)間以外的數(shù)據(jù)。

(2) 停機(jī)、維修時(shí)的數(shù)據(jù)。

風(fēng)力機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速區(qū)間為3～22 m/s；標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速區(qū)間之外的數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)風(fēng)力機(jī)的性能分析產(chǎn)生一定偏差。

風(fēng)力機(jī)功率曲線是衡量其性能狀況的重要指標(biāo)。一般的風(fēng)力機(jī)商業(yè)驗(yàn)收指標(biāo)中要求標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速范圍內(nèi)的的實(shí)際功率應(yīng)不低于標(biāo)準(zhǔn)功率的90%[10]。圖2為風(fēng)力機(jī)SCADA數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)的風(fēng)速-功率散點(diǎn)圖。

圖2 數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)的風(fēng)力機(jī)風(fēng)速-功率散點(diǎn)圖

1.3 組合權(quán)重法風(fēng)速區(qū)間劃分

組合權(quán)重法是根據(jù)某區(qū)域內(nèi)的樣本數(shù)與樣本總數(shù)的比值為該區(qū)域所占權(quán)重。將風(fēng)速區(qū)間劃分間隔為0.5 m/s，依次計(jì)算各風(fēng)速區(qū)間所占總體的權(quán)重。風(fēng)速-功率散點(diǎn)為樣本,樣本總數(shù)為N，以風(fēng)速間隔為0.5 m/s劃分n個(gè)風(fēng)速區(qū)間，則：

N=N1+N2...+Ni

(1)

(2)

(3)

(4)

1.4 風(fēng)力機(jī)功率曲線可靠度模型

依據(jù)性能可靠性理論，以及風(fēng)力機(jī)的商業(yè)驗(yàn)收條件，風(fēng)力機(jī)性能參數(shù)X(t)服從正態(tài)分布[10]，且表示為單側(cè)下限性能可靠度：

R(t)=P(x(t)≥XL)

(5)

式中：Φ為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)；XL為性能參數(shù)的下限；μt為x(t)的均值；σ(t)為x(t)的標(biāo)準(zhǔn)差。

風(fēng)力機(jī)各風(fēng)速區(qū)間風(fēng)速-功率相互獨(dú)立，得出風(fēng)力機(jī)功率曲線性能可靠度為式(8)：

(6)

Ri(Zi)=1-Φ(Zi)

(7)

(8)

式中：σi為i區(qū)間功率標(biāo)準(zhǔn)差；Ri(Zi)為i區(qū)間的性能可靠度；Zi是標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速-功率曲線的正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化變量；PSi為i區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速-功率曲線對(duì)應(yīng)的功率值，可參照最小二乘法求出。風(fēng)力機(jī)性能曲線的可靠度為式(9)：

(9)

式中：Ri為i區(qū)間性能可靠度。

以風(fēng)力機(jī)的實(shí)際使用性能對(duì)設(shè)計(jì)性能的滿足程度為基準(zhǔn)，參照性能可靠度理論以及風(fēng)力機(jī)的商業(yè)驗(yàn)收條件，風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速-功率樣本點(diǎn)應(yīng)不低于標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速-功率曲線的90%。圖3為風(fēng)力機(jī)某風(fēng)速區(qū)間風(fēng)速-功率樣本的合格與不合格散點(diǎn)圖。

圖3 風(fēng)力機(jī)某風(fēng)速區(qū)間合格樣本散點(diǎn)圖

2 風(fēng)力機(jī)功率離散度評(píng)估

2.1 問(wèn)題來(lái)源

風(fēng)力機(jī)功率的離散度也是影響其性能優(yōu)劣的重要因素。若風(fēng)力機(jī)的功率滿足標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速-功率曲線的下限但波動(dòng)性較大，則表明風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定性較差。如圖4所示。

圖4 風(fēng)力機(jī)風(fēng)速-功率散點(diǎn)圖

風(fēng)力機(jī)功率離散度較大不符合運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)的要求，因此風(fēng)力機(jī)功率的離散度也是評(píng)判其性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。

2.2 風(fēng)力機(jī)功率變異系數(shù)

變異系數(shù)又稱(chēng)“標(biāo)準(zhǔn)差率”，是表示樣本離散程度的統(tǒng)計(jì)量。變異系數(shù)為該區(qū)間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值。

(10)

式中：Pi為i區(qū)間實(shí)際功率；CVi為i區(qū)間功率變異系數(shù)。

參照風(fēng)力機(jī)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速-功率曲線將其劃分為上限、中限、和下限三個(gè)區(qū)域，中限表示運(yùn)行狀況良好，上限和下限表示運(yùn)行狀況一般，在計(jì)算風(fēng)力機(jī)實(shí)際功率的變異系數(shù)時(shí)允許上下浮動(dòng)10%[10]。風(fēng)力機(jī)功率變異系數(shù)CV如式(11)：

(11)

3 風(fēng)力機(jī)性能評(píng)分規(guī)則

風(fēng)力機(jī)功率曲線可靠度是體現(xiàn)其性能是否達(dá)標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)；風(fēng)力機(jī)功率變異系數(shù)是衡量運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定的重要因素。由于兩者之間相互獨(dú)立且均是體現(xiàn)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)。本文將風(fēng)力機(jī)的性能可靠度與功率變異系數(shù)相結(jié)合，并依據(jù)風(fēng)力機(jī)質(zhì)量指標(biāo)評(píng)定方法制定評(píng)分規(guī)則。其中評(píng)分T如式(12)所示；評(píng)分規(guī)則如表2所列。

表2 風(fēng)力機(jī)性能等級(jí)評(píng)價(jià)規(guī)則

T=0.5CV+0.5(1-R)

(12)

4 算例分析

以我國(guó)南方某風(fēng)電場(chǎng)2 MW風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，以1號(hào)風(fēng)力機(jī)為例提取SCADA原始數(shù)據(jù)中的風(fēng)速-功率并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，參照風(fēng)力機(jī)商業(yè)驗(yàn)收條件得出各風(fēng)速區(qū)間功率不合格樣本數(shù)，如圖5所示。

圖5 1號(hào)風(fēng)力機(jī)風(fēng)速區(qū)間不合格樣本數(shù)

結(jié)合性能可靠度理論計(jì)算出風(fēng)力機(jī)各風(fēng)速區(qū)間性能可靠度如表3所列。

表3 1號(hào)風(fēng)力機(jī)風(fēng)速區(qū)間性能可靠度

考慮風(fēng)力機(jī)功率的離散型，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出1號(hào)風(fēng)力機(jī)功率變異系數(shù)如圖6所示。

圖6 1號(hào)風(fēng)力機(jī)各風(fēng)速區(qū)間功率變異系數(shù)

風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行中根據(jù)電網(wǎng)容量來(lái)控制是否對(duì)其進(jìn)行限功率，當(dāng)電網(wǎng)可容量不足時(shí)需要對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行限功率。風(fēng)力機(jī)的自由狀態(tài)是指在不受任何人為控制下的正常運(yùn)行，限功率是風(fēng)力機(jī)處于不自由狀態(tài)，因此風(fēng)力機(jī)處于限功率狀態(tài)時(shí)的輸出功率應(yīng)嚴(yán)格按照不大于功率限定值來(lái)衡量樣本是否合格。

計(jì)算了風(fēng)電場(chǎng)5臺(tái)風(fēng)力機(jī)各風(fēng)速區(qū)間的性能可靠度折線圖如圖7所示；參照風(fēng)力機(jī)性能評(píng)分結(jié)合性能可靠度與功率變異系數(shù)對(duì)其進(jìn)行綜合性能評(píng)價(jià)如表4所示。

表4 風(fēng)力機(jī)綜合性能等級(jí)評(píng)價(jià)

圖7 5臺(tái)風(fēng)力機(jī)各風(fēng)速區(qū)間性能可靠度折線圖

由以上分析可知，基于SCADA數(shù)據(jù)中風(fēng)力機(jī)風(fēng)速-功率評(píng)價(jià)方法可以得出以下結(jié)論：①結(jié)合風(fēng)力機(jī)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速-功率曲線與實(shí)際風(fēng)速-功率曲線構(gòu)建性能可靠度模型并得出性能可靠度，同時(shí)考慮風(fēng)力機(jī)功率的離散型建立性能評(píng)分規(guī)則可直觀表示出風(fēng)力機(jī)的綜合性能狀況；②該方法同樣適用于風(fēng)力機(jī)處于停機(jī)或限功率狀態(tài)；③參照風(fēng)力機(jī)商業(yè)驗(yàn)收條件確定風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的風(fēng)速區(qū)間，對(duì)風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行環(huán)境條件的選取提供幫助。

5 結(jié) 論

(1) 提出了一種風(fēng)力機(jī)SCADA數(shù)據(jù)中風(fēng)速-功率的性能評(píng)價(jià)方法。以風(fēng)力機(jī)的實(shí)際使用性能對(duì)設(shè)計(jì)性能的滿足程度為基準(zhǔn)，結(jié)合性能可靠度理論建立風(fēng)力機(jī)性能可靠度模型。

(2) 參照風(fēng)力機(jī)性能參數(shù)并進(jìn)行SCADA數(shù)據(jù)預(yù)處理，結(jié)合組合權(quán)重法計(jì)算各風(fēng)速區(qū)間所占權(quán)重。

(3) 考慮風(fēng)力機(jī)的綜合性能狀況，提出功率的離散度問(wèn)題并以風(fēng)力機(jī)功率變異系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)評(píng)價(jià)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定性具有重要作用。

(4) 結(jié)合風(fēng)力機(jī)性能可靠度與功率變異系數(shù)，建立風(fēng)力機(jī)性能評(píng)價(jià)規(guī)則并進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)。對(duì)掌控風(fēng)力機(jī)運(yùn)行狀態(tài)具有重要益處。