海上風電機組分布式控制系統(tǒng)故障診斷與定位分析

徐孝峰 劉勁堯 江丁勇

摘 要：文章主要分析了海上風電機組分布式的控制系統(tǒng)應用現(xiàn)狀，并重點分析了對海上風電機組分布式中存在的問題以及相關(guān)的定位研究。它不僅可以設計出具體的通信故障的診斷以及定位的方案，還可以對分布式系統(tǒng)機組之間的通信鏈路進行簡化，起到有效控制風機網(wǎng)絡間拓撲的效果。研究和分析該裝置，可以進一步對分布式風電機組所構(gòu)成的風電場進行群落的劃分。

關(guān)鍵詞：海上風電機組；分布式控制系統(tǒng)故障診斷和分析；定位

0 引言

風能是一種可再生能源，并且以其清潔、無污染、儲量豐富的優(yōu)點已經(jīng)成為如今解決能源危機以及環(huán)境污染問題的重要手段之一。當前，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)點受到人們的關(guān)注。目前，海上風電場遠離陸地，并且環(huán)境惡劣，因此對于風電機組發(fā)生故障率的可能性較高，這樣就會對發(fā)電的效益產(chǎn)生嚴重的影響。

1 分布式風電機群的群落劃分分析

為了對分布式系統(tǒng)進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優(yōu)化的方式對拓撲控制算法進行具體的群落劃分。CLTC算法主要是根據(jù)功率的大小以及節(jié)點間互發(fā)等特征來具體對通信的性能以及通信的鏈路進行選擇。一般來說，CLTC算法會選擇性能較強的并且通信鏈路較多的節(jié)點作為主節(jié)點，之后還要選擇自身功率以及群內(nèi)節(jié)點通信機制的能力從節(jié)點上進行控制，之后還需要通過主節(jié)點控制群的邊界功率對群之間的邊界節(jié)點進行自動的連接，以此來完成整個分布式風電機組的群落劃分效果[1]。CLTC算法大致會劃分成3個部分：風電機組節(jié)點分群、機群內(nèi)無線拓撲控制以及機群間拓撲機構(gòu)實現(xiàn)。（1）風電機組節(jié)點分群。其主要是利用風電機組網(wǎng)絡終端節(jié)點的相互通信來具體得到相鄰風機的終端數(shù)以及對應的終端節(jié)點度值。其中，節(jié)點度值主要是指該節(jié)點相關(guān)聯(lián)邊的條數(shù)。除此之外，還需要將分布式風機網(wǎng)絡中的所有終端節(jié)點都加入各自的群落。（2）機群內(nèi)無線拓撲控制。當確定主節(jié)點之后，還可以再一次進行風電場機群內(nèi)的拓撲控制進行初始化。在各個主節(jié)點的網(wǎng)絡廣播消息到所有的從節(jié)點之后，還可以從節(jié)點向主節(jié)點進行信息的確認。當主節(jié)點統(tǒng)計自身以及相鄰的從節(jié)點集，并且還可以形成一個以主節(jié)點到群首的簇，之后再將標記的信息送到從節(jié)點。對于主節(jié)點來說，主要是利用最小生成樹的算法進行局部的拓撲優(yōu)化[2]。之后還需要解決非均分簇帶來的網(wǎng)絡負載能耗均衡不平衡以及“熱區(qū)”等現(xiàn)象，將所導致的影響網(wǎng)絡壽命的問題進行解決。利用非均勻分簇路由算法對無線網(wǎng)絡進行分簇優(yōu)化后，還可以采用改進蟻群優(yōu)化的算法具體搜索出無線網(wǎng)絡簇間的多條路徑，以此來進一步組建出無線網(wǎng)絡路由非均勻分簇多目標優(yōu)化問題的模型，以此來解決網(wǎng)絡負載能耗均衡、不平衡以及出現(xiàn)的“熱區(qū)”等問題。（3）機群間拓撲結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)。對于網(wǎng)絡群間的拓撲規(guī)則還需要具體進行研究，并且還要通過一定的策略具體設置群成員的發(fā)送功率。為了進一步滿足分布式節(jié)點故障診斷的需求，還需要在兩個群落間的邊界節(jié)點上和自己群落中的主節(jié)點進行聯(lián)系。最終，還需要將網(wǎng)絡中所有的機群按照一定的規(guī)則進行連接，以此來完成機群之間的拓撲結(jié)構(gòu)，具體情況如下圖 1所示。

2 海上風電機組分布式故障診斷定位

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展以及社會的進步，風能、潮汐能、太陽能等清潔能源已經(jīng)成為重點研究對象。其中，海上風電場的規(guī)模也在迅速擴大，相應的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)也變得更加復雜。下面本文將針對傳統(tǒng)海上風電機群中通信故障診斷技術(shù)，并且只能在輸出“懷疑”和“信任”兩個數(shù)值的問題上采取心跳檢測pull算法，以此對分布式故障機組進一步進行診斷和定位研究。首先，本文對心跳機制原理進行分析[3]。要分析心跳機制的具體步驟，人們要從某一個節(jié)點出發(fā)，定時向鄰節(jié)點發(fā)送心跳。當鄰節(jié)點收到心跳消息后，就需要在一定的時間內(nèi)被動發(fā)送相應的應答消息，之后還需要提高鄰節(jié)點返回來的心跳信息時間來具體確定節(jié)點的通信情況，并進行分析。其次，是對風電機群的分布式節(jié)點故障診斷進行分析，主要是根據(jù)分布式網(wǎng)絡中主從節(jié)點特性的不同將主從節(jié)點的故障進行診斷，進行具體分析。之后還需要對主節(jié)點的故障進行診斷并進行具體的分析。當網(wǎng)絡完成對節(jié)點的診斷之后，還需要進一步對通信故障的定位問題進行解決。由于在一個群落中僅僅只存在一個主節(jié)點，如果主節(jié)點出現(xiàn)故障，就需要從節(jié)點來連接周圍從節(jié)點的主節(jié)點故障，之后進行定位。具體情況如圖2所示。

3 仿真與實驗分析

首先是對海上風電場CLCT算法的拓撲群落進行劃分仿真。為了進一步對設計好的網(wǎng)絡拓撲性能進行有效性的驗證，還需要采取MATLAB仿真，并且在邊長1 400 m的正方形區(qū)域內(nèi)進行隨機一百個節(jié)點的部署，以此來進行仿真和模擬。除此之外，通信的半徑都是150 m，在節(jié)點初始的能量是0.5 J，節(jié)點的收、發(fā)電路能耗也需要進行控制，發(fā)射的放大器能耗也需要進行控制[4]。無拓撲控制算法的風電機組通信節(jié)點還需要將坐標原點劃分為匯聚節(jié)點，并且將所有的節(jié)點都最大化發(fā)送。而網(wǎng)絡還會因為鏈路數(shù)量相互重疊的原因而導致網(wǎng)絡負載較大，這就會對其連通情況產(chǎn)生影響。如果使用CLTC算法對風電機組通信拓撲進行調(diào)整，就需要對功率進行控制，并且這也會為風電機組的故障診斷以及定位提供一定的可靠性區(qū)間。心跳檢測算法的優(yōu)越性在進行進一步測試時，還需要將和傳統(tǒng)的通信故障檢測算法進行比較。之后還需要考慮不同的情況，主要是面對故障節(jié)點率的增加，相應的網(wǎng)絡拓撲節(jié)點診斷的正確率就會呈現(xiàn)下降的趨勢。由于傳統(tǒng)的通信故障檢測算法在階段故障率是30%左右時，相應的診斷精確度下降的幅度也會較大，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產(chǎn)生過度依賴鄰居節(jié)點的情況?；谏鲜銮闆r，人員就需要對分布式心跳機制檢測算法的節(jié)點故障進行仔細的診斷，以此來進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度也會進一步提高。自然界中存在多種類型的能源，分類的方式也多種多樣，需要人們仔細研究才能促進能源的合理開發(fā)和利用。

4 結(jié)語

綜上所述，根據(jù)當前海上風電機組分布式控制系統(tǒng)以及機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等算法的分布式故障診斷以及定位的策略來具體進行研究，之后還可以通過實驗以及仿真對方案的可行性和適用性進行分析。相較于傳統(tǒng)的通信檢測算法，這個方案可以將風電場進行群落劃分，并且還要在不通過基站的情況下對鄰節(jié)點的心跳發(fā)射以及心跳返回的情況進行診斷和定位，該方式簡捷有效，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]

[1]王紹平，王冰，曹智杰，等.海上風電機組分布式控制系統(tǒng)故障診斷與定位研究[J].可再生能源，2020（10）：1343-1348.

[2]陳瑞志.無線網(wǎng)絡非均勻分簇路由算法改進研究與仿真[J].計算機仿真，2017（4）：288-291.

[3]曾鳴，阿斯卡爾，何科雷，等.考慮配電可靠性的分布式電源投資策略研究[J].電力建設，2016（3）：52-57.（編輯 王永超）

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