海上風電機組分布式控制系統故障診斷與定位研究

蔣杏國 周鵬 陳立云

1.鹽城國豐海上風力發(fā)電有限公司 江蘇鹽城 224000

2.國家風電設備質量監(jiān)督檢驗中心（江蘇） 江蘇鹽城 224000

1 分布式風電機群的群落劃分

1.1 風電機組節(jié)點分群

利用風電機組網絡終端節(jié)點的相互通信獲得相鄰風機的終端數和對應的終端節(jié)點度值，所謂節(jié)點度值是指該節(jié)點相關聯邊的條數[1]。

1.2 機群內無線拓撲控制

主節(jié)點確立之后，再進行風電場機群內拓撲控制的初始化。各主節(jié)點網絡廣播消息給所有從節(jié)點，從節(jié)點向主節(jié)點回復確認消息；主節(jié)點統計自身鄰居的從節(jié)點集，形成一個以主節(jié)點為群首的簇，再發(fā)送標記消息給從節(jié)點；所有收到簇內消息的從節(jié)點將消息記錄在自己的終端ID上，表示成為群內成員。

1.3 機群間拓撲結構實現

網絡群間的拓撲規(guī)則：群Ai的終端節(jié)點mij周期性地向鄰群Bi的節(jié)點nij發(fā)送包含位置、節(jié)點地址和所屬群位置的報文信息；若終端節(jié)點mij接收到nij的報文信息，則把信息存儲到節(jié)點mij的邊界表；當群Ai成員邊界收集完后，群Ai會檢查與相鄰群Bi間是否存在兩條不相交的鏈路；若不存在，則Ai和Bi以最大功率發(fā)送，若存在，主節(jié)點用maxmin的策略設置群成員的發(fā)送功率。為了保證分布式節(jié)點故障診斷的需求，兩群落間邊界節(jié)點還須要與自己群落中的主節(jié)點相連接。最后，將網絡中所有的機群按照上述規(guī)則進行連接，完成機群間拓撲結構。分布式風電機群群落劃分流程如圖1所示。

圖1 分布式發(fā)電機群的群落劃分示意圖

2 海上風電機組分布式故障診斷定位

2.1 心跳機制原理

心跳機制的具體步驟：某一節(jié)點定時地向鄰節(jié)點發(fā)送心跳，鄰節(jié)點收到心跳消息后，在一定時間內被動地發(fā)回應答消息，通過鄰節(jié)點返回來的心跳信息時間從而確定該節(jié)點的通訊狀態(tài)。

為了將心跳機制用于分布式風電機組通訊故障節(jié)點的診斷，首先引入3個反應分布式故障檢測基本性能的指標：檢測時間TD、錯誤間隔時間TMR和錯誤持續(xù)時間TM。TD為風機通訊節(jié)點接收某一鄰節(jié)點的心跳信息到判斷該風機通訊節(jié)點故障的時間；TMR為風機通訊節(jié)點之間兩次發(fā)生故障輸出之間的時間間隔；TM為風機通訊節(jié)點之間檢測修正一次錯誤懷疑所需要的時間。

2.2 風電機群的分布式節(jié)點故障診斷

針對分布式網絡中主從節(jié)點特性不同，將做以下主從節(jié)點的故障診斷。群落內從節(jié)點故障診斷：假設主節(jié)點為qi，從節(jié)點{p1，p2，…，pn}標記序號為1，2，3，…，n，總時間進程為TD。從0時刻開始，主節(jié)點就和從節(jié)點實行并行通訊，在任意一個時間進程ti中，主節(jié)點q同時和n個從節(jié)點{p1，p2，…，pn}進行兩節(jié)點心跳機制的網絡通訊。心跳檢測pull算法判斷準則：網絡利用當前時刻所得時間參數計算出此時進程的輸出值Q，并在ti時刻設定一個閾值P。若Q在P內，此時分布式網絡通訊良好；當Q超過P，網絡發(fā)生故障，此時須查詢出故障從節(jié)點pn。心跳檢測pull算法模型如圖2所示。

圖2 心跳檢測pull 算法ti 時刻從節(jié)點故障圖

2.3 風電機群分布式節(jié)點故障定位

當網絡完成節(jié)點診斷后，就要解決通訊故障定位問題。在一個分布式群落中節(jié)點的故障定位流程如圖3所示。由圖3（a）可知，因為在一個群落中只存在一個主節(jié)點，當主節(jié)點出現故障時，而從節(jié)點工作正常，連接周圍從節(jié)點的主節(jié)點故障即可以定位出故障主節(jié)點1。由圖3（b）可知，當從節(jié)點出故障時，系統自動回到網絡進程輸出P，查詢出當前未收到應答消息的序號n*，此時n*=2，因此可知2號從節(jié)點發(fā)生風機故障[2]。

圖3 主、從節(jié)點故障定位圖

3 仿真與實驗分析

3.1 海上風電場CLCT 算法的拓撲群落劃分仿真

為了驗證所設計網絡拓撲性能的有效性，采用MATLAB仿真，在邊長為1400m的正方形區(qū)域內，隨機部署100個節(jié)點進行仿真，且通信半徑都為150m，節(jié)點初始能量為0.5J，節(jié)點收、發(fā)電路能耗均為50nJ/bit，發(fā)射放大器能耗為10pJ/（bit·m2），數據聚合能耗為5nJ/bit。為無拓撲控制算法的風電機組通訊節(jié)點圖，此時坐標原點為匯聚節(jié)點，所有節(jié)點都以最大發(fā)送。網絡中由于鏈路數量相互重疊，網絡負載較大，從而影響網絡的連通情況。使用CLTC算法后風電機組通訊拓撲圖。此時CLTC算法根據所設定的拓撲規(guī)則調整了風電機組無線終端的功率，為風電機組故障診斷和定位提供了可靠性區(qū)間。

3.2 心跳故障檢測算法實驗分析

選取中主節(jié)點為1的群落、主節(jié)點為2的群落以及群落1和群落2所相交的鄰邊節(jié)點進行主、從故障的仿真分析。分別運用心跳檢測pull算法進行從節(jié)點的故障診斷和基于心跳機制的主節(jié)點故障診斷。相應參數設置：Δη=1s，TD=10000ms，TQ=250ms，Ts=230ms，TL=230ms，λ=9×10-4ms，TM與TMR和PT隨TD的變化。從節(jié)點故障診斷：將TM與TMR和PT相應時間內的參數值，帶入式（4），（5），得到Q和P，這里計算Q和P的殘差，設為ΔQP，并與0進行比較。在6s之前，網絡通訊良好；在6s之后，Q＞P，即ΔQP＞0，超出閾值1，系統節(jié)點出現通訊故里只要找出P中的序號n*，即可知道群落中從節(jié)點的故障風機；系統在9s時，超出閾值2的值，分布式風電無線通訊節(jié)點處于嚴重失控，損壞程度進一步加深，須采取必要控制的措施。主節(jié)點故障診斷：本文選擇了群落1中的故障主節(jié)點，群落1中的鄰邊從節(jié)點和群落2的鄰邊從節(jié)點進行鄰節(jié)點跨群檢測。群落1中從節(jié)點分別發(fā)射心跳給故障主節(jié)點和群落2中的從節(jié)點，兩節(jié)點分別對群1從節(jié)點進行心跳應答。對分布式心跳機制的主節(jié)點進行仿真測試，進行主節(jié)點的診斷，TQ軍，TL軈曲線。將分布式參數Ts=230ms，TL=230ms，λ=9×10-4ms代入式（7）得到閾值E（TQ）+TL=470ms。再將由得到的TQ軍，TL軈值帶入TQ軍+TL軈，并與閾值E（TQ）+TL進行比較。表1為主節(jié)點應答時間。在第8秒時，主節(jié)點返回心跳應答時刻超出閾值，由此判斷主節(jié)點發(fā)生故障。為測試心跳檢測算法的優(yōu)越性，將其和傳統的通信故障檢測算法進行比較隨著故障節(jié)點率的增加，網絡拓撲節(jié)點診斷的正確率呈下降趨勢，且基于傳統的通訊故障檢測算法在節(jié)點故障率為30%左右時，診斷精確度降幅較大，其原因是輸出懷疑和信任的二值性的結果，并且過度依賴鄰居節(jié)點的狀態(tài)[3]。

4 結語

海上風力發(fā)電具有不占用陸地資源、利用率高等優(yōu)點，已受到各國廣泛關注。海上風電場遠離陸地，環(huán)境惡劣，風電機組故障率較高，嚴重影響發(fā)電效益。當前海上風電場大多采用集中控制方式，其缺點是，一旦通信干擾或控制裝置出現故障，就可能使整個海上風電場處于失控狀態(tài)。分布式控制避免了集中式控制存在的風險，可以有效解決網絡化系統控制問題。但由于缺少監(jiān)控中心站，分布式控制存在故障節(jié)點診斷和定位難的問題。對分布式風電機組通訊節(jié)點進行有效、精確地診斷與定位，可以有效地避免重大事故的發(fā)生，提高分布式協同控制的可靠性。