海上風(fēng)電機(jī)組分布式控制系統(tǒng)故障診斷與定位研究

蔣杏國(guó) 周鵬 陳立云

1.鹽城國(guó)豐海上風(fēng)力發(fā)電有限公司 江蘇鹽城 224000

2.國(guó)家風(fēng)電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（江蘇） 江蘇鹽城 224000

1 分布式風(fēng)電機(jī)群的群落劃分

1.1 風(fēng)電機(jī)組節(jié)點(diǎn)分群

利用風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的相互通信獲得相鄰風(fēng)機(jī)的終端數(shù)和對(duì)應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)度值，所謂節(jié)點(diǎn)度值是指該節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)邊的條數(shù)[1]。

1.2 機(jī)群內(nèi)無線拓?fù)淇刂?/h3>

主節(jié)點(diǎn)確立之后，再進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)機(jī)群內(nèi)拓?fù)淇刂频某跏蓟８髦鞴?jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)廣播消息給所有從節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)回復(fù)確認(rèn)消息；主節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)自身鄰居的從節(jié)點(diǎn)集，形成一個(gè)以主節(jié)點(diǎn)為群首的簇，再發(fā)送標(biāo)記消息給從節(jié)點(diǎn)；所有收到簇內(nèi)消息的從節(jié)點(diǎn)將消息記錄在自己的終端ID上，表示成為群內(nèi)成員。

1.3 機(jī)群間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)群間的拓?fù)湟?guī)則：群Ai的終端節(jié)點(diǎn)mij周期性地向鄰群Bi的節(jié)點(diǎn)nij發(fā)送包含位置、節(jié)點(diǎn)地址和所屬群位置的報(bào)文信息；若終端節(jié)點(diǎn)mij接收到nij的報(bào)文信息，則把信息存儲(chǔ)到節(jié)點(diǎn)mij的邊界表；當(dāng)群Ai成員邊界收集完后，群Ai會(huì)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(diǎn)用maxmin的策略設(shè)置群成員的發(fā)送功率。為了保證分布式節(jié)點(diǎn)故障診斷的需求，兩群落間邊界節(jié)點(diǎn)還須要與自己群落中的主節(jié)點(diǎn)相連接。最后，將網(wǎng)絡(luò)中所有的機(jī)群按照上述規(guī)則進(jìn)行連接，完成機(jī)群間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。分布式風(fēng)電機(jī)群群落劃分流程如圖1所示。

圖1 分布式發(fā)電機(jī)群的群落劃分示意圖

2 海上風(fēng)電機(jī)組分布式故障診斷定位

2.1 心跳機(jī)制原理

心跳機(jī)制的具體步驟：某一節(jié)點(diǎn)定時(shí)地向鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送心跳，鄰節(jié)點(diǎn)收到心跳消息后，在一定時(shí)間內(nèi)被動(dòng)地發(fā)回應(yīng)答消息，通過鄰節(jié)點(diǎn)返回來的心跳信息時(shí)間從而確定該節(jié)點(diǎn)的通訊狀態(tài)。

為了將心跳機(jī)制用于分布式風(fēng)電機(jī)組通訊故障節(jié)點(diǎn)的診斷，首先引入3個(gè)反應(yīng)分布式故障檢測(cè)基本性能的指標(biāo)：檢測(cè)時(shí)間TD、錯(cuò)誤間隔時(shí)間TMR和錯(cuò)誤持續(xù)時(shí)間TM。TD為風(fēng)機(jī)通訊節(jié)點(diǎn)接收某一鄰節(jié)點(diǎn)的心跳信息到判斷該風(fēng)機(jī)通訊節(jié)點(diǎn)故障的時(shí)間；TMR為風(fēng)機(jī)通訊節(jié)點(diǎn)之間兩次發(fā)生故障輸出之間的時(shí)間間隔；TM為風(fēng)機(jī)通訊節(jié)點(diǎn)之間檢測(cè)修正一次錯(cuò)誤懷疑所需要的時(shí)間。

2.2 風(fēng)電機(jī)群的分布式節(jié)點(diǎn)故障診斷

針對(duì)分布式網(wǎng)絡(luò)中主從節(jié)點(diǎn)特性不同，將做以下主從節(jié)點(diǎn)的故障診斷。群落內(nèi)從節(jié)點(diǎn)故障診斷：假設(shè)主節(jié)點(diǎn)為qi，從節(jié)點(diǎn){p1，p2，…，pn}標(biāo)記序號(hào)為1，2，3，…，n，總時(shí)間進(jìn)程為TD。從0時(shí)刻開始，主節(jié)點(diǎn)就和從節(jié)點(diǎn)實(shí)行并行通訊，在任意一個(gè)時(shí)間進(jìn)程ti中，主節(jié)點(diǎn)q同時(shí)和n個(gè)從節(jié)點(diǎn){p1，p2，…，pn}進(jìn)行兩節(jié)點(diǎn)心跳機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)通訊。心跳檢測(cè)pull算法判斷準(zhǔn)則：網(wǎng)絡(luò)利用當(dāng)前時(shí)刻所得時(shí)間參數(shù)計(jì)算出此時(shí)進(jìn)程的輸出值Q，并在ti時(shí)刻設(shè)定一個(gè)閾值P。若Q在P內(nèi)，此時(shí)分布式網(wǎng)絡(luò)通訊良好；當(dāng)Q超過P，網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，此時(shí)須查詢出故障從節(jié)點(diǎn)pn。心跳檢測(cè)pull算法模型如圖2所示。

圖2 心跳檢測(cè)pull 算法ti 時(shí)刻從節(jié)點(diǎn)故障圖

2.3 風(fēng)電機(jī)群分布式節(jié)點(diǎn)故障定位

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)完成節(jié)點(diǎn)診斷后，就要解決通訊故障定位問題。在一個(gè)分布式群落中節(jié)點(diǎn)的故障定位流程如圖3所示。由圖3（a）可知，因?yàn)樵谝粋€(gè)群落中只存在一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，當(dāng)主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，而從節(jié)點(diǎn)工作正常，連接周圍從節(jié)點(diǎn)的主節(jié)點(diǎn)故障即可以定位出故障主節(jié)點(diǎn)1。由圖3（b）可知，當(dāng)從節(jié)點(diǎn)出故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)回到網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程輸出P，查詢出當(dāng)前未收到應(yīng)答消息的序號(hào)n*，此時(shí)n*=2，因此可知2號(hào)從節(jié)點(diǎn)發(fā)生風(fēng)機(jī)故障[2]。

圖3 主、從節(jié)點(diǎn)故障定位圖

3 仿真與實(shí)驗(yàn)分析

3.1 海上風(fēng)電場(chǎng)CLCT 算法的拓?fù)淙郝鋭澐址抡?/h3>

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫阅艿挠行裕捎肕ATLAB仿真，在邊長(zhǎng)為1400m的正方形區(qū)域內(nèi)，隨機(jī)部署100個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真，且通信半徑都為150m，節(jié)點(diǎn)初始能量為0.5J，節(jié)點(diǎn)收、發(fā)電路能耗均為50nJ/bit，發(fā)射放大器能耗為10pJ/（bit·m2），數(shù)據(jù)聚合能耗為5nJ/bit。為無拓?fù)淇刂扑惴ǖ娘L(fēng)電機(jī)組通訊節(jié)點(diǎn)圖，此時(shí)坐標(biāo)原點(diǎn)為匯聚節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)都以最大發(fā)送。網(wǎng)絡(luò)中由于鏈路數(shù)量相互重疊，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大，從而影響網(wǎng)絡(luò)的連通情況。使用CLTC算法后風(fēng)電機(jī)組通訊拓?fù)鋱D。此時(shí)CLTC算法根據(jù)所設(shè)定的拓?fù)湟?guī)則調(diào)整了風(fēng)電機(jī)組無線終端的功率，為風(fēng)電機(jī)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(cè)算法實(shí)驗(yàn)分析

選取中主節(jié)點(diǎn)為1的群落、主節(jié)點(diǎn)為2的群落以及群落1和群落2所相交的鄰邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行主、從故障的仿真分析。分別運(yùn)用心跳檢測(cè)pull算法進(jìn)行從節(jié)點(diǎn)的故障診斷和基于心跳機(jī)制的主節(jié)點(diǎn)故障診斷。相應(yīng)參數(shù)設(shè)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(diǎn)故障診斷：將TM與TMR和PT相應(yīng)時(shí)間內(nèi)的參數(shù)值，帶入式（4），（5），得到Q和P，這里計(jì)算Q和P的殘差，設(shè)為ΔQP，并與0進(jìn)行比較。在6s之前，網(wǎng)絡(luò)通訊良好；在6s之后，Q＞P，即ΔQP＞0，超出閾值1，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)通訊故里只要找出P中的序號(hào)n*，即可知道群落中從節(jié)點(diǎn)的故障風(fēng)機(jī)；系統(tǒng)在9s時(shí)，超出閾值2的值，分布式風(fēng)電無線通訊節(jié)點(diǎn)處于嚴(yán)重失控，損壞程度進(jìn)一步加深，須采取必要控制的措施。主節(jié)點(diǎn)故障診斷：本文選擇了群落1中的故障主節(jié)點(diǎn)，群落1中的鄰邊從節(jié)點(diǎn)和群落2的鄰邊從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行鄰節(jié)點(diǎn)跨群檢測(cè)。群落1中從節(jié)點(diǎn)分別發(fā)射心跳給故障主節(jié)點(diǎn)和群落2中的從節(jié)點(diǎn)，兩節(jié)點(diǎn)分別對(duì)群1從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行心跳應(yīng)答。對(duì)分布式心跳機(jī)制的主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真測(cè)試，進(jìn)行主節(jié)點(diǎn)的診斷，TQ軍，TL軈曲線。將分布式參數(shù)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(jìn)行比較。表1為主節(jié)點(diǎn)應(yīng)答時(shí)間。在第8秒時(shí)，主節(jié)點(diǎn)返回心跳應(yīng)答時(shí)刻超出閾值，由此判斷主節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障。為測(cè)試心跳檢測(cè)算法的優(yōu)越性，將其和傳統(tǒng)的通信故障檢測(cè)算法進(jìn)行比較隨著故障節(jié)點(diǎn)率的增加，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)診斷的正確率呈下降趨勢(shì)，且基于傳統(tǒng)的通訊故障檢測(cè)算法在節(jié)點(diǎn)故障率為30%左右時(shí)，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(jié)果，并且過度依賴鄰居節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)[3]。

4 結(jié)語

海上風(fēng)力發(fā)電具有不占用陸地資源、利用率高等優(yōu)點(diǎn)，已受到各國(guó)廣泛關(guān)注。海上風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)離陸地，環(huán)境惡劣，風(fēng)電機(jī)組故障率較高，嚴(yán)重影響發(fā)電效益。當(dāng)前海上風(fēng)電場(chǎng)大多采用集中控制方式，其缺點(diǎn)是，一旦通信干擾或控制裝置出現(xiàn)故障，就可能使整個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)處于失控狀態(tài)。分布式控制避免了集中式控制存在的風(fēng)險(xiǎn)，可以有效解決網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)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(diǎn)診斷和定位難的問題。對(duì)分布式風(fēng)電機(jī)組通訊節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(xié)同控制的可靠性。