專利名稱：一種基于相空間重構(gòu)的dfig運行狀態(tài)混沌預測系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于風電系統(tǒng)預測技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于相空間重構(gòu)的DFIG (英文全拼——雙饋感應發(fā)電機)運行狀態(tài)混沌預測系統(tǒng)及方法。
(ニ)
背景技術(shù)：
隨著接入電網(wǎng)的風カ發(fā)電機組(主要是雙饋感應發(fā)電機組)容量的不斷増加，由于風電機組的運行條件惡劣，如外界溫差變化大，風速變化隨機等。這些不確定的外界因素導致風電機組的故障率高，使風電場后期運行維護成本居高不下，且風カ發(fā)電本身所特有的間歇性和隨機性大幅度地増加了與其互聯(lián)電網(wǎng)的不穩(wěn)定性。作為ー個復雜的耦合非線性系統(tǒng)，雙饋感應發(fā)電機組的安全可靠運行直接影響與其互聯(lián)電網(wǎng)的穩(wěn)定負荷合理分配及電網(wǎng)供電質(zhì)量。因此，提高雙饋感應發(fā)電機組的運行可靠性，對保障電網(wǎng)的安全優(yōu)質(zhì)運行和提高系統(tǒng)經(jīng)濟性具有重大作用。為實現(xiàn)雙饋感應發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行及時判斷機組部件的 性能狀況和發(fā)展趨勢提高其運行效率，本發(fā)明采用多種方法和手段對機組的重要部件(齒輪箱、發(fā)電機等)進行在線監(jiān)測和分析，在分析雙饋感應發(fā)電機組運行狀態(tài)具有混沌屬性的基礎(chǔ)上，利用相空間重構(gòu)方法建立了機組運行狀態(tài)的加權(quán)ー階局域預測模型，對其運行狀態(tài)進行預測，以便提前發(fā)現(xiàn)故障征兆，避免和減輕嚴重的設(shè)備損壞，確定合理的維護時間和方案，從而達到大幅降低維護成本的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于相空間重構(gòu)的DFIG運行狀態(tài)混沌預測系統(tǒng)及方法，它可以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，是ー種可以恢復混沌吸引子的結(jié)構(gòu)簡單、可對系統(tǒng)運行趨勢進行預測的系統(tǒng)及方法。本發(fā)明的技術(shù)方案一種基于相空間重構(gòu)的DFIG運行狀態(tài)混沌預測系統(tǒng)，其特征在于它包括風電機組、測試儀和帶混沌預測程序的上位機；其中，所述測試儀采集風電機組的信號，與帶混沌預測程序的上位機呈雙向連接。所述測試儀是由信號采集與調(diào)理電路單元、A/D轉(zhuǎn)換電路單元、單片機、USB接ロ電路單元、數(shù)據(jù)存儲電路單元和定時電路單元構(gòu)成；其中，所述信號采集與調(diào)理電路單元單元采集風電機組的信號，其輸出端連接A/D轉(zhuǎn)換電路單元的輸入端；所述單片機與A/D轉(zhuǎn)換電路単元、USB接ロ電路單元、數(shù)據(jù)存儲電路單元和定是電路單元分別呈雙向連接；所述USB接ロ電路單元與帶混沌預測程序的上位機呈雙向連接。所述采集風電機組的信號是采集風カ發(fā)電機組齒輪箱驅(qū)動側(cè)軸承溫度信號、風カ發(fā)電機繞組最大溫度信號、風カ發(fā)電機轉(zhuǎn)子平均轉(zhuǎn)速信號和風カ發(fā)電機有功功率參數(shù)信號。所述信號采集與調(diào)理電路單元由傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、電阻Rs、濾波電路、電壓跟隨器、調(diào)理電路和穩(wěn)壓管構(gòu)成；其連接為常規(guī)連接；其中所述傳感器采用隔離模板，將輸入信號全部轉(zhuǎn)換為5V的標準電壓信號；所述數(shù)據(jù)采集卡為研華公司的PCI-1711 12位多功能數(shù)據(jù)采集卡，具有16路單端模擬量輸入，8個數(shù)據(jù)信號通道，帶有ー個自動通道/增益掃描電路，采樣時自動控制多路選通開關(guān)，其連接為常規(guī)連接。所述A/D轉(zhuǎn)換電路單元由轉(zhuǎn)換芯片和外圍電路構(gòu)成；其中所述轉(zhuǎn)換芯片是采用CMOSエ藝、是片內(nèi)有三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，輸入方式為單通道，轉(zhuǎn)換時間為100 μ S，電源電壓為+5V的逐次逼近型8位轉(zhuǎn)換芯片ADC0804 ;所述轉(zhuǎn)換芯片ADC0804包含管腳DB0、管腳DB I、管腳DB2、管腳DB3、管腳DB4、管腳DB5、管腳DB6、管腳DB7、管腳/WR、管腳/RD、管腳/CS、管腳VIN(+)、管腳VIN(-)、管腳C LK-IN、管腳CLK-R和管腳Vref/2，且依管腳DB0、管腳DBl、管腳DB2、管腳DB3、管腳DB4、管腳DB5、管腳DB6、管腳DB7、管腳/WR、管腳/RD、管腳/CS與單片機芯片呈等待延時方式連接；所述外圍電路是由電容C28、電阻R32、兩個電阻R33、電容C29、電源VCC組成；所述管腳VIN (+)經(jīng)電容C28和一個電阻R33接收信號調(diào)理電路處理后的信號，電容C28和該電阻R33連接點與管腳VIN(-)連接共同接地，采取差動電壓模擬輸入方式；所述管腳CLK-R經(jīng)另ー電阻R33和電容C29接地，管腳CLK-IN連接該
電阻R33和電容C29的連接點；所述管腳Vref/2經(jīng)電阻R32接電源VCC。所述單片機采用飛思卡爾的單片機MC9S12DP256。所述數(shù)據(jù)存儲電路單元采用Dallas公司的DS1225芯片。所述USB接ロ電路單元采用南京沁恒電子的CH372芯片。所述定時電路單元采用帶有看門狗的PIC16F716器件。ー種用于風電系統(tǒng)的混沌預測系統(tǒng)的工作方法，其特征在于它包括以下步驟⑴由定時電路單元設(shè)置采集間隔定時時間，由信號采集與調(diào)理電路單元來實時采集風電機組齒輪箱驅(qū)動側(cè)軸承溫度、發(fā)電機繞組最大溫度，轉(zhuǎn)子平均轉(zhuǎn)速和發(fā)電機有功功率信號；⑵步驟⑴中采集的信號經(jīng)過信號采集與調(diào)理電路單元和A/D轉(zhuǎn)換電路單元進行濾波、自校準處理，并通過單片機將機組齒輪箱驅(qū)動側(cè)軸承溫度、發(fā)電機繞組最大溫度，轉(zhuǎn)子平均轉(zhuǎn)速和發(fā)電機有功功率參數(shù)輸入到數(shù)據(jù)存儲電路單元中；⑶通過USB接ロ電路將步驟⑵處理后的風電機組齒輪箱驅(qū)動側(cè)軸承溫度、發(fā)電機繞組最大溫度，轉(zhuǎn)子平均轉(zhuǎn)速和發(fā)電機有功功率數(shù)據(jù)傳輸?shù)窖b有實現(xiàn)混沌預測程序的上位機中；⑷應用上位機中的混沌預測方法進行參數(shù)計算和處理。所述步驟⑷中的混沌預測方法是采用基于相空間重構(gòu)的方法檢測混沌，由以下步驟構(gòu)成①用C-C法確定嵌入維數(shù)與時間延遲風電機組運行時，對于某一狀態(tài)參數(shù)時間序列X= {xj, i=l, 2，···，N,若嵌入維數(shù)為m,時間延遲為τ，則重構(gòu)相空間為X=^iKXi為m維相空間中的相點Xi=Iixi, χ +τ，…，Xhdi-D τ]Τ, i=l, 2，...，M(I)則嵌入時間序列的關(guān)聯(lián)積分為
權(quán)利要求
1.一種基于相空間重構(gòu)的DFIG運行狀態(tài)混沌預測系統(tǒng)，其特征在于它包括風電機組、測試儀和帶混沌預測程序的上位機；其中，所述測試儀采集風電機組的信號，與帶混沌預測程序的上位機呈雙向連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種基于相空間重構(gòu)的DFIG運行狀態(tài)混沌預測系統(tǒng)，其特征在于所述測試儀是由信號采集與調(diào)理電路單元、A/D轉(zhuǎn)換電路單元、單片機、USB接口電路單元、數(shù)據(jù)存儲電路單元和定時電路單元構(gòu)成；其中，所述信號采集與調(diào)理單元采集風電機組的信號，其輸出端連接A/D轉(zhuǎn)換電路單元的輸入端；所述單片機與A/D轉(zhuǎn)換電路單元、USB接口電路單元、數(shù)據(jù)存儲電路單元和定是電路單元分別呈雙向連接；所述USB接口電路單元與帶混沌預測程序的上位機呈雙向連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種基于相空間重構(gòu)的DFIG運行狀態(tài)混沌預測系統(tǒng)，其特征在于所述采集風電機組的信號是采集風力發(fā)電機組齒輪箱驅(qū)動側(cè)軸承溫度信號、風力發(fā)電機繞組最大溫度信號、風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子平均轉(zhuǎn)速信號和風力發(fā)電機有功功率參數(shù)信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種基于相空間重構(gòu)的DFIG運行狀態(tài)混沌預測系統(tǒng)，其特征在于所述A/D轉(zhuǎn)換電路單元由轉(zhuǎn)換芯片和外圍電路構(gòu)成；其中所述轉(zhuǎn)換芯片是采用CMOS工藝、是片內(nèi)有三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，輸入方式為單通道，轉(zhuǎn)換時間為IOOy S，電源電壓為+5V的逐次逼近型8位轉(zhuǎn)換芯片ADC0804 ;所述轉(zhuǎn)換芯片ADC0804包含管腳DB0、管腳DBl、管腳DB2、管腳DB3、管腳DB4、管腳DB5、管腳DB6、管腳DB7、管腳/WR、管腳/RD、管腳/CS、管腳VIN (+)、管腳VIN (-)、管腳C LK-IN、管腳CLK-R和管腳Vref/2，且依管腳DBO、管腳DB I、管腳DB2、管腳DB3、管腳DB4、管腳DB5、管腳DB6、管腳DB7、管腳/WR、管腳/RD、管腳/CS與單片機芯片呈等待延時方式連接；所述外圍電路是由電容C28、電阻R32、兩個電阻R33、電容C29、電源VCC組成；所述管腳VIN(+)經(jīng)電容C28和一個電阻R33接收信號調(diào)理電路處理后的信號，電容C28和該電阻R33連接點與管腳VIN(-)連接共同接地，采取差動電壓模擬輸入方式；所述管腳CLK-R經(jīng)另一電阻R33和電容C29接地，管腳CLK-IN連接該電阻R33和電容C29的連接點；所述管腳Vref/2經(jīng)電阻R32接電源VCC。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種基于相空間重構(gòu)的DFIG運行狀態(tài)混沌預測系統(tǒng)，其特征在于所述單片機采用飛思卡爾的單片機MC9S12DP256。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種基于相空間重構(gòu)的DFIG運行狀態(tài)混沌預測系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)存儲電路單元采用Dallas公司的DS1225芯片。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種基于相空間重構(gòu)的DFIG運行狀態(tài)混沌預測系統(tǒng)，其特征在于 所述USB接口電路單元采用南京沁恒電子的CH372芯片。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種基于相空間重構(gòu)的DFIG運行狀態(tài)混沌預測系統(tǒng)，其特征在于所述定時電路單元采用帶有看門狗的PIC16F716器件。
9.一種用于風電系統(tǒng)的混沌預測系統(tǒng)的工作方法，其特征在于它包括以下步驟所 ⑴由定時電路單元設(shè)置采集間隔定時時間，由信號采集與調(diào)理電路單元來實時采集風電機組齒輪箱驅(qū)動側(cè)軸承溫度、發(fā)電機繞組最大溫度，轉(zhuǎn)子平均轉(zhuǎn)速和發(fā)電機有功功率信號; ⑵步驟⑴中采集的信號經(jīng)過信號采集與調(diào)理電路單元和A/D轉(zhuǎn)換電路單元進行濾波、自校準處理，并通過單片機將機組齒輪箱驅(qū)動側(cè)軸承溫度、發(fā)電機繞組最大溫度，轉(zhuǎn)子平均轉(zhuǎn)速和發(fā)電機有功功率參數(shù)輸入到數(shù)據(jù)存儲電路單元中；⑶通過USB接口電路將步驟⑵處理后的風電機組齒輪箱驅(qū)動側(cè)軸承溫度、發(fā)電機繞組最大溫度，轉(zhuǎn)子平均轉(zhuǎn)速和發(fā)電機有功功率數(shù)據(jù)傳輸?shù)窖b有實現(xiàn)混沌預測程序的上位機中； ⑷應用上位機中的混沌預測方法進行參數(shù)計算和處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述一種用于風電系統(tǒng)的混沌預測系統(tǒng)的工作方法，其特征在于所述步驟⑷中的混沌預測方法是采用基于相空間重構(gòu)的方法檢測混沌，由以下步驟構(gòu)成 ①用C-C法確定嵌入維數(shù)與時間延遲風電機組運行時，對于某一狀態(tài)參數(shù)時間序列X= {xj, i=l, 2，…，N,若嵌入維數(shù)為m,時間延遲為T，則重構(gòu)相空間為X=IXiKXi為m維相空間中的相點 則嵌入時間序列的關(guān)聯(lián)積分為其中 M=N-(m-1) T，(Iij=I Xi-Xj I 為00范數(shù)；0 為 Heaviside 函數(shù),其表達式為 關(guān)聯(lián)積分為累積分布函數(shù)，表示相空間中任意兩點之間距離小于r的概率。另外定義X= {xj的檢驗統(tǒng)計量 S(m, N, r, T )反映了時間序列的自相關(guān)特性，最優(yōu)時間延遲取S(m，N，r, x )第I個零點，此時重構(gòu)相空間中的點最接近均勻分布，重構(gòu)吸引子軌道在相空間完全展開； ②利用最大Lyapunov指數(shù)識別DFIG混沛特性由步驟①計算出的時間延遲t和嵌入維數(shù)m，應用小數(shù)據(jù)量法計算出風電機組齒輪箱驅(qū)動側(cè)軸承溫度、發(fā)電機繞組最大溫度、轉(zhuǎn)子平均轉(zhuǎn)速和發(fā)電機有功功率四個狀態(tài)參數(shù)時間序列的最大Lyapunov指數(shù)，若的四個最大Lyapunov指數(shù)均大于0,則說明存在DFIG混沛特性,并進行下一步預測； ③利用加權(quán)一階局域法對DFIG進行預測 將步驟①中求得的延遲時間T和維數(shù)m進行相空間重構(gòu)，應用加權(quán)一階局域法對風力發(fā)電機組的風電機組齒輪箱驅(qū)動側(cè)軸承溫度、發(fā)電機繞組最大溫度、轉(zhuǎn)子平均轉(zhuǎn)速和發(fā)電機有功功率四個狀態(tài)參數(shù)時間序列分別進行預測； 設(shè)中心點(即預測的起始點)Xk的鄰近點為Xki，兩點距離為Cli，設(shè)dm是Cli中的最小值，點Xki的權(quán)值為一般取1=1，則加權(quán)I階局域線性擬合為Xki+1=ae+bXki，e=[l，1，…，1]T。根據(jù)加權(quán)最小二乘法求解
全文摘要
一種基于相空間重構(gòu)的DFIG運行狀態(tài)混沌預測系統(tǒng)，其特征在于它包括風電機組、測試儀和帶混沌預測程序的上位機；其工作方法包括信號采集、濾波、校準、參數(shù)計算處理、混沌預測、風機狀態(tài)預測；其優(yōu)越性在于①硬件裝置簡單、實用；②掉電后數(shù)據(jù)自動保護，混沌實時檢測不間斷，可靠性高；③高測量精度；④系統(tǒng)的實時性可靠性高，能滿足風電機組狀態(tài)監(jiān)測、過渡過程研究、故障診斷及預測等方面的要求, 具有較高的實用價值。
文檔編號G01R31/34GK102854465SQ20121031666
公開日2013年1月2日 申請日期2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月31日
發(fā)明者周雪松, 李蘇揚, 馬幼捷 申請人:天津理工大學