張雁忠, 刁嘉, 翟化欣, 胡曉虎, 楊俊豐

(1.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司張家口供電公司,河北,張家口 075000; 2.國(guó)網(wǎng)冀北張家口風(fēng)光儲(chǔ)輸新能源有限公司,河北,張家口 075000)

0 引言

新能源風(fēng)電機(jī)場(chǎng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,考慮到風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行安全與數(shù)據(jù)安全,研究風(fēng)電場(chǎng)的監(jiān)控系統(tǒng),在傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)中存在著風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)成本高、風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)較薄弱以及運(yùn)行和評(píng)估分析不完善等問(wèn)題。

為了解決以上傳統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的不足,有學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究:文獻(xiàn)[1]提出了一種統(tǒng)一平臺(tái)的風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng),系統(tǒng)采用多線(xiàn)程和縣城同步技術(shù),利用JSON數(shù)據(jù)交換技術(shù),實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行監(jiān)控以及對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)據(jù)分析,但系統(tǒng)在性能的測(cè)試中,隨著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,存在著系統(tǒng)壓力過(guò)大的性能問(wèn)題;文獻(xiàn)[2]提出了一種基于應(yīng)用程序的風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng),搭建了應(yīng)用程序平臺(tái),采用OPC Item標(biāo)簽對(duì)象寫(xiě)入數(shù)據(jù)信息,實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的監(jiān)控功能,但由于風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)性和隨機(jī)性,監(jiān)測(cè)出輸出的功率存在很大的誤差。

針對(duì)上述的問(wèn)題,本文研究了風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,首先設(shè)計(jì)了基于嵌入式技術(shù)的風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng),以嵌入式系統(tǒng)為核心,進(jìn)行對(duì)風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集,實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)、風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備安全狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息的監(jiān)控,然后研究風(fēng)電場(chǎng)智能化管理與故障診斷,采用MySQL對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析管理,利用樣本約簡(jiǎn)的方法和支持向量機(jī)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)故障的診斷[3]。

1 基于嵌入式技術(shù)的風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 總體設(shè)計(jì)

利用嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng),使用嵌入式系統(tǒng)作為風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的控制器,實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀況、風(fēng)電機(jī)組各設(shè)備運(yùn)行狀況、風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)等信息的監(jiān)控[4]?；谇度胧郊夹g(shù)的風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

系統(tǒng)由風(fēng)電機(jī)組、嵌入式系統(tǒng)、服務(wù)器、客戶(hù)端以及監(jiān)控中心人機(jī)界面組成,通過(guò)嵌入式系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)力、電力信號(hào)進(jìn)行采集,采集到的風(fēng)電信號(hào)傳輸給存儲(chǔ)模塊,進(jìn)行對(duì)風(fēng)電信號(hào)處理,處理后的信號(hào)通過(guò)Web服務(wù)器傳輸至監(jiān)控客戶(hù)端以及遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶(hù)端。利用DSP+ARM雙CPU結(jié)構(gòu),進(jìn)行對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集與計(jì)算。系統(tǒng)利用嵌入式的Web服務(wù)器與風(fēng)電場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控端進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控[5-6]。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

本文研究的基于嵌入式技術(shù)的風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用嵌入式系統(tǒng)為核心,對(duì)風(fēng)電機(jī)組的電壓、電流、風(fēng)向、風(fēng)速、功率以及電網(wǎng)頻率等數(shù)據(jù)的監(jiān)控。硬件系統(tǒng)由主控制器、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換電路組成[7]。基于嵌入式技術(shù)的風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

該系統(tǒng)采用ARM RISC架構(gòu)的32位嵌入式微處理器,具有高性能、低功耗、低成本的特性,利用以太網(wǎng)的通信方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控,用戶(hù)可直接通過(guò)遠(yuǎn)程客戶(hù)端直接訪問(wèn)設(shè)備,并且處理器提供32位的ARM指令集和16位Thumb指令集,具有豐富的接口,嵌入式微處理器的特性參數(shù)如表1所示。

表1 嵌入式微處理器的特性參數(shù)

系統(tǒng)中的電源電路利用5 V、3.3 V和1.8 V等3種直流的穩(wěn)壓電源,系統(tǒng)的外圍硬件電路使用的是3.3 V電源,S3C2410X使用的是3.3 V和1.8 V電源,有一部分則使用5 V電源,可實(shí)現(xiàn)不同電壓的供電方式[8]。

該系統(tǒng)中的晶振電路使用位于核心板內(nèi)的無(wú)源晶振X1,為PLL系統(tǒng)和USB PLL系統(tǒng)提供時(shí)鐘源的輸入;復(fù)位電路可實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位和按鍵復(fù)位的功能,通過(guò)JTAG接口與復(fù)位電路相連,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的復(fù)位。

該系統(tǒng)中利用Flash存儲(chǔ)器模塊,實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及嵌入式軟件的存儲(chǔ),選用K9F1208U0M芯片,當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí),CPU從0x00000000地址開(kāi)始運(yùn)行,因此將Flash存儲(chǔ)器的初始地址映射到0x00000000[9]。

為了方便觀察風(fēng)電場(chǎng)各種信號(hào)的運(yùn)行狀況,設(shè)計(jì)了顯示屏與觸摸屏,采用LCD顯示,利用TFT型的屏,具有觸摸屏控制器,支持16 M顏色,LCD控制器可直接從內(nèi)部存儲(chǔ)器的圖像內(nèi)存中把圖像等幀信號(hào)直接傳輸至LCD。嵌入式系統(tǒng)的觸摸屏分為電阻式、電容式和電感式,本文采用的是電阻式觸摸屏,具有精確的觸摸點(diǎn)。

數(shù)據(jù)采集電路利用S3C2410X與三相正弦脈寬調(diào)制波發(fā)生器SA4828為核心,對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行采集,輸出波形、幅值、頻率等信號(hào),通過(guò)SA4828調(diào)整輸出頻率、電壓,進(jìn)行及時(shí)保護(hù),從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控以及遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

基于嵌入式技術(shù)的風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件部分,使用嵌入式Linux系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā),系統(tǒng)由風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)模塊、通信系統(tǒng)模塊、人機(jī)交互模塊、電力查詢(xún)模塊、報(bào)表信息模塊和外圍服務(wù)模塊組成?；谇度胧郊夹g(shù)的風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)監(jiān)控是整個(gè)系統(tǒng)的核心,通過(guò)綜合運(yùn)行信息管理平臺(tái)查看各風(fēng)電場(chǎng)所屬風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài),并以風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行合理修改各運(yùn)行機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)減少風(fēng)電場(chǎng)故障的發(fā)生。

升壓站設(shè)備監(jiān)控模塊利用繼電保護(hù)開(kāi)發(fā)PCS-9700風(fēng)電場(chǎng)集控站系統(tǒng),對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行設(shè)備監(jiān)控,風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)備數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄?shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

將風(fēng)電場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)傳輸至集控中心服務(wù)器,在客戶(hù)端服務(wù)器可以進(jìn)行對(duì)風(fēng)電場(chǎng)歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)、風(fēng)電場(chǎng)信息的查詢(xún)、故障信息查詢(xún)以及將數(shù)據(jù)導(dǎo)出的功能,實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)的合理化管理。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集報(bào)表模塊,通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)側(cè)關(guān)口來(lái)記錄風(fēng)電場(chǎng)的初始數(shù)據(jù),采用相應(yīng)倍率計(jì)算產(chǎn)生的電量數(shù)據(jù),并與集控中心數(shù)據(jù)服務(wù)器連接,將采集到的風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸至集控中心后臺(tái),獲得數(shù)據(jù),生成數(shù)據(jù)報(bào)表。

2 風(fēng)電場(chǎng)的智能化管理以及故障診斷

設(shè)計(jì)風(fēng)電場(chǎng)智能化管理系統(tǒng),并采用樣本約簡(jiǎn)算法,實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的故障診斷,利用寫(xiě)數(shù)的方式將嵌入式系統(tǒng)中采集到的風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤L(fēng)電場(chǎng)智能化管理系統(tǒng)的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù),智能化管理系統(tǒng)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)處理顯示。數(shù)據(jù)流向結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)流向結(jié)構(gòu)圖

為了提高風(fēng)電場(chǎng)的智能化管理水平,研究風(fēng)電場(chǎng)故障診斷方法,減少風(fēng)電場(chǎng)的故障發(fā)生頻率,并提高故障診斷的效率,利用樣本約簡(jiǎn)支持向量機(jī)算法,實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)故障診斷樣本的提取,最終實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)故障的診斷。該算法的原理圖如圖5所示。

圖5 算法原理圖

支持向量機(jī)算法通過(guò)尋找最優(yōu)分界面,提取含有支持向量的約簡(jiǎn)故障樣本,從而提高算法的效率。通過(guò)有效提取內(nèi)部非向量樣本點(diǎn)可以提高算法執(zhí)行的效率,樣本約簡(jiǎn)訓(xùn)練樣本集定義為

S={(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)},x∈Rn,

yj∈{+1,-1}

(1)

設(shè)第一類(lèi)樣本集為S1,即第二類(lèi)樣本集為S2,即S1={x|y=-1,x∈S}。對(duì)樣本所處的N維向量空間定義一個(gè)N維的最小跨度向量Ds:

(2)

式(2)中,max(xi)表示樣本中在每一個(gè)維度的數(shù)據(jù)最大值,min(xi)表示數(shù)據(jù)樣本中維度的最小值,m表示一常數(shù),m的取值為樣本數(shù)目的1/k,通常情況下k的取值小于10。

以離N維空間中開(kāi)始點(diǎn)為距離樣本數(shù)據(jù)最近的樣本點(diǎn),以Ds中每個(gè)維度的空間大小進(jìn)行樣本劃分,劃分成樣本空間邊長(zhǎng)為di的樣本塊(Sample Block,S-Block)。將S-Block中第一類(lèi)樣本的個(gè)數(shù)用φ-來(lái)表示,φ+表示第二個(gè)樣本點(diǎn)的個(gè)數(shù),則定義該S-Block的密度為

(3)

式(3)中,當(dāng)φ+≥φ-時(shí),ρ表示非負(fù)數(shù),當(dāng)φ+<φ-時(shí),ρ表示負(fù)數(shù)。設(shè)閥值表示為θ(0≤θ≤0.5),對(duì)于一個(gè)S-Block來(lái)說(shuō),當(dāng)ρ≤θ時(shí)該S-Block被稱(chēng)為邊界塊,當(dāng)ρ>θ時(shí)該S-Block別稱(chēng)為內(nèi)部塊。

新樣本集計(jì)算公式為Sc:

(4)

(5)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用嵌入式Linux系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā),在PC機(jī)上安裝了虛擬機(jī)和開(kāi)發(fā)板,并搭建了風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的虛擬環(huán)境,利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)搭建的虛擬機(jī)之間的通信。搭建的風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)

搭建的風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)架構(gòu)示意圖

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建好后,進(jìn)行選取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),錄入搭建好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的相關(guān)操作,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用的是某風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的3月到10月的運(yùn)行數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

實(shí)驗(yàn)前的工作準(zhǔn)備好后,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,首先對(duì)風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

由圖7可知:本文系統(tǒng)的準(zhǔn)確性最高,并且每次測(cè)得的準(zhǔn)確性均高于80%,在第15次實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí),測(cè)得的準(zhǔn)確率最高為97%,從折線(xiàn)圖中可以看出,測(cè)得的準(zhǔn)確率的波動(dòng)較平緩;文獻(xiàn)[1]在進(jìn)行對(duì)監(jiān)控準(zhǔn)確率進(jìn)行測(cè)試時(shí),測(cè)得的準(zhǔn)確率在40%到80%之間波動(dòng),不穩(wěn)定,起伏較大,在進(jìn)行第15次實(shí)驗(yàn)時(shí),測(cè)得的準(zhǔn)確率最高為73%,與本文系統(tǒng)相比存在著明顯的差距;文獻(xiàn)[2]在對(duì)監(jiān)控準(zhǔn)確率進(jìn)行測(cè)試時(shí),測(cè)得的準(zhǔn)確率在40%到70%之間波動(dòng),起伏較大,在進(jìn)行第30次實(shí)驗(yàn)時(shí),測(cè)得的準(zhǔn)確率最高為70%。由此可見(jiàn),本文系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)據(jù)、運(yùn)行、設(shè)備監(jiān)控較為準(zhǔn)確,有一定的可靠性。

基于上述對(duì)風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控準(zhǔn)確性測(cè)試實(shí)驗(yàn),接著對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果仍與文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

由圖8可知:在對(duì)系統(tǒng)性能測(cè)試時(shí),監(jiān)控系統(tǒng)在遇到問(wèn)題時(shí)響應(yīng)的時(shí)間最少,反映速度最快,并且在第3次實(shí)驗(yàn)時(shí),系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間最短為7 s;文獻(xiàn)[1]在對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試時(shí),響應(yīng)時(shí)間明顯要比本文系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng),最短也需要30 s,與本文系統(tǒng)相比存在著很大的不足;文獻(xiàn)[2]在對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試時(shí),響應(yīng)時(shí)間明顯也要比本文研究的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng),但與文獻(xiàn)[1]系統(tǒng)相比,響應(yīng)的速度快一點(diǎn),最短也需要20 s,與本文系統(tǒng)相比存在著差距。由此可見(jiàn),本文系統(tǒng)響應(yīng)速度快,處理數(shù)據(jù)快,性能較好。

4 總結(jié)

為了解決傳統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的薄弱以及運(yùn)行和分析不完善的問(wèn)題,本文研究了風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng),首先設(shè)計(jì)了基于嵌入式技術(shù)的風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng),以嵌入式系統(tǒng)為核心,實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場(chǎng)、風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備安全狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息的監(jiān)控,考慮到風(fēng)電場(chǎng)海量的數(shù)據(jù)以及故障的問(wèn)題,對(duì)風(fēng)電場(chǎng)智能化管理及故障診斷進(jìn)行了研究,利用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)處理以及合理化管理,最后利用樣本約簡(jiǎn)和支持向量機(jī)算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的故障診斷。

本文系統(tǒng)還存在著不足,由于風(fēng)電場(chǎng)面對(duì)的風(fēng)力是波動(dòng)和隨機(jī)的,實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有對(duì)特殊天氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn),還需更深一步的研究。