基于大數(shù)據(jù)風(fēng)電場(chǎng)狀態(tài)參數(shù)相關(guān)性分析

華電電力科學(xué)研究院 李雪玉

1　引言

風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)特性取決于其運(yùn)行工況，受氣候、湍流、風(fēng)機(jī)尾流、葉片污染的氣動(dòng)損失、風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)線損失、氣候等多方面的影響。因此，風(fēng)電場(chǎng)采集的大數(shù)據(jù)之間的關(guān)系復(fù)雜，大量的干擾信息難于直接將采集的數(shù)據(jù)用于后期對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)的分析。因此對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)大數(shù)據(jù)的有效預(yù)處理是非常重要的，這就需要深入研究風(fēng)電場(chǎng)中各種數(shù)據(jù)的相關(guān)性并剔除無效數(shù)據(jù)的干擾，為后期風(fēng)電場(chǎng)的分析奠定基礎(chǔ)。

2　風(fēng)電場(chǎng)狀態(tài)參數(shù)選擇

風(fēng)電場(chǎng)狀態(tài)參數(shù)主要包括各風(fēng)機(jī)的機(jī)艙、齒輪箱、主軸、發(fā)電機(jī)、變流器、電網(wǎng)環(huán)境、自然環(huán)境等的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。表1例舉了風(fēng)電場(chǎng)中監(jiān)測(cè)的風(fēng)電機(jī)組的主要狀態(tài)參數(shù)。其中，發(fā)電機(jī)繞組溫度包括定子繞組的三相溫度、轉(zhuǎn)子繞組的三相溫度共6個(gè)繞組溫度。

表1　風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)參數(shù)

風(fēng)電場(chǎng)SCADA數(shù)據(jù)主要分布在0～13.5m/s的風(fēng)速區(qū)間。考慮到風(fēng)電機(jī)組的切入風(fēng)速為3m/s，本文初步選取風(fēng)速區(qū)間為3～13.5m/s的SCADA數(shù)據(jù)。大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控 （SCADA） 系統(tǒng)可以對(duì)機(jī)組各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和存儲(chǔ)，一般為每10min存儲(chǔ)1次，本文從機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)時(shí)間序列中每10min隨機(jī)抽取一個(gè)運(yùn)行參數(shù)，得到一組非等間隔時(shí)間序列。

3　SCADA數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)具有不同的測(cè)量單位，原始數(shù)據(jù)的量綱也各不相同，因此需對(duì)SCADA數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理再進(jìn)行相關(guān)性分析。

設(shè)原始數(shù)據(jù)矩陣為X=(xij)n×p，按 （3.1）對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化變換。

式中：zij為標(biāo)準(zhǔn)化變換后的數(shù)據(jù)矩陣Z=(zij)n×p的元素；D(xj)為變換前的方差；為平均值，按（3.2）計(jì)算。

4　狀態(tài)參數(shù)綜合相關(guān)性指標(biāo)

4.1　Pearson相關(guān)性系數(shù)

設(shè) （Xi,Yi） （i=1.2…,n）為取自總體 （X,Y） 的樣本，則樣本的Preason相關(guān)性系數(shù)為：

式中：rs為Pearson相關(guān)性系數(shù)；X為X的平均值；為Y的平均值；n為樣本數(shù)。

Pearson相關(guān)性系數(shù)r反映了兩個(gè)參數(shù)X、Y之間的線性相關(guān)性，｜r｜的值越接近于1，說明參數(shù)X、Y之間的線性相關(guān)性越強(qiáng)。當(dāng)r=0時(shí)，說明參數(shù)X、Y不相關(guān)。

4.2　Spearman等級(jí)相關(guān)系數(shù)：

設(shè)兩個(gè)樣本X和Y為數(shù)據(jù)對(duì) （x1，y1），（x2，y2），…，（xn，yn）。用Ri表示xi在 （x1，x2，…，xn） 中的秩；Qi表示 yi在（y1，y2，…，yn）中的秩；為Ri的平均值；為Qi的平均值；n為樣本數(shù)。

將水熱預(yù)處理后的微藻生物質(zhì)離心15 min，離心機(jī)轉(zhuǎn)速為 5 000 r·min-1（RCF=5 000×g），取離心后的固體物質(zhì)用于DSC的實(shí)驗(yàn)分析。

將 （4.2） 和 （4.3） 代入（4.1），rs簡(jiǎn)化為：

表2　風(fēng)速與風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)參數(shù)的相關(guān)性分析

rs取值區(qū)間為 [-1,1]，rs＞0為正相關(guān)，rs＜0為負(fù)相關(guān)，rs=0為完全不相關(guān)。通常認(rèn)為當(dāng)|rs|＞0.8時(shí)相關(guān)程度較高。

4.3　綜合相關(guān)性指標(biāo)

當(dāng)兩個(gè)樣本存在線性相關(guān)性時(shí)，Pearson相關(guān)性系數(shù)比較適合；當(dāng)樣本存在嚴(yán)重非線性畸變或者樣本中存在脈沖干擾時(shí)，Spearman秩相關(guān)系數(shù)較為合適。由于風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速的波動(dòng)性 、環(huán)境溫度的季節(jié)性、運(yùn)行控制方式的動(dòng)態(tài)性、電網(wǎng)負(fù)荷的隨機(jī)性等多種因素使風(fēng)電場(chǎng)SCADA數(shù)據(jù)包含各種干擾數(shù)據(jù)，同時(shí)風(fēng)電機(jī)組的多種狀態(tài)參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系十分復(fù)雜。因此，結(jié)合兩種相關(guān)系數(shù)建立風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)參數(shù)的綜合相關(guān)性指標(biāo)CCI（Comprehensive Correlation Index），從理論上是更好的一種方法。即：

式中，r、rs分別為Pearson、 Spearman相關(guān)系數(shù)。

5　狀態(tài)參數(shù)之間相關(guān)性分析

表2表明，風(fēng)速參數(shù)與齒輪箱輸出軸溫度、繞組溫度、相電流、有功功率的參數(shù)相關(guān)性較大。風(fēng)速與齒輪箱油溫的CCI值大于風(fēng)速與入口油溫的CCI值，說明風(fēng)速與齒輪箱油溫的參數(shù)相關(guān)性大于風(fēng)速與入口油溫的參數(shù)相關(guān)性。與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)符合，可見CCI值能正確反映風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)參數(shù)與風(fēng)速的相關(guān)性。

相電流與風(fēng)速具有較大的參數(shù)相關(guān)性，是由于機(jī)組采用穩(wěn)壓控制，使得風(fēng)電機(jī)組的相電壓基本恒定，相電流直接影響機(jī)組功率。

風(fēng)速對(duì)機(jī)艙振動(dòng)影響小的原因是振動(dòng)信號(hào)的的低采樣頻率導(dǎo)致某一風(fēng)速的振動(dòng)幅值分散性較大，對(duì)風(fēng)速與振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)性指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生了較大干擾，掩蓋了風(fēng)速與振動(dòng)幅值的相關(guān)性。

表3說明塔頂柜、塔底柜與環(huán)境溫度的參數(shù)之間具有較大的相關(guān)性，其原因是在風(fēng)電機(jī)組中，塔頂柜、塔底柜的安裝位置與發(fā)電機(jī)、齒輪箱、主軸等發(fā)熱量大的部件距離較遠(yuǎn)，易受環(huán)境溫度影響。葉輪側(cè)軸承、齒輪箱側(cè)軸承、軸承A的溫度與環(huán)境溫度的參數(shù)之間相關(guān)性較高，這與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相符。

表3　環(huán)境溫度與風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)參數(shù)的相關(guān)性分析

由表4可知，繞組溫度之間的參數(shù)相關(guān)性較大；繞組溫度與軸承B溫度的參數(shù)相關(guān)性比繞組與其它參數(shù)的相關(guān)性大；與冷卻風(fēng)溫度參數(shù)相關(guān)性較大的是軸承A溫度參數(shù)。

表4　發(fā)電機(jī)溫度參數(shù)的綜合相關(guān)性分析

從表5可以看出，齒輪箱輸入軸溫度參數(shù)與輸出軸溫度參數(shù)的相關(guān)性高；同時(shí)，齒輪箱油溫受入口油溫的影響較其它參數(shù)大。

由表6可知，機(jī)艙的振動(dòng)參數(shù)與溫度參數(shù)具有較小的相關(guān)性；機(jī)艙的塔底柜溫度參數(shù)與塔頂柜溫度參數(shù)具有較大的相關(guān)性。

表7表明，主軸的葉輪側(cè)軸承溫度參數(shù)和齒輪箱側(cè)軸承溫度參數(shù)具有較大的相關(guān)性。

從表2到表7可以看出，同一部件的狀態(tài)參數(shù)中存在CCI值較大的參數(shù)對(duì)，說明參數(shù)具有較大的相關(guān)性，參數(shù)之間相互影響大，從某種程度上也反映了同一部件的狀態(tài)參數(shù)所包含的狀態(tài)信息具有一致性。同時(shí)，狀態(tài)參數(shù)中存在CCI值比較小的參數(shù)對(duì)，一方面說明參數(shù)的相關(guān)性較小，另一方面說明參數(shù)不僅受到同一部件狀態(tài)參數(shù)的影響，某一部件的狀態(tài)參數(shù)還會(huì)受到其它部件的影響。

表5　齒輪箱溫度參數(shù)的綜合相關(guān)性指標(biāo)

表6　機(jī)艙狀態(tài)參數(shù)的綜合相關(guān)性指標(biāo)

表7　主軸狀態(tài)參數(shù)的綜合相關(guān)性指標(biāo)

從表8可知：機(jī)艙的塔底柜溫度與塔頂柜溫度；齒輪箱油溫與輸入軸、輸出軸、入口油溫之間；主軸葉輪側(cè)軸承溫度、齒輪箱側(cè)軸承溫度與機(jī)艙塔底柜溫度、塔頂柜溫度之間的相關(guān)性均較高。這說明風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)參數(shù)不僅與同一部件狀態(tài)參數(shù)有較大的相關(guān)性，也與其它部件的狀態(tài)參數(shù)有不可忽略的相關(guān)性。其原因是，風(fēng)電機(jī)組由多個(gè)復(fù)雜部件或子系統(tǒng)構(gòu)成，機(jī)組正常工作依賴于各部件緊密聯(lián)系協(xié)調(diào)運(yùn)行，在運(yùn)行過程中各部件的狀態(tài)參數(shù)同時(shí)受多種因素的影響。

6　結(jié)論

根據(jù)Pearson、Spearman相關(guān)系數(shù)的特點(diǎn)提出了風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)參數(shù)的綜合相關(guān)性指標(biāo)，并采用綜合相關(guān)性指標(biāo)量化風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)參數(shù)之間的相關(guān)性，通過分析風(fēng)速、環(huán)境溫度、狀態(tài)參數(shù)的綜合相關(guān)性指標(biāo)CCI，研究了風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，為建立風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)參數(shù)異常辨識(shí)模型奠定基礎(chǔ)。

表8　不同部件部分狀態(tài)參數(shù)的綜合相關(guān)性指標(biāo)