海上風電機組分布式控制系統故障診斷與定位分析

徐孝峰 劉勁堯 江丁勇

摘 要：文章主要分析了海上風電機組分布式的控制系統應用現狀，并重點分析了對海上風電機組分布式中存在的問題以及相關的定位研究。它不僅可以設計出具體的通信故障的診斷以及定位的方案，還可以對分布式系統機組之間的通信鏈路進行簡化，起到有效控制風機網絡間拓撲的效果。研究和分析該裝置，可以進一步對分布式風電機組所構成的風電場進行群落的劃分。

關鍵詞：海上風電機組；分布式控制系統故障診斷和分析；定位

0 引言

風能是一種可再生能源，并且以其清潔、無污染、儲量豐富的優點已經成為如今解決能源危機以及環境污染問題的重要手段之一。當前，環境污染問題已經成為全世界共同關注的問題，并且受到全世界人們的重視。海上風力發電不需要占用陸地資源，并且還以其利用率高等優點受到人們的關注。目前，海上風電場遠離陸地，并且環境惡劣，因此對于風電機組發生故障率的可能性較高，這樣就會對發電的效益產生嚴重的影響。

1 分布式風電機群的群落劃分分析

為了對分布式系統進行有效的故障診斷和定位分析，本文主要是采用集群以及局部優化的方式對拓撲控制算法進行具體的群落劃分。CLTC算法主要是根據功率的大小以及節點間互發等特征來具體對通信的性能以及通信的鏈路進行選擇。一般來說，CLTC算法會選擇性能較強的并且通信鏈路較多的節點作為主節點，之后還要選擇自身功率以及群內節點通信機制的能力從節點上進行控制，之后還需要通過主節點控制群的邊界功率對群之間的邊界節點進行自動的連接，以此來完成整個分布式風電機組的群落劃分效果[1]。CLTC算法大致會劃分成3個部分：風電機組節點分群、機群內無線拓撲控制以及機群間拓撲機構實現。（1）風電機組節點分群。其主要是利用風電機組網絡終端節點的相互通信來具體得到相鄰風機的終端數以及對應的終端節點度值。其中，節點度值主要是指該節點相關聯邊的條數。除此之外，還需要將分布式風機網絡中的所有終端節點都加入各自的群落。（2）機群內無線拓撲控制。當確定主節點之后，還可以再一次進行風電場機群內的拓撲控制進行初始化。在各個主節點的網絡廣播消息到所有的從節點之后，還可以從節點向主節點進行信息的確認。當主節點統計自身以及相鄰的從節點集，并且還可以形成一個以主節點到群首的簇，之后再將標記的信息送到從節點。對于主節點來說，主要是利用最小生成樹的算法進行局部的拓撲優化[2]。之后還需要解決非均分簇帶來的網絡負載能耗均衡不平衡以及“熱區”等現象，將所導致的影響網絡壽命的問題進行解決。利用非均勻分簇路由算法對無線網絡進行分簇優化后，還可以采用改進蟻群優化的算法具體搜索出無線網絡簇間的多條路徑，以此來進一步組建出無線網絡路由非均勻分簇多目標優化問題的模型，以此來解決網絡負載能耗均衡、不平衡以及出現的“熱區”等問題。（3）機群間拓撲結構的實現。對于網絡群間的拓撲規則還需要具體進行研究，并且還要通過一定的策略具體設置群成員的發送功率。為了進一步滿足分布式節點故障診斷的需求，還需要在兩個群落間的邊界節點上和自己群落中的主節點進行聯系。最終，還需要將網絡中所有的機群按照一定的規則進行連接，以此來完成機群之間的拓撲結構，具體情況如下圖 1所示。

2 海上風電機組分布式故障診斷定位

隨著我國經濟的發展以及社會的進步，風能、潮汐能、太陽能等清潔能源已經成為重點研究對象。其中，海上風電場的規模也在迅速擴大，相應的網絡拓撲結構也變得更加復雜。下面本文將針對傳統海上風電機群中通信故障診斷技術，并且只能在輸出“懷疑”和“信任”兩個數值的問題上采取心跳檢測pull算法，以此對分布式故障機組進一步進行診斷和定位研究。首先，本文對心跳機制原理進行分析[3]。要分析心跳機制的具體步驟，人們要從某一個節點出發，定時向鄰節點發送心跳。當鄰節點收到心跳消息后，就需要在一定的時間內被動發送相應的應答消息，之后還需要提高鄰節點返回來的心跳信息時間來具體確定節點的通信情況，并進行分析。其次，是對風電機群的分布式節點故障診斷進行分析，主要是根據分布式網絡中主從節點特性的不同將主從節點的故障進行診斷，進行具體分析。之后還需要對主節點的故障進行診斷并進行具體的分析。當網絡完成對節點的診斷之后，還需要進一步對通信故障的定位問題進行解決。由于在一個群落中僅僅只存在一個主節點，如果主節點出現故障，就需要從節點來連接周圍從節點的主節點故障，之后進行定位。具體情況如圖2所示。

3 仿真與實驗分析

首先是對海上風電場CLCT算法的拓撲群落進行劃分仿真。為了進一步對設計好的網絡拓撲性能進行有效性的驗證，還需要采取MATLAB仿真，并且在邊長1 400 m的正方形區域內進行隨機一百個節點的部署，以此來進行仿真和模擬。除此之外，通信的半徑都是150 m，在節點初始的能量是0.5 J，節點的收、發電路能耗也需要進行控制，發射的放大器能耗也需要進行控制[4]。無拓撲控制算法的風電機組通信節點還需要將坐標原點劃分為匯聚節點，并且將所有的節點都最大化發送。而網絡還會因為鏈路數量相互重疊的原因而導致網絡負載較大，這就會對其連通情況產生影響。如果使用CLTC算法對風電機組通信拓撲進行調整，就需要對功率進行控制，并且這也會為風電機組的故障診斷以及定位提供一定的可靠性區間。心跳檢測算法的優越性在進行進一步測試時，還需要將和傳統的通信故障檢測算法進行比較。之后還需要考慮不同的情況，主要是面對故障節點率的增加，相應的網絡拓撲節點診斷的正確率就會呈現下降的趨勢。由于傳統的通信故障檢測算法在階段故障率是30%左右時，相應的診斷精確度下降的幅度也會較大，主要是由于輸出“懷疑”和“信任”的二值性，而且在使用過程中會產生過度依賴鄰居節點的情況。基于上述情況，人員就需要對分布式心跳機制檢測算法的節點故障進行仔細的診斷，以此來進一步將診斷的變化趨向于平穩，在這種情況下得到的診斷精準度也會進一步提高。自然界中存在多種類型的能源，分類的方式也多種多樣，需要人們仔細研究才能促進能源的合理開發和利用。

4 結語

綜上所述，根據當前海上風電機組分布式控制系統以及機組故障診斷和定位難等問題，人們可以通過基于群落劃分以及心跳檢測等算法的分布式故障診斷以及定位的策略來具體進行研究，之后還可以通過實驗以及仿真對方案的可行性和適用性進行分析。相較于傳統的通信檢測算法，這個方案可以將風電場進行群落劃分，并且還要在不通過基站的情況下對鄰節點的心跳發射以及心跳返回的情況進行診斷和定位，該方式簡捷有效，并且在處理方面還具有一定的創新性和優越性。

[參考文獻]

[1]王紹平，王冰，曹智杰，等.海上風電機組分布式控制系統故障診斷與定位研究[J].可再生能源，2020（10）：1343-1348.

[2]陳瑞志.無線網絡非均勻分簇路由算法改進研究與仿真[J].計算機仿真，2017（4）：288-291.

[3]曾鳴，阿斯卡爾，何科雷，等.考慮配電可靠性的分布式電源投資策略研究[J].電力建設，2016（3）：52-57.（編輯 王永超）

Fault diagnosis and location analysis of offshore wind turbine distributed control system

Xu Xiaofeng， Liu Jinyao， Jiang Dingyong

（Huadian Fujian Wind Power Co.， Ltd.， Fuzhou 350000， China）

Abstract：This paper mainly analyzes the application status of distributed control system of offshore wind turbine， and focuses on the problems existing in the distributed control system of offshore wind turbine and the related positioning research. It can not only design the specific communication fault diagnosis and positioning scheme， but also simplify the communication link between the distributed system units. It can effectively control the topology of wind turbine network. Through the research and analysis of the device， the wind farm community composed of distributed wind turbines can be further divided.

Key words：offshore wind turbine； fault diagnosis and analysis of distributed control system； location