專利名稱：一種基于相空間重構(gòu)的dfig運(yùn)行狀態(tài)混沌預(yù)測(cè)系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于風(fēng)電系統(tǒng)預(yù)測(cè)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(yīng)發(fā)電機(jī))運(yùn)行狀態(tài)混沌預(yù)測(cè)系統(tǒng)及方法。
(ニ)
背景技術(shù)：
隨著接入電網(wǎng)的風(fēng)カ發(fā)電機(jī)組(主要是雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組)容量的不斷増加，由于風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行條件惡劣，如外界溫差變化大，風(fēng)速變化隨機(jī)等。這些不確定的外界因素導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的故障率高，使風(fēng)電場(chǎng)后期運(yùn)行維護(hù)成本居高不下，且風(fēng)カ發(fā)電本身所特有的間歇性和隨機(jī)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(gè)復(fù)雜的耦合非線性系統(tǒng)，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行直接影響與其互聯(lián)電網(wǎng)的穩(wěn)定負(fù)荷合理分配及電網(wǎng)供電質(zhì)量。因此，提高雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行可靠性，對(duì)保障電網(wǎng)的安全優(yōu)質(zhì)運(yùn)行和提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性具有重大作用。為實(shí)現(xiàn)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行及時(shí)判斷機(jī)組部件的 性能狀況和發(fā)展趨勢(shì)提高其運(yùn)行效率，本發(fā)明采用多種方法和手段對(duì)機(jī)組的重要部件(齒輪箱、發(fā)電機(jī)等)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和分析，在分析雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組運(yùn)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(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的加權(quán)ー階局域預(yù)測(cè)模型，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以便提前發(fā)現(xiàn)故障征兆，避免和減輕嚴(yán)重的設(shè)備損壞，確定合理的維護(hù)時(shí)間和方案，從而達(dá)到大幅降低維護(hù)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(yùn)行狀態(tài)混沌預(yù)測(cè)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(fù)混沌吸引子的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)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(yùn)行狀態(tài)混沌預(yù)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于它包括風(fēng)電機(jī)組、測(cè)試儀和帶混沌預(yù)測(cè)程序的上位機(jī)；其中，所述測(cè)試儀采集風(fēng)電機(jī)組的信號(hào)，與帶混沌預(yù)測(cè)程序的上位機(jī)呈雙向連接。所述測(cè)試儀是由信號(hào)采集與調(diào)理電路單元、A/D轉(zhuǎn)換電路單元、單片機(jī)、USB接ロ電路單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路單元和定時(shí)電路單元構(gòu)成；其中，所述信號(hào)采集與調(diào)理電路單元單元采集風(fēng)電機(jī)組的信號(hào)，其輸出端連接A/D轉(zhuǎn)換電路單元的輸入端；所述單片機(jī)與A/D轉(zhuǎn)換電路単元、USB接ロ電路單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(yù)測(cè)程序的上位機(jī)呈雙向連接。所述采集風(fēng)電機(jī)組的信號(hào)是采集風(fēng)カ發(fā)電機(jī)組齒輪箱驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承溫度信號(hào)、風(fēng)カ發(fā)電機(jī)繞組最大溫度信號(hào)、風(fēng)カ發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子平均轉(zhuǎn)速信號(hào)和風(fēng)カ發(fā)電機(jī)有功功率參數(shù)信號(hào)。所述信號(hào)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(hào)全部轉(zhuǎn)換為5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)；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(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)通道，帶有ー個(gè)自動(dòng)通道/增益掃描電路，采樣時(shí)自動(dòng)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(shí)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(jī)芯片呈等待延時(shí)方式連接；所述外圍電路是由電容C28、電阻R32、兩個(gè)電阻R33、電容C29、電源VCC組成；所述管腳VIN (+)經(jīng)電容C28和一個(gè)電阻R33接收信號(hào)調(diào)理電路處理后的信號(hào)，電容C28和該電阻R33連接點(diǎn)與管腳VIN(-)連接共同接地，采取差動(dòng)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(diǎn)；所述管腳Vref/2經(jīng)電阻R32接電源VCC。所述單片機(jī)采用飛思卡爾的單片機(jī)MC9S12DP256。所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)電路單元采用帶有看門狗的PIC16F716器件。ー種用于風(fēng)電系統(tǒng)的混沌預(yù)測(cè)系統(tǒng)的工作方法，其特征在于它包括以下步驟⑴由定時(shí)電路單元設(shè)置采集間隔定時(shí)時(shí)間，由信號(hào)采集與調(diào)理電路單元來實(shí)時(shí)采集風(fēng)電機(jī)組齒輪箱驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承溫度、發(fā)電機(jī)繞組最大溫度，轉(zhuǎn)子平均轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)有功功率信號(hào)；⑵步驟⑴中采集的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)采集與調(diào)理電路單元和A/D轉(zhuǎn)換電路單元進(jìn)行濾波、自校準(zhǔn)處理，并通過單片機(jī)將機(jī)組齒輪箱驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承溫度、發(fā)電機(jī)繞組最大溫度，轉(zhuǎn)子平均轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)有功功率參數(shù)輸入到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路單元中；⑶通過USB接ロ電路將步驟⑵處理后的風(fēng)電機(jī)組齒輪箱驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承溫度、發(fā)電機(jī)繞組最大溫度，轉(zhuǎn)子平均轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)有功功率數(shù)據(jù)傳輸?shù)窖b有實(shí)現(xiàn)混沌預(yù)測(cè)程序的上位機(jī)中；⑷應(yīng)用上位機(jī)中的混沌預(yù)測(cè)方法進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和處理。所述步驟⑷中的混沌預(yù)測(cè)方法是采用基于相空間重構(gòu)的方法檢測(cè)混沌，由以下步驟構(gòu)成①用C-C法確定嵌入維數(shù)與時(shí)間延遲風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，對(duì)于某一狀態(tài)參數(shù)時(shí)間序列X= {xj, i=l, 2，···，N,若嵌入維數(shù)為m,時(shí)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(diǎn)Xi=Iixi, χ +τ，…，Xhdi-D τ]Τ, i=l, 2，...，M(I)則嵌入時(shí)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(yùn)行狀態(tài)混沌預(yù)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于它包括風(fēng)電機(jī)組、測(cè)試儀和帶混沌預(yù)測(cè)程序的上位機(jī)；其中，所述測(cè)試儀采集風(fēng)電機(jī)組的信號(hào)，與帶混沌預(yù)測(cè)程序的上位機(jī)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(yùn)行狀態(tài)混沌預(yù)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述測(cè)試儀是由信號(hào)采集與調(diào)理電路單元、A/D轉(zhuǎn)換電路單元、單片機(jī)、USB接口電路單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路單元和定時(shí)電路單元構(gòu)成；其中，所述信號(hào)采集與調(diào)理單元采集風(fēng)電機(jī)組的信號(hào)，其輸出端連接A/D轉(zhuǎn)換電路單元的輸入端；所述單片機(jī)與A/D轉(zhuǎn)換電路單元、USB接口電路單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(yù)測(cè)程序的上位機(jī)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(yùn)行狀態(tài)混沌預(yù)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述采集風(fēng)電機(jī)組的信號(hào)是采集風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承溫度信號(hào)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)繞組最大溫度信號(hào)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子平均轉(zhuǎn)速信號(hào)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)有功功率參數(shù)信號(hào)。
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(yùn)行狀態(tài)混沌預(yù)測(cè)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(shí)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(jī)芯片呈等待延時(shí)方式連接；所述外圍電路是由電容C28、電阻R32、兩個(gè)電阻R33、電容C29、電源VCC組成；所述管腳VIN(+)經(jīng)電容C28和一個(gè)電阻R33接收信號(hào)調(diào)理電路處理后的信號(hào)，電容C28和該電阻R33連接點(diǎn)與管腳VIN(-)連接共同接地，采取差動(dòng)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(diǎn)；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(yùn)行狀態(tài)混沌預(yù)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述單片機(jī)采用飛思卡爾的單片機(jī)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(yùn)行狀態(tài)混沌預(yù)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(yùn)行狀態(tài)混沌預(yù)測(cè)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(yùn)行狀態(tài)混沌預(yù)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述定時(shí)電路單元采用帶有看門狗的PIC16F716器件。
9.一種用于風(fēng)電系統(tǒng)的混沌預(yù)測(cè)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(shí)電路單元設(shè)置采集間隔定時(shí)時(shí)間，由信號(hào)采集與調(diào)理電路單元來實(shí)時(shí)采集風(fēng)電機(jī)組齒輪箱驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承溫度、發(fā)電機(jī)繞組最大溫度，轉(zhuǎn)子平均轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)有功功率信號(hào); ⑵步驟⑴中采集的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)采集與調(diào)理電路單元和A/D轉(zhuǎn)換電路單元進(jìn)行濾波、自校準(zhǔn)處理，并通過單片機(jī)將機(jī)組齒輪箱驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承溫度、發(fā)電機(jī)繞組最大溫度，轉(zhuǎn)子平均轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)有功功率參數(shù)輸入到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路單元中；⑶通過USB接口電路將步驟⑵處理后的風(fēng)電機(jī)組齒輪箱驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承溫度、發(fā)電機(jī)繞組最大溫度，轉(zhuǎn)子平均轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)有功功率數(shù)據(jù)傳輸?shù)窖b有實(shí)現(xiàn)混沌預(yù)測(cè)程序的上位機(jī)中； ⑷應(yīng)用上位機(jī)中的混沌預(yù)測(cè)方法進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述一種用于風(fēng)電系統(tǒng)的混沌預(yù)測(cè)系統(tǒng)的工作方法，其特征在于所述步驟⑷中的混沌預(yù)測(cè)方法是采用基于相空間重構(gòu)的方法檢測(cè)混沌，由以下步驟構(gòu)成 ①用C-C法確定嵌入維數(shù)與時(shí)間延遲風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，對(duì)于某一狀態(tài)參數(shù)時(shí)間序列X= {xj, i=l, 2，…，N,若嵌入維數(shù)為m,時(shí)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(diǎn) 則嵌入時(shí)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(dá)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(diǎn)之間距離小于r的概率。另外定義X= {xj的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量 S(m, N, r, T )反映了時(shí)間序列的自相關(guān)特性，最優(yōu)時(shí)間延遲取S(m，N，r, x )第I個(gè)零點(diǎn)，此時(shí)重構(gòu)相空間中的點(diǎn)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(shí)別DFIG混沛特性由步驟①計(jì)算出的時(shí)間延遲t和嵌入維數(shù)m，應(yīng)用小數(shù)據(jù)量法計(jì)算出風(fēng)電機(jī)組齒輪箱驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承溫度、發(fā)電機(jī)繞組最大溫度、轉(zhuǎn)子平均轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)有功功率四個(gè)狀態(tài)參數(shù)時(shí)間序列的最大Lyapunov指數(shù)，若的四個(gè)最大Lyapunov指數(shù)均大于0,則說明存在DFIG混沛特性,并進(jìn)行下一步預(yù)測(cè)； ③利用加權(quán)一階局域法對(duì)DFIG進(jìn)行預(yù)測(cè) 將步驟①中求得的延遲時(shí)間T和維數(shù)m進(jìn)行相空間重構(gòu)，應(yīng)用加權(quán)一階局域法對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)電機(jī)組齒輪箱驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承溫度、發(fā)電機(jī)繞組最大溫度、轉(zhuǎn)子平均轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)有功功率四個(gè)狀態(tài)參數(shù)時(shí)間序列分別進(jìn)行預(yù)測(cè)； 設(shè)中心點(diǎn)(即預(yù)測(cè)的起始點(diǎn))Xk的鄰近點(diǎn)為Xki，兩點(diǎn)距離為Cli，設(shè)dm是Cli中的最小值，點(diǎn)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(yùn)行狀態(tài)混沌預(yù)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于它包括風(fēng)電機(jī)組、測(cè)試儀和帶混沌預(yù)測(cè)程序的上位機(jī)；其工作方法包括信號(hào)采集、濾波、校準(zhǔn)、參數(shù)計(jì)算處理、混沌預(yù)測(cè)、風(fēng)機(jī)狀態(tài)預(yù)測(cè)；其優(yōu)越性在于①硬件裝置簡(jiǎn)單、實(shí)用；②掉電后數(shù)據(jù)自動(dòng)保護(hù)，混沌實(shí)時(shí)檢測(cè)不間斷，可靠性高；③高測(cè)量精度；④系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性可靠性高，能滿足風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)、過渡過程研究、故障診斷及預(yù)測(cè)等方面的要求, 具有較高的實(shí)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01R31/34GK102854465SQ20121031666
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)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(yáng), 馬幼捷 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)