風(fēng)電機(jī)組健康狀態(tài)評(píng)估模型的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

文 | 朱永峰，張興林，宮婉綺

在傳統(tǒng)能源不斷減少的今天，世界各國(guó)已經(jīng)將目光轉(zhuǎn)到可再生能源的開(kāi)發(fā)上來(lái)。風(fēng)能作為一種綠色清潔的可再生能源，已經(jīng)引起了我國(guó)的廣泛研究和使用。其中，風(fēng)電機(jī)組的健康正常運(yùn)行一直都是保證風(fēng)電場(chǎng)盈利水平的主要手段和影響因素。

每年因風(fēng)電機(jī)組故障損失的發(fā)電量和維護(hù)費(fèi)用都給風(fēng)電場(chǎng)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。從減少故障維護(hù)時(shí)間和維護(hù)成本上來(lái)說(shuō)，一個(gè)能夠?qū)︼L(fēng)電機(jī)組的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估并且能夠?qū)︼L(fēng)電機(jī)組故障進(jìn)行預(yù)測(cè)的模型是必要的。

本文提出的健康模型是以平行空間理論作為本模型理論支撐點(diǎn)，以大數(shù)據(jù)技術(shù)作為建模的技術(shù)手段，來(lái)創(chuàng)建基于平行空間理論的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型來(lái)提高風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行效率，減少風(fēng)電機(jī)組維護(hù)帶來(lái)的損失。

基于平行空間理論的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型ECMM

由上節(jié)可知，本節(jié)需要提供一個(gè)健康模型來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)風(fēng)電機(jī)組的健康狀況。平行空間又稱平行宇宙，而平行宇宙的概念并不是因?yàn)闀r(shí)間旅行悖論提出來(lái)的，它是來(lái)自量子力學(xué)，因?yàn)榱孔恿W(xué)有一個(gè)不確定性，就是量子的不確定性。平行宇宙概念的提出，得益于現(xiàn)代量子力學(xué)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。在20世紀(jì)50年代，有的物理學(xué)家在觀察量子的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)每次觀察的量子狀態(tài)都不相同。而由于宇宙空間的所有物質(zhì)都是由量子組成，所以這些科學(xué)家推測(cè)既然每個(gè)量子都有不同的狀態(tài)，那么宇宙也有可能并不只是一個(gè)，而是由多個(gè)類似的宇宙組成，因此平行宇宙的數(shù)量并不是確定的。風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行的時(shí)候，由于環(huán)境因素的變化、自身硬件設(shè)備使用壽命的差別，發(fā)生故障等因素的不同，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化，且變化的狀態(tài)數(shù)量也是不確定的。由于平行空間具有多個(gè)空間共存且每個(gè)空間相同事物存在不同狀態(tài)的特性與數(shù)個(gè)風(fēng)電機(jī)組整個(gè)生命周期的某一時(shí)刻中具有多個(gè)狀態(tài)且每個(gè)狀態(tài)不同具有相似的特點(diǎn)。因此，本文結(jié)合了平行空間的理論，給出基于平行空間理論的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型ECMM。

綜上，本節(jié)將分別介紹基于平行時(shí)空理論的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型ECMM，并給出基于ECMM模型的風(fēng)電機(jī)組健康狀況評(píng)估的方法。

一、 基于平行空間理論的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型ECMM的理論模型

構(gòu)建基于平行空間理論的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型ECMM的理論模型過(guò)程如圖1所示，主要分為三個(gè)階段，平行空間劃分、平行空間衍生、健康值計(jì)算。

（1）平行空間劃分

首先，數(shù)據(jù)預(yù)處理。利用集控中心大數(shù)據(jù)平臺(tái)收集各風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)電機(jī)組全參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組各參數(shù)自身數(shù)據(jù)意義和取值范圍結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、去臟、修復(fù)等數(shù)據(jù)預(yù)處理工作。

圖1 基于平行空間理論的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型ECMM的理論模型

其次，健康時(shí)間段的提取。風(fēng)電機(jī)組在無(wú)故障、誤報(bào)警且穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)為風(fēng)電機(jī)組健康的運(yùn)行狀態(tài)。在風(fēng)電機(jī)組全生命周期的時(shí)間軸上，扣除風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行不健康的時(shí)間段包括：報(bào)警的時(shí)間段、故障及故障的征兆時(shí)間段、停機(jī)的時(shí)間段、無(wú)通訊時(shí)間段。所剩的時(shí)間段即為健康的時(shí)間段。

最后，平行空間的形成。風(fēng)電機(jī)組在不同的環(huán)境因素下，能夠健康運(yùn)行時(shí)的各個(gè)參數(shù)所處的健康值也不相同。因此，將環(huán)境條件按風(fēng)速、溫度、大氣壓力、空氣密度、生命時(shí)間等多個(gè)維度，并對(duì)各個(gè)維度進(jìn)行步長(zhǎng)的劃分。按照步長(zhǎng)所切割好的維度組合在一起，就是一個(gè)空間，而所有的相同生命時(shí)間的空間就組成了平行空間。

（2）平行空間的衍生

在風(fēng)電機(jī)組的全生命周期里，隨著生命時(shí)間的推移，風(fēng)電機(jī)組所處的環(huán)境的不斷變化，風(fēng)電機(jī)組會(huì)沿著時(shí)間軸由一個(gè)空間的健康狀態(tài)演變成另一個(gè)空間的健康狀態(tài)，而此過(guò)程是按照時(shí)間軸單向的。而最開(kāi)始的一個(gè)多個(gè)空間狀態(tài)根據(jù)環(huán)境變化的不同不斷衍生出數(shù)個(gè)平行空間狀態(tài)。

（3）健康值計(jì)算

提取風(fēng)電機(jī)組屬于各個(gè)空間的健康數(shù)據(jù)，利用各個(gè)參數(shù)的業(yè)務(wù)意義與數(shù)據(jù)挖掘算法等進(jìn)行各個(gè)參數(shù)在該多維環(huán)境分組下的特征值的計(jì)算，包括值域范圍、平均值、聚類后的范圍、權(quán)值等，代表該多維環(huán)境的各個(gè)參數(shù)的特征值。而將各個(gè)參數(shù)有屬于自己的權(quán)重，利用各個(gè)參數(shù)的權(quán)重以及自身的特征值，計(jì)算出該空間風(fēng)電機(jī)組健康狀態(tài)的健康值。

二、基于平行空間理論的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型ECMM的應(yīng)用模型

上一小節(jié)給出了ECMM模型的理論模型的構(gòu)建方法。但是，由于理論模型需要大量同型號(hào)風(fēng)電機(jī)組全生命周期的數(shù)據(jù)作為理論支撐，且最終的平行空間數(shù)量不可評(píng)估，以目前集控中心所收集的數(shù)據(jù)是達(dá)不到的。因此，本小節(jié)將給出基于平行空間理論的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型ECMM的應(yīng)用模型，如圖2所示，主要分為兩個(gè)階段，風(fēng)電機(jī)組健康狀態(tài)生成和風(fēng)電機(jī)組健康狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換。

（1）風(fēng)電機(jī)組健康狀態(tài)

首先，數(shù)據(jù)預(yù)處理。此過(guò)程與ECMM理論模型相同。

其次，健康時(shí)間段的提取與劃分。健康時(shí)間段的提取過(guò)程與理論模型健康時(shí)間段的提取過(guò)程相同，扣除風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行不健康的時(shí)間段，所剩的時(shí)間段即為健康的時(shí)間段。由于風(fēng)電機(jī)組在進(jìn)入某環(huán)境空間的初始N分鐘內(nèi)處于過(guò)渡期和N分鐘后參數(shù)運(yùn)行狀態(tài)差異變化較大，因此在風(fēng)電機(jī)組全生命周期上將分為穩(wěn)定期狀態(tài)與過(guò)渡期狀態(tài)，并根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)將不同的穩(wěn)定狀態(tài)間切換時(shí)所需的不穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)度值作為分割點(diǎn)。將相同機(jī)型全部風(fēng)電機(jī)組在全生命周期健康時(shí)間段上，所有被分隔好的不同狀態(tài)切換的過(guò)渡期時(shí)間段和穩(wěn)定期時(shí)間段的數(shù)據(jù)分別收集。

最后，健康狀態(tài)的生成。以收集好的穩(wěn)定期健康時(shí)間段為例，同樣將環(huán)境條件按照風(fēng)速、溫度、大氣壓力、空氣密度等多個(gè)維度，并對(duì)各個(gè)維度進(jìn)行步長(zhǎng)的劃分，此處忽略理論模型中的生命時(shí)間。按照步長(zhǎng)所切割好的維度組合在一起，就是一個(gè)空間，而所有的空間就組成了平行空間。在收集好的時(shí)間段中，會(huì)有很多數(shù)據(jù)屬于同一個(gè)空間，因此我們對(duì)屬于同一個(gè)空間的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析得出不同空間中的數(shù)據(jù)范圍及特征叫做該條件環(huán)境下的狀態(tài)。

（2）風(fēng)電機(jī)組健康狀態(tài)轉(zhuǎn)換

在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，隨著時(shí)間的推移，周?chē)h(huán)境的變化，風(fēng)電機(jī)組會(huì)在健康模型上找到屬于當(dāng)前環(huán)境下的空間即健康運(yùn)行的狀態(tài)。由于收集的數(shù)據(jù)有限，也會(huì)出現(xiàn)沒(méi)有對(duì)應(yīng)的空間，因此需要對(duì)此風(fēng)電機(jī)組當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行判斷，如果滿足上述的健康時(shí)間段的運(yùn)行狀態(tài)，平行空間可以擴(kuò)展，即可以通過(guò)自學(xué)習(xí)的方式彌補(bǔ)之前由于數(shù)據(jù)收集不足造成的缺少部分對(duì)應(yīng)空間的現(xiàn)象。

綜上所述，ECMM應(yīng)用模型在創(chuàng)建時(shí)并不是按照風(fēng)電機(jī)組全生命周期的時(shí)間軸順序發(fā)生的過(guò)程創(chuàng)建的，而是依賴于環(huán)境因素的變化創(chuàng)建的。在風(fēng)電機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)，會(huì)自動(dòng)檢索此時(shí)對(duì)應(yīng)的空間，并通過(guò)計(jì)算能夠知道此時(shí)的健康狀態(tài)的值與空間里計(jì)算好的健康狀態(tài)的值的差異性。而ECMM理論模型的建立是需要大量相同機(jī)型風(fēng)電機(jī)組全生命周期的數(shù)據(jù)作為支撐的，在數(shù)據(jù)量達(dá)不到的情況下，ECMM應(yīng)用模型具有明顯的優(yōu)勢(shì)和實(shí)用性。

圖2 基于平行空間理論的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型ECMM的應(yīng)用模型

基于ECMM模型的風(fēng)電機(jī)組健康狀況評(píng)估方法

前文描述了如何構(gòu)建ECMM模型，本節(jié)將主要描述基于ECMM應(yīng)用模型對(duì)風(fēng)電機(jī)組的健康狀況進(jìn)行評(píng)估的方法，如圖3所示。

基于ECMM模型的風(fēng)電機(jī)組健康狀況評(píng)估方法主要分四個(gè)階段：風(fēng)電機(jī)組自身健康狀態(tài)評(píng)分、同機(jī)型健康狀態(tài)評(píng)分、風(fēng)電機(jī)組綜合評(píng)分、健康狀態(tài)預(yù)測(cè)。其中風(fēng)電機(jī)組實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)作為模型的輸入數(shù)據(jù)，利用模型對(duì)比算法得到同機(jī)型健康狀態(tài)評(píng)分、自身健康狀態(tài)評(píng)分，最后需要綜合評(píng)分算法計(jì)算出風(fēng)電機(jī)組綜合評(píng)分。利用環(huán)境預(yù)測(cè)的算法來(lái)預(yù)測(cè)風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)。

（1）風(fēng)電機(jī)組自身健康狀態(tài)評(píng)分

通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、采集，利用ECMM模型的對(duì)比算法，求出同機(jī)型健康狀態(tài)評(píng)分。下面將給出模型對(duì)比算法的流程進(jìn)行描述，如圖4所示。

利用風(fēng)電機(jī)組的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組全參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。并根據(jù)此時(shí)環(huán)境各維度的值以及風(fēng)電機(jī)組在當(dāng)前環(huán)境中運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)來(lái)檢索相應(yīng)的ECMM模型中的平行空間。并根據(jù)平行空間中風(fēng)電機(jī)組參數(shù)計(jì)算特征值的方式，求出此時(shí)風(fēng)電機(jī)組相應(yīng)的各個(gè)參數(shù)的特征值。每當(dāng)有一個(gè)參數(shù)的特征值不滿足平行空間中所給出該參數(shù)特征值的健康范圍，則健康值需要減去該參數(shù)的權(quán)重值以及相應(yīng)每個(gè)參數(shù)所需要減掉的參數(shù)值，剩余的健康值即為該時(shí)刻風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的健康值。

例如，風(fēng)電機(jī)組完全健康時(shí)的健康值為100，除了環(huán)境各個(gè)維度的參數(shù)以外，還有 A、B、C、D、E五個(gè)參數(shù)。假設(shè)其中A、B、C三個(gè)參數(shù)的特征值不符合所對(duì)應(yīng)的平行空間A、B、C三個(gè)參數(shù)特征值的健康范圍，因此，該風(fēng)電機(jī)組當(dāng)前時(shí)刻的健康值為100-a×x1-b×x2-c×x3，其中a、b、c分別為A、B、C三個(gè)參數(shù)的權(quán)重值，x1、x2、x3分別為A、B、C三個(gè)參數(shù)不滿足健康范圍時(shí)需要扣除的健康值。

（2）同機(jī)型健康狀態(tài)評(píng)分

同機(jī)型風(fēng)電機(jī)組的健康狀態(tài)能夠反映出該機(jī)型風(fēng)電機(jī)組優(yōu)勢(shì)以及普遍存在的問(wèn)題，反饋給風(fēng)電機(jī)組制造廠家，有助于廠家對(duì)該機(jī)型的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行升級(jí)而對(duì)問(wèn)題進(jìn)行修復(fù)，提升企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量、服務(wù)，同時(shí)也為企業(yè)拓展新產(chǎn)品提供新思路。

統(tǒng)計(jì)性健康狀態(tài)評(píng)分是由三部分組成：同風(fēng)電場(chǎng)該機(jī)型風(fēng)電機(jī)組的不合格率、優(yōu)秀率、平均成績(jī)組成。自定義風(fēng)電機(jī)組合格限值，不滿足限值的臺(tái)數(shù)與總臺(tái)數(shù)相比的百分?jǐn)?shù)即為不合格率。同理，自定義優(yōu)秀限值，超過(guò)限值的臺(tái)數(shù)與總臺(tái)數(shù)相比的百分?jǐn)?shù)即為優(yōu)秀率。而平均值，即為將優(yōu)秀與不合格的風(fēng)電機(jī)組去掉后，所剩的風(fēng)電機(jī)組的平均值，這樣避免了部分優(yōu)秀風(fēng)電機(jī)組或不合格風(fēng)電機(jī)組來(lái)影響風(fēng)電場(chǎng)整體風(fēng)電機(jī)組的健康值。同時(shí)，如果該平均值持續(xù)一段時(shí)間很低的話，說(shuō)明該型號(hào)風(fēng)電機(jī)組存在普遍的問(wèn)題，需要及時(shí)與該型號(hào)風(fēng)電機(jī)組的廠家聯(lián)系。

圖3 基于ECMM模型的風(fēng)電機(jī)組健康狀況評(píng)估方法圖

圖4 健康狀態(tài)評(píng)分流程圖

（3）風(fēng)電機(jī)組綜合評(píng)分

風(fēng)電機(jī)組綜合評(píng)分反饋的是該風(fēng)電機(jī)組在整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)相同機(jī)型中的健康狀況。綜合評(píng)分的算法是通過(guò)持續(xù)一段時(shí)間的自身的健康狀況與同機(jī)型其他風(fēng)電機(jī)組的橫向比較，來(lái)觀察該風(fēng)電機(jī)組的健康狀態(tài)穩(wěn)定程度和變化率。

（4）預(yù)測(cè)風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)

利用引入的環(huán)境預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，并根據(jù)ECMM模型檢索出相對(duì)應(yīng)的空間，從而預(yù)測(cè)出風(fēng)電機(jī)組未來(lái)的狀態(tài)。

綜上，基于ECMM模型的風(fēng)電機(jī)組健康狀況評(píng)估的方法主要是根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)風(fēng)電機(jī)組的各個(gè)參數(shù)值，利用環(huán)境參數(shù)找出ECMM模型中相應(yīng)的平行空間，并利用空間中各個(gè)參數(shù)特征值的算法求出此時(shí)該風(fēng)電機(jī)組各個(gè)參數(shù)的數(shù)值，并判斷是否在平行空間所給出的健康范圍內(nèi)，不滿足進(jìn)行健康值的減分計(jì)算。同時(shí)，對(duì)全風(fēng)電場(chǎng)同機(jī)型所有風(fēng)電機(jī)組健康值進(jìn)行匯總計(jì)算，得出整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)該機(jī)型的健康狀況，并利用風(fēng)功率預(yù)測(cè)中的環(huán)境預(yù)測(cè)值進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀況的預(yù)測(cè)。對(duì)風(fēng)電機(jī)組的健康情況進(jìn)行了全面的檢測(cè)和評(píng)估。

結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)目前風(fēng)電場(chǎng)不能夠有效地對(duì)風(fēng)電機(jī)組的健康狀況進(jìn)行評(píng)估，最終由于故障而導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組停機(jī)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益的損失提出了解決方案。首先提出的基于平行空間理論的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型ECMM的理論模型和應(yīng)用模型是以平行空間理論作為本模型理論支撐點(diǎn)，以大數(shù)據(jù)技術(shù)作為建模的技術(shù)手段進(jìn)行創(chuàng)建的。并給出了基于ECMM模型的風(fēng)電機(jī)組健康狀況評(píng)估的方法。由于本文僅從風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的健康角度考慮，忽略掉了風(fēng)電機(jī)組發(fā)生故障時(shí)的狀態(tài)。結(jié)合平行空間思想筆者針對(duì)不同風(fēng)電機(jī)組的不同故障分別建立了故障模型用以風(fēng)電機(jī)組故障的預(yù)測(cè)和診斷，故障模型數(shù)量較多，范圍較廣。整體上健康模型與故障模型互相驗(yàn)證，全方位地保證了風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。