基于改進融合的大型風力發(fā)電機組運行狀態(tài)檢測研究

鄧森 胡從星 梁太陽 楊朋雨 馬先松

摘 要：為解決傳統(tǒng)的大型風力發(fā)電機設備運行狀態(tài)檢測方法效果不佳的問題，設計了基于多特征融合的大型風力發(fā)電機設備運行狀態(tài)檢測方法。通過計算提取出的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)集的多個數(shù)據(jù)特征，并計算不同特征的權(quán)重值，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多特征融合，并對其進行特征分類。通過計算運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的偏離閾值和檢測閾值，完成對設備運行狀態(tài)的檢測。實驗結(jié)果表明，和以往的大型風力發(fā)電機設備運行狀態(tài)檢測方法相比，設計的基于多特征融合的大型風力發(fā)電機設備運行狀態(tài)檢測方法在實際應用中ROC曲線面積較大，檢測效果較好。

關鍵詞：多特征融合；大型風力發(fā)電機設備；運行狀態(tài)；檢測方法

中圖分類號：TM614

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2024）03-0169-04

Research on the detection of the operating state of large-scale wind turbines based on improved fusion

DENG Sen，HU Congxing，LIANG Taiyang，YANG Pengyu，MA Xiansong （State Power Investment Corporation Jiangsu Electric Power Co.，Ltd.，Nanjing 210000，China）

Abstract：In order to solve the problem of poor effect of traditional large-scale wind turbine equipment operation state detection methods，a large-scale wind turbine equipment operation state detection method based on multi-feature fusion was designed.By calculating the multiple data features of the extracted running state dataset and calculating the weight values of different features，the multi-feature fusion of the data is realized and the features are classified.By calculating the deviation threshold and detection threshold of the operating status data，the detection of the device's operating status was completed.The experimental results showed that compared with previous methods for detecting the operating status of large wind turbine equipment，the designed method based on multi feature fusion for detecting the operating status of large wind turbine equipment had a larger ROC curve area and better detection effect in practical applications.

Key words：Multi feature fusion;large scale wind turbine equipment;equipment operating status;status detection;detection method

大型風力發(fā)電機組設備常用的狀態(tài)檢測方法往往基于單一特征，難以全面、準確地反映設備的工作狀態(tài)。因此，不少學者針對此展開了研究，如對醫(yī)療設備的運行數(shù)據(jù)進行收集，并從中提取多個數(shù)據(jù)特征，將多個數(shù)據(jù)進行融合，從中篩選出異常的狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對異常狀態(tài)數(shù)據(jù)的檢測［1］。對獲取的工控設備運行數(shù)據(jù)進行標準化計算，并利用數(shù)據(jù)挖掘和關聯(lián)分析，確定其關鍵特征，由此實現(xiàn)對異常數(shù)據(jù)的檢測［2］。將獲取的光伏電站電氣設備運行數(shù)據(jù)作為基礎，構(gòu)建數(shù)據(jù)集，利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)整合多種特征數(shù)據(jù)，以便對運行數(shù)據(jù)進行異常檢測［3］。

在上述研究的基礎上，研究設計了基于多特征融合的大型風力發(fā)電機設備運行狀態(tài)檢測方法。由此實現(xiàn)對大型風力發(fā)電機設備運行狀態(tài)的檢測。

1 大型風力發(fā)電機組設備運行狀態(tài)檢測方法設計

1.1 構(gòu)建大型風力發(fā)電機組設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)集

為實現(xiàn)對大型風力發(fā)電機組設備運行狀態(tài)的檢測，需要先對大型風力發(fā)電機組設備的運行狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集，并由此構(gòu)建相應的數(shù)據(jù)集。在進行數(shù)據(jù)采集的過程中，利用傳感器和設備監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測大型風力發(fā)電機組設備的運行狀態(tài)，并收集必要的數(shù)據(jù)，如風速、風向、溫度、壓力等多種類型的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。將采集的多種運行狀態(tài)數(shù)據(jù)作為基礎，針對不同類型運行狀態(tài)數(shù)據(jù)出現(xiàn)的問題，對其進行數(shù)據(jù)預處理，進一步提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量［6］。在進行數(shù)據(jù)預處理的過程中，需要先對其進行數(shù)據(jù)清洗。在數(shù)據(jù)清洗的過程中，需要根據(jù)實際情況，篩選出和風力發(fā)電機組設備運行狀態(tài)相關的數(shù)據(jù)，并對其中不相關的數(shù)據(jù)進行刪除和忽略。同時，檢查數(shù)據(jù)的完整性，對于缺失數(shù)據(jù)需要進行填充［7］。其具體填充過程如下所示：

a=xa－1+xa+12×xa－1+xa+1（1）

式中：a表示計算出的數(shù)據(jù)填充值；xa－1、xa+1分別表示缺失值前后的數(shù)據(jù)值。

通過上述公式，計算出對應的數(shù)據(jù)填充值，將該填充值作為基礎，對缺失的數(shù)據(jù)進行填充。同時在上述基礎上，還需要修正異常值來提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，其修正處理的具體計算過程如下所示：

x′=x1×γ1+x2×γ2+…+xn×γnγ1+γ2+…+γn（2）

式中：x′表示數(shù)據(jù)的修正結(jié)果；x1、x2、…、xn表示數(shù)據(jù)的原始值；γ1、γ2、…、γn分別表示對應原始值的權(quán)重值。

考慮到采集的大型風力發(fā)電機設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)類型不一致，所處的維度也不一樣，這會給后續(xù)的計算帶來較大的壓力，因此，對其進行歸一化處理，將不同維度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一維度，以便更好地進行數(shù)據(jù)優(yōu)化和處理［9］。數(shù)據(jù)歸一化處理的具體過程如下所示：

y=（ymax－ymin）×（xmax－xmin）xmax－xmin+ymin（3）

式中：y表示數(shù)據(jù)歸一化處理的結(jié)果；xmin表示采集的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的最小值；xmax表示采集的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)最大值；ymin表示同一維度下運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的最小值；ymax表示同一維度下運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的最大值。

通過上述對運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的填充、修正和歸一化處理，提高了數(shù)據(jù)的質(zhì)量，并將處理結(jié)果作為基礎，構(gòu)建大型風力發(fā)電機組設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)集，為后續(xù)進行設備運行狀態(tài)評估奠定基礎［10］。

1.2 基于多特征融合的設備運行狀態(tài)特征分類

將上述構(gòu)建的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)集作為基礎，在多特征融合的基礎上，對設備運行狀態(tài)進行特征分類。多特征融合作為一種有效的識別方法，能夠綜合利用多種數(shù)據(jù)特征，實現(xiàn)對不同特征的優(yōu)勢互補，從而更好實現(xiàn)對目標的檢測［11］。在設計中，利用多特征融合的特征分類的具體過程如圖1所示。

如圖1所示，在上述分類器的設計過程中，將構(gòu)建的風力發(fā)電機組設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)集作為基礎，首先對其進行特征提取，提取的數(shù)據(jù)特征包括但不限于設備的風速和風向、設備溫度、設備振動和聲音、電力參數(shù)等多個特征。然后將提取的數(shù)據(jù)特征作為基礎，通過計算不同數(shù)據(jù)特征的權(quán)重值，將多個數(shù)據(jù)特征進行融合，根據(jù)融合，對其進行分類，由此實現(xiàn)對運行狀態(tài)特征的分類處理［12］。在上述過程中，提取風力發(fā)電機組設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)特征的具體過程如下所示：

g=exp（－（pΔr）22σ2（qΔφ））

Δr=2πL

Δφ=πL（4）

式中：g表示提取出的設備運行狀態(tài)特征；p、q分別表示特征參數(shù)；Δr、Δφ分別表示數(shù)據(jù)的特征值；σ表示運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的方差；L表示數(shù)據(jù)模態(tài)值。

利用上述公式，提取出風力發(fā)電機組多個數(shù)據(jù)特征，將提取的數(shù)據(jù)特征作為基礎，計算對應特征的權(quán)重值，由此對多個特征進行融合［13］。其多特征融合的計算過程如下所示：

w（t，d）=w1（t，d）×w2（t）

w（t+1）=w（t）+α×（y－y^）×x×g

G=∑ni=1w（i）×g（i）n

（5）

式中：w（t，d）表示計算出的初始特征權(quán)重值；w1（t，d）表示當前特征出現(xiàn)的頻率；w2（t）表示當前特征的激活函數(shù)；w（t+1）表示當前計算出的特征權(quán)重值；w（t）表示上一次迭代中計算出的特征權(quán)重值；α表示特征權(quán)重值更新的速度；y表示實際的輸出結(jié)果；y^表示預測的輸出結(jié)果；x表示輸入的特征值；G表示多特征融合的結(jié)果；n表示風力發(fā)電機設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的特征。

在上述的基礎上，對融合后的特征進行分類處理。在分類過程中，根據(jù)上述計算出的特征融合結(jié)果的特征值來進行分類。依據(jù)特征值的大小，將運行狀態(tài)數(shù)據(jù)劃分為多個類別，為后續(xù)檢測大型風力發(fā)電機設備運行狀態(tài)奠定基礎［14］。

1.3 檢測大型風力發(fā)電機設備運行狀態(tài)

在檢測過程中，需要根據(jù)大型風力發(fā)電機設備的實際運行情況，計算風力發(fā)電機組設備運行過程中的的偏離閾值［15］。其具體計算過程如下：

Xi=∑Ni=1εiN

λ=±kiXi（6）

式中：Xi表示風力發(fā)電機組設備運行過程中的殘差均值；εi表示風力發(fā)電機組設備運行狀態(tài)評估值；N表示風力發(fā)電機組設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)量；λ表示計算的偏離閾值；ki表示偏離系數(shù)。

在上述基礎上，計算對風力發(fā)電機組設備運行狀態(tài)的檢測閾值，其具體計算過程如下所示：

Sn=∑Ni=0aiyn－1－yn－1^212λ（7）

式中：Sn表示計算出的檢測閾值；ai表示對應的檢測參數(shù)；yn－1表示實際的檢測誤差；yn－1^表示預測的檢測誤差。

根據(jù)檢測閾值的大小，判斷當前風力發(fā)電機組設備的運行狀態(tài)。若檢測閾值的大小遠超標準值，則說明當前風力發(fā)電機組設備的運行狀態(tài)出現(xiàn)了異常，需要及時采取對應的措施，保證風力發(fā)電機組設備的正常運行，由此，實現(xiàn)對風力發(fā)電機組設備運行狀態(tài)的檢測。

2 實驗測試

為提高實驗結(jié)果的可信度，將本文設計的方法與以往的檢測方法進行對比。所設計的基于多特征融合的大型風力發(fā)電機組設備運行狀態(tài)檢測方法為方法1，基于決策樹算法的大型風力發(fā)電機組設備運行狀態(tài)檢測方法為方法2，基于可視化技術(shù)和機器學習的大型風力發(fā)電機組設備運行狀態(tài)檢測方法為方法3。為對比上述三種方法在實際應用中的效果，設計的實驗具體如下。

2.1 實驗準備

實驗中，以某大型風力發(fā)電場作為實驗場地，以該場地中的風力發(fā)電機組設備為實驗對象，利用相關設備構(gòu)建對應的實驗環(huán)境，實驗環(huán)境如圖2所示。

由圖2可知，在上述實驗環(huán)境中，利用多個傳感器和監(jiān)測器實時監(jiān)測風力發(fā)電機組設備的運行狀態(tài)，這些設備能夠準確采集設備在運行過程中的風速、振動、噪聲等多種參數(shù)的變化。再利用數(shù)據(jù)存儲器將采集到的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲起來，用于后續(xù)實驗測試。同時，數(shù)據(jù)存儲器還能對存儲的數(shù)據(jù)進行預處理，去除數(shù)據(jù)中的干擾，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量，保證實驗效果。在上述過程中，采集的大型風力發(fā)電機組設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)具體如圖3所示。

由圖3可以觀察到，風力發(fā)電機設備的風速和轉(zhuǎn)速基本保持不變，波動較小。由此可見，風力發(fā)電機設備的運行狀態(tài)較為穩(wěn)定。同時，從風力發(fā)電機設備的溫度變化來看，風力發(fā)電機設備所處的環(huán)境溫度會對設備本身的溫度變化造成一定影響。從上述采集的噪聲數(shù)據(jù)來看，其噪聲變化基本維持在同一范圍內(nèi)。對上述數(shù)據(jù)進行預處理，并將處理后的數(shù)據(jù)用于后續(xù)實驗測試。

2.2 實驗結(jié)果討論

為驗證上述3種方法在實際應用中的效果，以方法的ROC曲線為評價指標，對比3種方法的性能。ROC曲線的面積越大，方法的檢測效果越好。實驗中，利用3種方法分別對某風力發(fā)電場的多個風力發(fā)電機組設備的運行狀態(tài)進行檢測，統(tǒng)計其檢測結(jié)果。其具體檢測結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在上述檢測結(jié)果中可以看出，方法1的ROC曲線面積遠大于方法2和方法3。由此可見，方法1的檢測效果較好。

為進一步驗證上述3種方法在實際應用中的效果，以方法檢測閾值與實際值之間的擬合度為評價指標，對比3種方法的性能。其具體的統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

由表1的結(jié)果可知，方法1的擬合度高于方法2和方法3。由此可知，相對于方法2和方法3，方法1的檢測閾值和實際結(jié)果更為貼近，能夠更為真實地反映風力發(fā)電機組設備的運行狀態(tài)。

3 結(jié)語

綜上所述，基于多特征融合的大型風力發(fā)電機組設備運行狀態(tài)檢測方法是一種有效的手段，通過對風速、溫度、濕度、振動、噪聲和轉(zhuǎn)速等特征的融合和分析，具備精準檢測設備運行狀態(tài)的能力，能夠及時識別潛在故障和異常情況，為設備的維護和管理提供有力的支持。同時，該方法還具有實時性強、可解釋性好、魯棒性高等優(yōu)點，能夠滿足實際應用的需求。

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收稿日期：2023-11-29；修回日期：2024-02-25

作者簡介：鄧 森（1969-），男，碩士，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)通訊與電氣工程自動化研究；E-mail：913397092@qq.com。

基金項目：浙江省科技廳“尖兵”“領雁”研發(fā)攻關計劃項目（項目編號：2022C01SA371625）。

引文格式：

鄧 森，胡從星，梁太陽，等.

基于改進融合的大型風力發(fā)電機組運行狀態(tài)檢測研究［J］.粘接，2024，51（3）：169-172.