一种考虑湍流的风电机组功率异常的检测方法与流程

本发明涉及风电机组功率检测领域，特别涉及一种考虑湍流的风电机组功率异常的检测方法。

背景技术：

影响机组输出功率的因素众多，包括风速稳定性、风速仪故障、叶片污染或结冰、传动轴故障、机组共振、设备腐蚀、变桨系统故障。高精度掌握风电机组实际出力效率，有利于提升风电功率预测精度，有利于及时了解风电机组运行状态和健康状态。

很多研究认为，在机组健康的情况下，湍流是风电机组输出功率偏离理论值的重要原因。即便平均风速相同，湍流强度不同，机组的输出功率也将不同，风电场实际运行经验表明，湍流原因导致的机组输出功率波动可达平均风速对应的理论功率的20%。

现阶段风电机组功率异常的判断，通常是通过机组实际输出功率与机组生产厂家提供的功率曲线对比来进行。而厂家提供的功率曲线，往往并不精细给出平均风速，湍流强度与输出功率的对应关系，其精度有限。因而，根据这种功率曲线来检出机组功率异常，也存在精度问题。

另外一方面，实际工程上，现有机组功率异常的判断，侧重考察机组实测功率与机组生产厂家功率曲线的偏离程度，而对偏离概率考虑不多，不够严谨。例如，机组偏航，电网电压短暂波动均可导致风电机组出力短暂较大幅度偏离厂家给定的功率曲线，但，较长时间范围上考察，其偏离概率并不高。因而，现有方法存在不够严谨的缺陷，容易导致对机组输出功率是否能维持正常的误判。

由此可见，当前风电机组输出功率异常检测方法上，存在精度不足，容易误判的问题，亟待改进。如果创设一种针对运行于风速不够平稳的风电机组，高精度、低误判率识别机组输出功率异常的方法，是当前需要重点解决的问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明给出的技术方案是：一种考虑湍流的风电机组功率异常的检测方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：确定待检测的机组，确定待检测的机组的scada系统正常运行，确定待检测机组的型号；

步骤2：提取与待检测机组同型号的机组在正常运行期间的风速、机组输出功率、空气密度数据，消除空气密度波动对机组输出功率的影响，并以湍流强度为索引对提取的数据进行分块；

步骤3：构建与待检测机组同型号机组在正常工作时风的湍流强度-风速平均值-风电机组输出功率当量关系表；

步骤4：根据待检测机组的测量风速，用分片插值方法计算待检测机组的正常输出功率当量；

步骤5：连续统计待检测机组实际输出功率当量相对于正常功率当量的漂移量和漂移程度，基于该统计结果判定待检测机组输出功率是否异常。

上述考虑湍流的风电机组功率异常的检测方法，所述步骤2具体包括以下步骤：

步骤2-1：从待检测机组所在风电场或其他风电场的scada系统中提取与待检测机组同型号的机组的下列监控数据：在机组正常运行期间以1秒为间隔的机组风速、机组输出功率、空气密度数据，这些数据累计覆盖的时间不少于3000小时；

步骤2-2：消除空气密度波动对机组输出功率的影响，具体做法是：将样本数据中的机组输出功率除以对应时刻的空气密度，得到各时刻上机组输出功率当量；

步骤2-3：以湍流强度为索引对提取的数据进行分块，具体包括以下步骤：

步骤2-3-1：将样本数据覆盖的时间进行等间隔分段，每个时间段的长度为t，计算每个时间段上风的湍流强度和风速平均值，计算每个时间段上机组输出功率当量的平均值，相同时间段上的计算结果组合成数据结构为（风的湍流强度，风速平均值，风电机组输出功率当量的平均值）的数据点，t的取可根据需要调节，t默认值取为2分钟，本专利中湍流强度的计算方法是所考察的时间段内风速的标准差除以该时间段内风速平均值；

步骤2-3-2：令为湍流强度标记间隔，i为非负整数，把风的湍流强度属于区间的所有(风的湍流强度，风速平均值，风电机组输出功率当量的平均值)数据点划分到数据块i，并把数据块i中风的湍流强度全部改写为，得到数据块i的数据点为（，风速平均值，风电机组输出功率当量的平均值），其中为正数，可根据需要调节，默认值取0.01。

上述考虑湍流的风电机组功率异常的检测方法，所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3-1：对权利要求1步骤2处理后得到的所有数据块，执行如下操作：令为风速平均值标记间隔，j为非负整数，对数据块i，如果风速平均值属于区间，则把风速平均值改写为，那么数据块i中，风速平均值为的数据点为(,,风电机组输出功率当量的平均值)，其中为正数，值可根据需要调节，默认值取0.2m/s；

步骤3-2：在步骤3-1处理后所有(,,风电机组输出功率当量的平均值)数据点中找出相同且相同的数据点，计算这些数据点中第三项的平均值，也就是计算风电机组输出功率当量的平均值的平均值，并形成数据点(,,)；

步骤3-3：将各个(,,)数据点之间的关系构造为风的湍流强度-风速平均值-风电机组输出功率当量关系表，具体做法是：构建一个数据表，数据表的第一列为湍流强度，按i从小到大填写各值，表的第一行为平均风速，按j从小到大填写各值，对应的行和对应的列的交叉位置填写值；

上述考虑湍流的风电机组功率异常的检测方法，所述步骤4具体包括以下步骤：

步骤4-1：取待检测机组t时长的以1秒为间隔的机组风速、机组输出功率、空气密度数据，将取得的待检测机组输出功率除以对应时刻的空气密度后求平均值，得到t时长上待检测机组实测输出功率当量，继而，基于取得的待检测机组风速，计算待检测机组t时长上风的湍流强度x，风速平均值y；

步骤4-2：采用分片插值法，计算待检测机组在风的湍流强度为x且风速平均值为y时对应的机组正常输出功率当量，具体包括以下步骤：

步骤4-2-1：以风的湍流强度为横坐标，风速平均值为纵坐标建立一个直角坐标系，将x与y映射成点，将风的湍流强度-风速平均值-风电机组输出功率当量关系表中的风的湍流强度和风速平均值映射到直角坐标系中，对应的行对应的列的交叉位置映射成该直角坐标系中的点，在该直角坐标系中找到与最邻近的四个点，，，，并分别查出这四个点在风的湍流强度-风速平均值-风电机组输出功率当量关系表中对应的功率值当量、、、；

步骤4-2-2：根据与的位置关系，采用分片插值法确定，即：

如果，也就是处于点连线的上部或者连线上，则

如果，也就是处于点连线的下部，则

上述考虑湍流的风电机组功率异常的检测方法，所述步骤5具体包括以下步骤：

步骤5-1：基于待检测机组实测输出功率当量与计算得到的待检测机组正常输出功率当量，计算待检测机组功率漂移量：

步骤5-2：设定待测机组功率漂移阈值，如果，则判定待检测机组输出功率漂移超标，并保存一条待检测机组输出功率漂移超标记录，其中的取值范围为[3%,15%]，可根据具体情况进行调节，默认值取5%；

步骤5-3：连续k次判断待检测机组输出功率漂移是否超标，如果满足下列两个统计条件之一，则判定待检测机组输出功率异常，否则判定待检测机组功率正常：

条件1：连续k次检测中，待检测机组输出功率漂移超标有不连续的mk次，其中m是统计阈值控制因子，m值可根据需要设定，m的取值范围是[0.6,1]；

条件2：连续k次检测中，待检测机组输出功率漂移超标有连续的nk次，其中n是统计阈值控制因子，n值可根据需要设定，n的取值范围是[0.4,0.6]；

其中k值可根据需要调节，但k值不小于10，k的默认值取20。

本发明的技术效果在于：

1.综合考虑湍流强度、平均风速对机组输出功率的影响，检出功率异常的精度高。

2.机组输出功率异常判定方法上，综合了机组输出功率漂移大小和漂移频率统计值，能有效避免随机因素对机组输出功率的影响，降低误判率。

3.机组正常工作时风的湍流强度、风速平均值、机组输出功率关系建模中，只要求用与待检测机组同型号机组的数据，样本数据容易采集，工程可用性强。

4.基于待检测机组的在scada系统的数据进行功率异常检测，方法可纯软件实现，不需要额外部署硬件设施，成本低，工程难度低。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是分片插值示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。

步骤1：确定待检测的机组，确定待检测的机组的scada系统正常运行，确定待检测机组的型号。

步骤2：提取与待检测机组同型号的机组在正常运行期间的风速、机组输出功率、空气密度数据，消除空气密度波动对机组输出功率的影响，并以湍流强度为索引对提取的数据进行分块，具体步骤如下：

步骤2-1：从待检测机组所在风电场或其他风电场的scada系统中提取与待检测机组同型号的机组的下列监控数据：在机组正常运行期间以1秒为间隔的机组风速、机组输出功率、空气密度数据，这些数据累计覆盖的时间不少于3000小时；

步骤2-2：实现步骤2中所述的消除空气密度波动对机组输出功率的影响，具体方法如下：将样本数据中的机组输出功率除以对应时刻的空气密度，得到各时刻上机组输出功率当量；

步骤2-3：实现步骤2中所述的以湍流强度为索引对提取的数据进行分块，具体实现方法包括以下步骤：

步骤2-3-1：将样本数据覆盖的时间进行等间隔分段，每个时间段的长度为t，计算每个时间段上风的湍流强度和风速平均值，计算每个时间段上机组输出功率当量的平均值，相同时间段上的计算结果组合成数据结构为（风的湍流强度，风速平均值，风电机组输出功率当量的平均值）的数据点，t的取可根据需要调节，t默认值取为2分钟，本专利中湍流强度的计算方法是所考察的时间段内风速的标准差除以该时间段内风速平均值；

步骤2-3-2：令为湍流强度标记间隔，i为非负整数，把风的湍流强度属于区间的所有(风的湍流强度，风速平均值，风电机组输出功率当量的平均值)数据点划分到数据块i，并把数据块i中风的湍流强度全部改写为，得到数据块i的数据点为（，风速平均值，风电机组输出功率当量的平均值），其中为正数，可根据需要调节，默认值取0.01；

步骤3：构建与待检测机组同型号机组在正常工作时风的湍流强度-风速平均值-风电机组输出功率当量关系表，具体步骤如下：

步骤3-1：对权利要求1步骤2处理后得到的所有数据块，执行如下操作：令为风速平均值标记间隔，j为非负整数，对数据块i，如果风速平均值属于区间，则把风速平均值改写为，那么数据块i中，风速平均值为的数据点为(,,风电机组输出功率当量的平均值)，其中为正数，值可根据需要调节，默认值取0.2m/s；

步骤3-2：在步骤3-1处理后所有(,,风电机组输出功率当量的平均值)数据点中找出相同且相同的数据点，计算这些数据点中第三项的平均值，也就是计算风电机组输出功率当量的平均值的平均值，并形成数据点(,,)；

步骤3-3：将各个(,,)数据点之间的关系构造为风的湍流强度-风速平均值-风电机组输出功率当量关系表，具体做法是：构建一个数据表，数据表的第一列为湍流强度，按i从小到大填写各值，表的第一行为平均风速，按j从小到大填写各值，对应的行和对应的列的交叉位置填写值；

步骤4：根据待检测机组的测量风速，用分片插值方法计算待检测机组的正常输出功率当量，包括以下步骤：

步骤4-1：取待检测机组t时长的以1秒为间隔的机组风速、机组输出功率、空气密度数据，将取得的待检测机组输出功率除以对应时刻的空气密度后求平均值，得到t时长上待检测机组实测输出功率当量，继而，基于取得的待检测机组风速，计算待检测机组t时长上风的湍流强度x，风速平均值y；

步骤4-2：采用分片插值法，计算待检测机组在风的湍流强度为x且风速平均值为y时对应的机组正常输出功率当量，具体包括以下步骤：

步骤4-2-1：以风的湍流强度为横坐标，风速平均值为纵坐标建立一个直角坐标系，将x与y映射成点，将风的湍流强度-风速平均值-风电机组输出功率当量关系表中的风的湍流强度和风速平均值映射到直角坐标系中，对应的行对应的列的交叉位置映射成该直角坐标系中的点，在该直角坐标系中找到与最邻近的四个点，，，，并分别查出这四个点在风的湍流强度-风速平均值-风电机组输出功率当量关系表中对应的功率当量值、、、；

步骤4-2-2：根据与的位置关系，采用分片插值法确定，即：

如果，也就是处于点连线的上部或者连线上，则

如果，也就是（x,y）处于点连线的下部，则

步骤5：连续统计待检测机组实际输出功率相对于正常功率的漂移量和漂移程度，基于该统计结果判定待检测机组输出功率是否异常，包括以下步骤：

步骤5-1：基于待检测机组实测输出功率当量与计算得到的待检测机组正常输出功率当量，计算待检测机组功率漂移量：

步骤5-2：设定待测机组功率漂移阈值，如果，则判定待检测机组输出功率漂移超标，并保存一条待检测机组输出功率漂移超标记录，其中的取值范围为[3%,15%]，可根据具体情况进行调节，默认值取5%；

步骤5-3：连续k次判断待检测机组输出功率漂移是否超标，如果满足下列两个统计条件之一，则判定待检测机组输出功率异常，否则判定待检测机组功率正常：

条件1：连续k次检测中，待检测机组输出功率漂移超标有不连续的mk次，其中m是统计阈值控制因子，m值可根据需要设定，m的取值范围是[0.6,1]；

条件2：连续k次检测中，待检测机组输出功率漂移超标有连续的nk次，其中n是统计阈值控制因子，n值可根据需要设定，n的取值范围是[0.4,0.6]；

其中k值可根据需要调节，但k值不小于10，k的默认值取20。