专利名称：一种基于相空间重构的dfig运行状态混沌预测系统及方法
技术领域：
本发明属于风电系统预测技术领域，特别是一种基于相空间重构的DFIG (英文全拼——双馈感应发电机)运行状态混沌预测系统及方法。
(ニ)
背景技术：
随着接入电网的风カ发电机组(主要是双馈感应发电机组)容量的不断増加，由于风电机组的运行条件恶劣，如外界温差变化大，风速变化随机等。这些不确定的外界因素导致风电机组的故障率高，使风电场后期运行维护成本居高不下，且风カ发电本身所特有的间歇性和随机性大幅度地増加了与其互联电网的不稳定性。作为ー个复杂的耦合非线性系统，双馈感应发电机组的安全可靠运行直接影响与其互联电网的稳定负荷合理分配及电网供电质量。因此，提高双馈感应发电机组的运行可靠性，对保障电网的安全优质运行和提高系统经济性具有重大作用。为实现双馈感应发电机组的安全稳定运行及时判断机组部件的 性能状况和发展趋势提高其运行效率，本发明采用多种方法和手段对机组的重要部件(齿轮箱、发电机等)进行在线监测和分析，在分析双馈感应发电机组运行状态具有混沌属性的基础上，利用相空间重构方法建立了机组运行状态的加权ー阶局域预测模型，对其运行状态进行预测，以便提前发现故障征兆，避免和减轻严重的设备损坏，确定合理的维护时间和方案，从而达到大幅降低维护成本的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于相空间重构的DFIG运行状态混沌预测系统及方法，它可以克服现有技术的不足，是ー种可以恢复混沌吸引子的结构简单、可对系统运行趋势进行预测的系统及方法。本发明的技术方案一种基于相空间重构的DFIG运行状态混沌预测系统，其特征在于它包括风电机组、测试仪和带混沌预测程序的上位机；其中，所述测试仪采集风电机组的信号，与带混沌预测程序的上位机呈双向连接。所述测试仪是由信号采集与调理电路单元、A/D转换电路单元、单片机、USB接ロ电路单元、数据存储电路单元和定时电路单元构成；其中，所述信号采集与调理电路单元单元采集风电机组的信号，其输出端连接A/D转换电路单元的输入端；所述单片机与A/D转换电路単元、USB接ロ电路单元、数据存储电路单元和定是电路单元分别呈双向连接；所述USB接ロ电路单元与带混沌预测程序的上位机呈双向连接。所述采集风电机组的信号是采集风カ发电机组齿轮箱驱动侧轴承温度信号、风カ发电机绕组最大温度信号、风カ发电机转子平均转速信号和风カ发电机有功功率參数信号。所述信号采集与调理电路单元由传感器、数据采集卡、电阻Rs、滤波电路、电压跟随器、调理电路和稳压管构成；其连接为常规连接；其中所述传感器采用隔离模板，将输入信号全部转换为5V的标准电压信号；所述数据采集卡为研华公司的PCI-1711 12位多功能数据采集卡，具有16路单端模拟量输入，8个数据信号通道，带有ー个自动通道/增益扫描电路，采样时自动控制多路选通开关，其连接为常规连接。所述A/D转换电路单元由转换芯片和外围电路构成；其中所述转换芯片是采用CMOSエ艺、是片内有三态数据输出锁存器，输入方式为单通道，转换时间为100 μ S，电源电压为+5V的逐次逼近型8位转换芯片ADC0804 ;所述转换芯片ADC0804包含管脚DB0、管脚DB I、管脚DB2、管脚DB3、管脚DB4、管脚DB5、管脚DB6、管脚DB7、管脚/WR、管脚/RD、管脚/CS、管脚VIN(+)、管脚VIN(-)、管脚C LK-IN、管脚CLK-R和管脚Vref/2，且依管脚DB0、管脚DBl、管脚DB2、管脚DB3、管脚DB4、管脚DB5、管脚DB6、管脚DB7、管脚/WR、管脚/RD、管脚/CS与单片机芯片呈等待延时方式连接；所述外围电路是由电容C28、电阻R32、两个电阻R33、电容C29、电源VCC组成；所述管脚VIN (+)经电容C28和一个电阻R33接收信号调理电路处理后的信号，电容C28和该电阻R33连接点与管脚VIN(-)连接共同接地，采取差动电压模拟输入方式；所述管脚CLK-R经另ー电阻R33和电容C29接地，管脚CLK-IN连接该
电阻R33和电容C29的连接点；所述管脚Vref/2经电阻R32接电源VCC。所述单片机采用飞思卡尔的单片机MC9S12DP256。所述数据存储电路单元采用Dallas公司的DS1225芯片。所述USB接ロ电路单元采用南京沁恒电子的CH372芯片。所述定时电路单元采用带有看门狗的PIC16F716器件。ー种用于风电系统的混沌预测系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤⑴由定时电路单元设置采集间隔定时时间，由信号采集与调理电路单元来实时采集风电机组齿轮箱驱动侧轴承温度、发电机绕组最大温度，转子平均转速和发电机有功功率信号；⑵步骤⑴中采集的信号经过信号采集与调理电路单元和A/D转换电路单元进行滤波、自校准处理，并通过单片机将机组齿轮箱驱动侧轴承温度、发电机绕组最大温度，转子平均转速和发电机有功功率參数输入到数据存储电路单元中；⑶通过USB接ロ电路将步骤⑵处理后的风电机组齿轮箱驱动侧轴承温度、发电机绕组最大温度，转子平均转速和发电机有功功率数据传输到装有实现混沌预测程序的上位机中；⑷应用上位机中的混沌预测方法进行參数计算和处理。所述步骤⑷中的混沌预测方法是采用基于相空间重构的方法检测混沌，由以下步骤构成①用C-C法确定嵌入维数与时间延迟风电机组运行时，对于某一状态參数时间序列X= {xj, i=l, 2，···，N,若嵌入维数为m,时间延迟为τ，则重构相空间为X=^iKXi为m维相空间中的相点Xi=Iixi, χ +τ，…，Xhdi-D τ]Τ, i=l, 2，...，M(I)则嵌入时间序列的关联积分为
权利要求
1.一种基于相空间重构的DFIG运行状态混沌预测系统，其特征在于它包括风电机组、测试仪和带混沌预测程序的上位机；其中，所述测试仪采集风电机组的信号，与带混沌预测程序的上位机呈双向连接。
2.根据权利要求I所述一种基于相空间重构的DFIG运行状态混沌预测系统，其特征在于所述测试仪是由信号采集与调理电路单元、A/D转换电路单元、单片机、USB接口电路单元、数据存储电路单元和定时电路单元构成；其中，所述信号采集与调理单元采集风电机组的信号，其输出端连接A/D转换电路单元的输入端；所述单片机与A/D转换电路单元、USB接口电路单元、数据存储电路单元和定是电路单元分别呈双向连接；所述USB接口电路单元与带混沌预测程序的上位机呈双向连接。
3.根据权利要求I所述一种基于相空间重构的DFIG运行状态混沌预测系统，其特征在于所述采集风电机组的信号是采集风力发电机组齿轮箱驱动侧轴承温度信号、风力发电机绕组最大温度信号、风力发电机转子平均转速信号和风力发电机有功功率参数信号。
4.根据权利要求2所述一种基于相空间重构的DFIG运行状态混沌预测系统，其特征在于所述A/D转换电路单元由转换芯片和外围电路构成；其中所述转换芯片是采用CMOS工艺、是片内有三态数据输出锁存器，输入方式为单通道，转换时间为IOOy S，电源电压为+5V的逐次逼近型8位转换芯片ADC0804 ;所述转换芯片ADC0804包含管脚DB0、管脚DBl、管脚DB2、管脚DB3、管脚DB4、管脚DB5、管脚DB6、管脚DB7、管脚/WR、管脚/RD、管脚/CS、管脚VIN (+)、管脚VIN (-)、管脚C LK-IN、管脚CLK-R和管脚Vref/2，且依管脚DBO、管脚DB I、管脚DB2、管脚DB3、管脚DB4、管脚DB5、管脚DB6、管脚DB7、管脚/WR、管脚/RD、管脚/CS与单片机芯片呈等待延时方式连接；所述外围电路是由电容C28、电阻R32、两个电阻R33、电容C29、电源VCC组成；所述管脚VIN(+)经电容C28和一个电阻R33接收信号调理电路处理后的信号，电容C28和该电阻R33连接点与管脚VIN(-)连接共同接地，采取差动电压模拟输入方式；所述管脚CLK-R经另一电阻R33和电容C29接地，管脚CLK-IN连接该电阻R33和电容C29的连接点；所述管脚Vref/2经电阻R32接电源VCC。
5.根据权利要求2所述一种基于相空间重构的DFIG运行状态混沌预测系统，其特征在于所述单片机采用飞思卡尔的单片机MC9S12DP256。
6.根据权利要求2所述一种基于相空间重构的DFIG运行状态混沌预测系统，其特征在于所述数据存储电路单元采用Dallas公司的DS1225芯片。
7.根据权利要求2所述一种基于相空间重构的DFIG运行状态混沌预测系统，其特征在于 所述USB接口电路单元采用南京沁恒电子的CH372芯片。
8.根据权利要求2所述一种基于相空间重构的DFIG运行状态混沌预测系统，其特征在于所述定时电路单元采用带有看门狗的PIC16F716器件。
9.一种用于风电系统的混沌预测系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤所 ⑴由定时电路单元设置采集间隔定时时间，由信号采集与调理电路单元来实时采集风电机组齿轮箱驱动侧轴承温度、发电机绕组最大温度，转子平均转速和发电机有功功率信号; ⑵步骤⑴中采集的信号经过信号采集与调理电路单元和A/D转换电路单元进行滤波、自校准处理，并通过单片机将机组齿轮箱驱动侧轴承温度、发电机绕组最大温度，转子平均转速和发电机有功功率参数输入到数据存储电路单元中；⑶通过USB接口电路将步骤⑵处理后的风电机组齿轮箱驱动侧轴承温度、发电机绕组最大温度，转子平均转速和发电机有功功率数据传输到装有实现混沌预测程序的上位机中； ⑷应用上位机中的混沌预测方法进行参数计算和处理。
10.根据权利要求9所述一种用于风电系统的混沌预测系统的工作方法，其特征在于所述步骤⑷中的混沌预测方法是采用基于相空间重构的方法检测混沌，由以下步骤构成 ①用C-C法确定嵌入维数与时间延迟风电机组运行时，对于某一状态参数时间序列X= {xj, i=l, 2，…，N,若嵌入维数为m,时间延迟为T，则重构相空间为X=IXiKXi为m维相空间中的相点 则嵌入时间序列的关联积分为其中 M=N-(m-1) T，(Iij=I Xi-Xj I 为00范数；0 为 Heaviside 函数,其表达式为 关联积分为累积分布函数，表示相空间中任意两点之间距离小于r的概率。另外定义X= {xj的检验统计量 S(m, N, r, T )反映了时间序列的自相关特性，最优时间延迟取S(m，N，r, x )第I个零点，此时重构相空间中的点最接近均匀分布，重构吸引子轨道在相空间完全展开； ②利用最大Lyapunov指数识别DFIG混沛特性由步骤①计算出的时间延迟t和嵌入维数m，应用小数据量法计算出风电机组齿轮箱驱动侧轴承温度、发电机绕组最大温度、转子平均转速和发电机有功功率四个状态参数时间序列的最大Lyapunov指数，若的四个最大Lyapunov指数均大于0,则说明存在DFIG混沛特性,并进行下一步预测； ③利用加权一阶局域法对DFIG进行预测 将步骤①中求得的延迟时间T和维数m进行相空间重构，应用加权一阶局域法对风力发电机组的风电机组齿轮箱驱动侧轴承温度、发电机绕组最大温度、转子平均转速和发电机有功功率四个状态参数时间序列分别进行预测； 设中心点(即预测的起始点)Xk的邻近点为Xki，两点距离为Cli，设dm是Cli中的最小值，点Xki的权值为一般取1=1，则加权I阶局域线性拟合为Xki+1=ae+bXki，e=[l，1，…，1]T。根据加权最小二乘法求解
全文摘要
一种基于相空间重构的DFIG运行状态混沌预测系统，其特征在于它包括风电机组、测试仪和带混沌预测程序的上位机；其工作方法包括信号采集、滤波、校准、参数计算处理、混沌预测、风机状态预测；其优越性在于①硬件装置简单、实用；②掉电后数据自动保护，混沌实时检测不间断，可靠性高；③高测量精度；④系统的实时性可靠性高，能满足风电机组状态监测、过渡过程研究、故障诊断及预测等方面的要求, 具有较高的实用价值。
文档编号G01R31/34GK102854465SQ20121031666
公开日2013年1月2日 申请日期2012年8月31日 优先权日2012年8月31日
发明者周雪松, 李苏扬, 马幼捷 申请人:天津理工大学