海上风电机组分布式控制系统故障诊断与定位分析

徐孝峰 刘劲尧 江丁勇

摘 要：文章主要分析了海上风电机组分布式的控制系统应用现状，并重点分析了对海上风电机组分布式中存在的问题以及相关的定位研究。它不仅可以设计出具体的通信故障的诊断以及定位的方案，还可以对分布式系统机组之间的通信链路进行简化，起到有效控制风机网络间拓扑的效果。研究和分析该装置，可以进一步对分布式风电机组所构成的风电场进行群落的划分。

关键词：海上风电机组；分布式控制系统故障诊断和分析；定位

0 引言

风能是一种可再生能源，并且以其清洁、无污染、储量丰富的优点已经成为如今解决能源危机以及环境污染问题的重要手段之一。当前，环境污染问题已经成为全世界共同关注的问题，并且受到全世界人们的重视。海上风力发电不需要占用陆地资源，并且还以其利用率高等优点受到人们的关注。目前，海上风电场远离陆地，并且环境恶劣，因此对于风电机组发生故障率的可能性较高，这样就会对发电的效益产生严重的影响。

1 分布式风电机群的群落划分分析

为了对分布式系统进行有效的故障诊断和定位分析，本文主要是采用集群以及局部优化的方式对拓扑控制算法进行具体的群落划分。CLTC算法主要是根据功率的大小以及节点间互发等特征来具体对通信的性能以及通信的链路进行选择。一般来说，CLTC算法会选择性能较强的并且通信链路较多的节点作为主节点，之后还要选择自身功率以及群内节点通信机制的能力从节点上进行控制，之后还需要通过主节点控制群的边界功率对群之间的边界节点进行自动的连接，以此来完成整个分布式风电机组的群落划分效果[1]。CLTC算法大致会划分成3个部分：风电机组节点分群、机群内无线拓扑控制以及机群间拓扑机构实现。（1）风电机组节点分群。其主要是利用风电机组网络终端节点的相互通信来具体得到相邻风机的终端数以及对应的终端节点度值。其中，节点度值主要是指该节点相关联边的条数。除此之外，还需要将分布式风机网络中的所有终端节点都加入各自的群落。（2）机群内无线拓扑控制。当确定主节点之后，还可以再一次进行风电场机群内的拓扑控制进行初始化。在各个主节点的网络广播消息到所有的从节点之后，还可以从节点向主节点进行信息的确认。当主节点统计自身以及相邻的从节点集，并且还可以形成一个以主节点到群首的簇，之后再将标记的信息送到从节点。对于主节点来说，主要是利用最小生成树的算法进行局部的拓扑优化[2]。之后还需要解决非均分簇带来的网络负载能耗均衡不平衡以及“热区”等现象，将所导致的影响网络寿命的问题进行解决。利用非均匀分簇路由算法对无线网络进行分簇优化后，还可以采用改进蚁群优化的算法具体搜索出无线网络簇间的多条路径，以此来进一步组建出无线网络路由非均匀分簇多目标优化问题的模型，以此来解决网络负载能耗均衡、不平衡以及出现的“热区”等问题。（3）机群间拓扑结构的实现。对于网络群间的拓扑规则还需要具体进行研究，并且还要通过一定的策略具体设置群成员的发送功率。为了进一步满足分布式节点故障诊断的需求，还需要在两个群落间的边界节点上和自己群落中的主节点进行联系。最终，还需要将网络中所有的机群按照一定的规则进行连接，以此来完成机群之间的拓扑结构，具体情况如下图 1所示。

2 海上风电机组分布式故障诊断定位

随着我国经济的发展以及社会的进步，风能、潮汐能、太阳能等清洁能源已经成为重点研究对象。其中，海上风电场的规模也在迅速扩大，相应的网络拓扑结构也变得更加复杂。下面本文将针对传统海上风电机群中通信故障诊断技术，并且只能在输出“怀疑”和“信任”两个数值的问题上采取心跳检测pull算法，以此对分布式故障机组进一步进行诊断和定位研究。首先，本文对心跳机制原理进行分析[3]。要分析心跳机制的具体步骤，人们要从某一个节点出发，定时向邻节点发送心跳。当邻节点收到心跳消息后，就需要在一定的时间内被动发送相应的应答消息，之后还需要提高邻节点返回来的心跳信息时间来具体确定节点的通信情况，并进行分析。其次，是对风电机群的分布式节点故障诊断进行分析，主要是根据分布式网络中主从节点特性的不同将主从节点的故障进行诊断，进行具体分析。之后还需要对主节点的故障进行诊断并进行具体的分析。当网络完成对节点的诊断之后，还需要进一步对通信故障的定位问题进行解决。由于在一个群落中仅仅只存在一个主节点，如果主节点出现故障，就需要从节点来连接周围从节点的主节点故障，之后进行定位。具体情况如图2所示。

3 仿真与实验分析

首先是对海上风电场CLCT算法的拓扑群落进行划分仿真。为了进一步对设计好的网络拓扑性能进行有效性的验证，还需要采取MATLAB仿真，并且在边长1 400 m的正方形区域内进行随机一百个节点的部署，以此来进行仿真和模拟。除此之外，通信的半径都是150 m，在节点初始的能量是0.5 J，节点的收、發电路能耗也需要进行控制，发射的放大器能耗也需要进行控制[4]。无拓扑控制算法的风电机组通信节点还需要将坐标原点划分为汇聚节点，并且将所有的节点都最大化发送。而网络还会因为链路数量相互重叠的原因而导致网络负载较大，这就会对其连通情况产生影响。如果使用CLTC算法对风电机组通信拓扑进行调整，就需要对功率进行控制，并且这也会为风电机组的故障诊断以及定位提供一定的可靠性区间。心跳检测算法的优越性在进行进一步测试时，还需要将和传统的通信故障检测算法进行比较。之后还需要考虑不同的情况，主要是面对故障节点率的增加，相应的网络拓扑节点诊断的正确率就会呈现下降的趋势。由于传统的通信故障检测算法在阶段故障率是30%左右时，相应的诊断精确度下降的幅度也会较大，主要是由于输出“怀疑”和“信任”的二值性，而且在使用过程中会产生过度依赖邻居节点的情况。基于上述情况，人员就需要对分布式心跳机制检测算法的节点故障进行仔细的诊断，以此来进一步将诊断的变化趋向于平稳，在这种情况下得到的诊断精准度也会进一步提高。自然界中存在多种类型的能源，分类的方式也多种多样，需要人们仔细研究才能促进能源的合理开发和利用。

4 結语

综上所述，根据当前海上风电机组分布式控制系统以及机组故障诊断和定位难等问题，人们可以通过基于群落划分以及心跳检测等算法的分布式故障诊断以及定位的策略来具体进行研究，之后还可以通过实验以及仿真对方案的可行性和适用性进行分析。相较于传统的通信检测算法，这个方案可以将风电场进行群落划分，并且还要在不通过基站的情况下对邻节点的心跳发射以及心跳返回的情况进行诊断和定位，该方式简捷有效，并且在处理方面还具有一定的创新性和优越性。

[参考文献]

[1]王绍平，王冰，曹智杰，等.海上风电机组分布式控制系统故障诊断与定位研究[J].可再生能源，2020（10）：1343-1348.

[2]陈瑞志.无线网络非均匀分簇路由算法改进研究与仿真[J].计算机仿真，2017（4）：288-291.

[3]曾鸣，阿斯卡尔，何科雷，等.考虑配电可靠性的分布式电源投资策略研究[J].电力建设，2016（3）：52-57.（编辑 王永超）

Fault diagnosis and location analysis of offshore wind turbine distributed control system

Xu Xiaofeng， Liu Jinyao， Jiang Dingyong

（Huadian Fujian Wind Power Co.， Ltd.， Fuzhou 350000， China）

Abstract：This paper mainly analyzes the application status of distributed control system of offshore wind turbine， and focuses on the problems existing in the distributed control system of offshore wind turbine and the related positioning research. It can not only design the specific communication fault diagnosis and positioning scheme， but also simplify the communication link between the distributed system units. It can effectively control the topology of wind turbine network. Through the research and analysis of the device， the wind farm community composed of distributed wind turbines can be further divided.

Key words：offshore wind turbine； fault diagnosis and analysis of distributed control system； location