CN102435437A - 一种用于风电系统的混沌实时检测系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于风电系统的混沌实时检测系统,它包括测试仪和装有实现混沌检测方法的程序的上位机;其中,所述测试仪由信号采集与调理电路、A/D转换电路、单片机、数据存储电路、定时电路以及USB接口电路构成;其工作方法包括采集信号、信号调理、数据存储、混沌检测和求取关联维数和嵌入延迟时间,优越性在于:1、实时跟踪可避免混沌振荡;2、硬件装置设计简单;3、掉电后数据自动保护,混沌实时检测不间断,可靠性高;4、系统的实时性可靠性高。
Description
(一)技术领域:
本发明属于风电系统稳定性技术领域,特别是一种用于风电系统的混沌实时检测系统及其工作方法。
(二)背景技术:
近年来,随着风电系统规模逐渐扩大并趋于并网运行以及现代电力电子设备的介入,其动态特性变得越来越复杂,系统中经常出现一些非线性奇异现象,而混沌现象是非线性系统中各参数相互作用导致的一种非常复杂的现象,它的出现将伴随系统非周期的、似乎是无规则的、突发性的或阵发性的机电振荡,严重时会导致系统大面积的解体和大面积的停电,而由于风电系统是一个典型的大规模复杂非线性系统,在一定条件下也会发生混沌现象,混沌将影响风电系统的稳定运行,因此为了确保风电系统的安全性,必须寻找能够检测非线性问题的新方法以避免事故的发生。
对于实际运行的风电系统,我们往往很难得到系统的精确模型,再加上在运行过程中还会受到各种干扰的影响,模型中的参数也会发生变化,所以,基于连续系统模型的混沌判据在检测和判别风电系统混沌现象时,就无法使用。因此,通过系统的时间序列来分析和判断系统的混沌行为是有实际意义的。
(三)发明内容:
本发明的目的在于提供一种用于风电系统的混沌实时检测系统及其工作方法,它采用高性能的信号处理器和有效的检测技术以获得高精度的检测效果,大大的提高了风电系统混沌检测的实时性和快速性,为进一步进行混沌的分析和控制打下了基础。
本发明的技术方案:一种用于风电系统的混沌实时检测系统,包括可测出风速、风轮转速、电机转速、输出功率、功率因数、发电频率信号的风电场,其特征在于它包括测试仪和装有实现混沌检测方法的程序的上位机;其中,所述测试仪由信号采集与调理电路、A/D转换电路、单片机、数据存储电路、定时电路以及USB接口电路构成;所述单片机与A/D转换电路、数据存储电路、定时电路以及USB接口电路呈双向连接;所述A/D转换电路的输入端接收信号采集与调理电路的输出信号;所述信号采集与调理电路的输入端接收风电场的风速、风轮转速、电机转速、输出功率、功率因数、发电频率信号;所述USB接口电路与上位机呈双向连接。
所述信号采集与调理电路由传感器、电阻Rs、滤波电路、电压跟随器、调理电路、稳压管构成;所述传感器采用特制隔离模板。传感器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-171112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,带有一个自动通道/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100μs,电源电压为+5V的逐次逼近型8位转换芯片ADC0804;所述ADC0804包含管脚DB0、管脚DB1、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DB1、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。
所述单片机采用ATMEL公司的单片机AT89S52,它包括40个引脚、8K Bytes Flash片内程序存储器、256bytes的随机存取数据存储器、32个外部双向输入/输出口、5个中断优先级、2层中断嵌套中断、看门狗(WDT)电路和片内时钟振荡器。
所述USB接口电路采用南京沁恒电子的CH372芯片,它是由可作为被动并行接口的8位双向数据总线D7~D0、读选通输入引脚RD#、写选通输入引脚WR#、片选输入引脚CS#、中断输出引脚INT#以及地址输入引脚A0构成;所述8位双向数据总线D7~D0、读选通输入引脚RD#、写选通输入引脚WR#、片选输入引脚CS#、中断输出引脚INT#以及地址输入引脚A0与单片机连接。
所述定时电路采用带有看门狗的PIC16F716器件。
一种用于风电系统的混沌实时检测系统的工作方法,其特征在于它是由以下步骤所构成:
(1)由定时电路设置采集间隔定时时间,由信号采集与调理电路来实时采集风电系统风速、风轮转速、电机转速、输出功率、功率因数、发电频率参数信号;
(2)经过信号采集与调理电路和A/D转换电路进行滤波、自校准处理,并通过单片机将风电系统实时风速、风轮转速、电机转速、输出功率、功率因数、发电频率参数输入到数据存储电路;
(3)通过USB接口电路将处理后的风电系统实时风速、风轮转速、电机转速、输出功率、功率因数、发电频率参数数据传输到装有实现混沌检测方法程序的上位机中;
(4)应用上位机中的混沌检测方法进行参数计算和处理,进而识别系统的运行状态是否为混沌。
所述步骤(4)中的混沌检测方法是采用基于相空间重构的方法检测混沌,包括关联维数和嵌入延迟时间的求取。
所述关联维求取采用G-P算法,包括以下步骤:
①选一个较小的嵌入维m(m≥2),在此条件下进行相空间重构,利用关联函数C(r)求出logr和log C(r)值,取logr-logC(r)关系曲线中近似直线部分的斜率,作为该条件下的关联维估计值D;
②不断增加嵌入维m的值,重复①过程,得到log r-log C(r)的关系曲线图和估计出对应关联维估计值D;
③继续②过程,直到D达到饱和,使D为风电系统风速(即:风轮转速、电机转速、输出功率、功率因数、发电频率)数据时间序列的关联维数;根据自相关函数求出嵌入时间延迟τ,再根据公式m≥2D+1确定嵌入维m,把风电系统风速(风轮转速、电机转速、输出功率、功率因数、发电频率)参数变量的N(N=4000)个时间序列数据,拓成相空间;
④在重构的相空间中共有tn-(m-1)τ个相点,把各个相点按顺序连起来,就得到了能反应风电系统的演化过程和动态特性的重构向空间的相图,可以检测混沌现象;
⑤求风电系统风速参数时间序列的最大李亚普诺夫指数,若该指数大于0,则可作为风电系统混沌运行状态的定量判据,证明其处于混沌运行状态。
本发明的工作原理:系统的任意状态变量的演化,都包含着其它变量的信息,因而可以从一个变量的测量数据中,分析、发现全部状态变量的信息,从而获得整个系统的运行状态信息。通过测得风电系统任意状态变量的时间序列来重构系统的状态相空间,在此基础上,通过定性观察重构相空间中的吸引子的几何结构特点,或计算系统的特征值,来对系统的混沌运行状态进行判断和检测。
信号采集与调理电路主要完成强弱电隔离、电平转换和信号放大及滤波等功能,以满足单片机控制系统对各路信号电平范围和信号质量的要求。霍尔传感器输出的电流信号经过电阻Rs后变成电压信号,信号在滤波后接一个电压跟随器主要起隔离的作用,消除对采样电路造成的影响和增强驱动能力的作用。调理电路中加法电路的主要作用,是把传感器发送来的双极性信号转换为F2812可以处理的O~3V单极性信号。稳压管起限幅作用,使该电路的输出最高不超过3V,最小不小于-0.7V,确保单片机芯片在输入信号超出范围时免受损坏。交流采样前端电路将采集的电压、电流信号处理后送入中央数据处理电路中的A/D模块输入端;频率方波变换电路将电压信号变换为方波信号输入到中央数据处理电路中的捕捉模块输入端。
A/D转换电路是为将传感器输出的连续变化的模拟量转,本系统选用的是逐次逼近型ADC0804转换器,采用CMOS工艺、逐次逼近法的八位A/D转换芯片,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100μs,电源电压为+5V。ADC0804与芯片的连接采用等待延时方式,由于ADC0804转换器内部数据输出功能,故A/D转换器的数据输出线可以直接和CPU的数据总线相连。参考电压+1.25V,由外电路供给,从Vref/2端直接送入。ADC0804有片内时钟电路,在CLK-R和CLK-IN两端外接电阻、电容即可产生A/D转换所要求的时钟,其振荡频率为1/1.1RC。
数据存储电路具有掉电后数据自动保护功能,选用Dallas公司的DS1225。A0-A12为地址输入端口,DQ0-DQ7为数据输入/出端口,为选通端口,为可输出端口,为可写入端口,NC为不连接端口。AT89S52的P0口输出的低8位地址信号(P0.0-P0.7),送至数据存储器的A0-A7,P2口输出的高5位地址信号(P2.0-P2.4),送至存储器的A8-A12.数据存储区的容量为8K,根据硬件电路的连接,数据存储的地址单元为4000H-5FFFH。
定时电路用于为完成对整个测试仪参数采集的时间定时,PIC16F716器件有一个看门狗(WDT)通过配置位将其关闭。本系统采用低成本的RC振荡器结合PIC芯片休眠模式这种低功耗的工作模式。
USB接口电路实现单片机和PC机的通信,采用南京沁恒电子的CH372,在本地端,CH372具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出,可方便地挂接到单片机的系统总线上;在计算机系统中,CH372的配套软件提供了简洁易用的操作接口。CH372芯片可以通过8位被动并行接口的D7-D0、#RD、#WR、#CS、A0直接挂接到单片机的系统总线上。#CS有地址译码电路驱动,用于单片机具有多个外围器件时进行设备选择;#INT输出的中断请求是低电平有效,可接到单片机的中断输入引脚或者普通I/O引脚,当#WR为高电平且#CS和#RD及A0都为低电平时,CH372中的数据通过D7-D0输出;当#RD为高电平且#CS和#WR及A0都为低电平时,D7-D0上的数据被写入CH372芯片中;当#RD为高电平且#CS和#WR都为低电平而A1为高电平时,D7-D0上的数据被作为命令码写入CH372芯片中。CH372芯片的UD+和UD-引脚接到USB总线上,在XI和X0引脚之间连接一个标称频率为12MHZ的晶体,并分别为XI和X0引脚对地连接一个高频振荡电容。Vcc引脚输入外部5V电源,V3引脚外接容量为0.01μF左右的电源退耦电容。
本发明的优越性在于:1、实时跟踪检测风电系统中参数的变化、识别混沌现象,避免风电系统出现有害的混沌振荡现象;2、硬件装置设计简单,软件编程通俗易懂;3、将时间序列方法用于风电系统混沌检测,克服了风电系统复杂数学模型、系统复杂、不确定性的难点,并且具有普适性适用于所有风电系统;4、使用数据存储电路具有掉电后数据自动保护功能,确保混沌实时检测的不间断,提高检测的可靠性;5、利用计算机高速的数据计算和数据处理能力,大大提高了该检测系统的实时性可靠性。
(四)附图说明:
图1为本发明所涉一种用于风电系统的混沌实时检测系统以及工作方法的总体结构示意图。
图2为本发明所涉一种用于风电系统的混沌实时检测系统以及工作方法中信号调理电路的电路图。
图3为本发明所涉一种用于风电系统的混沌实时检测系统以及工作方法中A/D转换接口电路的结构示意图。
图4为本发明所涉一种用于风电系统的混沌实时检测系统以及工作方法中的数据存储单元DS1225芯片的结构示意图。
图5为本发明所涉一种用于风电系统的混沌实时检测系统以及工作方法中的接口电路CH372芯片的结构示意图。
(五)具体实施方式:
实施例:一种用于风电系统的混沌实时检测系统(见图1),包括可测出风速、风轮转速、电机转速、输出功率、功率因数、发电频率信号的风电场,其特征在于它包括测试仪和装有实现混沌检测方法的程序的上位机;其中,所述测试仪由信号采集与调理电路、A/D转换电路、单片机、数据存储电路、定时电路以及USB接口电路构成;所述单片机与A/D转换电路、数据存储电路、定时电路以及USB接口电路呈双向连接;所述A/D转换电路的输入端接收信号采集与调理电路的输出信号;所述信号采集与调理电路的输入端接收风电场的风速、风轮转速、电机转速、输出功率、功率因数、发电频率信号;所述USB接口电路与上位机呈双向连接。
所述信号采集与调理电路(见图2)由传感器、电阻Rs、滤波电路、电压跟随器、调理电路、稳压管构成;所述传感器采用特制隔离模板。传感器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-171112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,带有一个自动通道/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(见图3)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100μs,电源电压为+5V的逐次逼近型8位转换芯片ADC0804;所述ADC0804包含管脚DB0、管脚DB1、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CLK-IN、管脚CLK-R和管脚Vref/2,且依管脚DB0、管脚DB1、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。
所述单片机(见图3)采用ATMEL公司的单片机AT89S52,它包括40个引脚、8K Bytes Flash片内程序存储器、256bytes的随机存取数据存储器、32个外部双向输入/输出口、5个中断优先级、2层中断嵌套中断、看门狗(WDT)电路和片内时钟振荡器。
所述USB接口电路(见图5)采用南京沁恒电子的CH372芯片,它是由可作为被动并行接口的8位双向数据总线D7~D0、读选通输入引脚RD#、写选通输入引脚WR#、片选输入引脚CS#、中断输出引脚INT#以及地址输入引脚A0构成;所述8位双向数据总线D7~D0、读选通输入引脚RD#、写选通输入引脚WR#、片选输入引脚CS#、中断输出引脚INT#以及地址输入引脚A0与单片机连接。
所述定时电路(见图1)采用带有看门狗的PIC16F716器件。
一种用于风电系统的混沌实时检测系统的工作方法,其特征在于它是由以下步骤所构成:
(1)由定时电路设置采集间隔定时时间,由信号采集与调理电路来实时采集风电系统风速、风轮转速、电机转速、输出功率、功率因数、发电频率参数信号;
(2)经过信号采集与调理电路和A/D转换电路进行滤波、自校准处理,并通过单片机将风电系统实时风速、风轮转速、电机转速、输出功率、功率因数、发电频率参数输入到数据存储电路;
(3)通过USB接口电路将处理后的风电系统实时风速、风轮转速、电机转速、输出功率、功率因数、发电频率参数数据传输到装有实现混沌检测方法程序的上位机中;
(4)应用上位机中的混沌检测方法进行参数计算和处理,进而识别系统的运行状态是否为混沌。
所述步骤(4)中的混沌检测方法是采用基于相空间重构的方法检测混沌,包括关联维数和嵌入延迟时间的求取。
所述关联维求取采用G-P算法,包括以下步骤:
①选一个较小的嵌入维m(m≥2),在此条件下进行相空间重构,利用关联函数C(r)求出logr和log C(r)值,取logr-logC(r)关系曲线中近似直线部分的斜率,作为该条件下的关联维估计值D;
②不断增加嵌入维m的值,重复①过程,得到log r-log C(r)的关系曲线图和估计出对应关联维估计值D;
③继续②过程,直到D达到饱和,使D为风电系统风速(即:风轮转速、电机转速、输出功率、功率因数、发电频率)数据时间序列的关联维数;根据自相关函数求出嵌入时间延迟τ,再根据公式m≥2D+1确定嵌入维m,把风电系统风速(风轮转速、电机转速、输出功率、功率因数、发电频率)参数变量的N(N=4000)个时间序列数据,拓成相空间;
④在重构的相空间中共有tn-(m-1)τ个相点,把各个相点按顺序连起来,就得到了能反应风电系统的演化过程和动态特性的重构向空间的相图,可以检测混沌现象;
⑤求风电系统风速参数时间序列的最大李亚普诺夫指数,若该指数大于0,则可作为风电系统混沌运行状态的定量判据,证明其处于混沌运行状态。
Claims (10)
1.一种用于风电系统的混沌实时检测系统,包括可测出风速、风轮转速、电机转速、输出功率、功率因数、发电频率信号的风电场,其特征在于它包括测试仪和装有实现混沌检测方法的程序的上位机;其中,所述测试仪由信号采集与调理电路、A/D转换电路、单片机、数据存储电路、定时电路以及USB接口电路构成;所述单片机与A/D转换电路、数据存储电路、定时电路以及USB接口电路呈双向连接;所述A/D转换电路的输入端接收信号采集与调理电路的输出信号;所述信号采集与调理电路的输入端接收风电场的风速、风轮转速、电机转速、输出功率、功率因数、发电频率信号;所述USB接口电路与上位机呈双向连接。
2.根据权利要求1所述一种用于风电系统的混沌实时检测系统,其特征在于所述信号采集与调理电路由传感器、电阻Rs、滤波电路、电压跟随器、调理电路、稳压管构成;所述传感器采用特制隔离模板。传感器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-171112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,带有一个自动通道/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。
3.根据权利要求1所述一种用于风电系统的混沌实时检测系统,其特征在于所述A/D转换电路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100μs,电源电压为+5V的逐次逼近型8位转换芯片ADC0804;所述ADC0804包含管脚DB0、管脚DB1、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CLK-IN、管脚CLK-R和管脚Vref/2,且依管脚DB0、管脚DB1、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。
4.根据权利要求1所述一种用于风电系统的混沌实时检测系统,其特征在于所述单片机采用ATMEL公司的单片机AT89S52,它包括40个引脚、8K Bytes Flash片内程序存储器、256bytes的随机存取数据存储器、32个外部双向输入/输出口、5个中断优先级、2层中断嵌套中断、看门狗(WDT)电路和片内时钟振荡器。
6.根据权利要求1所述一种用于风电系统的混沌实时检测系统,其特征在于所述USB接口电路采用南京沁恒电子的CH372芯片,它是由可作为被动并行接口的8位双向数据总线D7~D0、读选通输入引脚RD#、写选通输入引脚WR#、片选输入引脚CS#、中断输出引脚INT#以及地址输入引脚A0构成;所述8位双向数据总线D7~D0、读选通输入引脚RD#、写选通输入引脚WR#、片选输入引脚CS#、中断输出引脚INT#以及地址输入引脚A0与单片机连接。
7.根据权利要求1所述一种用于风电系统的混沌实时检测系统,其特征在于所述定时电路采用带有看门狗的PIC16F716器件。
8.一种用于风电系统的混沌实时检测系统的工作方法,其特征在于它是由以下步骤所构成:
(1)由定时电路设置采集间隔定时时间,由信号采集与调理电路来实时采集风电系统风速、风轮转速、电机转速、输出功率、功率因数、发电频率参数信号;
(2)经过信号采集与调理电路和A/D转换电路进行滤波、自校准处理,并通过单片机将风电系统实时风速、风轮转速、电机转速、输出功率、功率因数、发电频率参数输入到数据存储电路;
(3)通过USB接口电路将处理后的风电系统实时风速、风轮转速、电机转速、输出功率、功率因数、发电频率参数数据传输到装有实现混沌检测方法程序的上位机中;
(4)应用上位机中的混沌检测方法进行参数计算和处理,进而识别系统的运行状态是否为混沌。
9.根据权利要求8所述一种用于风电系统的混沌实时检测系统的工作方法,其特征在于所述步骤(4)中的混沌检测方法是采用基于相空间重构的方法检测混沌,包括关联维数和嵌入延迟时间的求取。
10.根据权利要求9所述一种用于风电系统的混沌实时检测系统的工作方法,其特征在于所述关联维数求取采用G-P算法,包括以下步骤:
①选一个较小的嵌入维m(m≥2),在此条件下进行相空间重构,利用关联函数C(r)求出logr和log C(r)值,取logr-logC(r)关系曲线中近似直线部分的斜率,作为该条件下的关联维估计值D;
②不断增加嵌入维m的值,重复①过程,得到log r-log C(r)的关系曲线图和估计出对应关联维估计值D;
③继续②过程,直到D达到饱和,使D为风电系统风速(即:风轮转速、电机转速、输出功率、功率因数、发电频率)数据时间序列的关联维数;根据自相关函数求出嵌入时间延迟τ,再根据公式m≥2D+1确定嵌入维m,把风电系统风速(风轮转速、电机转速、输出功率、功率因数、发电频率)参数变量的N(N=4000)个时间序列数据,拓成相空间;
④在重构的相空间中共有tn-(m-1)τ个相点,把各个相点按顺序连起来,就得到了能反应风电系统的演化过程和动态特性的重构向空间的相图,可以检测混沌现象;
⑤求风电系统风速参数时间序列的最大李亚普诺夫指数,若该指数大于0,则可作为风电系统混沌运行状态的定量判据,证明其处于混沌运行状态。
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