CN110578659B - 一种用于对风电机组scada数据进行处理的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于对风电机组SCADA数据进行处理的系统，包括检测装置、计算模块和处理模块，其中检测装置至少包括第一检测装置、第二检测装置和第三检测装置，第一检测装置用于获取风电机组所在地实时风速v，第二检测装置获取风电机组的实时桨叶角度θ，第三检测装置用于获取当前风电机组的有功功率P；计算模块对实时风速v、实时桨叶角度θ、有功功率P进行计算分析；处理模块根据计算模块的计算结果，对SCADA数据进行处理。本发明将无效的SCADA数据排除，从而获得接近理想数值的SCADA数据。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电机组的检测和控制领域。
技术背景
风电机组在运行中产生大量的SCADA(Supervisory Control And DataAcquisition)数据，SCADA涵盖信息丰富，包括风速、风向、功率、电流、电压、温度、振动等变量，针对SCADA数据的分析和数据挖掘可以构建各变量的关联模型，实现对风电机组的性能评估、故障预警。
专利号为CN106368908A的文献公开了一种基于SCADA系统风电机组功率曲线测试方法，该方法基于风电场SCADA系统采集到的风速、发电机转速等相关数据和故障、停机等记录；利用风电机组SCADA大数据，进行数据整理、分析算法，得出全场风电机组的实测功率曲线，并将全场风电机组的实测功率曲线与机组投标时的保证功率曲线对比分析，从而指导风电场运行、检修及出质保管理，提升全场风电机组的发电量。
专利号为CN104520581A的文献提供一种自动计算用于风力涡轮机的功率曲线监测的功率曲线界限的方法，其可以即使在风力涡轮机中测量到的风速-功率数据中除包括正常数据外还包括大量异常数据时，通过自动计算用于功率曲线监测的功率曲线界限来设定最优功率曲线界限。为此，本发明包括：由输入数据划分单元通过可变速度数据箱划分风力发电的输入数据；由功率计算单元为所划分的输入数据计算每个数据箱的功率平均值和标准偏差；由功率曲线估计单元为每个数据箱的所计算出的功率平均值来估计功率曲线；由界限搜索单元在移动所估计的功率曲线的同时搜索准确的功率曲线界限；以及由数据提取单元设定包括在所述准确的功率曲线界限中的数据作为新的输入数。
专利号为CN104819107B的文献提供一种风电机组功率曲线异常漂移的诊断方法，包括：采集不同风速下的机组功率数据；将采集的数据按风速大小排序，计算单位精确度下的功率漂移面积；建立诊断模型，确定诊断参数，并根据诊断参数确定正负警示线和正常区间；诊断，将所述计算结果与所述正负警示线进行比较，越正警示线则诊断为风速测量有问题，越负警示线则诊断为叶片气动性能出现异常。本发明将数据差分积分原理引入到风电场或大规模风电场集群监控预警系统中，可判断功率曲线的“越境”程度，对于风电机组的风功率匹配性和稳定性问题、风速测量问题、风电机组控制问题、风电机组叶片结冰、风向标对风以及侧风异常等功率输出问题均可根据功率曲线漂移诊断进行告警。
专利号为CN103291544A的文献提供一种数字化风电机组功率曲线绘制方法，属于风力发电技术领域。采用方格法(Box)对功率风速数据对的分布进行数字化描述；对功率风速数据对在横坐标风速上以0.5m/s为间隔纵向分区，纵坐标机组输出功率上以某一间隔进行横向分区；剔除异常功率风速数据对；对剔除异常功率风速数据对后的功率风速数据集计算每个风速分区内的功率和风速平均值，根据每个风速分区内的功率风速平均值数据对绘制出功率曲线。本发明将功率风速数据对的分布采用数字化方式进行精确表示和描述，可克服现有绘制功率曲线费时费力且只反映风速和功率平均值等技术问题，得到高精度的功率曲线，更准确的描述风电机组的发电能力。
专利号为CN107885959A的文献提供一种基于置信等效功率曲线带的风电建模及性能评估方法，包括：对异常数据样本进行初筛剔除；将风速分为三个区域，采用核密度估计法统计每个区域内风速、功率概率分布情况，得到每个区域的Copula函数；采用最大似然估计法得到对应区域的置信等效功率边界模型；采用分段三次Hermite插值法重构缺失数据，完成原始数据样本的清洗；将置信度带宽比的均值作为模型性能评价指标，采用d折交叉验证的方法对不同区域上下边界模型进行验证，当指标基本稳定在某一定值时，确立不同区域的上下边界模型；采用滚动时间窗方法更新数据，以置信度带宽比的偏离度作为触发条件，超出一定阈值时进行上下边界模型更新。
现有技术中已经关注到对风电机组SCADA数据需要进行利用，并且提供了多种清理SCADA数据，从而获得接近理想数值的方法。
本发明提供一种用于对风电机组SCADA数据进行处理的系统和方法，本发明通过对风电机组的实时数据进行检测，并从全部SCADA数据角度考虑，对SCADA数据进行计算和处理，舍去不符合理想功率曲线的数据，获得接近理想数值的SCADA数据，为风电机组建立理想功率曲线提供了设备和方法，进一步的改善了风场风电机组监控和预测的准确度。
发明内容
本发明提供一种用于对风电机组SCADA数据进行处理的系统，包括检测装置、计算模块和处理模块，其中检测装置至少包括第一检测装置、第二检测装置和第三检测装置，第一检测装置用于获取风电机组所在地实时风速v，第二检测装置获取风电机组的实时桨叶角度θ，第三检测装置用于获取当前风电机组的有功功率P；计算模块对实时风速v、实时桨叶角度θ、有功功率P进行计算分析；处理模块根据计算模块的计算结果，对SCADA数据进行处理。
本发明的检测装置还包括了用于获取风电机组所在地实时风向的第四检测装置、用于获取风电机组实时电流值的第五检测装置、用于获取风电机组实时电压值的第六检测装置、用于获取风电机组实时温度的第七检测装置、用于获取风电机组实时震动数据的第八检测装置；其中系统还包括时钟装置，时钟装置为检测装置所获得的数据赋予时刻值。
本发明的计算模块对第一检测装置、第二检测装置、第三检测装置获得的实时数值进行计算；计算过程为：判断实时风速与第一风速、第二风速、第三风速的关系，判断实时桨叶角度与第一桨叶角度、第二桨叶角度的关系，判断有功功率与第一功率、第二功率、第三功率的关系；其中处理模块根据计算模块计算的结果，处理SCADA数据。
本发明的系统中，对于SCADA数值，实时风速值大于第一风速且小于第二风速，同时桨叶角度大于第一桨叶角度的，判断该部分SCADA数值为不合理变桨区数值；对于SCADA数值，实时风速值大于第二风速且小于第三风速，同时桨叶角度大于第二桨叶角度的，判断该部分SCADA数值为过度变桨区数值；对于SCADA数值，实时风速值大于第三风速，同时实时功率小于第一功率，判断该部分SCADA数值为低功率区数值；对于SCADA数值，实时功率大于第二功率，判断该部分SCADA数值为过功率区数值；对于SCADA数值，实时功率大于第三功率，判断该部分SCADA数值为无效测量区数值。
本发明的系统中，其中第一风速为风电机组切入风速，第二风速为额定风速，第三风速为风电机组功率转为恒功率时的拐点风速；其中第一桨叶角度为微小桨叶角度，第二桨叶角度由全部SCADA数据中实时风速和实时功率分布情况中综合得出；其中第一功率为额定功率数值减第一补偿功率数值、第二功率为额定功率数值加第二补偿功率数值、第三功率由全部SCADA数据中实时功率分布情况中综合得出；其中第二桨叶角度由全部SCADA数据中实时风速和实时功率分布情况中综合得出，处理模块对风速与有功功率之间的关系进行处理，在实时风速大于第二风速且小于第三风速的情况下，获取风速与有功功率符合预定关系的SCADA数值中的桨叶角度值，对全部符合预定关系的SCADA数值中的桨叶角度值进行拟合得到第二桨叶角度值；其中第三功率由全部SCADA数据中实时功率分布情况中综合得出，处理模块对风速与有功功率之间的关系进行处理，将风速分为若干较小风速区间，求取各风速区间内风速相应的SCADA数值中的功率值的平均值，对于前述风速区间中的某确定风速区间，第三功率为前述功率值的平均值加第二补偿功率数值，第二补偿功率数值与前述风速区间内功率值标准差具有倍数关系。
本发明还公开了一种用于对风电机组SCADA数据进行处理的方法，包括使用检测装置、计算模块和处理模块，其中检测装置至少包括第一检测装置、第二检测装置和第三检测装置，第一检测装置用于获取风电机组所在地实时风速v，第二检测装置获取风电机组的实时桨叶角度θ，第三检测装置用于获取当前风电机组的有功功率P；计算模块对实时风速v、实时桨叶角度θ、有功功率P进行计算分析；处理模块根据计算模块的计算结果，对SCADA数据进行处理。
本发明的方法中，其中检测装置还包括了用于获取风电机组所在地实时风向的第四检测装置、用于获取风电机组实时电流值的第五检测装置、用于获取风电机组实时电压值的第六检测装置、用于获取风电机组实时温度的第七检测装置、用于获取风电机组实时震动数据的第八检测装置；其中系统还包括时钟装置，时钟装置为检测装置所获得的数据赋予时刻值。
本发明的方法中，其中计算模块对第一检测装置、第二检测装置、第三检测装置获得的实时数值进行计算；计算过程为：判断实时风速与第一风速、第二风速、第三风速的关系，判断实时桨叶角度与第一桨叶角度、第二桨叶角度的关系，判断有功功率与第一功率、第二功率、第三功率的关系；其中处理模块根据计算模块计算的结果，处理SCADA数据。
本发明的方法中，对于SCADA数值，实时风速值大于第一风速且小于第二风速，同时桨叶角度大于第一桨叶角度的，判断该部分SCADA数值为不合理变桨区数值；对于SCADA数值，实时风速值大于第二风速且小于第三风速，同时桨叶角度大于第二桨叶角度的，判断该部分SCADA数值为过度变桨区数值；对于SCADA数值，实时风速值大于第三风速，同时实时功率小于第一功率，判断该部分SCADA数值为低功率区数值；对于SCADA数值，实时功率大于第二功率，判断该部分SCADA数值为过功率区数值；对于SCADA数值，实时功率大于第三功率，判断该部分SCADA数值为无效测量区数值。
本发明的方法中，其中第一风速为风电机组切入风速，第二风速为额定风速，第三风速为风电机组功率转为恒功率时的拐点风速；其中第一桨叶角度为微小桨叶角度，第二桨叶角度由全部SCADA数据中实时风速和实时功率分布情况中综合得出；其中第一功率为额定功率数值减第一补偿功率数值、第二功率为额定功率数值加第二补偿功率数值、第三功率由全部SCADA数据中实时功率分布情况中综合得出；其中第二桨叶角度由全部SCADA数据中实时风速和实时功率分布情况中综合得出，处理模块对风速与有功功率之间的关系进行处理，在实时风速大于第二风速且小于第三风速的情况下，获取风速与有功功率符合预定关系的SCADA数值中的桨叶角度值，对全部符合预定关系的SCADA数值中的桨叶角度值进行拟合得到第二桨叶角度值；其中第三功率由全部SCADA数据中实时功率分布情况中综合得出，处理模块对风速与有功功率之间的关系进行处理，将风速分为若干较小风速区间，求取各风速区间内风速相应的SCADA数值中的功率值的平均值，对于前述风速区间中的某确定风速区间，第三功率为前述功率值的平均值加第二补偿功率数值，第二补偿功率数值与前述风速区间内功率值标准差具有倍数关系。
本发明相较现有技术具有以下技术特点：
本发明通过对风电机组的实时数据进行检测，并从数据全局角度考虑，相较现有技术的对风电机组的SCADA数据计算和处理系统和方法，由于对SCADA划分了不同的区域，从而获得接近理想数值的SCADA数据。
附图说明
图1示出了本发明的系统的结构示意图；
图2示出了实际记录的风速-功率散点图；
图3示出了实际记录的桨叶角度-功率散点图；
图4示出了经过本发明处理的风速-功率散点图；
图5示出了经过本发明处理的桨叶角度-功率散点图。
本发明的实施例
风电机组在正常运行中通常分为四个阶段：1)切入风速以下，机组启动，风速从接近零上升至切入风速，此时发电机与电网脱离，变桨系统改变桨叶角度调节机组转速，使其保持恒定或在一个允许范围内变化；发电机控制子系统调节发电机定子电压使其满足并网操作，等待时机并网；2)风速超过切入风速，实施并网操作，桨叶角度固定在某一极小角度，发电机控制子系统调整机组转速，保持一定的叶尖速比，实现最大风能捕捉，此阶段的理论功率曲线为三次曲线；3)风电机组达到最高转速，但输出功率尚未达到额定功率，此时通过变桨系统调节桨叶角度，保证在最大转速上恒转速发电运行；4)机组进入恒功率、恒转速区域，通过调整桨叶角度使发电功率维持在额定值，避免过大的风载荷破坏机组。
风电机组实际运行时，受弃风、限电及无效测量等的影响，SCADA数据会出现偏离理论功率曲线的情况，称为“坏点”，此类坏点会影响后续数据挖掘与分析的准确性，因此需要将此类坏点剔除。
发明人设计了一种用于处理风电机组SCADA数据的系统和方法，从而实现以上坏点剔除的目标。
图1为本发明的系统的结构示意图。图1中检测装置包括了多个传感器，具体为风速传感器、桨叶角度感测装置、电压计、电流计、功率计、温度计、风向计、温度计、震动检测计等，检测装置用于获取SCADA数据的全部参数，以上检测装置根据实际需要可以在风场和风电机组上安装多个。计算模块用于对检测装置获得的数值进行计算；计算模块根据预定程序，判断检测装置所得到的SCADA数据是否满足预定条件。计算模块通过比较某一时刻的SCADA实时数据与预设数据之间的关系，来确定该时刻值所对应的SCADA实时数据是否需要保留，或者通过对全部SCADA实时数据进行处理后，将某一时刻的SCADA实时数据与动态阈值数据进行比较，来确定该时刻值所对应的SCADA实时数据是否需要保留。在计算模块对某一时刻值所对应的SCADA实时数据进行计算后，处理装置将该实时数据保留，用于进一步的得出风电机组的风速-功率理想曲线。
本发明根据以上对风电机组运行四个阶段的划分，对理想风速-功率曲线之外的区域进行了划分，分别为不合理变桨区I、恒转速时的过度变桨区II、低功率区III、过功率区IV和无效测量区V；通过划分上述五个区域，并依据上述五个区域的不同风速、桨叶角度和功率的不同特点，对运行过程中全局产生的SCADA数据进行分析，从而获得了能够拟合理想风速-功率曲线的SCADA数据。在获得符合理想情况的SCADA参考数据后，能够依据这些数据进一步的对风场风电机组总体运行情况进行检测和预警。
对于上述五个区域，其中在不合理变桨区I，如果vci<v<＝vr&θ>θf，满足该条件的所有SCADA数据偏离理想数据范围，因此这些数据丢弃；其中vci为切入风速，也即第一风速，vr为额定风速也即第二风速，v是实际测量风速，θ为测量的桨叶角度，θf为微小桨叶角也即第一桨叶角度(接近0)。在恒转速的过度变桨区II，如果vr<v<＝vp&θ>θs，满足该条件的所有SCADA丢弃；vp为风速拐点也即第三风速，从此点开始，功率为恒功率状态；θs为正常功率曲线与区域II之间的变桨角阈值，它由风速和风功率的实际散点图分布决定，也即第二桨叶角度，该第二桨叶角度由全部SCADA数据中实时风速和实时功率分布情况中综合得出，处理模块对风速与有功功率之间的关系进行处理，在实时风速大于第二风速且小于第三风速的情况下，获取风速与有功功率符合预定关系的SCADA数值中的桨叶角度值，对全部符合预定关系的SCADA数值中的桨叶角度值进行拟合得到第二桨叶角度值。在低功率区III，如果v>vp&P<Pr-ΔP/2，满足该条件的所有SCADA丢弃；P是测量的有功功率，Pr为机组的额定有功功率，ΔP为额定功率附近允许的功率波动范围，Pr-ΔP/2也即第一功率。在过功率区IV，如果P>Pr+ΔP/2，Pr+ΔP/2也即第二功率，满足该条件的所有SCADA丢弃。在无效测量区V，该部分散点不符合功率曲线，将该区域按风速范围分割成n小段，设计统计算法P(Δv)>mean(P(Δv))+m×std(P(Δv))，mean(P(Δv))+m×std(P(Δv))也即第三功率，在第三功率的计算公式中，mean-求均值，std-求标准差，m为标准差的倍数，根据无效测量区坏点与正常功率曲线的分布关系确定，满足该条件的所有SCADA丢弃。Δv是无效测量区中第i小段的风速范围，表示为[vlower+(i-1)×vw,vlower+i×vw](i＝1,2,…,n),vlower为无效测量区的风速下限，vw为被分割小段的固定风速间隔。
本发明的计算模块对运行过程中的全部的SCADA数据进行统计，并按照风速-功率和桨叶角度-功率两种统计方法，获得如图2和图3所示出的风速-功率散点图和桨叶角度-功率散点图；图2中示意性示出了上述I、II、III、IV和V区域的位置。从图2中可以看出，风速-功率散点图和桨叶角度-功率散点图中，符合理想条件的数据和不符合理想条件的数据之间并没有显著的分割区域，按照已有的处理方法和装置并不能对SCADA数据进行较好的处理，处理后得到的结论存在较大的偏差。
本发明通过计算模块对检测装置获得的SCADA数据进行计算，从而将满足以上五个区域条件的数据排除。接下来，由处理装置对剩余的接近理想条件的风速-功率散点和桨叶角度-功率散点进行处理；剩余的接近理想条件的风速-功率散点和桨叶角度-功率散点参见图4和图5。
以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种用于对风电机组SCADA数据进行处理的系统，包括检测装置、计算模块和处理模块，其中检测装置至少包括第一检测装置、第二检测装置和第三检测装置，第一检测装置用于获取风电机组所在地实时风速v，第二检测装置获取风电机组的实时桨叶角度θ，第三检测装置用于获取当前风电机组的有功功率P；计算模块对实时风速v、实时桨叶角度θ、有功功率P进行计算分析；处理模块根据计算模块的计算结果，对SCADA数据进行处理；其中计算模块对第一检测装置、第二检测装置、第三检测装置获得的实时数值进行计算；计算过程为：判断实时风速与第一风速、第二风速、第三风速的关系，判断实时桨叶角度与第一桨叶角度、第二桨叶角度的关系，判断有功功率与第一功率、第二功率、第三功率的关系；其中处理模块根据计算模块计算的结果，处理SCADA数据；对于SCADA数值，实时风速值大于第一风速且小于第二风速，同时桨叶角度大于第一桨叶角度的，判断该部分SCADA数值为不合理变桨区数值；对于SCADA数值，实时风速值大于第二风速且小于第三风速，同时桨叶角度大于第二桨叶角度的，判断该部分SCADA数值为过度变桨区数值；对于SCADA数值，实时风速值大于第三风速，同时实时功率小于第一功率，判断该部分SCADA数值为低功率区数值；对于SCADA数值，实时功率大于第二功率，判断该部分SCADA数值为过功率区数值；对于SCADA数值，实时功率大于第三功率，判断该部分SCADA数值为无效测量区数值；其中第一风速为风电机组切入风速，第二风速为额定风速，第三风速为风电机组功率转为恒功率时的拐点风速；其中第一桨叶角度为微小桨叶角度，第二桨叶角度由全部SCADA数据中实时风速和实时功率分布情况中综合得出；其中第一功率为额定功率数值减第一补偿功率数值、第二功率为额定功率数值加第一补偿功率数值、第三功率由全部SCADA数据中实时功率分布情况中综合得出；其中第二桨叶角度由全部SCADA数据中实时风速和实时功率分布情况中综合得出，处理模块对风速与有功功率之间的关系进行处理，在实时风速大于第二风速且小于第三风速的情况下，获取风速与有功功率符合预定关系的SCADA数值中的桨叶角度值，对全部符合预定关系的SCADA数值中的桨叶角度值进行拟合得到第二桨叶角度值；其中第三功率由全部SCADA数据中实时功率分布情况中综合得出，处理模块对风速与有功功率之间的关系进行处理，将风速分为若干较小风速区间，求取各风速区间内风速相应的SCADA数值中的功率值的平均值，对于前述风速区间中的某确定风速区间，第三功率为前述功率值的平均值加第二补偿功率数值，第二补偿功率数值与前述风速区间内功率值标准差具有倍数关系。
2.根据权利要求1的用于对风电机组SCADA数据进行处理的系统，其中检测装置还包括了用于获取风电机组所在地实时风向的第四检测装置、用于获取风电机组实时电流值的第五检测装置、用于获取风电机组实时电压值的第六检测装置、用于获取风电机组实时温度的第七检测装置、用于获取风电机组实时震动数据的第八检测装置；系统还包括时钟装置，时钟装置为检测装置所获得的数据赋予时刻值。
3.一种用于对风电机组SCADA数据进行处理的方法，包括使用检测装置、计算模块和处理模块，其中检测装置至少包括第一检测装置、第二检测装置和第三检测装置，第一检测装置用于获取风电机组所在地实时风速v，第二检测装置获取风电机组的实时桨叶角度θ，第三检测装置用于获取当前风电机组的有功功率P；计算模块对实时风速v、实时桨叶角度θ、有功功率P进行计算分析；处理模块根据计算模块的计算结果，对SCADA数据进行处理；其中计算模块对第一检测装置、第二检测装置、第三检测装置获得的实时数值进行计算；计算过程为：判断实时风速与第一风速、第二风速、第三风速的关系，判断实时桨叶角度与第一桨叶角度、第二桨叶角度的关系，判断有功功率与第一功率、第二功率、第三功率的关系；其中处理模块根据计算模块计算的结果，处理SCADA数据；对于SCADA数值，实时风速值大于第一风速且小于第二风速，同时桨叶角度大于第一桨叶角度的，判断该部分SCADA数值为不合理变桨区数值；对于SCADA数值，实时风速值大于第二风速且小于第三风速，同时桨叶角度大于第二桨叶角度的，判断该部分SCADA数值为过度变桨区数值；对于SCADA数值，实时风速值大于第三风速，同时实时功率小于第一功率，判断该部分SCADA数值为低功率区数值；对于SCADA数值，实时功率大于第二功率，判断该部分SCADA数值为过功率区数值；对于SCADA数值，实时功率大于第三功率，判断该部分SCADA数值为无效测量区数值；其中第一风速为风电机组切入风速，第二风速为额定风速，第三风速为风电机组功率转为恒功率时的拐点风速；其中第一桨叶角度为微小桨叶角度，第二桨叶角度由全部SCADA数据中实时风速和实时功率分布情况中综合得出；其中第一功率为额定功率数值减第一补偿功率数值、第二功率为额定功率数值加第一补偿功率数值、第三功率由全部SCADA数据中实时功率分布情况中综合得出；其中第二桨叶角度由全部SCADA数据中实时风速和实时功率分布情况中综合得出，处理模块对风速与有功功率之间的关系进行处理，在实时风速大于第二风速且小于第三风速的情况下，获取风速与有功功率符合预定关系的SCADA数值中的桨叶角度值，对全部符合预定关系的SCADA数值中的桨叶角度值进行拟合得到第二桨叶角度值；其中第三功率由全部SCADA数据中实时功率分布情况中综合得出，处理模块对风速与有功功率之间的关系进行处理，将风速分为若干较小风速区间，求取各风速区间内风速相应的SCADA数值中的功率值的平均值，对于前述风速区间中的某确定风速区间，第三功率为前述功率值的平均值加第二补偿功率数值，第二补偿功率数值与前述风速区间内功率值标准差具有倍数关系。
4.根据权利要求3的用于对风电机组SCADA数据进行处理的方法，其中检测装置还包括了用于获取风电机组所在地实时风向的第四检测装置、用于获取风电机组实时电流值的第五检测装置、用于获取风电机组实时电压值的第六检测装置、用于获取风电机组实时温度的第七检测装置、用于获取风电机组实时震动数据的第八检测装置；其中系统还包括时钟装置，时钟装置为检测装置所获得的数据赋予时刻值。
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