CN113297728A - 一种基于风场风速关联的单风机虚拟风速计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于风场风速关联的单风机虚拟风速计算方法及系统。所述单风机虚拟风速计算方法至少包括：S1：数据采集及存储，S2：数据预处理，S3：关联风机选择，S4：模型训练及存储，选择关联风机的相关历史数据作为输入值，输入到及其学习模型中，完成风速拟合算法模型的训练；S5：虚拟风速计算，实时调用步骤S4中训练得到的风速拟合算法模型，结合关联风机关联数据拟合得到目标风机当前风速。本发明方法在风速仪故障的情况下，无需增加辅助设备，可有效判断并拟合风速仪运行情况。具有简单易行的特点，可改善风速仪故障带来的机组异常、非计划停机等现象，提高机组发电效率。

Description

一种基于风场风速关联的单风机虚拟风速计算方法及系统

技术领域

本发明属于风电场风速预测技术领域，尤其涉及一种基于风场风速关联的单风机虚拟风速计算方法及系统。

背景技术

为实现碳中和，改善社会环境，风电作为清洁绿色能源得以迅速发展。但风机的实际运行工况极其复杂，其零部件容易在环境的影响下产生磨损、失效等问题。如果不及时发现并更换受损部件，风机可能出现严重的安全事故，造成重大的经济损失。同时，停机将严重影响风机效率，降低风场的经济性。

风力发电机组经常受到场内外各种计划和非计划停运以及通讯故障等问题的影响，导致实时数据传输的中断和缺失，进而对风机状态监测及风机控制策略执行造成不良影响。因此需要展开对风机风速实时数据的拟合，以提升风机数据的质量和连续性，保障正常的风机状态监测和风机控制策略的执行，避免因风速数据缺失而停机所导致的发电量降低。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种基于风场风速关联的单风机虚拟风速计算方法及系统，本发明方法及系统实现了当目标风机的风速仪出现故障时，利用其关联风机的数据实现对风速仪有故障的风机进行风速拟合。利用以上方法，来克服风速仪故障对风场正常运行的影响。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一方面地，本发明公开了一种基于风场风速关联的单风机虚拟风速计算方法，其特征在于，所述单风机虚拟风速计算方法至少包括：S1：数据采集及存储，采集并存储风机机组在运行、停机过程中的风速相关数据；S2：数据预处理，对步骤S1采集的数据进行预处理，提取有效数据作为算法所需的输入值；S3：关联风机选择，分析风场内各风机的地理位置信息和风机历史数据的相关性，选择与目标风机具备关联性的若干台风机，用于拟合目标风机的风速；S4：模型训练及存储，选择关联风机的相关历史数据作为输入值，输入到及其学习模型中，完成风速拟合算法模型的训练；S5：虚拟风速计算，实时调用步骤S4中训练得到的风速拟合算法模型，结合关联风机关联数据拟合得到目标风机当前风速。

根据一个优选的实施方式，所述步骤S2中，数据预处理至少包括风机数据进行对时处理、剔除无效数据、数据筛选及数据匹配。

根据一个优选的实施方式，所述步骤S3中风机的地理位置信息至少包括机组经度信息、纬度信息和海拔高度；且风机历史数据至少包括风机的风速。

根据一个优选的实施方式，所述步骤S3中在所述的关联风机选择的分析过程中，对数据进行了归一化操作。

根据一个优选的实施方式，所述步骤S4中，，模型训练过程所涉及的关联风机相关历史数据至少包括风机的风速、风向和湍流强度。

根据一个优选的实施方式，所述单风机虚拟风速计算方法还包括：S6：风速故障判断，综合单风机风速拟合至、风速仪的当前测量值及历史数据以及关联风机的风速信息，完成风速仪是否处于故障状态的判断。

根据一个优选的实施方式，所述步骤S6还包括：S601:若风速仪判定为处于故障状态，则将虚拟风速值作为下一步骤的输入值；S602：.若风速仪判定为正常运行状态，则将风速仪测量值作为下一步骤的输入值。

根据一个优选的实施方式，所述单风机虚拟风速计算方法还包括：S7：运行策略执行，风机机组控制装置基于步骤S6得到的风速值，判断风机的运行工况是否安全，并执行风机的相应运行策略。

另一方面，本发明还公开了一种基于风场风速关联的单风机虚拟风速计算系统，所述单风机虚拟风速计算系统包括：数据采集模块、单风机风速拟合模块和风机控制策略模块；所述数据采集模块，用于完成虚拟风速计算过程中所需的各类数据的获取、存储及处理；所述单风机风速拟合模块，用于利用采集数据综合分析得到关联风机，用于训练及存储算法模型，并根据运行数据完成算法调用及虚拟风速计算；所述风机控制策略模块，包含风机控制装置，该装置将根据接收到的风速值，判断风机的运行工况是否安全，执行风机的运行策略；所述单风机虚拟风速计算系统被配置为按照如单风机虚拟风速计算方法进行运行。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明的有益效果：本发明方法和系统提供了完善的单风机风速拟合功能，以保证在单台风机的测风仪出现故障的情况下，无需增加辅助设备即有效拟合风速数据，以维持风机的正常运行状态，做到零卡顿、防停机、无异常现象产生，解决了因单台风速仪故障引起机组停机的问题，有效提高机组的经济效益。

附图说明

图1是本发明单风机虚拟风速计算方法的流程图；

图2是本发明单风机虚拟风速计算系统的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。

实施例1：

参考图1所示，本发明公开了一种基于风场风速关联的单风机虚拟风速计算方法，所述单风机虚拟风速计算方法至少包括：

步骤S1：数据采集及存储，采集并存储风机机组在运行、停机过程中的风速相关数据。

步骤S2：数据预处理，对步骤S1采集的数据进行预处理，提取有效数据作为算法所需的输入值。

优选地，所述步骤S2中，数据预处理至少包括风机数据进行对时处理、剔除无效数据、数据筛选及数据匹配。

步骤S3：关联风机选择，分析风场内各风机的地理位置信息和风机历史数据的相关性，选择与目标风机具备关联性的若干台风机，用于拟合目标风机的风速。

优选地，所述步骤S3中风机的地理位置信息至少包括机组经度信息、纬度信息和海拔高度；且风机历史数据至少包括风机的风速。

进一步地，所述步骤S3中在所述的关联风机选择的分析过程中，对数据进行了归一化操作。

步骤S4：模型训练及存储，选择关联风机的相关历史数据作为输入值，输入到及其学习模型中，完成风速拟合算法模型的训练。风速拟合算法模型存储于风场的服务器中。

优选地，所述步骤S4中，模型训练过程所涉及的关联风机相关历史数据至少包括风机的风速、风向和湍流强度。

步骤S5：虚拟风速计算，实时调用步骤S4中训练得到的风速拟合算法模型，结合关联风机关联数据拟合得到目标风机当前风速。

优选地，虚拟风速计算过程所涉及的算法调用、拟合风速计算都具有高效率、低延迟、实时性的特点，可达到实时拟合风机风速的目的。

步骤S6：风速故障判断，综合单风机风速拟合至、风速仪的当前测量值及历史数据以及关联风机的风速信息，完成风速仪是否处于故障状态的判断。

优选地，所述风速仪的故障判断方法至少包括以下三种判定条件：风速拟合值和风速仪测量值存在较大差异、风速瞬时测量值产生巨大跳变、多台关联风机之间的风速值在较长时间内存在明显差异。

进一步地，所述步骤S6还包括：S601:若风速仪判定为处于故障状态，则将虚拟风速值作为下一步骤的输入值；S602：若风速仪判定为正常运行状态，则将风速仪测量值作为下一步骤的输入值。

步骤S7：运行策略执行，风机机组控制装置基于步骤S6得到的风速值，判断风机的运行工况是否安全，并执行风机的相应运行策略。

本发明单风机虚拟风速计算方法利用机器学习的方法处理相关数据，并根据处理后的结果判断执行风机运行策略。此方法在风速仪故障的情况下，无需增加辅助设备，可有效判断并拟合风速仪运行情况，具有简单易行的特点，可改善风速仪故障带来的机组异常、非计划停机等现象，提高机组发电效率。

实施例2

参考图2所示，本发明还公开了一种基于风场风速关联的单风机虚拟风速计算系统。所述单风机虚拟风速计算系统包括：数据采集模块、单风机风速拟合模块和风机控制策略模块。所述单风机虚拟风速计算系统被配置为按照实施例1所述单风机虚拟风速计算方法进行运行。

优选地，所述数据采集模块，用于完成虚拟风速计算过程中所需的各类数据的获取、存储及处理。

优选地，数据采集模块包括数据采集装置、数据存储及处理装置、定位及对时装置。

进一步地，所述数据采集装置负责采集风机运行、停机时的各类风速相关数据，同时支持多种常规通讯协议，提供稳定的无线通讯。

进一步地，数据储存和处理装置装有高频的数据读取模块，能够接收来自多个采集设备的高频数据，同时有足够大的内存容量，可实现大量数据的存储，且具有数据处理功能，对采集的大量数据进行预处理，提取有效数据作为算法所需的输入值。

进一步地，定位及对时装置可通过卫星信号获取各风机的位置信息，完成对采集数据的对时工作，支持3种主流卫星定位系统。

优选地，所述单风机风速拟合模块，用于利用采集数据综合分析得到关联风机，用于训练及存储算法模型，并根据运行数据完成算法调用及虚拟风速计算。

优选地，单风机风速拟合模块包含以下具体步骤：

1)关联风机选择。综合考虑风机的地理位置信息和各风机历史数据的相关性，选择与目标风机关联性最大的其他多台风机，用于拟合目标风机的风速。

2)模型训练。采用机器学习的拟合算法，基于风力发电机组的相关历史数据，如风速、风向、湍流强度，结合1)中得到的关联风机，训练风速拟合模型并存储在风场的服务器中。

3)虚拟风速计算。实时调用2)中得到的算法模型，并结合当前的相关数据拟合风机的当前风速。

优选地，所述风机控制策略模块，包含风机控制装置，该装置将根据接收到的风速值，判断风机的运行工况是否安全，执行风机的运行策略。

优选地，风机控制策略模块包含以下具体步骤：

1)风速仪故障判断。综合考虑单风机风速拟合值、风速仪的运行及历史数据和其关联风机的风速信息，判断风速仪是否处于故障状态。

2)虚拟风速调用。若风速仪被判定处于故障状态，则调用虚拟风速。

3)运行策略执行。风机控制装置根据最终接收到的风速值，判断风机的运行工况是否安全，执行风机的运行策略。

前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。本领域技术人员可知有众多组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于风场风速关联的单风机虚拟风速计算方法，其特征在于，所述单风机虚拟风速计算方法至少包括：

S1：数据采集及存储，采集并存储风机机组在运行、停机过程中的风速相关数据；

S2：数据预处理，对步骤S1采集的数据进行预处理，提取有效数据作为算法所需的输入值；

S3：关联风机选择，分析风场内各风机的地理位置信息和风机历史数据的相关性，选择与目标风机具备关联性的若干台风机，用于拟合目标风机的风速；

S4：模型训练及存储，选择关联风机的相关历史数据作为输入值，输入到及其学习模型中，完成风速拟合算法模型的训练；

S5：虚拟风速计算，实时调用步骤S4中训练得到的风速拟合算法模型，结合关联风机关联数据拟合得到目标风机当前风速。

2.如权利要求1所述的单风机虚拟风速计算方法，其特征在于，所述步骤S2中，数据预处理至少包括风机数据进行对时处理、剔除无效数据、数据筛选及数据匹配。

3.如权利要求1所述的单风机虚拟风速计算方法，其特征在于，所述步骤S3中风机的地理位置信息至少包括机组经度信息、纬度信息和海拔高度；且风机历史数据至少包括风机的风速。

4.如权利要求3所述的单风机虚拟风速计算方法，其特征在于，所述步骤S3中在所述的关联风机选择的分析过程中，对数据进行了归一化操作。

5.如权利要求3所述的单风机虚拟风速计算方法，其特征在于，所述步骤S4中，，模型训练过程所涉及的关联风机相关历史数据至少包括风机的风速、风向和湍流强度。

6.如权利要求3所述的单风机虚拟风速计算方法，其特征在于，所述单风机虚拟风速计算方法还包括：

S6：风速故障判断，综合单风机风速拟合至、风速仪的当前测量值及历史数据以及关联风机的风速信息，完成风速仪是否处于故障状态的判断。

7.如权利要求6所述的单风机虚拟风速计算方法，其特征在于，所述步骤S6还包括：

S601:若风速仪判定为处于故障状态，则将虚拟风速值作为下一步骤的输入值；

S602：.若风速仪判定为正常运行状态，则将风速仪测量值作为下一步骤的输入值。

8.如权利要求7所述的单风机虚拟风速计算方法，其特征在于，所述单风机虚拟风速计算方法还包括：

S7：运行策略执行，风机机组控制装置基于步骤S6得到的风速值，判断风机的运行工况是否安全，并执行风机的相应运行策略。

9.一种基于风场风速关联的单风机虚拟风速计算系统，其特征在于，所述单风机虚拟风速计算系统包括：数据采集模块、单风机风速拟合模块和风机控制策略模块；

所述数据采集模块，用于完成虚拟风速计算过程中所需的各类数据的获取、存储及处理；

所述单风机风速拟合模块，用于利用采集数据综合分析得到关联风机，用于训练及存储算法模型，并根据运行数据完成算法调用及虚拟风速计算；

所述风机控制策略模块，包含风机控制装置，该装置将根据接收到的风速值，判断风机的运行工况是否安全，执行风机的运行策略；

所述单风机虚拟风速计算系统被配置为按照如权利要求1至8所述的单风机虚拟风速计算方法进行运行。

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