基于有限状态机的变桨系统状态监测模型

邱强杰，陈众，文亮，俞晓鹏

(长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410114)



基于有限状态机的变桨系统状态监测模型

邱强杰，陈众，文亮，俞晓鹏

(长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410114)

摘要：运用离散事件系统理论中的有限状态机对风力发电变桨系统建模，根据变桨系统的运行过程将其分为8个运行状态，状态的转移通过9个事件驱动，事件由变化的风机参数触发。运用Simulink中的Stateflow模块进行仿真，仿真结果表明，此模型可以准确反映变桨系统运行过程中工作状态的变化，状态转移直观、清晰。

关键词：风力发电系统；变桨系统；有限状态机；状态转移；Stateflow模块

风力发电在近年得到了飞速发展，变桨系统可以在风速发生改变时通过调节桨距角来提高风能利用率。对风力发电变桨系统进行状态监测，可以提高系统运行的透明性，及时了解系统运行的健康程度，减少不必要的损失[1-3]。目前，国内外已经出现多种建模方法。最早的是机理分析法，该方法考虑力矩平衡关系，从深层的物理本质出发，建立匹配的物理模型来分析系统的基本特性，由于变桨系统复杂，因此很难建立精确的机理模型。随后出现的测试法利用数学方程组成的输入、输出关系来描述系统的特性，却掩盖了其内部的物理特质。随着研究的推进，出现了神经网络、马尔可夫等新型建模方法，但在风力发电系统中的应用还不广泛[4-5]。

上述方法从不同角度对风力发电变桨系统进行了建模，对推动风力发电的研究有着重要的意义，但各模型对变桨系统的运行变化、状态转移过程展现得不够充分。本文在相关研究的基础上，利用有限状态机对变桨系统状态监测建模，将风力发电变桨系统分成有限个工作状态，状态的转移由事件驱动，事件由变化的风机参数触发，使状态转换过程透明性得到极大的提高。

1有限状态机

有限状态机理论是指把一个完整的系统按照其本身的运作逻辑，从具有明显区别的有限个不同的工作状态剥离出来，形成一个状态机主体。整个系统通过特定的事件驱动状态的转变，事件的变化可能来自外部也可能来自系统本身。

在有限状态机中，可以把整个模型分为5个不同的集合：工作状态集X、输入事件集Y、输出事件集Z、状态转移函数集B以及输出函数集F，其中输出事件集Z由内部的输出函数集F决定。有限状态机结构如图1所示。

图1有限状态机的结构

有限状态机是建立实时系统模型的一种重要方法，具有易于建立和应用度广等优点，应用于系统的分析、设计等多个重要阶段，并能清晰地反映系统的逻辑运作。风力发电变桨系统是一个非线性的离散事件系统，其内部逻辑复杂，状态多变，用常规的方法进行分析不足以完全体现其全部特性。有限状态机理论可以分离风力发电变桨系统的不同工作状态，通过变化的事件驱动状态迁移，准确地将系统运行规则展现出来。

2变桨系统有限状态机建模

2.1变桨系统运行过程分析

2.1.1待机阶段

在风速没有达到启动风速时，风机处于待机状态，风机桨叶顺桨，桨距角为90°，风轮锁紧。

2.1.2启动阶段

当风速达到启动风速时，风机从待机状态中激活，桨叶打开，桨距角调节到0°，风轮速度随风速增加。

2.1.3运行阶段

风速小于额定风速时，桨距角保持90°不变；风速达到额定风速时，发电机转速也达到额定值，开始并网发电；风速超过额定风速时，桨叶动作，桨距角随风速的变化自动调节，保证发电机转速保持在额定状态。

2.2变桨系统建模

为使仿真更直观，采用Stateflow模块进行状态机建模。Stateflow是矩阵实验室(Matrix Laboratory，MATLAB)中针对复杂逻辑控制的一个模块，具有可视化和仿真直观等优点，可以清楚地把复杂动态逻辑表现出来，符合有限状态机的基本原则。利用Stateflow与Simulink相结合来建模可以扩展模型的功能。

2.2.1工作状态

变桨系统状态机状态转移如图2所示，其中X1，X2，…，X8对应状态机的8个不同状态，Y1，Y2，…，Y9对应状态机的9个不同事件。

图2　变桨系统状态机状态转移

X1：系统默认转移状态，开始仿真后会首先激活此状态。它所代表的功能是系统读取配置文件并初始化，检测变桨系统是否可以正常工作。

X2：系统的空闲待机状态，当系统初始化完成并且没有发生错误会自动转到此状态。在此状态下，机组的传感器开始工作，将各项实时数据传递给控制系统。

X3：当检测到风速达到启动风速时，变桨系统进入启动状态，桨叶完全打开，风轮开始转动。

X4：桨叶完全打开后，传动系统开启，在此状态下，风轮带动发电机转子随风转动。

X5：当检测到风速达到额定风速，发电机转子转速达到额定转速时，风机开始并网发电。

X6：当风速增大到超过额定风速时，为了保持发电机转子的额定转速，桨叶动作，桨距角增大。

X7：风速变化随机性很强。当风速变小导致发电机转速低于额定转速时，桨叶动作，桨距角减小；直到发电机转子转速回到额定值或风速减小到低于额定值时，桨距角维持0°；当风速再增大到大于额定风速时，状态再转移到X6。只要风速在正常工作区间内，变化系统就一直在该状态与X6之间切换。

X8：当风速减小到低于系统启动风速或者高于系统切出风速、系统出现错误、手动关闭操作时，变桨系统关闭，桨叶收拢到偏航角90°的位置。

2.2.2触发事件与数据

状态之间的变化是由触发事件驱动，系统的触发事件分为外部触发事件与本地触发事件2种。外部触发事件是系统基本信号的来源，在Simulink中输入。本地触发事件是系统内部各个部分相互沟通的关键，可在子系统间传输信号，达到子系统间相互交流的目的，在状态机内部进行设置，分为状态内部定义的事件和外部参数激活的事件2种。如Y4为变桨系统控制风轮制动器松闸的事件，只有在状态X3被激活时才会触发；Y2事件则在风速大于启动风速时被激活。输出事件是输出系统所需要事件的出口，可以输入到Simulink用于其他系统中，本模型没有用到输出事件。具体的触发事件见表1，其中Y9是任意一个子事件发生即可触发。

表1触发事件

事件事件名描述Y1SY_error=0系统没有错误Y2wind_speed>=ST_speed风速大于启动风速Y3pitch_angle=0桨距角调节到0°Y4ST_brake_release风轮制动器松闸Y5generator_speed>=rated_generator_speed发电机转速达到额定转速Y6wind_speed>=rated_wind_speed风速大于额定风速Y7wind_speed—&wind_speed>rated_wind_speed风速减小Y8wind_speed++&wind_speed>rated_wind_speed风速增大Y9wind_speed>=end_speedSY_error=1;wind_speed<=ST_speedmanual_mode=1风速达到切出风速,系统出现故障;风速小于启动风速,转到手动模式

系统的数据跟事件一样，同样可以分为外部输入数据、内部数据和输出数据3种，具体数据清单见表2。

表2数据清单

数据类型数据名描述外部输入数据wind_speed风速实时数据generator_speed电机转速pitch_angle桨距角manual_mode等于1时代表切换到手动操作模式SY_error等于1时系统代表系统出现故障内部数据ST_speed启动风速rated_wind_speed额定风速rated_generator_speed发电机额定转速end_speed切出风速输出数据state状态编号

3仿真试验

此仿真可以检验所建立的模型是否可以在风机输入参数改变的情况下，真实地反映风力发电变桨系统的工作状态，通过示波器观察state数值的变化，可清晰地观测到系统工作状态的转移情况。

Stateflow模块设置完毕并在Simulink中接入各项风机参数即可开始仿真。有限状态机仿真如图3所示，状态的转移和激活由事件驱动脉冲发生器的过零信号来驱动，此脉冲发生器的触发类型为上升沿。为使仿真更加直观，周期设置为2 s，即每2 s由事件驱动脉冲发生器发出一次信号，检测是否有触发事件发生并驱动状态转变。在实际工作中，可以根据风机的型号、状态监测的灵敏度等设置周期。对于大型风机，状态监测更加紧密，数值可以设置得很小；对于小型风机，对灵敏度要求比较低，数值可以适当增大。

图3　有限状态机仿真

模型中内部数据的设置：ST_speed为3 m/s，rated_wind_speed为15 m/s，rated_generator_speed为1 800 r/min；end_speed 为25 m/s。应用到不同规格的风电机组时，需更改参数。

有限状态机模型仿真波形如图4所示。开启仿真后状态机首先检测默认转移状态，2 s后转移到系统默认状态X1，读取配置文件并初始化；4 s时系统无错误(SY_error=0)则转到空闲状态X2；6 s时监测到风速达到启动风速(Y2触发)，状态转移到启动变桨系统状态X3，在这2 s内偏航角迅速调整到0°；激活pitch_angle=0事件，状态在8 s时转移到X4，风轮开始转动，发电机转子在风轮的带动下加速；10 s时，监测到发电机转速已经超过发电机额定转速(Y5触发)，状态转移到X5，发电机并网运行；风速持续增大，在12 s时监测到超过了额定风速(Y6触发)，工作状态转移到X6，增大桨距角使发电机转速维持在额定状态。其后的6 s内，风速逐渐趋于平静，系统状态不再发生改变。

图4　有限状态机模型仿真波形

状态转移的及时性可以通过更改事件驱动脉冲发生器的周期来实现，当其周期足够小，驱动事件会变得很频繁，系统运行状况一旦改变就能及时反映出来。为了仿真更直观，本文此数值设置得较大，状态的转移有些延迟。

由仿真结果可以看到，基于有限状态机的风力发电变桨系统模型可以在风机参数改变时触发事件，并且激活相应的状态转移，证明此建模方法应用在变桨系统状态监测上是可行的，模型忠实地反映了机组的工作状态，且快速、精准，具有研究价值。

4结论

本文将离散事件系统理论中的有限状态机建模方法应用到风力发电变桨系统的状态监测建模中，通过Simulink中的Stateflow模块进行状态机建模与仿真，把变化复杂的系统运行状况用风机运行参数触发事件、事件激活状态迁移事件响应系统进行简化。Stateflow模块高度可视的模型和便捷的仿真，可以精确、简洁地反映复杂动态逻辑关系。仿真结果表明，基于有限状态机的风力发电变桨系统模型可以迅速、准确地反映风电机组的运行状态，可靠性良好；状态的转移情况可由state的数值变化来体现，方便、透明。

参考文献：

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[2] 姚兴佳，宋俊.风力发电机组原理与应用[M]. 2版.北京：机械工业出版社，2011.

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WANG Qiwei,JIANG Fei,MA Rui,et al. Power Flow Analysis of Power Grid Connected with Wind Farms Based on State Transition[J]. Power System Technology,2013,37(7):1880-1886.

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TANG Min,TAN Zhi.Automatic Testing Method of Wind Power System Operation State Based on The Theory of Finite State Machine[J]. Journal of Electric Power,2013,28(5):404-408.

邱强杰(1991)，男，湖南娄底人。在读硕士研究生，研究方向为电力系统运行与控制。

陈众(1974)，男，湖南长沙人。副教授，工学博士，主要研究方向为电力系统运行与控制，人工智能技术及应用等。

文亮(1989)，男，湖南长沙人。在读硕士研究生，研究方向为电力系统运行与控制。

(编辑李丽娟)

投稿网址：http://gddl.gddky.csg.cn

State Monitoring Model for Pitch System Based Finite State Machine

QIU Qiangjie, CHEN Zhong, WEN Liang, YU Xiaopeng

(College of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha, Hunan 410114, China)

Abstract：Finite state machine in theory of discrete event system (DES) is used for modeling on wind power generation pitch system. According to operational process of the pitch system, the system is divided into eight operational states, transition of states is driven by nine events and events are triggered by variational parameters of the wind power generator. Stateflow module in Simulink is used for simulation and results indicate that this model is able to correctly reflect changes of working states of the pitch system in its operational process and state transition is intuitive and clear.

Key words：wind power generation system; pitch system; finite state machine; state transition; Stateflow module

作者简介：

中图分类号：TK89

文献标志码：A

文章编号：1007-290X(2016)02-0036-04

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.02.007

收稿日期：2015-09-17修回日期：2015-10-30