基于混合时空图卷积网络的风机结冰故障预测研究

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风电清洁安全无污染,是重要的可再生能源。然而,受地理环境因素影响,风能密度高的地区在冬季极易发生风机叶片结冰故障,破坏风机原有的力学平衡,加速部件老化损坏。因此,采用数据驱动的方式建立模型对结冰故障进行预测,在结冰故障发生前发出预警并采取措施,对提高风场运营效率具有重要的现实意义。然而目前的研究方法往往只关注数据中的时序特征,忽略了数据之间存在的空间关系,难以充分挖掘数据中的多尺度特征,导致目前模型对结冰故障预测的准确性和及时性还有待提高。本文以风机结冰故障预测为研究课题,将其分解为风机运行数据趋势预测和风机结冰故障预测两个子任务,主要的内容与贡献如下:1)提出一种混合时空图Conv LSTM(Convolutional LSTM Network)的风机运行数据趋势预测模型。首先,对来源于真实生产环境的原始数据进行清洗处理,在时间维度和空间维度将原始一维数据组合为二维时空图数据,从而提高数据对空间关系的表征能力。其次,在模型训练中将Conv LSTM与时空图混合,以均方误差(Mean Square Error,MSE)为损失函数进行拟合,消除噪声影响提升模型精度。最后,在实验中实现了对未来15分钟风机运行数据趋势更为准确的预测,相比于其他模型取得了更好的表现效果。2)提出一种基于多尺度卷积神经网络(Multi-Scale Convolutional Neural Network,MSCNN)的风机结冰故障预测模型。首先,分析了现有的自动特征构造方法的不足,设计了多尺度堆叠自动特征构造结构,在不同的感受野(Receptive Field)对风机数据进行探索。其次,将多尺度特征与卷积神经网络融合,同时挖掘风机数据中的低阶特征和高阶特征,探索风机数据与结冰故障之间的深层次关系。最后,在对比实验中验证了本模型相较于已有方法在结冰故障预测精度上的优势。在与现有方法比较时,使用了大量真实的风机数据,实验结果均显示本文所提算法能够更准确的预测风机结冰故障,进一步验证了时空图数据处理方法和多尺度特征在该任务中的有效性。同时,也为风机结冰故障预测提供了新的解决方案。
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