[发明专利]一种基于并行Elman-NN的风力发电机故障检测方法

权利要求书

1.一种基于并行Elman-NN的风力发电机故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)：在风力发电机正常运行状态下，每间隔60秒采集一次样本数据，每次采集的样本数据具体包括11个测量数据，依次分别是：风速，旋翼转速，发电机转速，机械转矩，发电功率，叶片螺距角，叶片方位角，叶片根部力矩，顶部水平轴加速度，顶部纵轴加速度，偏航误差；

步骤(2)：将风速处于风力发电机规定的工作风速范围内的n个样本数据x₁，x₂，…，x_n组成矩阵X＝[x₁，x₂，…，x_n]；其中，x_i∈R^11×1表示第i个样本数据，i∈{1，2，…，n}，R^11×n表示11×n维的实数矩阵，R^11×1表示11×1维的实数向量；

步骤(3)：设置时序阶数为d后，将中第d列至第n列的列向量组建成矩阵X₁∈R^11×N，将中第d-1列至第n-1列的列向量组建成矩阵X₂∈R^11×N，直到将中第1列至第N列的列向量组建成矩阵X_d∈R^11×N；其中，N＝n-d+1；

步骤(4)：将矩阵X₁，X₂，…，X_d合并成一个增广矩阵后，再对增广矩阵Z中各个列向量实施归一化处理，从而得到新矩阵其中，上标号T表示矩阵或向量的转置符号，归一化处理的具体过程如步骤(4.1)至步骤(4.2)所示；

步骤(4.1)：设置z_k∈R^N×1表示增广矩阵Z中的第k列向量，z_k中元素的最大值与最小值分别是m_k与δ_k，利用公式计算得到新矩阵中的第k列向量其中，k∈{1，2，3，…，11×d}；

步骤(4.2)：依次分别设置k等于1，2，…，11×d，并执行步骤(4.1)即可完成对Z中各个列向量的归一化处理；

步骤(5)：依次将新矩阵中第2列至第11列的列向量用作Elman-NN的输出，并将Z中其它的列向量用作Elman-NN的输入，建立由10个Elman-NN模型组成的并行Elman-NN模型，具体的实施过程如步骤(5.1)至步骤(5.3)所示；

步骤(5.1)：初始化j＝2；

步骤(5.2)：将中第j列的列向量用作Elman-NN的输出，并将Z中其它的列向量用作Elman-NN的输入，搭建并使用BP算法训练得到第j-1个Elman-NN模型，同时得到模型误差向量e_j∈R^N×1；

步骤(5.3)：判断是否满足条件：j＜11？若是，则设置j＝j+1后返回步骤(5.2)；若否，则得到由10个Elman-NN模型组成的并行Elman-NN模型，以及10个模型误差向量e₂，e₃，…，e₁₁；

步骤(6)：将模型误差向量e₂，e₃，…，e₁₁合并成一个误差矩阵E＝[e₂，e₃，…，e₁₁]后，计算误差矩阵中所有行向量的均值向量μ∈R^1×10，再计算协方差矩阵Λ＝(E-U)^T(E-U)/(N-1)；其中，均值矩阵U∈R^N×10由N个均值向量μ∈R^1×10组成；

步骤(7)：根据公式D＝diag{(E-U)Λ^-1(E-U)^T}计算指标向量D后，再将D中的最大值记做控制上限D_lim；其中，diag{ }表示将大括号内矩阵对角线元素转变成向量的操作；

步骤(8)：采集最新采样时刻的样本数据x_t∈R^11×1，并将x_t与其前d-1个采样时刻的样本数据x_t-1，x_t-2，…，x_t-d+1合并成一个增广向量其中，每个样本数据皆由步骤(1)中所列的11个测量数据组成；

步骤(9)：判断增广向量θ_t中的第一个元素是否处于风力发电机规定的工作风速范围内；若是，则执行步骤(10)；若否，则风力发电机未工作，处于待机状态，并返回步骤(8)继续实施对最新采样时刻的风力发电机故障检测；

步骤(10)：根据公式对θ_t中各个元素实施归一化处理，从而得到新数据向量其中，与分别表示θ_t与中的第k个元素；

步骤(11)：依次调用步骤(5)中的10个Elman-NN模型，从而依次得到误差ε₂，ε₃，…，ε₁₁，具体的实施过程如步骤(11.1)至步骤(11.3)所示；

步骤(11.1)：初始化j＝2；

步骤(11.2)：将中除第j个元素以外的其他元素用作步骤(5)中第j-1个Elman-NN模型的输入，计算出相应的输出估计值

步骤(11.3)：将中第j个元素减去输出估计值的差值记做误差ε_j后，判断是否满足条件：j＜11；若是，则设置j＝j+1后返回步骤(11.2)；若否，则得到误差ε₂，ε₃，…，ε₁₁；

步骤(12)：根据公式计算故障检测指标Q_t后，在判断是否满足条件：Q_t≤D_lim；若是，则当前采样时刻风力发电机运行正常，并返回步骤(8)；若否，则执行步骤(13)从而决策是否触发故障警报；其中，误差向量ξ＝[ε₂，ε₃，…，ε₁₁]∈R^1×10；

步骤(13)：返回步骤(8)继续实施对最新采样时刻的风力发电机故障检测，若连续6个采样时刻的故障检测指标都不满足步骤(12)中的判断条件，则触发故障警报；反之，则不触发故障警报，并返回步骤(8)继续实施故障检测。