風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)機(jī)控制中的數(shù)據(jù)處理

0 引 言

當(dāng)今社會，關(guān)于能源方面我們最關(guān)心的是能源的短缺和清潔問題，風(fēng)能(wind energy)作為一種可再生的清潔能源，是綠色能源中最具代表性的。我國幅員遼闊，很多地區(qū)的風(fēng)能資源豐富, 可開發(fā)利用的風(fēng)能儲量為10億kW。丹麥，德國等國家在30年前就大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電，在技術(shù)上面已經(jīng)相當(dāng)成熟，我們雖然起步晚，但通過借鑒前人的成果，再加上自身的實(shí)踐研究，現(xiàn)在的風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)基本已經(jīng)做到了完全自主開發(fā)，在行業(yè)內(nèi)的競爭力也達(dá)到了相當(dāng)高的水平。

一個完整的風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，主要包括運(yùn)行流程控制、偏航控制、制動控制、安全系統(tǒng)、槳距和轉(zhuǎn)矩(或轉(zhuǎn)速)的PID控制、故障處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理等。數(shù)據(jù)采集和處理對于風(fēng)機(jī)能否正常發(fā)電沒有直接的影響，但是對于用戶層面來說，只有通過查看實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)報表及運(yùn)行曲線，才能清楚了解風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況，性能優(yōu)劣。所以對于整個風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理的功能不可或缺。本文中所指的風(fēng)機(jī)是指風(fēng)力發(fā)電機(jī)，它利用風(fēng)能，將機(jī)械能（葉片轉(zhuǎn)動，齒輪箱變速等）轉(zhuǎn)化成電能，最后并入電網(wǎng)。國內(nèi)的主要機(jī)型為750kW、1.5MW、2MW、3MW、3.6MW。

以下將詳細(xì)介紹風(fēng)機(jī)主控制系統(tǒng)中相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和處理。

1 功能說明

風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)采集和處理主要包括下面幾類：

(1)風(fēng)機(jī)的一些基本運(yùn)行數(shù)據(jù)(Operation Data)

主要包括發(fā)電量(Energy)、可利用率(Availability)、風(fēng)機(jī)上電時間(Work time)、故障時間(Fault Time)、停機(jī)時間(Stop Time)、發(fā)電時間(Power Production Time)偏航時間(Yaw Time)、順時針偏航時間(CW Yaw Time)逆時針偏航時間(CCW Yaw Time)、維護(hù)時間(Service Time)、停機(jī)次數(shù)(Stop Number)、切入次數(shù)(Cutin Number)、偏航次數(shù)(Yaw Number)、維護(hù)次數(shù)(Service Number)、平均風(fēng)速(Mean Wind Speed)以及平均環(huán)境溫度(Mean Temperature)等；

(2)功率曲線數(shù)據(jù)統(tǒng)計及圖形化(Power Curve)

統(tǒng)計的數(shù)據(jù)主要包括風(fēng)速頻次(Values)、區(qū)間平均風(fēng)速(Mean Wind Speed)、區(qū)間平均功率(Mean Power)區(qū)間平均發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速(Mean Generator Speed)等；

(3)風(fēng)玫瑰圖數(shù)據(jù)統(tǒng)計及圖形化(Windrose)

統(tǒng)計的數(shù)據(jù)主要包括風(fēng)速頻次(Values)、區(qū)間平均風(fēng)速(Mean Wind Speed)、區(qū)間平均功率(Mean Power)區(qū)間平均機(jī)艙位置(Mean Nacelle Position)等；

(4)歷史故障和事件記錄；

(5)故障追憶。

2 數(shù)據(jù)計算

風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)報表的格式如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)

用戶通過查看圖1所示的各類數(shù)據(jù)來了解風(fēng)機(jī)的各種狀況。相對直觀的表格來說，數(shù)據(jù)如何采集和計算，然后再記錄存儲下來的這個過程是很復(fù)雜的。

一般來說，風(fēng)機(jī)在運(yùn)行的時候通過主控制器能直接采集到的數(shù)據(jù)都是一些實(shí)時數(shù)據(jù)，比如當(dāng)前掃描周期的電壓電流、溫度、壓力、風(fēng)速、風(fēng)向、角度、振動值、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電網(wǎng)有功功率、無功功率、頻率等，值班人員通過在中控室或者風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)的HMI界面了解風(fēng)機(jī)的實(shí)時運(yùn)行情況。一旦風(fēng)機(jī)發(fā)生故障或者需要抄報表，就需要調(diào)用歷史數(shù)據(jù)，這些歷史數(shù)據(jù)是基于實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行計算而得的，不同的數(shù)據(jù)計算的方法不同，下面介紹幾個比較重要數(shù)據(jù)的計算方法。

2.1 發(fā)電量

主控制器采集來的數(shù)據(jù)是實(shí)時有功功率，一般數(shù)據(jù)采集的周期為20ms或者100ms(數(shù)據(jù)采集周期由程序掃描周期決定，采集周期越短，最終計算所得數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確，但是對于整個系統(tǒng)的執(zhí)行能力要求就越高。)也就是說前后周期內(nèi)的實(shí)時有功功率是在不斷更新變化的。發(fā)電量計算就是將每個計算周期內(nèi)的發(fā)電量進(jìn)行累加。但是要注意的是，計算周期和掃描周期很有可能是不同的，這樣的話就需要對掃描周期內(nèi)的實(shí)時有功功率值進(jìn)行濾波和換算成符合計算周期的值。具體可以參考下面的公式：

其中，E指發(fā)電量，一般以千瓦時(kWh)為單位，P指計算周期內(nèi)的有功功率，一般以千瓦(kW)為單位，t是計算周期，Ts是將毫秒(ms)或者秒(s)的換算成小時(h)的一個時間標(biāo)度常數(shù)，這主要看t是什么單位，如果是ms，那么Ts的值為3 600 000；如果是s，那么Ts的值就為3 600。

要注意的是，用戶一般都要求計算出來的發(fā)電量是最終的上網(wǎng)電量，所以實(shí)時有功功率的采集最好是采集網(wǎng)側(cè)的數(shù)據(jù)，這樣損耗電量就不會計算在內(nèi)。如果采集發(fā)電機(jī)定子側(cè)的數(shù)據(jù)，會包含損耗電量，那用戶所看到的發(fā)電量會比上網(wǎng)電量略高。

MW級風(fēng)機(jī)的發(fā)電量是十分可觀的，舉例來說，一臺2MW的風(fēng)機(jī)，如果滿發(fā)的話，1h能發(fā)2 000kWh，那么一天就是48 000kWh，而滿發(fā)的風(fēng)速是10m/s左右，這在很多山區(qū)和沿海是很容易達(dá)到的。

2.2 可利用率

風(fēng)機(jī)可利用率是指在評估期間內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組處于能夠運(yùn)行(發(fā)電、啟動、停機(jī))或能夠發(fā)電的待機(jī)狀態(tài)的時間與這一期間內(nèi)總時間的比值。用百分比表示?？衫寐手笜?biāo)主要是針對風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中的安全可靠性、質(zhì)量水平等方面來制定的，一臺成熟穩(wěn)定的風(fēng)電機(jī)組，一般來說可利用率會保持在97%以上。

可利用率的計算因?yàn)槭芎芏嗫陀^因素的影響，國際上也沒有很權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)，一般來說，風(fēng)機(jī)可利用率計算公式為：

可利用率 =（工作時間—故障時間）/ 工作時間

式中A—可利用率

Tt—工作時間（如全年不斷電，則Tt為365×24h）Tcun—累積停機(jī)時間Tp—計劃維修時間

Ts—使用人員操作失誤造成停機(jī)時間（h）

Albt—非維護(hù)時間（h）

式中T1—電網(wǎng)故障

T2—不可抗力造成停機(jī)，如戰(zhàn)爭、地震、洪水等

T3—?dú)夂蛳拗茖?dǎo)致停機(jī)，如覆冰、氣溫超過極限運(yùn)行溫度等。

對于風(fēng)機(jī)系統(tǒng)來說，影響可利用率的可檢測故障主要有變壓器的相關(guān)故障(比如超溫、超壓、瓦斯故障、斷路器故障、熔斷器熔斷、控制電源故障等)；電網(wǎng)相關(guān)故障(比如三相電壓過大、過小、不平衡，線電壓過大、過小，三相電流過大、過小、不平衡，線電流過大、過小，電網(wǎng)頻率過大、過小等)；避雷裝置動作；結(jié)冰傳感器動作；暴風(fēng)等。另外，如果風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障后進(jìn)行維護(hù)，那么這時候也影響可利用率，但是如果是維護(hù)后再有故障信號報出，那么這時候是不影響可利用率的，所以在可利用率計算的時候要特別注意。

2.3 風(fēng)機(jī)上電時間、停機(jī)時間、故障時間、偏航時間、維護(hù)時間、發(fā)電時間

風(fēng)機(jī)上電是指風(fēng)機(jī)主控制器通電的時間，這個時間包括停機(jī)時間、故障時間等；停機(jī)時間包括風(fēng)機(jī)正常停機(jī)、風(fēng)小待機(jī)、維護(hù)停機(jī)、故障停機(jī)等；故障時間就是指風(fēng)機(jī)產(chǎn)生故障停機(jī)的時間；偏航時間包括順時針偏航和逆時針偏航(從機(jī)艙尾部往頭部看)；維護(hù)時間就是指風(fēng)機(jī)需要定期維護(hù)或者出現(xiàn)故障后要手動維護(hù)的時間。為了安全起見，要求將維護(hù)開關(guān)打上，在這種狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)會處于抱閘狀態(tài)，槳葉不會轉(zhuǎn)動；發(fā)電時間是指風(fēng)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電的時間，根據(jù)并網(wǎng)和脫網(wǎng)信號來判斷是否發(fā)電，在這種狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)必須沒有故障，如果有報警信號，也需要在風(fēng)小待機(jī)或者停機(jī)的情況下及時處理，保證風(fēng)機(jī)設(shè)備能長期穩(wěn)定運(yùn)行。

這幾個時間的計算處理是一樣的，都是根據(jù)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)累加在此狀態(tài)下的時間。

2.4 風(fēng)機(jī)停機(jī)次數(shù)、維護(hù)次數(shù)、切入次數(shù)、偏航次數(shù)

在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)為停機(jī)、維護(hù)、切入、偏航狀態(tài)時，系統(tǒng)會累加相應(yīng)的次數(shù)。通過相應(yīng)的狀態(tài)信號來判斷風(fēng)機(jī)是否處于某種狀態(tài)。

2.5 平均風(fēng)速、平均環(huán)境溫度

風(fēng)速和溫度等實(shí)時模擬量數(shù)據(jù)在主控制器中都有專門的采集裝置來采集。風(fēng)場的風(fēng)速大小直接決定了風(fēng)機(jī)發(fā)電量的大小，環(huán)境溫度決定了主控制器的運(yùn)行穩(wěn)定性，所以這兩個數(shù)據(jù)也是很重要的。

對于風(fēng)速等模擬量數(shù)據(jù)的平均值計算來說，可以采取好幾種方式，其中比較常用的一是將每個計算周期內(nèi)的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，然后等到某個時間點(diǎn)，比如某一天或某一個月某一年的最后一秒，以總時間為分母算出平均值；二是在每個計算周期內(nèi)都計算出截止到上一個計算周期的平均值，和當(dāng)前計算周期的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行相加，再求平均值得出最終結(jié)果。

第一種方法很直接，實(shí)現(xiàn)起來也非常簡便，但是用戶只能查找前一天、前一月或者前一年的平均值，如果要想知道當(dāng)天、當(dāng)月或者當(dāng)年的平均值，就必須等到下一天、下一月或者下一年，這只適合歷史數(shù)據(jù)的查看。所以一般我們應(yīng)該采取第二種方法來計算，其計算公式如下：

式中Sa—平均值

Tpre—從統(tǒng)計開始的時刻到當(dāng)前計算周期的前一周期的時間段

S—當(dāng)前計算周期內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)值

t—計算周期

這其中，和發(fā)電量的計算一樣，由于采集數(shù)據(jù)的掃描周期和計算周期不同，S也要進(jìn)行濾波和換算成符合計算周期的數(shù)值。統(tǒng)計開始的時刻一般是當(dāng)天、當(dāng)月或者當(dāng)年的第一秒(20xx.xx.xx.00.00.00)。

3 功率曲線和風(fēng)玫瑰圖的圖形化

功率曲線和風(fēng)玫瑰圖有助于用戶直觀的分析風(fēng)機(jī)的發(fā)電狀況和風(fēng)場的風(fēng)況。

3.1 功率曲線

功率曲線指風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率和風(fēng)速的對應(yīng)曲線，表示風(fēng)機(jī)在不同的風(fēng)速下有多大的功率輸出。風(fēng)機(jī)的輸出功率取決于風(fēng)速，風(fēng)速受風(fēng)機(jī)位置、風(fēng)機(jī)間距、塔架、槳葉等影響有所變化。因此，準(zhǔn)確監(jiān)測和計算風(fēng)機(jī)功率曲線是十分重要的，它是考核機(jī)組性能和發(fā)電能力的重要指標(biāo)。風(fēng)機(jī)的功率曲線如圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)功率曲線

從功率曲線圖上可以很清楚的看出，將0～25m/s的風(fēng)速以0.5為單位分成50個區(qū)間，采集實(shí)時風(fēng)速，在哪個區(qū)間中就將相應(yīng)的風(fēng)速頻次累加，并且計算此區(qū)間內(nèi)的平均功率，計算的方法與計算平均值的方法相同。

圖2中，藍(lán)色是指風(fēng)速頻次，紅色是指區(qū)間平均功率，理論的功率曲線是用灰色表示的。一般來說，實(shí)際功率曲線與理論功率曲線基本相符，如果偏差過大，在數(shù)據(jù)采集無誤的情況下，就需要考慮下面幾個方面是否有問題：

(1)變流器；

(2)發(fā)電機(jī)；

(3)PID控制算法(轉(zhuǎn)矩控制或轉(zhuǎn)速控制)；

(4)有否限功率運(yùn)行。

3.2 風(fēng)玫瑰圖

風(fēng)玫瑰圖是指在坐標(biāo)圖上點(diǎn)繪出的某一地區(qū)在某一時間段內(nèi)各風(fēng)向出現(xiàn)的頻率或者各風(fēng)向的平均風(fēng)速的統(tǒng)計圖。風(fēng)機(jī)的風(fēng)玫瑰圖如圖3所示。

圖3 風(fēng)玫瑰圖

從風(fēng)玫瑰圖上可以看出，將0～360o的機(jī)艙角度以15o為單位分為12個區(qū)間，采集實(shí)時風(fēng)速。和功率曲線相應(yīng)值的計算方法一樣，風(fēng)速在哪個區(qū)間中就將相應(yīng)的頻次累加，并且計算此區(qū)間內(nèi)的平均功率，風(fēng)速的三次方值。

對于風(fēng)機(jī)機(jī)艙角度的零位，是從機(jī)艙尾部向頭部看過去為0o，還是機(jī)艙頭部向尾部看過去為0o，這個在一個風(fēng)場中必須統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這樣得出的風(fēng)玫瑰圖才能有效地反映風(fēng)場的風(fēng)況。

風(fēng)玫瑰圖可以非常直觀的顯示風(fēng)力資源的分布情況，對風(fēng)電選址、風(fēng)機(jī)功率調(diào)節(jié)、負(fù)荷預(yù)測等有直觀的指導(dǎo)意義。

4 數(shù)據(jù)存儲和讀取

所有的相關(guān)數(shù)據(jù)全部計算好后，存在相應(yīng)的內(nèi)存空間中。如果內(nèi)存允許的話，可以建立一個能存儲20年(一般風(fēng)機(jī)的設(shè)計壽命為20年)的數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)體空間，包括這20年的每一天，每個月，每一年的所有的數(shù)據(jù)值。每天的一定時間，比如日期改變、月份改變、年份改變、手動發(fā)命令要求存儲的時候，才會執(zhí)行存儲操作。

在單臺風(fēng)機(jī)上，一般將數(shù)據(jù)以txt、html、xml、excel等方式將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，遠(yuǎn)程的服務(wù)器數(shù)據(jù)庫可以通過訪問這些文件得到數(shù)據(jù)或者直接從結(jié)構(gòu)體變量中獲取。最終，一個風(fēng)場的所有風(fēng)機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)都是存儲在中央服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中的，用戶通過操作數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)查找和報表打印，獲得每臺風(fēng)機(jī)的運(yùn)行信息。

5 故障和事件處理

風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中很重要的一個部分就是故障代碼機(jī)制，風(fēng)機(jī)的每一個運(yùn)行狀態(tài)都通過故障代碼來表現(xiàn)，它存在與風(fēng)機(jī)控制的每個細(xì)節(jié)。風(fēng)機(jī)的每個故障都有對應(yīng)的故障代碼，不同的故障代碼的觸發(fā)會使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換到不同的工作狀態(tài)，故障根據(jù)嚴(yán)重程度可以分為下面幾等：

(1)嚴(yán)重故障—風(fēng)機(jī)緊急停機(jī)，必須人工檢查排除故障后去機(jī)組手動復(fù)位；

(2)較大故障—風(fēng)機(jī)快速停機(jī)，一般不能自復(fù)位，需手動復(fù)位；

(3)一般故障—風(fēng)機(jī)停機(jī)，一般能自復(fù)位；

(4)報警—不影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行，但是維護(hù)人員需在正常停機(jī)時去檢查一下。

故障代碼觸發(fā)時間、復(fù)位時間，重復(fù)觸發(fā)次數(shù)，這些相關(guān)的所有信息也會和一般的數(shù)據(jù)一樣，存儲在本機(jī)文件和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫中。

故障代碼具體表現(xiàn)形式如圖4所示。

圖4 故障代碼

事件記錄和故障代碼觸發(fā)機(jī)制基本相同，也是記錄下某個事件的觸發(fā)時間，操作者的等級等。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中的事件主要包括下面幾類：故障觸發(fā)、并網(wǎng)、塔底手動停機(jī)、機(jī)艙手動停機(jī)、HMI停機(jī)、遠(yuǎn)程緊停、塔底緊停、機(jī)艙緊停、維護(hù)停機(jī)、扭纜停機(jī)、偏航潤滑停機(jī)、安全鏈緊停、啟機(jī)、復(fù)位、安全鏈復(fù)位等。

6 故障追憶

故障追憶，顧名思義就是在故障發(fā)生之后能通過查看文件或者曲線來分析故障發(fā)生前后的風(fēng)機(jī)基本運(yùn)行狀況，具體實(shí)現(xiàn)方法參考下文：

(1)建立一個X*Y的二維數(shù)組，用于記錄Y個模擬量/數(shù)字量的X個數(shù)據(jù)（故障前一段時間及故障后一段時間各X/2個）；

(2)程序正常運(yùn)行時，故障前的X/2個數(shù)據(jù)以FIFO方式進(jìn)行記錄；

(3)當(dāng)觸發(fā)記錄條件滿足后，前X/2個數(shù)據(jù)不再更新，對后X/2個數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄；

(4)后X/2個數(shù)據(jù)記錄完成后，將二維數(shù)組數(shù)據(jù)寫入以時間戳為文件名的文件中；

一個故障觸發(fā)記錄一個文件，當(dāng)一次故障追憶完成后，清數(shù)組，準(zhǔn)備下一次記錄。

需要注意的是：

(1)該文件不公開，不需要SCADA讀取。必要時，可以手動FTP獲取，只供最高等級的工程師分析程序或者風(fēng)機(jī)性能用；

(2)文件數(shù)量及硬盤空間需要維護(hù)；一般來說硬盤中故障追憶文件達(dá)到一定的數(shù)量時，需自動刪除早期生成的文件。

故障文件中需要的Y一般包含那些能比較直觀的反映風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況的數(shù)據(jù)，比如風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、槳葉位置、電壓電流、振動、風(fēng)速風(fēng)向、實(shí)時功率、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、各種溫度和壓力值等。

7 小 結(jié)

本文具體介紹了風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)中各類數(shù)據(jù)的采集、計算、存儲和讀取的方法。雖然和風(fēng)機(jī)邏輯控制互不相關(guān)，但實(shí)現(xiàn)方式多樣且復(fù)雜，而且用戶往往以此來判斷主控制器功能的完整性?？偟膩碚f，只有邏輯控制嚴(yán)密，故障代碼機(jī)制嚴(yán)謹(jǐn)，數(shù)據(jù)處理完整精確，才是一套完善的風(fēng)機(jī)主控制器軟件。