風(fēng)電場(chǎng)信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

文 | 黃佳佳，婁堯林，吳海列

隨著化石能源的枯竭、環(huán)境污染的加重，可再生能源的開(kāi)發(fā)得到極度重視。風(fēng)力發(fā)電作為可再生能源發(fā)電中最為成熟的發(fā)電技術(shù)，近年來(lái)在政府的大力支持下，迅猛發(fā)展起來(lái)。在短短十年內(nèi)，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電占世界風(fēng)電的比重由2004年的1.66%上升到27%，風(fēng)電總裝機(jī)容量已躍居世界第一。2013年，風(fēng)力發(fā)電在全國(guó)5.26萬(wàn)億千瓦時(shí)發(fā)電量中占2.6%，已經(jīng)超過(guò)了核電的發(fā)電量，在不到10年的時(shí)間里，風(fēng)電的發(fā)電量已經(jīng)超過(guò)發(fā)展了40年的核電，上升為中國(guó)第三大能源。國(guó)家發(fā)改委能源研究所預(yù)期，到2050年風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到10億千瓦，提供國(guó)內(nèi)17%的電力。風(fēng)電的飛速發(fā)展，也暴露出了一系列的管理問(wèn)題，本文在總結(jié)風(fēng)電管理問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出風(fēng)電場(chǎng)管理改進(jìn)方案，即智能管理與集控系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)。

風(fēng)電場(chǎng)管理存在的問(wèn)題

我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)的特點(diǎn)是發(fā)展速度快，風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)由小規(guī)模向大規(guī)模電場(chǎng)群轉(zhuǎn)變，在大型風(fēng)電場(chǎng)中有幾十、幾百甚至上萬(wàn)臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，而我國(guó)目前大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)群綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)尚屬起步階段，已經(jīng)滿足不了發(fā)展現(xiàn)狀，造成風(fēng)電場(chǎng)在實(shí)際運(yùn)行管理中面臨諸多問(wèn)題。

一、難統(tǒng)一

一個(gè)大型風(fēng)電場(chǎng)群可能由多個(gè)投資商投資，所用風(fēng)電機(jī)組來(lái)自不同風(fēng)電機(jī)組廠商，即便是同一個(gè)風(fēng)電機(jī)組廠商的產(chǎn)品，由于項(xiàng)目實(shí)施階段不同，也會(huì)產(chǎn)生多種機(jī)型，而不同廠商不同型號(hào)風(fēng)電機(jī)組通訊方式，數(shù)據(jù)接口不盡相同，因此一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的中控室往往需要安裝多套不同的監(jiān)控系統(tǒng)，來(lái)滿足不同型號(hào)風(fēng)電機(jī)組的監(jiān)控，造成重復(fù)投資，增加了管理負(fù)擔(dān)。且這些集控系統(tǒng)提供的監(jiān)控功能與報(bào)表也不盡相同，導(dǎo)致業(yè)主管理指標(biāo)不統(tǒng)一，不便于風(fēng)電場(chǎng)綜合比較與分析。風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主迫切希望用一套統(tǒng)一的集控系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行監(jiān)控與管理風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)電機(jī)組，但由于數(shù)據(jù)接口錯(cuò)綜復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難。另外，不同廠家的監(jiān)控共存與遠(yuǎn)程訪問(wèn)，帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題。

二、難維護(hù)

風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境惡劣、條件艱苦，使得風(fēng)電場(chǎng)各專業(yè)人才稀缺，且人員管理水平、技術(shù)水平參差不齊，風(fēng)電高速發(fā)展與人才培養(yǎng)嚴(yán)重滯后之間的矛盾日益突出，給風(fēng)電場(chǎng)后期運(yùn)行與維護(hù)帶來(lái)巨大風(fēng)險(xiǎn)與嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。且隨著風(fēng)電建設(shè)的加快，風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)維工作量將與日俱增，因此單純依靠人工分析數(shù)據(jù)、排除故障已經(jīng)不能滿足風(fēng)電場(chǎng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的全面維護(hù)，這些都導(dǎo)致了風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維困難，運(yùn)行效率與資源綜合利用率低下。

三、難調(diào)度

風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模和所占電網(wǎng)電源比重越來(lái)越大，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量和電力系統(tǒng)安全運(yùn)營(yíng)的影響也越來(lái)越大，而目前已投運(yùn)風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)故障和擾動(dòng)的過(guò)濾能力不強(qiáng)。國(guó)家電網(wǎng)出臺(tái)了《風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)規(guī)范》，要求風(fēng)電場(chǎng)對(duì)發(fā)電生產(chǎn)進(jìn)行計(jì)劃上報(bào)，并能對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行電能調(diào)度。風(fēng)電場(chǎng)集控系統(tǒng)迫切需求增加該功能，并且改造風(fēng)電機(jī)組主控及變流器具備有功無(wú)功調(diào)節(jié)功能。

四、重要運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問(wèn)題

風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，除了風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量、功率曲線、可利用率等少數(shù)幾個(gè)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期存儲(chǔ)外，沒(méi)有對(duì)其他風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與分析，這些數(shù)據(jù)是風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要運(yùn)行數(shù)據(jù)，也是風(fēng)電場(chǎng)選址，風(fēng)電機(jī)組選型的重要依據(jù)。沒(méi)有對(duì)這些運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與分析，造成了風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)與風(fēng)電場(chǎng)選型是個(gè)開(kāi)環(huán)的過(guò)程，不能進(jìn)行改進(jìn)與評(píng)估。

如何有效地對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行管理以及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控,使整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行安全、可靠、經(jīng)濟(jì)；如何解決風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)接入問(wèn)題，滿足電網(wǎng)調(diào)度；如何通過(guò)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，持續(xù)對(duì)風(fēng)電機(jī)組性能進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)選址進(jìn)行評(píng)估，已成為風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，常規(guī)的風(fēng)電場(chǎng)集中監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足要求。

風(fēng)電場(chǎng)信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

風(fēng)電場(chǎng)信息系統(tǒng)，是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過(guò)程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，設(shè)備控制，測(cè)量，參數(shù)調(diào)節(jié)以及事故報(bào)警等功能，可以保證系統(tǒng)的信息完整，正確掌握風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，幫助快速診斷系統(tǒng)故障，提高生產(chǎn)效率,主要由風(fēng)電場(chǎng)智能管理與集控系統(tǒng)平臺(tái)、運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)、智能調(diào)度系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析與評(píng)估系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

一、風(fēng)電場(chǎng)信息系統(tǒng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

該平臺(tái)包括硬件支撐平臺(tái)，標(biāo)準(zhǔn)化通訊接口，風(fēng)電場(chǎng)對(duì)象信息模型，模塊化軟件支撐平臺(tái)，統(tǒng)一超大容量數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)以及引擎系統(tǒng)，一致的對(duì)外數(shù)據(jù)服務(wù)接口。在此數(shù)據(jù)與分析優(yōu)化引擎的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)基本專業(yè)應(yīng)用，如風(fēng)電場(chǎng)基本監(jiān)控功能，啟停機(jī)功能，也可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)智能高級(jí)應(yīng)用，如運(yùn)維服務(wù)項(xiàng)目，智能調(diào)度，數(shù)據(jù)分析與評(píng)估等項(xiàng)目。通過(guò)建立統(tǒng)一的風(fēng)電場(chǎng)與風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)模型，使不同廠家的風(fēng)電監(jiān)控系統(tǒng)，不同型號(hào)的機(jī)組，都可方便接入該系統(tǒng)，其軟件架構(gòu)原理圖如圖2所示。

建立單機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型以標(biāo)準(zhǔn)化各類風(fēng)電機(jī)組，并以此為基礎(chǔ)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)一個(gè)可組態(tài)的風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，具有繪圖、通訊接口調(diào)用、數(shù)據(jù)鏈接、趨勢(shì)圖、報(bào)表、高級(jí)語(yǔ)言接口，數(shù)據(jù)庫(kù)接口、數(shù)據(jù)文件下載及解析、對(duì)外數(shù)據(jù)發(fā)布、互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布等功能。

二、風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)主要包括日常維護(hù)系統(tǒng)和故障專家系統(tǒng)兩部分，日常運(yùn)維主要是通過(guò)統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺(tái)提供的服務(wù)來(lái)完成日常的運(yùn)行與維護(hù)操作，主要包括：運(yùn)行管理、維護(hù)管理、設(shè)備物資管理、檔案管理和安全管理五部分。運(yùn)行管理要求運(yùn)維人員對(duì)日常工作內(nèi)容進(jìn)行錄入和查詢，通過(guò)網(wǎng)上辦公來(lái)規(guī)范風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行管理制度，減少人為差錯(cuò)，提高工作效率。在發(fā)現(xiàn)故障后，系統(tǒng)將自動(dòng)新建缺陷記錄，記錄風(fēng)電機(jī)組編號(hào)、故障代碼、故障開(kāi)始時(shí)間、故障結(jié)束時(shí)間、故障時(shí)長(zhǎng)和故障次數(shù)等，人工只需選擇故障分類，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)故障代碼和故障專家中的信息自動(dòng)列出故障處理方案，方便運(yùn)維人員進(jìn)行處理。風(fēng)電機(jī)組檔案管理記載了每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的基本信息、關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)、缺陷記錄、隱患記錄、維護(hù)記錄。通過(guò)對(duì)所有風(fēng)電機(jī)組及主要部件的生產(chǎn)廠家、型號(hào)等基本參數(shù)進(jìn)行維護(hù)，來(lái)管理風(fēng)電機(jī)組整個(gè)生命周期所有的記錄。該系統(tǒng)還可通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備日常監(jiān)控及運(yùn)行報(bào)表，對(duì)單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，也可進(jìn)行橫向的多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的對(duì)比。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 軟件架構(gòu)原理圖

故障專家系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)設(shè)計(jì)的，具有知識(shí)庫(kù)自學(xué)習(xí)功能的系統(tǒng)，主要包括健康監(jiān)測(cè)和故障診斷兩部分。健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)預(yù)警、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視、狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)、個(gè)性化分析功能?？蓪?shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)常規(guī)設(shè)備監(jiān)控與風(fēng)電機(jī)組健康狀況的診斷。通過(guò)監(jiān)控參數(shù)與報(bào)表分析，可對(duì)風(fēng)電機(jī)組核心控制策略進(jìn)行優(yōu)化，提高風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量，降低風(fēng)電機(jī)組機(jī)械載荷；對(duì)風(fēng)電機(jī)組部件進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化與調(diào)整，提高部件安全性及壽命，提高風(fēng)電機(jī)組可利用率；對(duì)不同風(fēng)電機(jī)組的相同部件運(yùn)行特性分析，分析出部件的缺陷，進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，使風(fēng)電機(jī)組安全性提高，質(zhì)量?jī)?yōu)化。

故障診斷系統(tǒng)主要是針對(duì)故障進(jìn)行常規(guī)統(tǒng)計(jì)、狀態(tài)跟蹤、精準(zhǔn)挖掘和定制分析，通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組故障信息的二次處理，利用故障專家?guī)烊娣治龉收显?、部位和故障特征，?duì)故障進(jìn)行排除。故障專家?guī)焱ㄟ^(guò)人工記錄采集故障和系統(tǒng)自動(dòng)采集故障不斷進(jìn)行更新。除此之外，該系統(tǒng)還具有遠(yuǎn)程專家診斷，維護(hù)計(jì)劃制定，風(fēng)電機(jī)組輔助學(xué)習(xí)等功能。風(fēng)電機(jī)組的故障類型主要有電氣系統(tǒng)故障、傳感器故障、齒輪箱故障、發(fā)電機(jī)故障、機(jī)組震動(dòng)故障、控制系統(tǒng)故障等。系統(tǒng)可配置每個(gè)分類下的具體故障清單和相應(yīng)的解決措施（不同類型風(fēng)電機(jī)組對(duì)應(yīng)不同的故障清單），并可根據(jù)日常維護(hù)積累經(jīng)驗(yàn)完善故障解決措施。該系統(tǒng)運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，從大量的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)中揭示出隱含的，具有潛在價(jià)值的信息，并采用人工智能的方法，根據(jù)故障描述，模糊查詢相關(guān)故障的處理推薦方案，輔助風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)人員進(jìn)行故障排除。該系統(tǒng)的運(yùn)行能降低維護(hù)成本，減小運(yùn)維人員工作量，提高風(fēng)電場(chǎng)年發(fā)電量。

三、風(fēng)電場(chǎng)智能調(diào)度系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

風(fēng)力發(fā)電的隨機(jī)性，間歇性和反調(diào)性造成了并網(wǎng)難題，風(fēng)電場(chǎng)智能調(diào)度系統(tǒng)可解決風(fēng)電場(chǎng)的電網(wǎng)調(diào)度問(wèn)題，滿足電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)技術(shù)。該系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)的調(diào)度指令，結(jié)合當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)況，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀況及風(fēng)電機(jī)組發(fā)電特性，進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)有功無(wú)功調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)可以均衡風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行發(fā)電生產(chǎn)，合理安排檢修；平時(shí)保證盡可能多的風(fēng)電機(jī)組處于運(yùn)行狀態(tài)，減少風(fēng)電機(jī)組啟停機(jī)次數(shù)，特別是在特殊環(huán)境地區(qū)，風(fēng)電機(jī)組保持運(yùn)轉(zhuǎn)，能夠延長(zhǎng)風(fēng)電機(jī)組壽命。

四、風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)分析與評(píng)估系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

統(tǒng)計(jì)分析通過(guò)系統(tǒng)采集所需數(shù)據(jù)，運(yùn)用多種數(shù)學(xué)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合對(duì)比分析、線性分析、相關(guān)性分析和趨勢(shì)預(yù)測(cè)等二次處理，最終得出結(jié)論，并形成圖形、報(bào)表、報(bào)告等標(biāo)準(zhǔn)模板供決策分析用。該系統(tǒng)的應(yīng)用可以優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組核心控制策略，提高風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量；可以優(yōu)化與調(diào)整風(fēng)電機(jī)組部件運(yùn)行參數(shù)，提高部件安全性及壽命，提高風(fēng)電機(jī)組可利用率；分析不同風(fēng)電機(jī)組的相同部件運(yùn)行特性，分析出部件的缺陷，進(jìn)行部件設(shè)計(jì)改進(jìn)。通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，也可對(duì)機(jī)組選型，風(fēng)電場(chǎng)選址，風(fēng)電機(jī)組擺放位置進(jìn)行評(píng)估，挖掘提高機(jī)組回報(bào)率的方法與策略。

五、其他

本系統(tǒng)還加入了系統(tǒng)總覽和綜合管理部分。系統(tǒng)總覽主要用于各風(fēng)電場(chǎng)的地理位置和重要信息的展示，包括：地圖導(dǎo)航、焦點(diǎn)信息、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等。綜合管理可針對(duì)本系統(tǒng)維護(hù)升級(jí)，結(jié)合目前信息化發(fā)展的方向，為用戶提供多種信息交互式的服務(wù)管理，包括角色管理、流程管理、數(shù)據(jù)字典、日志管理，其中數(shù)據(jù)字典可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)維護(hù)、值列表維護(hù)、自動(dòng)編號(hào)設(shè)置、調(diào)度作業(yè)管理等。

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化要求，采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)靈活設(shè)計(jì)，能夠方便地進(jìn)行后期功能擴(kuò)展。

結(jié)語(yǔ)

在未來(lái)，風(fēng)電行業(yè)將繼續(xù)迅速擴(kuò)張，風(fēng)電場(chǎng)將向著大型風(fēng)電場(chǎng)發(fā)展，現(xiàn)有的管理模式已不能滿足未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，大型風(fēng)電場(chǎng)的集中監(jiān)控勢(shì)在必行。而大型風(fēng)電場(chǎng)的智能管理離不開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)，依據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)可對(duì)各種運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行集中存貯和分析，并能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)比較、缺陷分析、預(yù)警、自動(dòng)生成報(bào)表等功能。信息系統(tǒng)，必將朝著領(lǐng)先的信息化服務(wù)，物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算服務(wù)，移動(dòng)終端服務(wù)，故障專家診斷、分析、處理一體化服務(wù)及可持續(xù)定制化功能服務(wù)方向發(fā)展。

本文介紹的風(fēng)電場(chǎng)信息系統(tǒng)建立在模塊化軟件支撐平臺(tái)，統(tǒng)一超大容量數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)以及引擎系統(tǒng)，一致的對(duì)外數(shù)據(jù)服務(wù)接口基礎(chǔ)之上，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)基本專業(yè)應(yīng)用和智能高級(jí)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的可靠、經(jīng)濟(jì)、高效、電網(wǎng)友好、環(huán)境友好和使用安全的目的。提高風(fēng)電場(chǎng)管理高效性，供電可靠性，更好地體現(xiàn)社會(huì)效益和企業(yè)效益。