淺談SCADA數(shù)據(jù)分析在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維中的應(yīng)用

文 | 張慶運(yùn)，史麗榮

淺談SCADA數(shù)據(jù)分析在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維中的應(yīng)用

文 | 張慶運(yùn)，史麗榮

海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維面臨的挑戰(zhàn)

海上風(fēng)電因風(fēng)況優(yōu)良，資源豐富而備受青睞，裝機(jī)數(shù)量正在快速上升，見圖1和圖2。從數(shù)據(jù)來看，全球每年的平均增長(zhǎng)速度達(dá)到了30%。

盡管看上去前景美好，但是在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，海上風(fēng)電的運(yùn)維成本及維護(hù)難度巨大（圖3）。主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1.交通成本高：運(yùn)維時(shí)需要特殊的交通工具，無論是船只、快艇還是直升機(jī)，其運(yùn)行費(fèi)用都比較高，目前專門用于海上機(jī)組運(yùn)維的船只正在研發(fā)之中。

2.維修成本高：更換機(jī)組大部件需要特殊的吊裝船只，費(fèi)用昂貴；對(duì)備品備件的質(zhì)量可靠性要求高，所以備件成本也高。

3.停機(jī)成本高：由于海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)況較好，一旦停機(jī)，電量損失大；并且，開展維修作業(yè)時(shí)，受天氣因素、海況變化影響較大，導(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)大，留給維修的時(shí)間窗口小，如果錯(cuò)過會(huì)導(dǎo)致無法及時(shí)恢復(fù)發(fā)電，損失電量。

4.人工成本高：對(duì)機(jī)組進(jìn)行維護(hù)或?qū)ζ涔收线M(jìn)行修復(fù)，要求運(yùn)維人員經(jīng)過特殊的培訓(xùn)，具有豐富的經(jīng)驗(yàn)、強(qiáng)健的體魄和一定的理論基礎(chǔ)，還要能夠忍受惡劣的自然環(huán)境和駐外工作的孤獨(dú)，所以海上運(yùn)維的技術(shù)人員成本會(huì)較高。

圖1 2011年－2016年全球累計(jì)海上裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)圖

圖2 中國(guó)歷年海上裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)圖

圖3 海上風(fēng)電現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維實(shí)景圖

以上運(yùn)維費(fèi)用合計(jì)，可能會(huì)超過整個(gè)生命周期內(nèi)的機(jī)組設(shè)備成本。根據(jù)目前英國(guó)運(yùn)維數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，海上機(jī)組的維護(hù)成本占全生命周期成本的25%－30%左右（另有數(shù)據(jù)表明可能達(dá)到35%）。

數(shù)據(jù)分析技術(shù)面臨的機(jī)遇

降低海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維成本的措施是多方面的，比如優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)備的可靠性；改進(jìn)、優(yōu)化進(jìn)入機(jī)組、風(fēng)電場(chǎng)的裝備和措施；做好機(jī)組的運(yùn)營(yíng)維護(hù)規(guī)劃，做到預(yù)測(cè)預(yù)防性維護(hù)，減少修正性維護(hù)的概率和時(shí)間等等。對(duì)于機(jī)組運(yùn)營(yíng)商，在機(jī)組設(shè)備已經(jīng)定型的前提下，可以開展的工作是做好預(yù)測(cè)預(yù)防性維護(hù)，設(shè)計(jì)好運(yùn)營(yíng)維護(hù)的規(guī)劃，以減少進(jìn)入機(jī)組維護(hù)維修的機(jī)會(huì)，選擇在最佳的時(shí)機(jī)進(jìn)行維護(hù)、維修。而要做到這一點(diǎn)，數(shù)據(jù)分析可以發(fā)揮很好的作用。

大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷成熟，使得大數(shù)據(jù)分析越來越被各個(gè)行業(yè)看好，也越來越逐步發(fā)揮其掘金、省錢的角色。通過大數(shù)據(jù)分析，可以優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電輸出、優(yōu)化機(jī)組的設(shè)計(jì)、優(yōu)化機(jī)組的載荷輸出、優(yōu)化機(jī)組的運(yùn)維策略以及降低全生命周期內(nèi)的維護(hù)成本等等。目前，各種工具和平臺(tái)都很多，比如“藍(lán)色巨人”IBM已經(jīng)涉足風(fēng)電運(yùn)維的數(shù)據(jù)分析支持業(yè)，各個(gè)風(fēng)電運(yùn)營(yíng)商也都越來越重視數(shù)據(jù)的分析， 看到了運(yùn)行數(shù)據(jù)的價(jià)值，成立了自己的數(shù)據(jù)分析中心。在這方面，龍?jiān)措娏?、中廣核風(fēng)電等國(guó)內(nèi)大企業(yè)都已經(jīng)走在了行業(yè)前列。

機(jī)組運(yùn)維正在向精細(xì)化、專業(yè)化方向發(fā)展。同時(shí)，機(jī)組運(yùn)維數(shù)據(jù)分析技術(shù)也正在向以下三個(gè)方向發(fā)展：

1.開展多種數(shù)據(jù)源，進(jìn)行綜合、全面的分析，包括在線振動(dòng)數(shù)據(jù)、油液質(zhì)量數(shù)據(jù)、電能質(zhì)量數(shù)據(jù)等（預(yù)診斷和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在海上機(jī)組非常必要，比如除了溫度壓力振動(dòng)等常規(guī)參數(shù)， 還要檢測(cè)溫度場(chǎng)、熱像、絕緣、圖像自動(dòng)傳輸、電池健康自我診斷等）。

2.動(dòng)態(tài)、在線式數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)得到逐步的應(yīng)用，并逐步應(yīng)用到機(jī)組的全生命周期；（定期地或者在某種條件下觸發(fā)，啟動(dòng)針對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行分析，以診斷機(jī)組的各種響應(yīng)狀態(tài)和健康狀態(tài)，比如說現(xiàn)在的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，就需要進(jìn)一步提高：信號(hào)采集中要包括風(fēng)速、功率、風(fēng)向偏差，要具備在多種條件下觸發(fā)采集的功能，以利于準(zhǔn)確分析）。

3.各種高級(jí)數(shù)據(jù)分析算法被逐步實(shí)踐應(yīng)用，數(shù)據(jù)分析逐步向認(rèn)知計(jì)算的方向發(fā)展。

4.基于SCADA數(shù)據(jù)分析的維護(hù)支持策略－預(yù)防性、預(yù)測(cè)性維護(hù)。機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，SCADA系統(tǒng)一直在記錄存儲(chǔ)著機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。其特點(diǎn)是數(shù)據(jù)采樣周期較長(zhǎng)（秒級(jí)數(shù)據(jù)或者更長(zhǎng)的間隔），記錄著機(jī)組運(yùn)行過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的體量較?。磕暌粋€(gè)5萬千瓦的風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)量在數(shù)百G的容量）。針對(duì)SCADA數(shù)據(jù)的分析不需要增加額外的硬件采集系統(tǒng)，成本較低，數(shù)據(jù)分析方便。但是，由于其數(shù)據(jù)采樣率較低，對(duì)于機(jī)組動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析還需要借助于專門的數(shù)據(jù)采集軟件作支持。

鑒于海上機(jī)組的建設(shè)高投入，高運(yùn)維費(fèi)用的現(xiàn)狀，對(duì)于機(jī)組的運(yùn)維策略將不能再按照目前陸上機(jī)組的粗放式運(yùn)維方式進(jìn)行，否則，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的利潤(rùn)根本無法保證。相反地， 必須采取精細(xì)化運(yùn)維方式，將風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維的層次從被動(dòng)的救火式維修、定期檢修，上升到狀態(tài)檢修，并逐步發(fā)展到運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析進(jìn)行預(yù)防、預(yù)測(cè)性運(yùn)維方式。

對(duì)機(jī)組SCADA數(shù)據(jù)開展分析，是對(duì)機(jī)組運(yùn)維數(shù)據(jù)分析的第一步。通過對(duì)機(jī)組SCADA數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)機(jī)組的亞健康狀態(tài)，總結(jié)機(jī)組運(yùn)行的狀態(tài)趨勢(shì)，預(yù)測(cè)機(jī)組的健康趨勢(shì)，評(píng)估機(jī)組的部件性能，根據(jù)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，計(jì)劃性地安排機(jī)組的維護(hù)和維修，減小進(jìn)入機(jī)組的停機(jī)次數(shù)，尤其是針對(duì)于海上機(jī)組，進(jìn)入機(jī)組的難度、成本、風(fēng)險(xiǎn)都很大的情況，從而減少計(jì)劃外停機(jī)，減少電量損失。所以，基于SCADA的數(shù)據(jù)分析可以為優(yōu)化維護(hù)策略、開展預(yù)防性、預(yù)測(cè)性維護(hù)提供支持。

要對(duì)SCADA數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，首先要掌握機(jī)組SCADA各個(gè)變量的物理意義以及各個(gè)變量之間的因果關(guān)系，設(shè)計(jì)一些評(píng)估機(jī)組健康狀態(tài)的指標(biāo)和指標(biāo)的算法，并優(yōu)化機(jī)組健康報(bào)警指標(biāo)的閾值。利用大數(shù)據(jù)分析的各種技術(shù)，比如常規(guī)的概率統(tǒng)計(jì)方法，支持向量機(jī)SVM算法、ANN技術(shù)、貝葉斯算法等，來找出各種指標(biāo)與機(jī)組健康狀態(tài)之間的關(guān)系及評(píng)價(jià)結(jié)果。這些指標(biāo)和機(jī)組健康狀態(tài)之間的因果關(guān)系判斷需要風(fēng)電行業(yè)的專家給予機(jī)理上的支持。

根據(jù)SCADA數(shù)據(jù)，可以分析的指標(biāo)有機(jī)組的功率輸出性能、關(guān)于機(jī)組各個(gè)部件溫度－載荷的關(guān)系、各種壓力、轉(zhuǎn)矩、機(jī)組的振動(dòng)狀態(tài)、軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)、齒輪箱的潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)的健康狀態(tài)、葉片的表面質(zhì)量、風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)的健康等等，通過這些指標(biāo)的分析， 對(duì)機(jī)組各個(gè)部件的健康狀態(tài)、發(fā)展趨勢(shì)、影響后果、緊迫程度等給出評(píng)級(jí)和分類。

根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果和部件健康等級(jí)分類，制定相應(yīng)的主動(dòng)維修策略、優(yōu)化維護(hù)、維修計(jì)劃，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)、預(yù)防性維修，減少對(duì)機(jī)組的進(jìn)入次數(shù)，從而減小機(jī)組的停機(jī)時(shí)間，減少電量損失，降低運(yùn)維成本。

SCADA數(shù)據(jù)分析的局限與存在的問題

目前，對(duì)于SCADA數(shù)據(jù)分析還存在以下問題和局限性：

首先，SCADA數(shù)據(jù)變量存儲(chǔ)規(guī)范和數(shù)據(jù)共享規(guī)范。由于各個(gè)主機(jī)廠家的設(shè)計(jì)思路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)構(gòu)架不同，開展對(duì)不同品牌機(jī)組的SCADA數(shù)據(jù)分析時(shí)，數(shù)據(jù)的訪問和提取方式，數(shù)據(jù)的格式和規(guī)范、機(jī)組狀態(tài)變量存儲(chǔ)的數(shù)量和采樣間隔都不相同，而有的主機(jī)商對(duì)機(jī)組變量的開放范圍也不相同，這就為第三方數(shù)據(jù)分析開展帶來一些障礙，所以，對(duì)于機(jī)組SCADA數(shù)據(jù)的變量存儲(chǔ)規(guī)范和數(shù)據(jù)共享規(guī)范還需要建立和完善。

其次，在實(shí)際的數(shù)據(jù)分析中，還發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的完整性有待完善，數(shù)據(jù)出現(xiàn)中斷情況。數(shù)據(jù)的中斷可能導(dǎo)致關(guān)鍵的一段數(shù)據(jù)丟失，為數(shù)據(jù)分析錯(cuò)失一些寶貴的預(yù)警機(jī)會(huì)。所以，對(duì)于SCADA系統(tǒng)的可靠性還需要從軟件設(shè)計(jì)、通信硬件質(zhì)量改善、傳輸介質(zhì)質(zhì)量方面進(jìn)行提高。

再者，對(duì)于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的采集方式在SCADA系統(tǒng)中還需要加強(qiáng)和完善。還需要增加報(bào)警或者故障錄波的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SCADA數(shù)據(jù)中的機(jī)制。這樣，對(duì)于故障錄波高分辨率采樣數(shù)據(jù)的分析就會(huì)變得更加便捷，可以為機(jī)組的健康診斷模型的建立提供更多的樣本。當(dāng)前的故障錄波數(shù)據(jù)大多還是以平面文件方式存儲(chǔ)在機(jī)組主機(jī)的本地控制器上，還需要手動(dòng)下載，這給數(shù)據(jù)訪問的自動(dòng)化帶來了額外工作。

圖4 某機(jī)型機(jī)組發(fā)生三相電流不平衡頻次統(tǒng)計(jì)圖

圖5 三相電流偏差與轉(zhuǎn)速關(guān)系散點(diǎn)圖

圖6 三相電流偏差與功率之間關(guān)系散點(diǎn)圖

分析案例分享

在此，分享兩個(gè)基于SCADA數(shù)據(jù)分析的案例。

案例一：三相電流不平衡

圖4、圖5和圖6是某2MW機(jī)型出現(xiàn)上網(wǎng)電流不平衡的案例，該機(jī)組的變槳系統(tǒng)屬于液壓驅(qū)動(dòng)型。在我們對(duì)數(shù)據(jù)分析之前，運(yùn)營(yíng)商一直被該問題所困擾。

我們對(duì)SCADA的數(shù)據(jù)進(jìn)行了大量的分析和統(tǒng)計(jì)。從數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，該機(jī)型存在著大量的三相電流不平衡現(xiàn)象，如圖4所示。

我們對(duì)電流不平衡跟功率、轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，如圖5和圖6所示。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)圖形上的特征，我們對(duì)SCADA的秒級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行了更進(jìn)一步的分析，發(fā)現(xiàn)電流偏差和液壓系統(tǒng)的壓力具有如圖7所示的關(guān)系。

圖7說明，電流偏差和液壓系統(tǒng)壓力有關(guān)系，在液壓站電機(jī)（30kW）啟動(dòng)打壓的時(shí)候，出現(xiàn)了電流不平衡。

進(jìn)一步地對(duì)液壓站電機(jī)的控制回路做檢查，發(fā)現(xiàn)是液壓站電機(jī)接觸器的燒蝕引起了三相電流不平衡，并且這種電流不平衡偏差可能達(dá)到了200A以上，存在著嚴(yán)重的安全隱患。液壓站電機(jī)接觸器的燒蝕圖片如圖8。

同時(shí)，我們分析了電流偏差和發(fā)電功率之間的關(guān)系如圖9，表明在發(fā)生三相電流不平衡時(shí)，無功功率發(fā)生了波動(dòng)和沖擊的現(xiàn)象。

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，我們分析在并網(wǎng)時(shí)無功波動(dòng)是由于并網(wǎng)濾波回路造成的，經(jīng)過檢查，并網(wǎng)濾波接觸器發(fā)生了嚴(yán)重的燒蝕，如圖10。

對(duì)以上兩個(gè)接觸器進(jìn)行了更換，并對(duì)其他機(jī)組做了相同的檢查與更換，提出了減少電流不平衡的技術(shù)改造方案，找到了電流不平衡的原因，并消除了由于接觸器燒蝕可能帶來的接觸器拉弧、液壓電機(jī)損壞、濾波電容損壞以及火災(zāi)的安全隱患。

以上分析都是基于SCADA數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上開展的，經(jīng)過分析，找到了問題的根源，為機(jī)組的計(jì)劃性維護(hù)和預(yù)測(cè)性維修提供了支持。

案例二：偏航減速器損壞的預(yù)防

圖7 某機(jī)型機(jī)組控制回路壓力與電流差關(guān)系曲線圖

圖8 液壓站電機(jī)接觸器的燒蝕圖片

圖9 三相電流曲線與無功功率關(guān)系曲線圖

圖10 并網(wǎng)濾波接觸器發(fā)生了嚴(yán)重的燒蝕圖片

在機(jī)組偏航系統(tǒng)中，偏航電機(jī)的功率反映著偏航系統(tǒng)的健康狀態(tài)。針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)偏航減速器損壞的機(jī)組SCADA數(shù)據(jù)分析，找出了預(yù)防偏航減速器損壞的措施。圖11是國(guó)內(nèi)一臺(tái)某1.5MW機(jī)型偏航減速器行星架損壞的照片。

從圖11來看，行星架開裂，花鍵套開裂。從力學(xué)上分析，造成這樣損壞的外力應(yīng)該來自于機(jī)艙而不是來自于驅(qū)動(dòng)電機(jī)。由于機(jī)艙沒有被偏航卡鉗可靠地鎖止在塔架上，在大風(fēng)的情況下，風(fēng)力吹動(dòng)造成了機(jī)艙的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使機(jī)艙巨大的轉(zhuǎn)矩?fù)p壞了偏航減速器。經(jīng)過分析，SCADA中反映該機(jī)組偏航功率如圖12。

經(jīng)過分析，由于該機(jī)的偏航功率偏低，究其原因是偏航卡鉗的阻尼調(diào)節(jié)得偏低，使得在大風(fēng)下卡鉗無法將機(jī)艙固定引起的。

使用同樣的分析思路和算法，將其他機(jī)組的最大偏航功率做同樣的分析，找出了其他存在相同隱患的機(jī)組，并加以調(diào)整，避免了偏航減速器的進(jìn)一步損壞。對(duì)該數(shù)據(jù)的分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)偏航襯墊的磨損程度和趨勢(shì)，為物料準(zhǔn)備和計(jì)劃維護(hù)提供指導(dǎo)意見。

圖11 某1.5MW機(jī)型偏航減速器行星架損壞的照片

圖12 某1.5MW機(jī)型最大偏航功率與風(fēng)速關(guān)系散點(diǎn)圖

結(jié)論

對(duì)于機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，當(dāng)然是數(shù)據(jù)越全面、越細(xì)致、數(shù)量越多越好。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)分析技術(shù)的成熟，可以越來越方便地處理分析這些巨量的數(shù)據(jù)。

基于SCADA數(shù)據(jù)分析工作，可以在不需要額外硬件投入的情況下，挖掘SCADA數(shù)據(jù)的價(jià)值，從而為機(jī)組的預(yù)測(cè)性、預(yù)防性維修、維護(hù)策略提供支持。

（作者單位：北京優(yōu)利康達(dá)科技股份有限公司）