關(guān)于上海發(fā)展風(fēng)電智能服務(wù)技術(shù)的建議

上海新能源科技成果轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)促進(jìn)中心 張蓓

在風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中，現(xiàn)有的人工現(xiàn)場運(yùn)行服務(wù)模式已難以滿足快速增長的需要。目前，上海以風(fēng)電整機(jī)企業(yè)和業(yè)主單位為龍頭，整合相關(guān)企業(yè)、高校、研究院所和科研機(jī)關(guān)的研發(fā)資源，在智能控制技術(shù)方面取得了一定的優(yōu)勢。

1 國內(nèi)風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀

中國從2004年開始大規(guī)模發(fā)展風(fēng)電，經(jīng)過10多年發(fā)展，至今已成為世界上風(fēng)電裝機(jī)總量最大的國家，風(fēng)電已成為繼火電、水電之后的中國第三大能源。2017年風(fēng)電新增裝機(jī)容量約1600萬kW，到2017年底，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到1．65億kW（見圖1，2）。根據(jù)《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，“十三五”期間，風(fēng)電將新增裝機(jī)容量8000萬kW以上，其中海上風(fēng)電新增容量400萬kW以上。

圖1 2010-2017年我國風(fēng)電新增裝機(jī)容量及增速

圖2 2010-2017年我國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量及增速

從上述圖標(biāo)可見，我國風(fēng)電裝機(jī)增長勢頭明顯放緩。全國新增并網(wǎng)容量較多的地區(qū)是云南（325萬kW）、河北(166萬kW)、江蘇（149萬kW）、內(nèi)蒙古（132萬kW）和寧夏（120萬kW），與陸上風(fēng)電新增裝機(jī)下降向反。

與此同時(shí)，我國海上風(fēng)電呈現(xiàn)加速發(fā)展勢頭。海上風(fēng)電具有風(fēng)機(jī)發(fā)電量高、單機(jī)裝機(jī)容量大、機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定、不占用土地、不消耗水資源、適合大規(guī)模開發(fā)等陸上風(fēng)電不具備的優(yōu)勢，目前世界風(fēng)電產(chǎn)業(yè)已呈現(xiàn)從陸地向近海發(fā)展的趨勢，未來我國也將加速開發(fā)海上風(fēng)電資源。

我國海上風(fēng)電發(fā)展“十三五”相關(guān)規(guī)劃提出，我國要積極穩(wěn)妥推進(jìn)海上風(fēng)電建設(shè)，根據(jù)資源、建設(shè)條件及建設(shè)基礎(chǔ)等分類推進(jìn)，到2020年，全國海上風(fēng)電開工建設(shè)規(guī)模達(dá)到1000萬kW，累計(jì)并網(wǎng)容量達(dá)到500萬kW以上。重點(diǎn)推動(dòng)江蘇、浙江、福建、廣東等省的海上風(fēng)電建設(shè)，到2020年四省海上風(fēng)電開工建設(shè)規(guī)模均達(dá)到百萬kW以上；積極推動(dòng)天津、河北、上海、海南等省（市）的海上風(fēng)電建設(shè)；探索性推進(jìn)遼寧、山東、廣西等?。▍^(qū)）的海上風(fēng)電項(xiàng)目（見圖3）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2017年8月底，我國海上風(fēng)電開工項(xiàng)目累計(jì)容量已達(dá)到4799．5MW。海上風(fēng)電項(xiàng)目核準(zhǔn)、開工的速度不斷加快。隨著海上風(fēng)電的發(fā)展，各地也都相應(yīng)的調(diào)整了海上風(fēng)電布局。[1]

圖3 各省市海上風(fēng)電規(guī)劃動(dòng)態(tài)調(diào)整情況

2 風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的困境

2013年國家下放風(fēng)電項(xiàng)目審批權(quán)限后，風(fēng)電項(xiàng)目曾迎來一個(gè)短暫的春天。但由于資源結(jié)構(gòu)配置不合理，跨省、跨區(qū)輸電通道不足等原因，風(fēng)電項(xiàng)目行業(yè)長期被“棄風(fēng)限電”的問題所困擾，且有愈演愈烈之勢。國家能源局印發(fā)的《2017年能源工作指導(dǎo)意見》提出“要嚴(yán)格控制棄風(fēng)限電嚴(yán)重地區(qū)新增并網(wǎng)項(xiàng)目，要對棄風(fēng)率超過20%的省份暫停安排新建風(fēng)電規(guī)?！?，又使風(fēng)電項(xiàng)目的發(fā)展回到了寒冬。霧霾污染加劇、北方沙塵來襲等問題，風(fēng)電項(xiàng)目發(fā)展問題再度回到人們視線之中，成為人們關(guān)注焦點(diǎn)之一[2]。如因機(jī)組設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試等工作中的遺留缺陷造成運(yùn)行設(shè)備故障率偏高，風(fēng)電場人員專業(yè)素質(zhì)和管理能力尚處于積累階段，提前預(yù)判設(shè)備缺陷的技術(shù)手段不足，運(yùn)維工作缺乏規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)文件指導(dǎo)，運(yùn)維計(jì)劃制定粗放等，對風(fēng)電場總體提升運(yùn)行小時(shí)數(shù)和發(fā)電效益具有負(fù)面影響，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)風(fēng)電機(jī)組控制技術(shù)

目前風(fēng)電控制技術(shù)多采用傳統(tǒng)控制模式，無法自動(dòng)適應(yīng)機(jī)組運(yùn)行環(huán)境變化、部件性能狀態(tài)變化后對機(jī)組運(yùn)行性能的影響，制約風(fēng)電機(jī)組對風(fēng)能的最大利用，也影響了機(jī)組的可靠性。缺乏智能控制系統(tǒng)測試和驗(yàn)證技術(shù)的研究，不利于智能控制技術(shù)的推廣和應(yīng)用。分散式風(fēng)電在未來幾年將會(huì)得到迅速發(fā)展，但目前在分散式弱電網(wǎng)接入條件下，缺乏風(fēng)電機(jī)組所必須的適應(yīng)性和運(yùn)行方式的研究，將制約分散式接入風(fēng)電的建設(shè)和推廣。

（2）故障預(yù)測

風(fēng)電機(jī)組故障預(yù)測是指在故障發(fā)生前一段時(shí)間，在運(yùn)用SCADA數(shù)據(jù)、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)等對可能發(fā)生故障的早期特征進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對故障發(fā)生概率、故障發(fā)生時(shí)間進(jìn)行預(yù)判的手段。目前，已有風(fēng)電機(jī)組在線監(jiān)測技術(shù)缺乏后續(xù)專家診斷系統(tǒng)支持，數(shù)據(jù)特征得不到充分、準(zhǔn)確的判斷，應(yīng)用效益不顯著；風(fēng)電場配置多個(gè)數(shù)據(jù)平臺，存儲的海量歷史數(shù)據(jù)缺乏系統(tǒng)挖掘分析；不同類型風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)參差不齊，缺少對設(shè)備發(fā)電性能劣化程度的評估分析手段；機(jī)組常因電氣或機(jī)械故障突發(fā)故障停機(jī)，缺乏機(jī)組故障的有效預(yù)測技術(shù)手段；風(fēng)電機(jī)組的預(yù)防性維護(hù)試驗(yàn)缺乏深入系統(tǒng)研究。上述現(xiàn)狀導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組在故障發(fā)展初期得不到及時(shí)維護(hù)，當(dāng)發(fā)展為惡性設(shè)備損壞事故后，將帶來高維修成本和高發(fā)電量損失。

（3）故障診斷和檢修

風(fēng)電機(jī)組故障診斷是指機(jī)組故障發(fā)生并停機(jī)后，運(yùn)用故障數(shù)據(jù)分析、試驗(yàn)、檢修等手段確認(rèn)故障位置和故障原因的過程。風(fēng)電機(jī)組故障跳機(jī)后通常會(huì)報(bào)出成組的故障代碼，專業(yè)面廣、經(jīng)驗(yàn)豐富的高水平人員憑借經(jīng)驗(yàn)可快速排除連帶故障代碼，找到故障根本原因進(jìn)行處理，但目前大部分現(xiàn)場維護(hù)人員只具備進(jìn)行簡單消缺和定期維護(hù)工作的能力，在與后臺專家信息交互效率低下情況下，查找停機(jī)原因的診斷時(shí)間長，檢修實(shí)施時(shí)間長。

（4）運(yùn)維策略

目前，風(fēng)電場因備品備件無法及時(shí)到位，導(dǎo)致機(jī)組故障停運(yùn)時(shí)間大大延長的情況比較普遍；風(fēng)電機(jī)組以故障檢修和定期維護(hù)為主，維護(hù)計(jì)劃的制定主要參照廠家維護(hù)手冊要求，必然存在過度維護(hù)或維護(hù)不足同時(shí)存在的情況；此外，由于風(fēng)電場多處于惡劣自然環(huán)境地區(qū)，因變電站和匯集系統(tǒng)電氣設(shè)備故障造成風(fēng)機(jī)陪停時(shí)間較長也較普遍。

（5）風(fēng)電場設(shè)計(jì)

隨著我國風(fēng)電行業(yè)的加速發(fā)展，大風(fēng)電基地建設(shè)成為中國特色的風(fēng)電發(fā)展模式，目前，由于千萬千瓦級風(fēng)電基地的風(fēng)電場宏觀尾流、風(fēng)機(jī)優(yōu)化布置等問題尚未得到解決，測風(fēng)塔代表范圍尚未形成定量化的分析模型，造成風(fēng)電場設(shè)計(jì)前期測風(fēng)點(diǎn)的選擇具有較強(qiáng)的主觀性。

3 風(fēng)電技術(shù)發(fā)展趨勢

發(fā)展綠色清潔的可再生能源是能源發(fā)展的總體趨勢，風(fēng)力發(fā)電作為當(dāng)前最成熟的綠色能源之一，將在未來幾十年內(nèi)不斷發(fā)展。目前風(fēng)電領(lǐng)域的發(fā)展趨勢：

（1）大容量海上風(fēng)機(jī)技術(shù)

海上風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)建設(shè)和吊裝成本遠(yuǎn)比陸上機(jī)組高，為降低單位功率的基建成本，海上機(jī)組的容量正變得越來越大，對相同容量海上風(fēng)場而言，采用大功率風(fēng)電機(jī)組可減少機(jī)組數(shù)量，提高資源利用率，降低海纜長度及基礎(chǔ)、施工、吊裝成本。

同時(shí)，隨著我國海上風(fēng)電場不斷發(fā)展，灘涂及近岸風(fēng)電場的開發(fā)與海洋綜合利用的矛盾日趨突出，為減少風(fēng)電場占海面積，降低風(fēng)電場開發(fā)與海域使用的矛盾，采用大容量海上風(fēng)機(jī)是一個(gè)有效解決手段。

陸上風(fēng)機(jī)經(jīng)過幾年實(shí)踐，已從技術(shù)層面解決3．6-5MW大型風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)和工藝難題，為更大容量需求的海上風(fēng)機(jī)提供了技術(shù)、工藝等方面的基礎(chǔ)，同時(shí)對海上風(fēng)機(jī)的整機(jī)設(shè)計(jì)提出了更高的系統(tǒng)集成開發(fā)要求。因此，多兆瓦級（6-10MW）海上風(fēng)電機(jī)組必將成為未來海上風(fēng)電項(xiàng)目開發(fā)的主流機(jī)型，代表了未來海上風(fēng)電場發(fā)展方向。

（2）發(fā)展電網(wǎng)友好型風(fēng)電機(jī)組

目前風(fēng)電大規(guī)模接入電網(wǎng)問題的主要方式是讓風(fēng)電機(jī)組具備低電壓穿越功能。2011年12月，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)批準(zhǔn)發(fā)布《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/Z 1996 3-2011）。新國標(biāo)對于低電壓穿越、接入系統(tǒng)測試等提出了更多和更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。針對脫網(wǎng)事故，新國標(biāo)提出了低電壓穿越方面的約束，要求風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%標(biāo)稱電壓時(shí)，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625毫秒，特別是要求風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后2秒內(nèi)能恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。

但電網(wǎng)要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具備低電壓穿越功能僅解決當(dāng)前出現(xiàn)問題，不能從根本上解決風(fēng)電的并網(wǎng)問題。解決風(fēng)電并網(wǎng)問題的關(guān)鍵在于開發(fā)電網(wǎng)友好型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)。電網(wǎng)友好型風(fēng)電機(jī)組除了具備低電壓穿越功能外，還應(yīng)像常規(guī)電力，如火電一樣的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)過程，從而最大程度擺脫風(fēng)力波動(dòng)對電網(wǎng)的影響。

（3）發(fā)展陸上低風(fēng)速機(jī)型

要繼續(xù)開發(fā)陸上剩余的平均風(fēng)速在6．5米/秒的風(fēng)資源，須開發(fā)低風(fēng)速機(jī)型，以充分利用國內(nèi)的風(fēng)資源。

（4）智能運(yùn)行維護(hù)

我國風(fēng)電行業(yè)已成為世界最大風(fēng)電生產(chǎn)國，且仍處于高速發(fā)展階段。在風(fēng)場建設(shè)高速發(fā)展過程中，運(yùn)維問題逐步凸顯。在跨越式的發(fā)展面前，如何對風(fēng)電生產(chǎn)設(shè)備做到統(tǒng)一、及時(shí)、有效和可控的監(jiān)控和管理愈發(fā)重要。對于風(fēng)機(jī)設(shè)備的生產(chǎn)廠商，如何對已投產(chǎn)的風(fēng)機(jī)產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)有效的跟蹤、采集、匯總以及分析和管理，同時(shí)為風(fēng)場業(yè)主方提供快速、高效的售后服務(wù)已日益緊迫。由于我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，普遍存在設(shè)備資產(chǎn)管理水平低、檢修和維護(hù)管理粗放，運(yùn)營績效評估缺失、從業(yè)人員素質(zhì)參差不齊等問題，造成風(fēng)場運(yùn)維費(fèi)用居高不下，增加了風(fēng)電的度電成本，制約了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前落后的運(yùn)維狀態(tài)和高速發(fā)展的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)形成了鮮明的對比，成為目前風(fēng)電市場發(fā)展的最大瓶頸，而破題的關(guān)鍵是構(gòu)建風(fēng)場運(yùn)作的信息化、智能化平臺，打通風(fēng)機(jī)運(yùn)行、后臺監(jiān)控、運(yùn)營維護(hù)單元節(jié)點(diǎn)，讓風(fēng)場自己“思考”、自我“管理”。

4 上海智能運(yùn)維技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

上海風(fēng)電已經(jīng)累計(jì)裝機(jī)超過4000臺，“十三五”期間，風(fēng)電將新增裝機(jī)80-100萬kW，充分具有智能運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)行基礎(chǔ)，目前已經(jīng)開展的工作：

（1）風(fēng)電智能控制系統(tǒng)是智能運(yùn)維系統(tǒng)的重要組成部分，上海的風(fēng)電機(jī)組基本上都采用經(jīng)典理論控制技術(shù)，目前，正在往智能化、信息化方向發(fā)展，今年來，開始探索研究將先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組智能化，如采用自適應(yīng)控制、魯棒控制、變結(jié)構(gòu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制以及若干智能控制方法的結(jié)合等，并獲得了一定研究成果。

（2）在大型風(fēng)電場智能化狀態(tài)監(jiān)控與運(yùn)維調(diào)度系統(tǒng)研究方面，上海前期主要針對風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械部分，以振動(dòng)監(jiān)測為主。

上海還針對風(fēng)電場可靠性研究、功率預(yù)測系統(tǒng)、AGC/AVC優(yōu)化、出力優(yōu)化評估、發(fā)電成本及趨勢分析、備品備件管理等關(guān)鍵理論技術(shù)做了大量的研究。目前正在對風(fēng)電場運(yùn)維系統(tǒng)的故障診斷、可靠性分析、智能優(yōu)化運(yùn)行、智能維護(hù)和備品備件管理等功能進(jìn)行深入的討論和研究。

（3）在大型風(fēng)電場智能化運(yùn)行維護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究方面，上海對風(fēng)力機(jī)在線狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷方面進(jìn)行了研究，研究成果表明在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（CMS）在提升風(fēng)機(jī)生產(chǎn)效率和減少故障停機(jī)時(shí)間方面作用明顯，應(yīng)用不同的風(fēng)電場運(yùn)行維護(hù)關(guān)鍵技術(shù)對風(fēng)電場整體運(yùn)營有直接影響。下一步將對機(jī)組可靠性分析、整機(jī)及傳動(dòng)鏈狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析方法、故障診斷方法等方面開展研究。

5 關(guān)于推進(jìn)上海風(fēng)電智能服務(wù)技術(shù)的建議

（1）發(fā)展戰(zhàn)略。確立通過創(chuàng)建風(fēng)電跨專業(yè)一體化設(shè)計(jì)平臺，開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的新型智能化風(fēng)電機(jī)組；研究開發(fā)基于風(fēng)資源中尺度數(shù)據(jù)分析和自適應(yīng)參數(shù)在線優(yōu)化的智能發(fā)電技術(shù)，提升風(fēng)電場發(fā)電可預(yù)測、故障可穿越、能量可調(diào)度、狀態(tài)可監(jiān)測的柔性接入電網(wǎng)能力；研究風(fēng)電機(jī)組的失效模型和故障相關(guān)性模型，將多元數(shù)據(jù)集成、實(shí)時(shí)信號處理、集群健康管理等應(yīng)用于機(jī)組故障預(yù)診及智能維護(hù)，實(shí)現(xiàn)工作過程中全局健康狀態(tài)和關(guān)鍵部件健康狀況的可視化；通過智能算法評估運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和預(yù)測剩余壽命，從而實(shí)現(xiàn)在故障發(fā)生前通過及時(shí)維護(hù)避免故障的發(fā)生；開發(fā)基于大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)的“風(fēng)云”數(shù)據(jù)平臺，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電協(xié)同設(shè)計(jì)、智能制造、智能發(fā)電和智慧服務(wù)間信息共享。

（2）發(fā)展目標(biāo)。通過一體化設(shè)計(jì)平臺、智能發(fā)電技術(shù)、智能故障診斷、智能算法等技術(shù)研究，建成基于大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)的“風(fēng)云”數(shù)據(jù)平臺，促進(jìn)整個(gè)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在工業(yè)4．0環(huán)境下技術(shù)能級提升，并顯著提升機(jī)組運(yùn)行效率，提升發(fā)電量5%以上，以加強(qiáng)上海風(fēng)電產(chǎn)業(yè)競爭力。

(3)重點(diǎn)發(fā)展方向：著力發(fā)展智能風(fēng)電產(chǎn)品創(chuàng)新技術(shù)。

1)背景及現(xiàn)有基礎(chǔ)

上海在風(fēng)電智能控制系統(tǒng)、智能化狀態(tài)監(jiān)控與運(yùn)維調(diào)度系統(tǒng)、風(fēng)電場可靠性研究、智能化運(yùn)行維護(hù)等技術(shù)上積累了一定的基礎(chǔ)，具備將全部技術(shù)集成創(chuàng)新的條件。

2)關(guān)鍵技術(shù)和預(yù)期效果

①開展面向智能制造的協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)和智能風(fēng)電機(jī)組研究。主要研究內(nèi)容：設(shè)計(jì)與測試驗(yàn)證平臺集成技術(shù)研究、基于載荷優(yōu)化的風(fēng)電整機(jī)設(shè)計(jì)研究、基于發(fā)電量提升的風(fēng)電智能控制策略研究、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的風(fēng)電智能測控系統(tǒng)研究。

②開展面向智能電網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電柔性技術(shù)研究。主要研究內(nèi)容：電網(wǎng)友好型風(fēng)電機(jī)組與風(fēng)電場的技術(shù)體系架構(gòu)、風(fēng)電機(jī)組及場內(nèi)可調(diào)裝置的電壓源控制環(huán)路設(shè)計(jì)及參數(shù)整定方法、電壓源控制下風(fēng)電機(jī)組的故障傳播機(jī)理、特性及保護(hù)。

③開展面向智慧服務(wù)的運(yùn)維支撐性技術(shù)研究。主要研究內(nèi)容：基于專家?guī)旌妥詫W(xué)習(xí)機(jī)制的健康管理平臺的研究、風(fēng)場智能運(yùn)維調(diào)度系統(tǒng)、基于人機(jī)融合的智能巡檢系統(tǒng)及預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)的研究。

④開展基于云技術(shù)的數(shù)據(jù)中心平臺建設(shè)。主要研究內(nèi)容：異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集通訊技術(shù)研究、基于云平臺的數(shù)據(jù)中心建立及數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的研究、基于深度學(xué)習(xí)和傳統(tǒng)技術(shù)的融合，研究視頻和圖像分析技術(shù)，以及語義處理系統(tǒng)，開發(fā)全新一代具有視覺和語言能力的智能監(jiān)控系統(tǒng)。

參考資料：

[1]易躍春，《當(dāng)前我國海上風(fēng)電建設(shè)成本、各省海上風(fēng)電規(guī)劃動(dòng)態(tài)調(diào)整及2020年各省海上風(fēng)電開發(fā)布局情況》．

[2]李小龍．風(fēng)電項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響因素分析與策略研究[D]．河北：華北電力大學(xué)，2016．