試論大數(shù)據(jù)技術(shù)在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估中的應(yīng)用

中車(chē)永濟(jì)電機(jī)有限公司 趙夢(mèng)露 胡 睿

前言

火力發(fā)電為常見(jiàn)的發(fā)電形式，需大量開(kāi)采煤炭資源以供燃燒產(chǎn)生熱能。不僅容易造成資源的浪費(fèi)，且易加重環(huán)境污染。風(fēng)力發(fā)電的出現(xiàn)，為上述問(wèn)題的解決提供了思路。但由于相關(guān)監(jiān)測(cè)技術(shù)欠缺，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)異常情況難以監(jiān)控并及時(shí)得到解決。因此，為使可持續(xù)發(fā)展得以實(shí)現(xiàn)，加強(qiáng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與評(píng)估，提高機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性尤為重要。

1.風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)需求

風(fēng)特性、功率特性、風(fēng)能利用系數(shù)、轉(zhuǎn)矩特性以及推力特性，是決定風(fēng)電機(jī)組性能的主要參數(shù)，也是風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行需監(jiān)測(cè)的主要數(shù)據(jù)。其中，風(fēng)特性即機(jī)組隨自然界風(fēng)力大小及方向的變化而不斷變化的特征，主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)，以風(fēng)速、風(fēng)頻為主。功率特性需以功率曲線(xiàn)表示，指風(fēng)電機(jī)組功率的常規(guī)動(dòng)態(tài)特性，是決定機(jī)組發(fā)電量大小的主要指標(biāo)[1]。風(fēng)能利用系數(shù)，即機(jī)組將由風(fēng)所帶來(lái)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的系數(shù)，以Cp表示，計(jì)算公式如下：

公式中，P代表功率，ρ代表密度，S代表風(fēng)與風(fēng)電機(jī)組接觸的面積，v代表風(fēng)的實(shí)時(shí)速度。因此風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)，為多種因素綜合作用的結(jié)果。轉(zhuǎn)矩與推力，同樣為決定風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行效率的主要指標(biāo)。確保上述指標(biāo)無(wú)異常，且能夠處于穩(wěn)定的狀態(tài)，是提高風(fēng)力發(fā)電可靠性及連續(xù)性的主要途徑。

2.大數(shù)據(jù)技術(shù)在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估中的應(yīng)用方案

為提高風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，某發(fā)電場(chǎng)將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與評(píng)估過(guò)程中。技術(shù)應(yīng)用方法如下：

2.1 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本課題中，風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)，為SCADA系統(tǒng)。系統(tǒng)功能主要包括“信息采集”、“遠(yuǎn)程控制”、“數(shù)據(jù)分析”等。系統(tǒng)依托JAVA進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)為MySQL，以確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。SCADA系統(tǒng)的具體功能如下：（1）信息采集：SCADA系統(tǒng)能夠?qū)嵤┎杉L(fēng)電機(jī)組所處區(qū)域的自然環(huán)境數(shù)據(jù)（以風(fēng)力、風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)為主），通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的觀察，調(diào)整風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)。以確保能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)組存在的異常，并及時(shí)給予維修。（2）遠(yuǎn)程控制：SCADA系統(tǒng)能夠通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的收集，通過(guò)預(yù)警的方式，使機(jī)組故障能夠被維修人員及時(shí)感知，提高故障的維修效率[2]。（3）數(shù)據(jù)分析：SCADA系統(tǒng)能夠?qū)C(jī)組運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)，記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中。并通過(guò)分析數(shù)據(jù)規(guī)律的方式，分析機(jī)組未來(lái)的運(yùn)行狀態(tài)。以確保有關(guān)人員可通過(guò)對(duì)機(jī)組的調(diào)整，提高其運(yùn)行穩(wěn)定性。

2.2 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊

風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊，由數(shù)據(jù)讀取及參數(shù)設(shè)置模塊、波形顯示及故障分析模塊兩部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)讀取及參數(shù)設(shè)置模塊，能夠?qū)崟r(shí)讀取機(jī)組運(yùn)行及其周?chē)h(huán)境的數(shù)據(jù)，波形顯示及故障分析模塊，能夠以波形圖的形式描述當(dāng)前機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，以供相關(guān)人員進(jìn)行分析：（1）數(shù)據(jù)讀取及參數(shù)設(shè)置模塊：當(dāng)監(jiān)測(cè)人員登錄到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中后，可經(jīng)系統(tǒng)直接讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)。為滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)需要，監(jiān)測(cè)人員可通過(guò)SCADA系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)采集的頻率、待采集機(jī)組編號(hào)進(jìn)行設(shè)置。確保系統(tǒng)能夠針對(duì)性的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，提高數(shù)據(jù)的可利用性。（2）波形顯示及故障分析模塊：由時(shí)間信號(hào)、時(shí)頻分析，以及參數(shù)模塊構(gòu)成，可用于針對(duì)性的顯示機(jī)組運(yùn)行信息。例如：監(jiān)測(cè)人員可選擇2018年2月12日作為時(shí)間，選擇“風(fēng)速”作為監(jiān)測(cè)指標(biāo)，得到2018年2月12日的機(jī)組風(fēng)速波形圖，進(jìn)而為有關(guān)人員判斷機(jī)組故障提供參考。

2.3 數(shù)據(jù)及信號(hào)分析

時(shí)域信號(hào)、頻域信號(hào)及時(shí)頻信號(hào)，為顯示風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的主要參數(shù)，均能夠以圖像的形式，呈現(xiàn)在SCADA系統(tǒng)之中。供檢測(cè)人員通過(guò)對(duì)圖像的觀察，判斷風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)是否存在異常。以時(shí)域圖為例，時(shí)域圖為體現(xiàn)時(shí)域信號(hào)隨時(shí)間變化為不斷變化的規(guī)律的圖像。將其應(yīng)用到風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，能夠有效體現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行的平穩(wěn)性。但需注意的是，時(shí)域圖無(wú)法顯示精確的采集數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)人員需利用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，得到最終的信號(hào)分析結(jié)果。時(shí)域圖分析過(guò)程中，信號(hào)的強(qiáng)度將能夠反映風(fēng)電機(jī)組的性能。信號(hào)強(qiáng)度的計(jì)算公式如下：

如時(shí)域信號(hào)較為復(fù)雜，則可將其采用以下公式表示：

根據(jù)上述公式，監(jiān)測(cè)人員能夠詳細(xì)的計(jì)算出時(shí)域信號(hào)的強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的分析，既可大致掌握風(fēng)電機(jī)組目前的運(yùn)行情況。

2.4 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法

以大數(shù)據(jù)技術(shù)為基礎(chǔ)的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與評(píng)估，借助SCADA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，具體監(jiān)測(cè)方法如下：（1）登錄：監(jiān)測(cè)人員應(yīng)通過(guò)輸入“用戶(hù)名+密碼”的方式，登錄至SCADA系統(tǒng)當(dāng)中。利用系統(tǒng)的多種功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。（2）數(shù)據(jù)讀取：SCADA系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，需存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中。監(jiān)測(cè)人員可在登錄后，采用EXCEL格式，將數(shù)據(jù)以表格的形式導(dǎo)出，獲取風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)。（3）參數(shù)設(shè)置：監(jiān)測(cè)人員可分析待監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，并將其輸入至系統(tǒng)當(dāng)中。在此基礎(chǔ)上，判斷數(shù)據(jù)是否為“空”或“零”。如參數(shù)異常，則表明數(shù)據(jù)能夠設(shè)置成功。（4）選定并導(dǎo)入SCADA數(shù)據(jù)后，監(jiān)測(cè)人員應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)需求，選擇數(shù)據(jù)的展示模式。例如：如監(jiān)測(cè)人員需觀察進(jìn)一個(gè)月的風(fēng)力變化趨勢(shì)，則可選擇“曲線(xiàn)模式”，使風(fēng)力的變化趨勢(shì)，能夠以曲線(xiàn)圖的形式體現(xiàn)。進(jìn)而通過(guò)觀察相應(yīng)圖表的途徑，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。

2.5 大數(shù)據(jù)應(yīng)用前后監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

為評(píng)估大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，本風(fēng)電場(chǎng)對(duì)大數(shù)據(jù)應(yīng)用前后風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行情況進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)：（1）大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用前，風(fēng)電機(jī)組1年內(nèi)平均故障次數(shù)為5次，機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性較低，發(fā)電連續(xù)性差。（2）大數(shù)據(jù)應(yīng)用后，進(jìn)一步觀察風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀況發(fā)現(xiàn)，機(jī)組運(yùn)行1年內(nèi)，僅產(chǎn)生1次故障。該故障發(fā)生后，SCADA數(shù)據(jù)立即實(shí)現(xiàn)了預(yù)警。維護(hù)人員收到預(yù)警信息后，立即對(duì)故障展開(kāi)了維修，使故障得到了及時(shí)的解決。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，能夠有效降低風(fēng)電機(jī)組的故障率。對(duì)于機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性及安全性的提升，具有較大的推動(dòng)作用。

3.結(jié)論

綜上所述，本風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)以大數(shù)據(jù)技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與評(píng)估，在提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性方面，取得了良好的效果。我國(guó)風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，可借助其經(jīng)驗(yàn)，積極應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)設(shè)計(jì)信息化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)時(shí)采集風(fēng)電機(jī)組功率、轉(zhuǎn)矩及推力參數(shù)的方式，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并給予調(diào)整。最終使發(fā)電的穩(wěn)定性，以及機(jī)組的性能得以提升。

[1]郭鵬,姜漫利,李航濤.基于運(yùn)行數(shù)據(jù)和高斯過(guò)程回歸的風(fēng)電機(jī)組發(fā)電性能分析與監(jiān)測(cè)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2016,36(8)：10-15+25.

[2]李輝,胡姚剛,李洋.基于溫度特征量的風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件劣化漸變概率分析[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2015,35(11)：1-7+19.