推進智慧風電建設(shè)，提高風電核心競爭力

吳智泉

風力發(fā)電是可再生能源的重要力量，持續(xù)引領(lǐng)著能源革命深入推進。隨著人工智能等相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展，國內(nèi)外各相關(guān)機構(gòu)都在推進智慧風電工程。

針對風電的基本特征與智能化水平現(xiàn)狀，筆者以異構(gòu)計算為基礎(chǔ)，采用彈性資源配置策略，從風電生產(chǎn)管理和信息系統(tǒng)兩個維度對智慧風電的體系架構(gòu)進行了探索和研究。

智慧能源的先行者

由于風電的單機系統(tǒng)相對簡單，自動化、信息化程度高，場群分散，智能遠控需求強等特點，風電成為智慧能源的先行者。

智慧不是智能的簡單升級，而是充分展現(xiàn)“類人”的思維模式、價值判斷和相機決策。智慧風電的概念需要進一步明晰，其體系架構(gòu)要能滿足功能的實現(xiàn)。同時，研究智慧風電的實現(xiàn)不能脫離當前信息化發(fā)展水平的現(xiàn)狀，數(shù)據(jù)的獲取、存儲、通信和安全是必須充分考慮的因素。

目前，基于數(shù)字化轉(zhuǎn)型的智慧風電研究已引起國內(nèi)外廣泛關(guān)注，如美國國家可再生能源實驗室的SMART戰(zhàn)略，GE公司的數(shù)字化風電場，遠景的能源互聯(lián)網(wǎng)平臺EnOS，上海電氣的“風云集控”系統(tǒng)。他們都在探索大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)如何為風電場賦能，挖掘風電場的運行規(guī)律和最佳運營模式，實現(xiàn)降本增效。

當前，智慧風電的建設(shè)大多側(cè)重于智能算法、智能運維等局部功能智能化，距離智慧風電還有一定的距離，充分利用人的智慧進行創(chuàng)新的智慧風電體系架構(gòu)研究迫在眉睫。

關(guān)于智慧電廠的體系架構(gòu)，各方也展開了不少研究。但這些研究多是針對煤電、燃機和水電，而由于風電的高度分散特性，這些智慧電廠的架構(gòu)不完全適用。就我國電力行業(yè)現(xiàn)狀而言，智慧風電發(fā)展任重道遠，需要對智慧風電的概念、體系架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)繼續(xù)進行探索和研究，讓未來的風電場更好地自我學(xué)習(xí)、適應(yīng)和運行。

新技術(shù)賦能智慧風電

智慧是一個哲學(xué)范疇，由智力系統(tǒng)、知識系統(tǒng)、方法與技能系統(tǒng)、非智力系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜體系所蘊含的能力，這種能力表現(xiàn)為及時做出正確抉擇，且具有較強的相對性。

智慧風電是先進風力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，與數(shù)字化、信息化、智能化發(fā)展水平密切相關(guān)，具有更強的發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題能力，具有更強的創(chuàng)新發(fā)展能力。

研究認為，未來的智慧風電以數(shù)字化、信息化、標準化為基礎(chǔ)，以管控一體化、大數(shù)據(jù)、云平臺、物聯(lián)網(wǎng)為平臺，以數(shù)字孿生技術(shù)為輔助，以異構(gòu)計算（包括計算能力、計算方法和計算層次）為核心任務(wù)，高效融合計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)，通過“人—機—網(wǎng)—物”跨界融合，形成“邊緣+云端”結(jié)合的全層次開放架構(gòu)，實現(xiàn)不同層級的智慧，追求不斷提升風電智能化水平（包括智能感知、智能運維、智能控制、智能決策）的目標，完成更加友好、安全、經(jīng)濟、可靠的能源供應(yīng)。

智慧風電具有學(xué)習(xí)性、成長性、開放性、異構(gòu)性、友好性等基本特征。智慧風電系統(tǒng)從感知到?jīng)Q策，在數(shù)據(jù)的全生命周期過程中，不同層級的計算能力和側(cè)重點不同。隨著系統(tǒng)的演化，每個層級持續(xù)自我學(xué)習(xí)，有所側(cè)重地提升，具備自我成長性。下層提供計算處理后的數(shù)據(jù)支撐，上層完成更加綜合的數(shù)據(jù)計算和處理，并對下層予以指導(dǎo)、協(xié)調(diào)和完善，構(gòu)成一個不斷自我完善的生態(tài)系統(tǒng)。

智慧風電體系每層提供標準化、模型化的開放接口，通過“人—機—網(wǎng)—物”跨界融合，實現(xiàn)架構(gòu)的全層次開放。智慧風電需要構(gòu)建融合不同層次的多元異構(gòu)的計算架構(gòu)體系，實現(xiàn)多種智能技術(shù)在風電行業(yè)的集成應(yīng)用。智慧風電更要實現(xiàn)與自然環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、人文環(huán)境、電網(wǎng)環(huán)境的高度融合，其內(nèi)部的交互性也必然是友好的。

智慧風電的體系架構(gòu)

在一定意義上，每一個風電場都相當于一個小型電網(wǎng)，是地理位置較廣，具有一定規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且控制手段復(fù)雜多樣。構(gòu)建智慧風電，離不開對廣域分布的“小型電網(wǎng)”的智能化及其與骨干電網(wǎng)智能交互的研究。智慧風電架構(gòu)可以從以下兩個維度展開：

一是智慧風電的生產(chǎn)管理維度，分為：1.風機級，也就是要能自我調(diào)節(jié)、自我保護，對重大故障直接反應(yīng)等基本功能的智能風機;2.場站級，也就是基于智能電網(wǎng)技術(shù)，能自主控制、自主優(yōu)化，對環(huán)境（包括風資源、電網(wǎng)）的快速反應(yīng)能力;3.集控級，要求全面分析、全面統(tǒng)籌，對所屬場站的智能化管理，實現(xiàn)智能運維;4.集團化管控級的任務(wù)是實現(xiàn)智慧發(fā)展，要求持續(xù)學(xué)習(xí)、持續(xù)優(yōu)化，分類、分階段指導(dǎo)風電智慧化發(fā)展。

二是智慧風電的信息系統(tǒng)維度，分為：基礎(chǔ)設(shè)施級（硬件基礎(chǔ)）、支撐平臺級（軟件基礎(chǔ)架構(gòu)）、應(yīng)用平臺級（建設(shè)目標的各類應(yīng)用）等三個部分。

對上述兩個維度的有機融合是智慧風電建設(shè)的基本要求。

智慧風電體系架構(gòu)高效融合計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)，以多元異構(gòu)可信計算為基礎(chǔ)來構(gòu)建，具備計算資源彈性配置能力以滿足不同需求，整個體系結(jié)構(gòu)的不同層次引入不同計算能力使之更加高效、實時地處理數(shù)據(jù)，使風電系統(tǒng)達到精準感知、快速應(yīng)對、系統(tǒng)思維和全面開放不同層級的智慧。

全生命周期的技術(shù)支撐

風機、場站、集控、集團各層級涉及的關(guān)鍵技術(shù)是智慧風電生產(chǎn)管理體系架構(gòu)的技術(shù)支撐。

智能風機具備深度感知、自我認知和控制、協(xié)同決策的特征，智能風機技術(shù)的研究可提升機組在惡劣工況下的穩(wěn)定性和適應(yīng)能力。

風資源評估及微氣象預(yù)測技術(shù)對風電場的運行效益有重要的影響，緩解電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻壓力，提高風電接納能力的有效手段，為風電場AGC有功自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。

風電場精細化網(wǎng)絡(luò)建模及全狀態(tài)感知為后期的智能分析提供初始的運行狀態(tài)。智能優(yōu)化控制技術(shù)可增強風電對電網(wǎng)安全穩(wěn)定支撐能力，是系統(tǒng)穩(wěn)定靈活運行的保障。適合風電場分散性的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是風電場監(jiān)控通信系統(tǒng)可靠性和安全性的保障。

風電數(shù)據(jù)從感知、采集、傳輸、存儲、處理到應(yīng)用的整個生命周期過程中，各個階段的關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)成了智慧風電的信息系統(tǒng)體系架構(gòu)的技術(shù)支撐。

智能傳感器技術(shù)是實現(xiàn)精準感知的基本硬件保證;風機數(shù)據(jù)精準標準化采集和知識圖譜技術(shù)是評估性能及運行狀況，評估風機健康狀態(tài)的保證和手段;快速有效的數(shù)據(jù)存儲策略是智慧風電數(shù)據(jù)高效傳輸和快速挖掘的可靠保障;多維異構(gòu)、時空關(guān)聯(lián)等特性的風電數(shù)據(jù)融合策略研究，是智慧風電精準系統(tǒng)地決策分析的數(shù)據(jù)質(zhì)量保證。

而異構(gòu)資源的彈性配置技術(shù)，是智慧風電體系架構(gòu)的核心特征，也是智慧風電適應(yīng)不同外部環(huán)境，實現(xiàn)智慧風電系統(tǒng)思維，構(gòu)建良好風電生態(tài)的有力保證。

同時，利用數(shù)字孿生技術(shù)在虛擬空間中構(gòu)建實體風機映射，通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)分析風機/風場實時狀態(tài)，實現(xiàn)機組優(yōu)化控制;借助大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等信息技術(shù)，通過技術(shù)手段實現(xiàn)數(shù)據(jù)指定范圍內(nèi)可查、可控、可信，是不可或缺的一部分。

智慧風電是發(fā)電過程中的數(shù)字化、信息化和標準化發(fā)展的必然產(chǎn)物，是物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等多種技術(shù)的深度融合，具有開放性、學(xué)習(xí)性、成長性、異構(gòu)性和交互性的特點。

智慧風電對推進風電行業(yè)發(fā)展，打造我國風電的核心競爭優(yōu)勢，建設(shè)綠色低碳、安全高效的現(xiàn)代智慧新能源體系，推動能源革命縱深發(fā)展具有重要意義。

（作者系中國大唐集團新能源科學(xué)技術(shù)研究院院長）