風(fēng)電場智慧運(yùn)維管理淺談

張艷鋒，田震，楊海濤，陳海濱，王明明

（華潤電力北方大區(qū)新能源運(yùn)維公司，山西 太原 030000）

“物移云大智”時代讓互聯(lián)網(wǎng)與產(chǎn)業(yè)深度融合，智慧風(fēng)電場也是如此，智慧風(fēng)電場是融入電力信息化發(fā)展步伐，利用現(xiàn)代化的新技術(shù)，將人的智慧傳遞到傳統(tǒng)的發(fā)電設(shè)施上，采用智能設(shè)計(jì)、集中監(jiān)控、集中運(yùn)維，提高設(shè)備運(yùn)行效率，構(gòu)建以數(shù)字化交互為基礎(chǔ)的智慧風(fēng)電場。智慧風(fēng)電場將真正實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場的智能控制及智慧發(fā)電，以實(shí)現(xiàn)發(fā)電收益最大化為目標(biāo)，運(yùn)維過程中通過有效數(shù)據(jù)采集，科學(xué)的模型建立、算法優(yōu)化，不斷的提高風(fēng)機(jī)設(shè)備整體可利用率和風(fēng)電場發(fā)電效益。

智慧風(fēng)電場運(yùn)行系統(tǒng)主要包括智慧風(fēng)機(jī)、智慧變電站及相關(guān)系統(tǒng)組成的智慧風(fēng)電系統(tǒng)、區(qū)域集控系統(tǒng)、集團(tuán)大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。

1 智能風(fēng)機(jī)技術(shù)介紹

1.1 自適應(yīng)控制策略

風(fēng)電機(jī)組通過大量傳感器及算法具備自適應(yīng)控制策略，對機(jī)組關(guān)鍵部件監(jiān)測更為充分?？梢酝ㄟ^控制系統(tǒng)優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中的出力情況，包括以下內(nèi)容：

（1）偏航自適應(yīng)。風(fēng)電機(jī)組能夠通過自身控制算法，精確控制偏航對風(fēng)，減少風(fēng)能損失，預(yù)知感風(fēng)，同時能夠滿足機(jī)組自身載荷要求。

（2）變槳自適應(yīng)。風(fēng)電機(jī)組能夠通過控制算法，實(shí)現(xiàn)槳距角的自動尋優(yōu)。

（3）運(yùn)行環(huán)境自適應(yīng)。根據(jù)外部運(yùn)行環(huán)境（風(fēng)況、氣候、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)等）的變化，通過控制算法，實(shí)現(xiàn)功率輸出的自動尋優(yōu)。

（4）設(shè)備健康度自檢測。將傳統(tǒng)的基于傳感器的診斷，轉(zhuǎn)變?yōu)榛谥悄芟到y(tǒng)的預(yù)測。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之后，對風(fēng)機(jī)的硬件、軟件和功能模塊算法等方面進(jìn)行診斷。

1.2 開放的通訊協(xié)議

風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)采集的開放性、并有開放的通訊協(xié)議，使中央監(jiān)控系統(tǒng)可以直接與風(fēng)電機(jī)組通訊，實(shí)現(xiàn)單臺風(fēng)機(jī)和整個風(fēng)電場在正?；蚓o急情況下終止運(yùn)行、單臺風(fēng)機(jī)和整個風(fēng)電場恢復(fù)運(yùn)行、控制參數(shù)的修改、風(fēng)機(jī)所有運(yùn)行參數(shù)的采集。

1.3 其他智能系統(tǒng)

（1）智慧預(yù)警系統(tǒng)。智慧風(fēng)機(jī)構(gòu)建故障預(yù)警系統(tǒng)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)、智能算法處理和分析分鐘級、秒級風(fēng)機(jī)事件和傳感數(shù)據(jù)，并將預(yù)警數(shù)據(jù)發(fā)送給現(xiàn)場人員，通過提前更換將要損壞的部件，避免小故障演變?yōu)楦鼑?yán)重故障的發(fā)生。

（2）故障診斷專家系統(tǒng)。通過掌握設(shè)備過去和現(xiàn)在的運(yùn)行狀態(tài)，在動態(tài)工況下，利用設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生的信息，自搜索歷史匹配故障信息，通過專家自積累、自分析，給出故障診斷信息，并指導(dǎo)給出處理方法與步驟。

（3）智能場群控制。通過先進(jìn)的場群控制可以使風(fēng)電場整體實(shí)現(xiàn)最優(yōu)發(fā)電，場級機(jī)組故障容錯。根據(jù)現(xiàn)場條件及運(yùn)行數(shù)據(jù)分析建立單臺風(fēng)機(jī)的控制尋優(yōu)策略，根據(jù)不同風(fēng)機(jī)的產(chǎn)出與載荷情況，建立風(fēng)電場級尋優(yōu)策略、限電分解、場級尾流尋優(yōu)控制、預(yù)測性尋優(yōu)控制。

1.4 完善的故障穿越系統(tǒng)

風(fēng)電機(jī)組完善的故障穿越系統(tǒng)，包括低電壓穿越、高電壓穿越、有功調(diào)頻及無功調(diào)壓等功能。

2 打造智慧變電站

2.1 總體設(shè)計(jì)

智能變電站自動化系統(tǒng)是運(yùn)行、保護(hù)和監(jiān)視變電站一次設(shè)備的系統(tǒng)，完成變電站的設(shè)備及其饋線監(jiān)視、控制、保護(hù)等功能。智能變電站自動化系統(tǒng)采用開放式分層分布結(jié)構(gòu)，由“三層兩網(wǎng)”構(gòu)成，其中“三層”指站控層、間隔層、過程層；“兩網(wǎng)”指站控層/間隔層網(wǎng)絡(luò)、過程層網(wǎng)絡(luò)。

圖1 智能變電站系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

智能變電站采用合并單元和智能終端進(jìn)行就地?cái)?shù)據(jù)采集與控制，采用光纜代替大量的電纜，取消了傳統(tǒng)電流互感器/電壓互感器的大功率輸入回路，避免電纜帶來的電磁兼容、傳輸過電壓和兩點(diǎn)接地等問題。從根本上解決抗干擾問題，提高傳輸可靠性，如圖1 所示。

2.3 智慧變電站的意義

（1）智慧變電站。智能變電站對電網(wǎng)運(yùn)行信息和設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行分層分類，利用智能告警和遠(yuǎn)程瀏覽技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對信息的按需訪問，減輕了信息處理的壓力，提高了信息的使用效率，實(shí)現(xiàn)了在數(shù)據(jù)模型和圖形的人工維護(hù)，確保了同一處在模型出現(xiàn)的同步性、一致性，達(dá)到了在一處維護(hù)，主站可以直接應(yīng)用的目標(biāo)。

（2）統(tǒng)一的功能和接口規(guī)范、通信標(biāo)準(zhǔn)。智能變電站信息的采集和表達(dá)遵循IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了信息的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范化。智能變電站采用在一處采集，全站共享的信息共享機(jī)制，為各種應(yīng)用提供模型，以及統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)，形成縱向貫通，橫向互通的變電站。全景數(shù)據(jù)平臺為各種應(yīng)用提供統(tǒng)一的接口，實(shí)現(xiàn)信息交互和信息共享，體現(xiàn)了信息的完備性特征，實(shí)現(xiàn)了信息的標(biāo)準(zhǔn)化，信息的唯一性。

圖2 集控中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3 建立區(qū)域集中監(jiān)控中心

3.1 網(wǎng)絡(luò)層建設(shè)

風(fēng)電場遠(yuǎn)程集控中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用開放分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可分為生產(chǎn)信息查詢層、控制層、非控制層和接入層，相應(yīng)的集控中心監(jiān)控系統(tǒng)也由四個局域網(wǎng)組成，分別是：生產(chǎn)控制網(wǎng)（安全I(xiàn) 區(qū)）、生產(chǎn)非控制網(wǎng)（安全I(xiàn)I 區(qū)）、管理信息大區(qū)（安全I(xiàn)II 區(qū)）和接入網(wǎng)（安全I(xiàn)V 區(qū)）。集控中心可以實(shí)時采集四個不同安全分區(qū)的數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)通信程序和運(yùn)行控制模式，實(shí)現(xiàn)集控中心主控級對各個風(fēng)電場的實(shí)時監(jiān)控功能，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2 所示。

集控中心系統(tǒng)通過專線網(wǎng)絡(luò)與下轄的風(fēng)電場相連，與各個風(fēng)電場內(nèi)的通信子站進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)對所接場站可靠、合理、完善的監(jiān)視、測量和控制。實(shí)時采集各子站模擬量、狀態(tài)量、電能量、繼電保護(hù)、自動裝置信息以及風(fēng)機(jī)監(jiān)控、能量管理平臺等的相關(guān)數(shù)據(jù)。

風(fēng)電場各子站配置風(fēng)電場智能通信網(wǎng)關(guān)機(jī)，實(shí)現(xiàn)采集風(fēng)電場內(nèi)升壓站、電能計(jì)量、風(fēng)機(jī)、功率預(yù)測、AGC/AVC 等子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后傳輸至集控中心。風(fēng)電場專用通信網(wǎng)關(guān)裝置可用于直接接入風(fēng)場已有的遠(yuǎn)動系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及其它子系統(tǒng)，對下支持接入風(fēng)場常用通訊規(guī)約，對上支持轉(zhuǎn)發(fā)至上級集控中心。

3.2 遠(yuǎn)控智能巡檢系統(tǒng)

遠(yuǎn)程可視巡檢系統(tǒng)即可以實(shí)時、遠(yuǎn)程規(guī)范施工作業(yè)人員的工作，通過GPS 定位路線，可以規(guī)劃巡檢路徑，擴(kuò)充機(jī)器人巡檢、無人機(jī)巡航等工作。

4 集團(tuán)層面大數(shù)據(jù)分析

對風(fēng)電場安全I(xiàn)/II 區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行直采，如圖3 所示，為后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析提供了基礎(chǔ)，整個平臺涉及到的多個不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流的打通，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)數(shù)據(jù)之間的相互調(diào)用，實(shí)時分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化平臺對風(fēng)電場的信息管理和決策支持、專家診斷和智能運(yùn)維等功能，為智能風(fēng)機(jī)和智能發(fā)配電設(shè)備提供人的智慧，為實(shí)現(xiàn)智慧運(yùn)維奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

智慧風(fēng)電場傳感器數(shù)量多、功能強(qiáng)，需要處理數(shù)據(jù)量大，將海量數(shù)據(jù)傳送到云端，利用大數(shù)據(jù)進(jìn)行海量數(shù)據(jù)分析計(jì)算，并定期推送數(shù)據(jù)分析報告，完成設(shè)備在線數(shù)據(jù)分析預(yù)警、形成風(fēng)機(jī)大數(shù)據(jù)分析中心，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的狀態(tài)檢修和壽命管理。整合區(qū)域內(nèi)部調(diào)度業(yè)務(wù)，采用電網(wǎng)調(diào)度專線，將以調(diào)度管轄區(qū)域風(fēng)電場調(diào)度業(yè)務(wù)統(tǒng)一管理，形成區(qū)域調(diào)度業(yè)務(wù)處理中心，高效完成調(diào)度實(shí)時管理業(yè)務(wù)。以地理交通條件為管理維護(hù)單元，將地理區(qū)域較近的風(fēng)電場現(xiàn)場檢修力量進(jìn)行整合，完成現(xiàn)場的設(shè)備維護(hù)工作，建設(shè)專業(yè)化的設(shè)備維護(hù)隊(duì)伍。最終形成“集團(tuán)層面負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析、設(shè)備預(yù)警、戰(zhàn)略管控；調(diào)度區(qū)域?qū)用婕斜O(jiān)控、集中管理、生產(chǎn)策劃；地理區(qū)域?qū)用嬖O(shè)備檢修、集中維護(hù)、集中實(shí)施；生產(chǎn)現(xiàn)場少人值守”的生產(chǎn)局面。

圖3 風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)及無線傳輸系統(tǒng)

在風(fēng)電業(yè)務(wù)的快速發(fā)展擴(kuò)張形勢下，探索和構(gòu)建新型運(yùn)維體系是公司風(fēng)電運(yùn)營業(yè)務(wù)由快速擴(kuò)張的外延式發(fā)展到提高管理能力的內(nèi)涵式增長轉(zhuǎn)型的必經(jīng)之路，也是推動風(fēng)電發(fā)展的管理創(chuàng)新。它用集中監(jiān)控、少人值守，闡述著集約、簡成；它用區(qū)域檢修、快速響應(yīng)，詮釋著技優(yōu)、高效；它用統(tǒng)一管理、資源優(yōu)化，書寫著平衡、共贏。