淺析風(fēng)電場的智能化發(fā)展歷程

摘 ?要：本文以當(dāng)前風(fēng)電場的運行狀態(tài)和發(fā)展情況為基礎(chǔ)，針對風(fēng)力發(fā)電的主要核心技術(shù)著重介紹了風(fēng)電場智能化中數(shù)據(jù)管理平臺、通信網(wǎng)絡(luò)、風(fēng)功率預(yù)測、電氣設(shè)備、有功無功控制等主要設(shè)備的構(gòu)成及功能設(shè)計，以及對未來風(fēng)電場構(gòu)建所具備的特性進行了分析和探究，以上系統(tǒng)功能、特性的應(yīng)用將會增加風(fēng)電場運行的可靠性、提高運行檢修的安全系數(shù)，擴大產(chǎn)能效益以及促進電力系統(tǒng)的科學(xué)調(diào)度，并對未來智能電網(wǎng)的發(fā)展建設(shè)具有一定推動作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)管理;風(fēng)功率預(yù)測;智能通信;控制策略

中圖分類號：TM614 ???文獻標(biāo)識碼：A ???文章編號：2096-6903（2019）03-0000-00

0 引言

隨著國家新能源風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，電力網(wǎng)絡(luò)的安全、高效、可靠、清潔重要性日趨突出，在國家智能電網(wǎng)一系列標(biāo)準(zhǔn)框架制定推出以前，對智能化風(fēng)電場建設(shè)的推進和研究顯得尤為重要。通過對智能風(fēng)電場研究探索，令其與智能電網(wǎng)無縫對接可以有效的減小分布式發(fā)電的大量接入對電網(wǎng)的負面影響，從而改善電力調(diào)度調(diào)峰調(diào)壓的嚴(yán)峻形勢，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和可靠供電，對于提高系統(tǒng)供電質(zhì)量和風(fēng)電領(lǐng)域的運行效率，推進我國智能電網(wǎng)的發(fā)展和智能化風(fēng)電場的建設(shè)具有十分重要的意義。

我國風(fēng)電場多分布于三北，東南沿海及內(nèi)陸局部地區(qū)，大部分風(fēng)電機組地處偏遠，環(huán)境惡劣，臺風(fēng)、雷暴、積冰、鹽霧、沙塵暴等災(zāi)害性天氣遍布其中，對風(fēng)電機組本身的性能質(zhì)量和升壓系統(tǒng)的長期安全穩(wěn)定運行提出嚴(yán)峻考驗，另外由于風(fēng)能資源本身無法受控，風(fēng)速的大小更不可能人為地對其進行調(diào)節(jié)，由此導(dǎo)致捕捉到的風(fēng)能本身具有間歇性和蘊含能量的隨機性，因此產(chǎn)生的電能輸送到系統(tǒng)中勢必會對全網(wǎng)的電能質(zhì)量和安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)風(fēng)電場的系統(tǒng)配置、運維管理和調(diào)度集控形式已經(jīng)很難滿足當(dāng)今電網(wǎng)發(fā)展的需求，新型智能化風(fēng)電場系統(tǒng)的出現(xiàn)將使當(dāng)前風(fēng)電場的運維現(xiàn)狀和存在的問題都會得到較大改觀。

1 智能風(fēng)電場主要構(gòu)成

對未來風(fēng)電場的設(shè)計研究更加傾向于對智能化系統(tǒng)方向進行探索，智能化風(fēng)電場的主要研究內(nèi)容涉及到風(fēng)電功率預(yù)測，數(shù)據(jù)管理，通信網(wǎng)絡(luò)，有功無功控制以及相配套的電氣設(shè)備等，本文著重介紹風(fēng)電場智能化系統(tǒng)的應(yīng)用及特性。

1.1 數(shù)據(jù)管理平臺

風(fēng)電數(shù)據(jù)管理平臺是將風(fēng)電場所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理的綜合處理系統(tǒng)，主要涵蓋風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)、變電站監(jiān)控系統(tǒng)、功率控制系統(tǒng)、風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)、箱變監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)度自動化系統(tǒng)等模塊，實現(xiàn)為風(fēng)電場的各項數(shù)據(jù)的采集、分析、存儲、以及指令的下發(fā)等功能，達到應(yīng)用數(shù)據(jù)統(tǒng)一收發(fā)，遠程監(jiān)控指令精確迅速，信息綜合處理的智能風(fēng)電場數(shù)字管理平臺。目前風(fēng)電場配備的監(jiān)控系統(tǒng)種類和傳輸接口形式繁雜多樣，實現(xiàn)功能各有不一。系統(tǒng)之間信息交互由于缺乏統(tǒng)一的接口規(guī)范和數(shù)據(jù)模型經(jīng)常出現(xiàn)協(xié)議匹配、報文傳輸、軟硬件兼容等問題，這就增加了升壓站集控難度，降低了監(jiān)控數(shù)據(jù)的互通性，并且不利于調(diào)度指令的順暢下達。隨著日益增加的數(shù)據(jù)端口和精確實時的監(jiān)測控制要求，風(fēng)電系統(tǒng)大數(shù)據(jù)處理存儲終端研究建設(shè)迫在眉睫。數(shù)據(jù)管理平臺的建立可以有效排除數(shù)據(jù)采集混亂，提高信息處理速度，改善信源傳輸質(zhì)量，海量儲備大數(shù)據(jù)資源，保證了生產(chǎn)數(shù)據(jù)評估能力，縮減管理設(shè)備的重復(fù)投資。

1.2 通信網(wǎng)絡(luò)

風(fēng)電場的通訊業(yè)務(wù)主要分為場內(nèi)和場外兩種網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，場內(nèi)分為升壓站電氣設(shè)備、風(fēng)電機組的各項運行數(shù)據(jù)的采集控制，包括運行機組的電氣量、傳感器反饋、控制指令以及視頻監(jiān)控等;場外傳輸主要是針對電力調(diào)度機構(gòu)和遠程集控中心兩大部分，傳輸?shù)男畔⒅饕菆鰞?nèi)輸變電運行狀態(tài)的各項參數(shù)以及上級指令的下發(fā)。由于風(fēng)電機組分布相對較為分散，信息互傳要求質(zhì)量較高，風(fēng)電場智能通信的研究建設(shè)方向則將基于OPC規(guī)范和IEC61400-25標(biāo)準(zhǔn)，以遠控星形網(wǎng)狀和集電線路內(nèi)部環(huán)狀拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為主的光纖傳輸方式，利用以太網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)進行有線和無線網(wǎng)絡(luò)共同配合搭載在生產(chǎn)運行與調(diào)度自動化系統(tǒng)中，可以對現(xiàn)場設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、發(fā)信、參數(shù)調(diào)整和事故告警等。以滿足風(fēng)電場內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)的承載能力和安全、高效的傳輸需求。

1.3 風(fēng)功率預(yù)測

隨著風(fēng)電裝機容量在電網(wǎng)中所占比例不斷增加，特別是風(fēng)電集群、整裝風(fēng)場的出現(xiàn)，風(fēng)電場的接入系統(tǒng)電壓等級也隨之提高。所以，風(fēng)電機組大規(guī)模頻繁集中并網(wǎng)/脫網(wǎng)會對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生較大影響。引入風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)參與到調(diào)度日常運行管理的范疇內(nèi)將逐漸成為可能，風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)用于電力調(diào)度可以有效地減小風(fēng)電機組隨機性和波動性對系統(tǒng)的相關(guān)控制難度。而智能風(fēng)電場功率預(yù)測的研究在現(xiàn)有的預(yù)測機制中引入灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、廣義神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機SVM、小波分析和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多算法的人工智能模型，多種建模機制相結(jié)合，改善提高天氣預(yù)報精度，根據(jù)設(shè)定程序?qū)Ξ?dāng)?shù)仫L(fēng)能的捕捉算法與實時數(shù)據(jù)連續(xù)校核并進行自我修正，根據(jù)歷史氣候變化和風(fēng)能資源的分布自動識別對應(yīng)、自我學(xué)習(xí)，采用多種容錯機制，以應(yīng)對風(fēng)電場各種突發(fā)天氣變化引起的改變，有效提升預(yù)測的準(zhǔn)確率、上報數(shù)據(jù)的合格率以及預(yù)測系統(tǒng)的魯棒性。采用數(shù)值氣象預(yù)報將物理預(yù)測模型和統(tǒng)計預(yù)測模型結(jié)合細化短期預(yù)測精度，拓寬中長期預(yù)測時間跨度，完善映射關(guān)系提高輸出功率的預(yù)測準(zhǔn)確程度。

1.4 電氣設(shè)備

風(fēng)電場智能化電氣設(shè)備的研發(fā)主要針對升壓站輸變電系統(tǒng)、風(fēng)電機組箱監(jiān)控以及風(fēng)電機組控制系統(tǒng)等幾方面。智能風(fēng)電場電氣設(shè)備構(gòu)建上參照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容框架，采用智能終端、電子式互感器、智能開關(guān)、在線監(jiān)測等先進智能設(shè)備，達到場內(nèi)信息化和網(wǎng)絡(luò)化要求，實現(xiàn)自動采集設(shè)備信息，并根據(jù)場內(nèi)設(shè)備和電網(wǎng)需求進行實時控制、智能調(diào)節(jié)并能完成在線分析決策和協(xié)同互動功能，從功能上劃分為變電站層、間隔層和過程層（如圖1所示），并通過分層分布開放式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)連接，用以實現(xiàn)升壓站內(nèi)電氣設(shè)備間的信息互聯(lián)互通和與站外風(fēng)電機組、調(diào)度、集控中心間信息共享和操作。從而提高風(fēng)電場運行操作的自動化程度，使站內(nèi)各個分區(qū)統(tǒng)一管理，信息共享。將計算機仿真技術(shù)應(yīng)用到網(wǎng)側(cè)信息管理中，充分提升調(diào)度智能化的控制能力。另外，引入風(fēng)機箱變的智能監(jiān)控裝置，采用微機保護和綜合自動化裝置的應(yīng)用不但能實現(xiàn)狀態(tài)化檢修，增加運行可靠性和安全性，更能適應(yīng)無人值守和調(diào)度自動化的需要。

1.5 有功無功控制

1.5.1 有功控制

風(fēng)電匯入電網(wǎng)的有功功率具有不可儲能性、波動性、間歇性、反調(diào)峰性等特性，電力系統(tǒng)需要預(yù)留更多的旋轉(zhuǎn)備用來彌補，風(fēng)電功率給電網(wǎng)帶來的調(diào)峰調(diào)頻問題正受到廣泛的關(guān)注和研究。目前，由風(fēng)電機組自治發(fā)電的有功控制方式正在向風(fēng)電場群集中發(fā)電控制模式轉(zhuǎn)變，今后風(fēng)電場的有功控制策略將是多元化發(fā)展，考慮各種因素，將不同策略優(yōu)勢互補，盡可能提高有功功率控制的能力，以風(fēng)功率預(yù)測為基礎(chǔ)調(diào)控策略，多種策略因地制宜參與調(diào)控。例文獻對風(fēng)電-水電聯(lián)合運行建模分析，針對季節(jié)互補的特征，驗證了水電調(diào)節(jié)能力可以有效抑風(fēng)電的日內(nèi)及日間波動特性的可行性，這種模式可應(yīng)用到我國東北、南方等風(fēng)電，水電高密集區(qū)作為次要策略參與風(fēng)電功率的調(diào)節(jié)。所以，以風(fēng)電功率預(yù)測為基礎(chǔ)，風(fēng)電集群控制策略、電網(wǎng)約束自動控制、單臺風(fēng)機轉(zhuǎn)動慣量的最優(yōu)調(diào)節(jié)以及建立儲能系統(tǒng)等多種模式相結(jié)合來完成風(fēng)力發(fā)電AGC的精確調(diào)節(jié)將是未來智能風(fēng)電場有功控制發(fā)展的主要方式。

1.5.2 無功控制

無功調(diào)節(jié)應(yīng)兼顧分層分區(qū)，就地平衡的技術(shù)原則，突出風(fēng)電機組的調(diào)節(jié)作用?，F(xiàn)階段多以就地?zé)o功補償裝置調(diào)節(jié)為主，風(fēng)電機組參與補償為輔進行調(diào)節(jié)，即無功控制系統(tǒng)以靜止無功補償裝置和雙饋感應(yīng)發(fā)電機相配合。未來的一段時間內(nèi)，變速恒頻機組在不斷改善有功控制策略的同時，充分發(fā)揮雙饋風(fēng)電機組在整個風(fēng)電場中無功處理的能力，使其參與或獨立完成所連電網(wǎng)的無功調(diào)節(jié)。強電網(wǎng)狀態(tài)下，既能向電網(wǎng)正常輸出有功功率，還可以向電網(wǎng)提供無功功率，來保障網(wǎng)側(cè)的電壓平穩(wěn)，甚至在特殊情況下可以作為無功電源向鄰近無功消耗用戶提供必要的電壓補償。風(fēng)電集群將匯入母線的電壓作為無功控制的中樞節(jié)點，用以統(tǒng)籌管理各風(fēng)電場的輸出電壓，在風(fēng)電場集群內(nèi)部形成無功平衡，實現(xiàn)了向電網(wǎng)輸送電壓的整體合格，達到了降低網(wǎng)損的目的。這種無功控制中心思想以多目標(biāo)的優(yōu)化模型為基礎(chǔ)，適合應(yīng)用無窮大電網(wǎng)母線電壓較低及風(fēng)電出力較大的地區(qū)。

2 智能化風(fēng)電場的特性

今后，智能風(fēng)電場的發(fā)展將是基于無人和少人值守的風(fēng)電機群集中控制處理的風(fēng)電場，風(fēng)電的發(fā)展也將面向大數(shù)據(jù)時代，智能化風(fēng)電場需要通過利用計算機技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化技術(shù)、傳感器技術(shù)實現(xiàn)遙信、遙測、遙控、遙調(diào)、遙視功能對風(fēng)電機組和升壓變電站系統(tǒng)進行測控監(jiān)視。針對未來風(fēng)電場的智能化發(fā)展，作者認為應(yīng)注重以下幾種特性的探究。

2.1 自愈性

在日常風(fēng)電機組運行中，實時掌握機組運行狀態(tài)，及時反饋、快速診斷和自動消除故障隱患發(fā)生的可能，無需或僅需少量人為干預(yù)，最小化或避免風(fēng)機故障停機的必要。風(fēng)機出現(xiàn)故障后自行進入診斷過程，通過設(shè)定的邏輯程序，對故障現(xiàn)象和特征進行甄別和篩選，連續(xù)的評估自測，分別依次進行軟件，硬件和相應(yīng)級別的操作處理，通過控制開關(guān)分合、電力電子元件的高低電平發(fā)信進行調(diào)節(jié)運行中電氣量、轉(zhuǎn)速、角度、溫濕度等參數(shù)的變化，配合復(fù)位和啟、停等風(fēng)機動作，實現(xiàn)對風(fēng)機系統(tǒng)中存在問題元器件的隔離或使其恢復(fù)正常運行，判斷篩選處理后再進入對應(yīng)的分系統(tǒng)處理階段，將狀態(tài)監(jiān)測和自動排除故障結(jié)果綜合反饋給運營數(shù)據(jù)終端，呈現(xiàn)給操作人員進行核查，記錄或者安排現(xiàn)場檢修。

2.2 安全性

由于風(fēng)電機組常年運行于惡劣嘈雜的自然環(huán)境中，為了保障風(fēng)電機組長期有效的安全健康運行，智能化風(fēng)電場要求風(fēng)電機組及變電設(shè)備的性能質(zhì)量更加優(yōu)異，控制系統(tǒng)的健壯性能、機組出力性能和元器件的抗疲勞特性等級更為苛刻，隨著高低壓穿越能力要求的不斷提高，及工裝、降噪、靜電感應(yīng)場強水平以及無線電的干擾等方面的影響，無論是硬件系統(tǒng)還是計算機網(wǎng)絡(luò)遭到外部攻擊時，或是網(wǎng)側(cè)潮流暫態(tài)失穩(wěn)等，智能風(fēng)電場均能針對以上情形作出應(yīng)對措施，有效地排除電力系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)及自然條件等對其產(chǎn)生的危害，即使造成系統(tǒng)失電，也能夠快速切除故障點，重新修復(fù)投入運行。

2.3 集成性

在IEC61850、IEC61968、IEC62357、IEC60870-6/TASE.2等標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上對信息處理功能將采用高度集成的綜合模塊化系統(tǒng)。實現(xiàn)電氣設(shè)備和風(fēng)電機組運行參數(shù)的監(jiān)視、控制、維護。能量管理（EMS）、配電管理（EMS）、調(diào)度自動化、電能質(zhì)量管理平臺等和其他各類信息系統(tǒng)之間的綜合集成，新的系統(tǒng)控制邏輯使它們協(xié)同運行，從而實現(xiàn)多重電力電子裝置的集成控制，電網(wǎng)與風(fēng)力發(fā)電（DG）之間的物理電氣形成互聯(lián)，調(diào)度與集控控制中心以及面向風(fēng)機個體之間的通信，并實現(xiàn)在此基礎(chǔ)上的業(yè)務(wù)集成。從而提高信息化集成程度，避免一二次設(shè)備的重復(fù)設(shè)置和多次投資。

2.4 互操作性

風(fēng)電機群SCADA系統(tǒng)與綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)通過OPC服務(wù)器和相應(yīng)的協(xié)議相互連接起來，實現(xiàn)有功、無功調(diào)度，風(fēng)電機組監(jiān)控，風(fēng)功率預(yù)測，站內(nèi)輸變電設(shè)備統(tǒng)一管理的開放式系統(tǒng)，就地、遠方完成互聯(lián)互操。安裝在風(fēng)電場的SCADA控制系統(tǒng)從發(fā)電機、升壓站等設(shè)備上采集實時運行數(shù)據(jù)，通過企業(yè)專網(wǎng)或衛(wèi)星傳輸通道實現(xiàn)與運營中心通訊，運營中心將收集到的實時數(shù)據(jù)匯總，統(tǒng)一存儲及可視化展現(xiàn)每臺發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)及運行變化趨勢，實現(xiàn)遠程控制、監(jiān)測發(fā)電設(shè)備和診斷發(fā)電設(shè)備故障等功能，便于現(xiàn)場運維人員與運營中心的工作人員協(xié)同工作，對設(shè)備進行維護與檢修、減少設(shè)備平均宕機時間，提高設(shè)備利用率，使每臺發(fā)電設(shè)備在技術(shù)管理和經(jīng)濟效益上達到最優(yōu)，整體上實現(xiàn)企業(yè)改進生產(chǎn)運營效率的戰(zhàn)略目標(biāo)。

3 結(jié)語

長期來看，實現(xiàn)風(fēng)電場的自動化和智能化控制是今后風(fēng)電場的主要發(fā)展趨勢，隨著風(fēng)電場集成性、安全性、自愈性、互操作性等性能的不斷提高，通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)管理平臺、風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)、電氣設(shè)備、有功無功控制裝置等關(guān)鍵應(yīng)用的不斷改進和發(fā)展，將會大大減少風(fēng)電場在建設(shè)運營上人力、物力的投入，有效的提高設(shè)備利用效率，充分利用自然資源，促進地區(qū)經(jīng)濟增長。針對以上近階段風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展作者談了對風(fēng)電場智能化發(fā)展的一些理解和建議，其中有些建議和目標(biāo)還只是在設(shè)想階段，但相信隨著上述各方面技術(shù)特性的改進與創(chuàng)新勢必會推動傳統(tǒng)風(fēng)電場向智能化方向的巨大演變。

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收稿日期：2019-06-01

作者簡介：羅普（1987—），男，山東菏澤人，本科，主要從事風(fēng)電場運維管理。

Analysis of Intelligent Development of Wind Farm

LUO Pu

（Guodian Power Weihai Wind Power Co.， Ltd. Weihai Shandong ?264000）

Abstract：?;In this paper， the current operating status and development of wind farms， based on the core technology of wind power for the main highlights of the wind farm intelligent data management platform， communication networks， wind power prediction， electrical equipment， active and reactive power control， etc. structure and functional design of major equipment， as well as to build the future of wind farms possess characteristics were analyzed and explore the application of these system functions， features， will increase the reliability of wind farm operation and maintenance to improve the operation of the safety factor， and expand production efficiency and the promotion of scientific power system dispatch， and the construction and development of the smart grid has a certain role in the future.

Keywords：?data management; wind power prediction; intelligent communication; control strategy;