智慧風(fēng)電場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃建議

韓 斌，王忠杰，趙 勇，馬 勇，甘 勇，孫仕輝，李穎峰

智慧風(fēng)電場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃建議

韓 斌1，王忠杰1，趙 勇1，馬 勇1，甘 勇2，孫仕輝2，李穎峰1

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.華能湖南清潔能源分公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

近幾年數(shù)字化智慧風(fēng)電場(chǎng)是風(fēng)電領(lǐng)域開發(fā)的熱點(diǎn)，與之相關(guān)的技術(shù)也已成為行業(yè)內(nèi)研發(fā)的重點(diǎn)。本文結(jié)合開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，分析了智慧風(fēng)電場(chǎng)具有的設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)與感知、數(shù)據(jù)智能分析、設(shè)備狀態(tài)智能評(píng)價(jià)、設(shè)備故障智能診斷及預(yù)警、精準(zhǔn)風(fēng)資源預(yù)測(cè)及風(fēng)機(jī)功率智慧調(diào)節(jié)、智慧運(yùn)維及可視化智能巡檢、智能決策等7大特征，總結(jié)了目前智慧風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)過程中面臨的設(shè)備、數(shù)據(jù)、技術(shù)、管理等多方面問題，并給出了解決對(duì)策，同時(shí)對(duì)智慧風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃提出了建議，可為數(shù)字化智慧風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃及建設(shè)提供參考。

智慧風(fēng)電場(chǎng)；數(shù)字化風(fēng)電場(chǎng)；智能監(jiān)測(cè)；智能診斷；智能決策；數(shù)字化；智慧化

隨著新能源行業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)總量及裝機(jī)容量急劇增加，截至2018年底全國(guó)并 網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)1.84 億kW，占全部發(fā)電裝機(jī)容量 19億kW的9.47%[1]。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的攀升及機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，如何降低設(shè)備故障率，提高機(jī)組利用率，降低設(shè)備運(yùn)維成本，進(jìn)而提升風(fēng)電場(chǎng)的收益，成為風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維工作的主要目標(biāo)[2]。

2010年美國(guó)IBM公司首次發(fā)布了“智慧的電力”戰(zhàn)略及系列解決方案[3]，隨后出現(xiàn)了“智能風(fēng)電場(chǎng)”“智慧風(fēng)電場(chǎng)”概念[4-5]。智慧風(fēng)電場(chǎng)的概念雖已提出多年，但截至目前行業(yè)內(nèi)對(duì)智慧風(fēng)電場(chǎng)尚無統(tǒng)一定義。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)處理、通信、人工智能、信息、云計(jì)算等技術(shù)以及風(fēng)電技術(shù)的不斷發(fā)展，為數(shù)字化智慧風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)提供了前提條件，也給智慧風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)展帶來新的契機(jī)。數(shù)字化智慧風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的相關(guān)技術(shù)已成為行業(yè)內(nèi)研究與開發(fā)熱點(diǎn)。智慧風(fēng)電場(chǎng)相關(guān)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，對(duì)于提高風(fēng)電場(chǎng)的工作效率、減少運(yùn)維人員、降低運(yùn)維成本、提高設(shè)備的安全性、可靠性等具有重要意義，也有助于推動(dòng)風(fēng)電場(chǎng)由現(xiàn)有的定期維修、事后維修運(yùn)維模式向預(yù)防性維修、視情維修模式的轉(zhuǎn)變[6]。

1 智慧風(fēng)電場(chǎng)特征

智慧風(fēng)電場(chǎng)主要基于測(cè)控技術(shù)、通信技術(shù)、信息化技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及各類智能算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)控制的自動(dòng)化、設(shè)備狀態(tài)感知及判斷智能化、運(yùn)維決策智慧化。智慧風(fēng)電場(chǎng)通過各類傳感器準(zhǔn)確獲知各設(shè)備的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)各設(shè)備狀態(tài)的有效監(jiān)控；通過較準(zhǔn)確地風(fēng)功率預(yù)測(cè)，并結(jié)合電網(wǎng)調(diào)度需求信息、各風(fēng)機(jī)設(shè)備狀態(tài)信息自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的輸出功率，滿足電網(wǎng)的調(diào)度需求；同時(shí)能對(duì)各設(shè)備的故障進(jìn)行智能診斷，對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行智能評(píng)估，結(jié)合運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維決策自動(dòng)化、智慧化。智慧風(fēng)電場(chǎng)的基礎(chǔ)是風(fēng)電場(chǎng)各類信息的數(shù)字化，其核心為數(shù)據(jù)、信息綜合處理及智能分析系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱信息智能分析系統(tǒng)），本質(zhì)是信息化與智能化技術(shù)在風(fēng)電領(lǐng)域的高度發(fā)展和深度融合[7]。

1.1 設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)與感知

通過先進(jìn)的監(jiān)測(cè)傳感技術(shù)、通信技術(shù)，智慧風(fēng)電場(chǎng)能實(shí)時(shí)感知場(chǎng)內(nèi)各關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)。關(guān)鍵設(shè)備包括傳動(dòng)鏈系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、葉片、塔筒、地基、主變、箱變等，海上風(fēng)電還需對(duì)海床沖刷情況、塔筒、地基腐蝕情況進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)[8-9]。此外，還可通過智能安防系統(tǒng)的圖像智能識(shí)別功能，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的安防情況進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)與感知。

1.2 數(shù)據(jù)智能分析

智慧風(fēng)電場(chǎng)可利用先進(jìn)的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)獲取的各類信息及數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合自動(dòng)分析，主要包括數(shù)據(jù)的清洗、歸類、編碼以及統(tǒng)計(jì)分析等。各智能算法應(yīng)具有自我學(xué)習(xí)能力[10-11]。

1.3 設(shè)備狀態(tài)智能評(píng)價(jià)

基于獲取的實(shí)時(shí)設(shè)備狀態(tài)信息，智慧風(fēng)電場(chǎng)可利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、智能算法及評(píng)估模型對(duì)設(shè)備的健康度、壽命等進(jìn)行智能評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果可為智能決策提供數(shù)據(jù)支撐，指導(dǎo)生產(chǎn)運(yùn)維[12]。

1.4 設(shè)備故障智能診斷及預(yù)警

對(duì)于故障設(shè)備，智慧風(fēng)電場(chǎng)可利用精準(zhǔn)的疲勞損傷模型、故障智能診斷算法，并結(jié)合設(shè)備的歷史運(yùn)行信息對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行智能診斷，明確故障原因，結(jié)合運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，給出排故建議，并能對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)警[13]。

1.5 精準(zhǔn)風(fēng)資源預(yù)測(cè)及風(fēng)機(jī)功率智慧調(diào)節(jié)

智慧風(fēng)電場(chǎng)可得到較準(zhǔn)確的風(fēng)功率預(yù)測(cè)，并結(jié)合電網(wǎng)調(diào)度需求信息及各風(fēng)機(jī)設(shè)備狀態(tài)信息，自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的輸出功率，以適應(yīng)智能電網(wǎng)的網(wǎng)源協(xié)調(diào)控制及機(jī)組性能優(yōu)化控制[14-16]。

1.6 智慧運(yùn)維及可視化智能巡檢

智慧風(fēng)電場(chǎng)可通過電子兩票提高工作效率，借助移動(dòng)視頻設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)維過程的實(shí)時(shí)監(jiān)督和遠(yuǎn)程指導(dǎo)。運(yùn)維過程中所需的備品備件、工器具、天氣、交通工具、人員以及具體工作內(nèi)容等信息通過信息智能分析系統(tǒng)及移動(dòng)終端設(shè)備自動(dòng)推送給相關(guān)人員。同時(shí)，運(yùn)維過程信息、人員位置信息可實(shí)時(shí)反饋給風(fēng)電場(chǎng)相關(guān)人員，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維過程各類信息的實(shí)時(shí)共享[17-18]。

1.7 智能決策

智慧風(fēng)電場(chǎng)可通過對(duì)各類數(shù)據(jù)及信息的分析自動(dòng)給出運(yùn)維及決策建議，指導(dǎo)生產(chǎn)運(yùn)維，這也是智慧風(fēng)電場(chǎng)的核心特征。

2 智慧風(fēng)電場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)智慧風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)及其關(guān)鍵技術(shù)的研究十分活躍，其相關(guān)技術(shù)也隨之不斷發(fā)展。智慧風(fēng)電場(chǎng)關(guān)鍵技術(shù)包括：風(fēng)機(jī)關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)技術(shù)、智能故障診斷技術(shù)、風(fēng)力機(jī)智能控制技術(shù)、智慧運(yùn)維技術(shù)、大數(shù)據(jù)智能分析技術(shù)、精準(zhǔn)風(fēng)功率預(yù)測(cè)技術(shù)、備品備件智能管理技術(shù)、風(fēng)電場(chǎng)信息智能管理技術(shù)等。其中，風(fēng)力機(jī)智能控制技術(shù)已進(jìn)行了大量的研究，并取得了較好的成果。目前，兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)已普遍實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)啟停、自動(dòng)偏航、自動(dòng)變槳、自動(dòng)功率調(diào)節(jié)等功能。

目前，國(guó)內(nèi)外主要的風(fēng)機(jī)廠家如遠(yuǎn)景能源、金風(fēng)、明陽、運(yùn)達(dá)、GE、西門子、Vestas等，都開發(fā)有自己的數(shù)字化、智慧化風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)及信息管理服務(wù)平臺(tái)及系統(tǒng)，相關(guān)科研機(jī)構(gòu)如西安熱工研究院、大唐新能源研究院、德國(guó)Fraunhofer等，工程設(shè)計(jì)單位如華東勘察設(shè)計(jì)研究院等也在開展相關(guān)研究工作，且開發(fā)有智慧風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)及信息管理系統(tǒng)。這些系統(tǒng)各有側(cè)重，但均未達(dá)到智慧風(fēng)電場(chǎng)的要求。各風(fēng)機(jī)廠家開發(fā)的系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)、云服務(wù)來分析并提供風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃、測(cè)風(fēng)方案管理，以及風(fēng)資源評(píng)估、微觀選址、風(fēng)場(chǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化、風(fēng)功率預(yù)測(cè)、經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)、資產(chǎn)后評(píng)估分析等全方位的技術(shù)解決方案，還可以對(duì)風(fēng)機(jī)、測(cè)風(fēng)塔、升壓站等設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程集中監(jiān)控、遠(yuǎn)程機(jī)組在線狀態(tài)檢測(cè)、遠(yuǎn)程故障診斷與修復(fù)、機(jī)組健康管理及性能評(píng)估，并能進(jìn)行能量管理和報(bào)表管理。而科研機(jī)構(gòu)及工程設(shè)計(jì)單位則偏重?cái)?shù)據(jù)分析、設(shè)備故障智能診斷及預(yù)警、設(shè)備性能智能分析、智能巡檢、智能運(yùn)維等系統(tǒng)功能的開發(fā)及應(yīng)用。

目前，風(fēng)機(jī)廠家及科研機(jī)構(gòu)雖然在數(shù)字化智慧風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)方面做了大量的工作，但現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)與數(shù)字化智慧風(fēng)電場(chǎng)還存在較大差距，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）缺少對(duì)風(fēng)場(chǎng)選址、機(jī)組選型、基建過程信息的數(shù)字化智能化管理功能，無法實(shí)現(xiàn)設(shè)備全壽命周期相關(guān)過程的智慧化監(jiān)管。

2）缺少對(duì)運(yùn)維過程及質(zhì)量、運(yùn)維安全監(jiān)督的智能評(píng)估體系及方法。

3）對(duì)風(fēng)電場(chǎng)各系統(tǒng)、設(shè)備健康狀態(tài)的評(píng)估還需人工參與，未實(shí)現(xiàn)真正的智能評(píng)估。

4）由于業(yè)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)及數(shù)據(jù)保密等原因，各風(fēng)機(jī)廠家開發(fā)的平臺(tái)及系統(tǒng)對(duì)其他廠商生產(chǎn)的機(jī)型適用性相對(duì)較弱，不能滿足風(fēng)電場(chǎng)對(duì)多家廠商、多種機(jī)型信息綜合分析管理的需求。

5）初步整合的信息管理平臺(tái)雖然實(shí)現(xiàn)了部分生產(chǎn)、管理和經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)間的協(xié)同，但仍存在部分信息孤島如狀態(tài)監(jiān)測(cè)（CMS）數(shù)據(jù)、離線檢測(cè)數(shù)據(jù)等。積累的海量歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)未得到有效的分析和充分利用。

6）智能決策能力不足，僅完成了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等基本功能，離智能管控一體化要求還存在一定差距。設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、備品備件信息與管理平臺(tái)缺乏有效關(guān)聯(lián)，無法根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果自動(dòng)推出運(yùn)行優(yōu)化、檢修方案和備件采購(gòu)工單等一系列運(yùn)維決策建議。

3 智慧風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)面臨問題及對(duì)策

3.1 設(shè)備及數(shù)據(jù)問題

現(xiàn)階段風(fēng)電場(chǎng)對(duì)各設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與感知、控制優(yōu)化、設(shè)備故障預(yù)警等方面存在較多不足。

1）風(fēng)電場(chǎng)對(duì)各設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)存在盲區(qū)，目前風(fēng)電場(chǎng)僅能監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)部分設(shè)備以及升壓站的部分運(yùn)行狀態(tài)。由于風(fēng)機(jī)簡(jiǎn)配以及投資成本等原因，部分設(shè)備、系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)一直未得到有效監(jiān)測(cè)，如葉片、變槳軸承、變槳系統(tǒng)后備電源、偏航減速器、通信滑環(huán)以及發(fā)電機(jī)絕緣狀態(tài)等，這導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)無法實(shí)時(shí)獲取各關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)評(píng)價(jià)設(shè)備狀態(tài)用數(shù)據(jù)信息的不完整。

2）目前，風(fēng)機(jī)的自動(dòng)化控制程度雖已很高，但仍存在以下不足：①同一風(fēng)場(chǎng)來自不同廠家的設(shè)備普遍存在配備不同控制系統(tǒng)的情況，特別是風(fēng)機(jī)廠家數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）系統(tǒng)開放性不夠，導(dǎo)致底層數(shù)據(jù)不能有效整合利用；②控制策略的控制效果不盡如人意，部分風(fēng)機(jī)廠家甚至仍未掌握核心控制算法；③對(duì)風(fēng)機(jī)群的操作仍以簡(jiǎn)單的、經(jīng)典的SCADA系統(tǒng)自動(dòng)控制為主，缺少?gòu)奶岣呷珗?chǎng)發(fā)電量及降低單機(jī)載荷角度出發(fā)的控制方法；④針對(duì)單機(jī)的優(yōu)化控制手段不足，導(dǎo)致無法從整體風(fēng)場(chǎng)及單機(jī)角度對(duì)控制策略進(jìn)行優(yōu)化。

3）風(fēng)機(jī)大部件可靠性有待進(jìn)一步提高。近幾年風(fēng)電技術(shù)飛速發(fā)展，風(fēng)機(jī)單機(jī)容量不斷增大，新機(jī)型、新設(shè)備不斷出現(xiàn)，導(dǎo)致在新設(shè)備研制過程無歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)可參考，加之缺乏必要的試驗(yàn)手段，增加了新設(shè)備出現(xiàn)各類故障的概率。此外，對(duì)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析與診斷多采用人工方式，智能化水平較低，無法精確判斷設(shè)備的狀態(tài)，不能滿足智慧風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的要求。

4）風(fēng)電場(chǎng)普遍存在多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，處理困難。智慧風(fēng)電場(chǎng)需要對(duì)龐大的數(shù)據(jù)資源進(jìn)行統(tǒng)一采集、存儲(chǔ)、挖掘和分析，卻遇到了數(shù)據(jù)格式不規(guī)范、數(shù)據(jù)編碼不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)不完整、設(shè)備狀態(tài)分類數(shù)據(jù)不完備、能獲取的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)少、數(shù)據(jù)采集成本高等問題。

為了全面獲取各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，智慧風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)過程應(yīng)從經(jīng)濟(jì)性、設(shè)備可靠性及安全性出發(fā)，開展故障模式、影響及危害性分析（FMECA）[19-20]工作。風(fēng)電場(chǎng)還應(yīng)統(tǒng)一各風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)通信接口、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)編碼，以滿足直采風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)的條件，降低風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)采集成本及數(shù)據(jù)處理難度，以便全面、自主地獲取智慧風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)所需數(shù)據(jù)。此外，風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)配置通用一體化集控系統(tǒng)，從而降低維護(hù)費(fèi)用，提高人員的工作效率以及智慧運(yùn)維水平。

3.2 技術(shù)問題

目前，與智慧風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)相關(guān)的技術(shù)如設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)技術(shù)、智能故障診斷技術(shù)、風(fēng)力機(jī)智能控制技術(shù)、精準(zhǔn)風(fēng)功率預(yù)測(cè)技術(shù)等發(fā)展迅速，但就目前技術(shù)水平而言，很多技術(shù)還不足以支撐智慧風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)與發(fā)展。

1）設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)技術(shù)還不完備，現(xiàn)有技術(shù)對(duì)于一些設(shè)備的狀態(tài)還無法有效監(jiān)測(cè)，如變槳系統(tǒng)后備電源、通信滑環(huán)以及發(fā)電機(jī)絕緣狀態(tài)等。設(shè)備故障智能診斷及預(yù)警結(jié)果準(zhǔn)確度不高，智能診斷算法不夠成熟，在設(shè)備故障數(shù)據(jù)分析與診斷方面多采用人工方式，絕大多數(shù)設(shè)備故障的診斷及預(yù)警仍未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與智能化，不能滿足智慧風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的需要。

2）目前，24 h內(nèi)短期風(fēng)功率預(yù)測(cè)的精度不高，很多系統(tǒng)的預(yù)測(cè)精度甚至達(dá)不到電網(wǎng)調(diào)度對(duì)風(fēng)電場(chǎng)預(yù)測(cè)次日功率與實(shí)際功率誤差小于20%的要 求[21]，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)頻頻被電網(wǎng)公司考核。國(guó)外短期風(fēng)功率預(yù)測(cè)的精度普遍小于10%，德國(guó)的預(yù)測(cè)誤差甚至在6%左右[22]。智慧風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)需配備短期甚至超短期內(nèi)預(yù)測(cè)精度較高的風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)采用精準(zhǔn)的氣象信息數(shù)據(jù)，利用現(xiàn)有的云計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理以及精裝的預(yù)測(cè)模型，以提高系統(tǒng)的預(yù)測(cè)精度。此外，現(xiàn)有的風(fēng)力機(jī)控制技術(shù)還不能根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度信息及風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)單臺(tái)風(fēng)機(jī)的智能控制，以達(dá)到提高全場(chǎng)發(fā)電量并降低單機(jī)載荷的目的。

3）智能決策算法及技術(shù)不能滿足智慧風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的需要。由于信息不完備、數(shù)據(jù)不完整以及數(shù)據(jù)多樣性，現(xiàn)有智能決策模型建立過程中很難對(duì)風(fēng)電場(chǎng)各設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、運(yùn)行及維護(hù)數(shù)據(jù)、備品備件及人員信息數(shù)據(jù)等各類數(shù)據(jù)統(tǒng)一建模，導(dǎo)致決策結(jié)果不準(zhǔn)確。此外，數(shù)據(jù)缺失將導(dǎo)致模型訓(xùn)練效率低、預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度無法提高。因此，為了提高決策模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度，智能決策模型研究及建立過程中獲取完整數(shù)據(jù)信息是關(guān)鍵，將各類信息進(jìn)行統(tǒng)一建模是基礎(chǔ)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)安全問題

為了確保電網(wǎng)及能源供給的安全，按照當(dāng)前電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定[23]，發(fā)電側(cè)一區(qū)、二區(qū)與三區(qū)及以上區(qū)間應(yīng)加縱向隔離裝置，一、二區(qū)信息可進(jìn)入三區(qū)，但三區(qū)信息不能進(jìn)入一、二區(qū)。智慧風(fēng)電場(chǎng)信息智能分析系統(tǒng)在三區(qū)，各類數(shù)據(jù)信息經(jīng)分析后結(jié)果不能直接反饋到一、二區(qū)，也就無法直接控制相關(guān)設(shè)備，目前只能以運(yùn)維建議的形式推送給風(fēng)電場(chǎng)相關(guān)人員，即使信息智能分析系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某設(shè)備存在嚴(yán)重故障需立刻停機(jī)，信息智能分析系統(tǒng)也無法直接控制風(fēng)機(jī)停機(jī)或進(jìn)行必要的調(diào)整。

為解決該問題，在確保網(wǎng)絡(luò)安全的前提下，一、二區(qū)與三區(qū)間應(yīng)允許存在一定量緊急信息的交互，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)可根據(jù)信息智能分析系統(tǒng)的反饋結(jié)果對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)控制。為提高相關(guān)控制的可執(zhí)行性，可僅對(duì)風(fēng)機(jī)安全有重大影響的狀態(tài)進(jìn)行控制操作。這就對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)提出更高的要求。

3.4 人員及管理問題

目前，國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)普遍采用“運(yùn)維合一、一崗多責(zé)、一專多能”的管理模式，風(fēng)電場(chǎng)配備人員較少，很多還延續(xù)著過去簡(jiǎn)單的運(yùn)行管理體制，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)缺乏有經(jīng)驗(yàn)的運(yùn)行和檢修技術(shù)人員，優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行能力不足[24]。部分風(fēng)電場(chǎng)采用將設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)全部外委的管理模式，風(fēng)電場(chǎng)不需專門成立運(yùn)維班組，可有效節(jié)約人力，但該模式下風(fēng)電場(chǎng)總維護(hù)費(fèi)用非常高，而且設(shè)備的狀態(tài)信息、維護(hù)信息、運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)等很難完整地反饋到風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主方，難以滿足智慧風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)對(duì)設(shè)備狀態(tài)信息完整性要求，也不利于風(fēng)電場(chǎng)自身運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)的積累。

此外，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)還普遍存在人員流動(dòng)性大，對(duì)安全生產(chǎn)缺乏有效的數(shù)字化實(shí)時(shí)監(jiān)督手段，運(yùn)維信息記錄不規(guī)范、不完整、資料可查性差等問題，這給智慧風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)過程中各類離線信息的收集、知識(shí)庫的建立等工作帶來了困難和障礙。為此，各風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)規(guī)范運(yùn)維信息的記錄、保存工作，尤其是各設(shè)備離線檢測(cè)數(shù)據(jù)、日常排故數(shù)據(jù)等信息的整理及保存工作，并盡早完成對(duì)各類離線數(shù)據(jù)的數(shù)字化歸檔工作，為智慧風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)積累數(shù)據(jù)資料。

4 智慧風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃建議

未來數(shù)字化智慧風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)應(yīng)從基建期開始收集數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備全壽命周期信息的收集、分析及處理。數(shù)字化智慧風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)過程中應(yīng)將下述信息在信息智能分析系統(tǒng)中進(jìn)行統(tǒng)一綜合分析和管理：基建期數(shù)據(jù)信息，包括設(shè)備制造階段的質(zhì)量信息、設(shè)備安裝調(diào)試信息、風(fēng)電場(chǎng)基建數(shù)據(jù)信息等；運(yùn)維期信息，包括SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)開放點(diǎn)數(shù)滿足數(shù)據(jù)分析要求、CMS數(shù)據(jù)、升壓站數(shù)據(jù)（綜自系統(tǒng)）、風(fēng)功率預(yù)測(cè)信息、備品備件信息、工器具信息，葉片、變槳系統(tǒng)、滑環(huán)、發(fā)電機(jī)、偏航系統(tǒng)、塔筒、地基、UPS、后備電源等設(shè)備及系統(tǒng)的狀態(tài)信息；生產(chǎn)信息，包括設(shè)備檢修信息、故障處理信息、設(shè)備離線檢測(cè)數(shù)據(jù)、SAP數(shù)據(jù)、電網(wǎng)調(diào)度數(shù)據(jù)等；海上風(fēng)電還需收集完整的氣象、水文、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）信息等。對(duì)于監(jiān)測(cè)存在盲區(qū)的設(shè)備，應(yīng)添加必要的狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，海上風(fēng)電還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地基防腐、海床沖刷的監(jiān)測(cè)。

智慧風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)過程中應(yīng)重點(diǎn)解決下述問題：①完成對(duì)各類數(shù)據(jù)及信息的標(biāo)準(zhǔn)化工作，統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口；②完成對(duì)設(shè)備狀態(tài)、人員考核、機(jī)組性能評(píng)價(jià)及優(yōu)化、運(yùn)維過程及運(yùn)維質(zhì)量評(píng)價(jià)、設(shè)備故障預(yù)警和分析、關(guān)鍵設(shè)備可靠性及安全性評(píng)價(jià)、部件壽命預(yù)估等工作過程的數(shù)字化及智能化；③在數(shù)字化、信息化基礎(chǔ)上，利用各類智能決策模型，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維決策的智能化；④完成信息智能分析系統(tǒng)與風(fēng)電場(chǎng)主控系統(tǒng)的聯(lián)接，以實(shí)現(xiàn)主控系統(tǒng)根據(jù)信息智能分析系統(tǒng)反饋的信息對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)調(diào)整。

建議智慧風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃按照智能感知層、智能數(shù)據(jù)管理及分析層、智能控制層、智能監(jiān)管及決策層（數(shù)據(jù)應(yīng)用層）4個(gè)層次部署，4層架構(gòu)既有分工又高度融合。智能設(shè)備及完備的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是智能感知層的基礎(chǔ)，智能數(shù)據(jù)管理及分析層以大數(shù)據(jù)分析、智能算法為基礎(chǔ)，智能感知層、智能數(shù)據(jù)管理及分析層是智能控制層、智能監(jiān)管及決策層的基礎(chǔ)。智慧風(fēng)電場(chǎng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 智慧風(fēng)電場(chǎng)構(gòu)架

信息智能分析系統(tǒng)配置的數(shù)據(jù)采集管理平臺(tái)應(yīng)遵循開放共享理念，打通風(fēng)電場(chǎng)各類數(shù)據(jù)信息的交互通道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。信息智能分析系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集管理平臺(tái)布置應(yīng)以省級(jí)區(qū)域公司為單位，遵循“風(fēng)場(chǎng)控制、區(qū)域協(xié)調(diào)、集團(tuán)監(jiān)管”的原則，所有數(shù)據(jù)及信息在省級(jí)區(qū)域公司進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)及管理。此外，規(guī)劃通往省級(jí)區(qū)域公司的通信光纜時(shí)應(yīng)留有足夠的通道，以便各類信息尤其是視頻信息的順利傳輸。

5 結(jié) 語

本文分析了數(shù)字化智慧風(fēng)電場(chǎng)的特征，總結(jié)了目前智慧風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)過程中遇到的設(shè)備、數(shù)據(jù)、技術(shù)、管理等方面的問題，并給出了解決對(duì)策。最后對(duì)智慧風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃提出了建議，可為風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)及規(guī)劃提供參考和幫助。

雖然，目前建成的或在建的數(shù)字化智慧風(fēng)電場(chǎng)還處于較初級(jí)階段，但隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”、信息化與人工智能等技術(shù)的飛速發(fā)展，大型數(shù)字化智慧風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)必將成為未來風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。

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Development status and planning suggestions of smart wind farms

HAN Bin1, WANG Zhongjie1, ZHAO Yong1, MA Yong1, GAN Yong2, SUN Shihui2, LI Yingfeng1

(1. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China; 2. Huaneng Hunan Clean Energy Branch, Changsha 410000, China)

In recent years, digital smart wind farm has become a hot spot in the development of wind power, and the related technologies have also become the focus of research and development in the industry. Combining with the development experience, this paper analyzes the seven characteristics of smart wind farms, such as the intelligent monitoring and sensing of equipment state, data intelligent analysis, intelligent evaluation of equipment status, intelligent diagnosis and early warning of equipment failure, precise prediction of wind resources and intelligent regulation of fan power, intelligent operation/maintenance and visual intelligent inspection, and intelligent decision-making. It summarizes the problems faced in current construction process of smart wind farm, including equipment, data, technology, management and other aspects. Moreover, it provides the countermeasures, and also proposes the suggestions for planning of smart wind farms, which can provide help and reference for the planning and construction of digital smart wind farms.

smart wind farm, digital wind farm, intelligent monitoring, intelligent diagnosis, intelligent decision-making, digitization, intelligentization

TM614

A

10.19666/j.rlfd.201903061

2019-03-26

中國(guó)華能集團(tuán)有限公司總部科技項(xiàng)目(HNKJ18-38)

Supported by：Science and Technology Project of China Huaneng Group Co., Ltd. (HNKJ18-38)

韓斌(1981—)，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)，hanbin@tpri.com.cn。

韓斌, 王忠杰, 趙勇, 等. 智慧風(fēng)電場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃建議[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(9): 34-39. HAN Bin, WANG Zhongjie, ZHAO Yong, et al. Development status and planning suggestions of smart wind farms[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(9): 34-39.

（責(zé)任編輯 楊嘉蕾）