風(fēng)電機組遠程監(jiān)控及診斷系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

周宗仁

摘要：為了解決風(fēng)電機組在監(jiān)控與檢測維護等方面受地域、人員因素限制較大，且無法即時掌握風(fēng)機性能等缺點，基于KKS編碼、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以及基于C/S架構(gòu)的在線監(jiān)控診斷平臺，建立風(fēng)電機組遠程監(jiān)控及診斷系統(tǒng).系統(tǒng)建立區(qū)域KDM數(shù)據(jù)中心，接入集控平臺數(shù)據(jù)及CMS數(shù)據(jù)等，完成對所有接入數(shù)據(jù)的統(tǒng)一編碼與存儲。該系統(tǒng)可通過狀態(tài)監(jiān)測及性能評估掌握設(shè)備健康程度，為風(fēng)電場的檢修維護提供指導(dǎo)意見與實施方案，從而提高設(shè)備運維工作效率與風(fēng)電場經(jīng)營效益。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機組;KKS編碼;C/S架構(gòu);遠程監(jiān)控

DOI：10.11907/rjdk.191191開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：中圖分類號：TP319文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）010-0094-04

0引言

隨著現(xiàn)代社會的進步，以及工業(yè)水平與生活水平的提高，對能源的需求量越來越大。其中風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，在當(dāng)今對環(huán)境保護越來越重視的背景下，受到人們越來越多關(guān)注?？萍嫉倪M步使得風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也得到了快速發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電最主要的設(shè)備是各種發(fā)電機組，發(fā)電機組的地理位置一般位于人煙稀少的草原地區(qū)或近海海面，提高對機組設(shè)備的監(jiān)控與診斷工作效率是影響風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為機組設(shè)備的監(jiān)控與診斷工作提供了新的思路。傳統(tǒng)風(fēng)機檢測與監(jiān)控多采用定人定區(qū)實地檢測與維護的方式，而通過對風(fēng)機關(guān)鍵部件傳感數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫，以及分析診斷系統(tǒng)及監(jiān)控平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)對指定區(qū)域所有風(fēng)機的實時監(jiān)控與在線檢測，并能夠極大程度上提高故障發(fā)現(xiàn)率、減少故障處理時間，國內(nèi)外已有相關(guān)團隊進行了系統(tǒng)實踐與應(yīng)用。在國內(nèi)，如李靜等設(shè)計了基于OPCXML-DA的風(fēng)力發(fā)電機移動遠程監(jiān)控系統(tǒng)，使遠程監(jiān)控得以在無線終端上實現(xiàn)，但數(shù)據(jù)傳輸受限于無線信道質(zhì)量與帶寬;張根寶等設(shè)計并實現(xiàn)了基于ARM單片機的風(fēng)機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)對風(fēng)機數(shù)據(jù)的采集與診斷，但數(shù)據(jù)分析仍受限于單片機處理能力。國外Eto等提出利用互聯(lián)網(wǎng)與Web進行風(fēng)電場遠程監(jiān)控的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，Hussain等提出基于紅外攝像機的風(fēng)力發(fā)電機遠程監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)。以上方法都基于局部或單個風(fēng)力發(fā)電機組的監(jiān)控與診斷，本文通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集與編碼管理，建立生態(tài)系統(tǒng);建立分布式數(shù)據(jù)服務(wù)中心，實現(xiàn)集團、區(qū)域、風(fēng)場三級應(yīng)用;建立應(yīng)用超市，實現(xiàn)指標(biāo)、診斷、維修三大應(yīng)用。通過遠程監(jiān)控及診斷平臺，能夠有效強化設(shè)備治理，規(guī)范節(jié)能管理，全面提升大型分布式風(fēng)場的能耗管理水平及能源轉(zhuǎn)換效率，有效保障風(fēng)電機組的安全、高效運行。

1系統(tǒng)架構(gòu)

遠程診斷系統(tǒng)以數(shù)據(jù)層一應(yīng)用層一展示層為主線進行搭建，如圖1所示。其中數(shù)據(jù)層要求數(shù)據(jù)統(tǒng)一編碼，并保證數(shù)據(jù)編碼的唯一性及易識別性;應(yīng)用層要求應(yīng)用模塊化，不同應(yīng)用之間相互無耦合，診斷結(jié)果可作為平臺生態(tài)系統(tǒng)的新變量進行編碼應(yīng)用。

1.1數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層將按照工程產(chǎn)品化及軟件硬件化的思路，建立電廠標(biāo)識系統(tǒng)KKS（Kraftwerk-Kennzeichen System）編碼、KDM（KKS Dependent Management）數(shù)據(jù)中心，集成數(shù)據(jù)采集接口、數(shù)據(jù)庫接口、應(yīng)用接口與轉(zhuǎn)發(fā)接口等，有效實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)采集傳輸，同時通過產(chǎn)品化大幅降低平臺建設(shè)投資成本及維護成本。

KDM采集服務(wù)器與上游數(shù)據(jù)庫通過接口相連，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一編碼?；跀?shù)據(jù)的統(tǒng)一化與標(biāo)準(zhǔn)化，實現(xiàn)平臺間數(shù)據(jù)的相互調(diào)用，進而滿足三級應(yīng)用。KDM服務(wù)器分為兩部分：KKS管理及應(yīng)用程序與KDM實時庫。

KKS管理及應(yīng)用部分功能是連接指定數(shù)據(jù)源，并對指定數(shù)據(jù)源（實時庫、關(guān)系庫、文件等）中的數(shù)據(jù)進行規(guī)范化編碼，以及提供統(tǒng)一的ResultFul API供用戶進行數(shù)據(jù)與規(guī)則的增刪改查等;KDM實時庫提供存儲數(shù)據(jù)的容器。

1.2應(yīng)用層

數(shù)據(jù)分析應(yīng)用是平臺建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)平臺各層的實際需要，通過自主研發(fā)、開放式合作或技術(shù)引進的方式，開發(fā)各種應(yīng)用模塊。借助應(yīng)用APP（Application）模塊對平臺數(shù)據(jù)的深入挖掘與分析，實現(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測、設(shè)備健康診斷、維修管理等功能。隨著技術(shù)的完善與進步以及用戶需求的不斷增加，按照“應(yīng)用無限”原則，允許任何用戶在遵循平臺開發(fā)規(guī)則的前提下，升級已有應(yīng)用程序或開發(fā)新應(yīng)用程序。如圖2為應(yīng)用層組成模塊。

系統(tǒng)在集團級別、區(qū)域級別分別建立KDM數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)集團、區(qū)域兩級部署。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

2硬件部署

由于不同品牌與型號風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)及參數(shù)不同，因此首先需要對設(shè)備臺賬進行整理，并統(tǒng)一錄入數(shù)據(jù)庫。具體錄入的設(shè)備臺賬包括風(fēng)場基本信息、風(fēng)機品牌、型號、投產(chǎn)時間、發(fā)電機及齒輪箱等大部件的基本信息。錄入數(shù)據(jù)保存在集團級別的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。為此，各區(qū)域及集團統(tǒng)一部署至少1臺KDM機及3臺功能服務(wù)器（1臺數(shù)據(jù)存儲、2臺應(yīng)用程序服務(wù)），為數(shù)據(jù)接人、統(tǒng)一編碼及數(shù)據(jù)同步奠定基礎(chǔ)。另外，通過磁盤陣列部署存儲區(qū)域振動數(shù)據(jù)。系統(tǒng)硬件拓撲簡圖如圖4所示。

3數(shù)據(jù)接入

區(qū)域是平臺應(yīng)用的主體，建立區(qū)域KDM數(shù)據(jù)中心，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)分布式存儲，緩解集團層級數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一存儲的壓力。

平臺所需數(shù)據(jù)包括內(nèi)容管理系統(tǒng)CMS（Content Man-agement System）數(shù)據(jù)、集控平臺數(shù)據(jù)等。其中，CMS系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)存儲在風(fēng)場數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器，通過區(qū)域集控中心的建設(shè)，一般CMS廠家已將數(shù)據(jù)推送至區(qū)域集控中心服務(wù)器進行存儲，系統(tǒng)通過接收CMS原始數(shù)據(jù)并進行計算分析，將分析結(jié)果存儲至KDM數(shù)據(jù)中心;系統(tǒng)所需的風(fēng)機數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制SCADA（Supervisory Control And DataAcquisition）數(shù)據(jù)由集控平臺統(tǒng)一采集，通過位于集控三區(qū)的數(shù)據(jù)服務(wù)器推送至KDM數(shù)據(jù)中心，并進行統(tǒng)一編碼。詳細鏈路如圖5所示。

集控中心和CMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入點根據(jù)風(fēng)機具體參數(shù)規(guī)劃制定，一般包括風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)機功率，以及齒輪箱、發(fā)電機、主軸承等相關(guān)數(shù)據(jù)。KDM采集服務(wù)器與現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫通過接口相連，利用KDM錄入工具實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一編碼。KD入工具采用C/S架構(gòu)模式，基于Rest接口開發(fā)各種功能，其主要功能包括：KKS編碼錄入、修改、刪除、批量添加與修改、導(dǎo)入導(dǎo)出、查看歷史趨勢及實時趨勢等。針對風(fēng)電設(shè)備管理，遠程診斷監(jiān)控系統(tǒng)確保統(tǒng)一使用KKS編碼方式。編碼規(guī)則由主編碼與附屬編碼兩部分組成。

（1）主編碼。主編碼力求簡潔、穩(wěn)定和唯一性，包括設(shè)備區(qū)域管理信息、設(shè)備定位與狀態(tài)量值等。系統(tǒng)數(shù)據(jù)主編碼形式結(jié)構(gòu)如圖6所示。

其中，管理編碼包括省份、場站名與類別，設(shè)備編碼包括主系統(tǒng)、子系統(tǒng)、設(shè)備與采集部位，狀態(tài)量編碼包括采集信號來源、物理屬性與算法信息，具體編碼規(guī)則如表1-表3所示。

（2）附屬編碼。數(shù)據(jù)編碼除主編碼涉及信息外，還設(shè)置附屬編碼、對數(shù)據(jù)來源的行政劃分（集團級別、區(qū)域級別、第三方界別等）、告警規(guī)則（有效范圍、閾值、策略）、主設(shè)備信息（制造廠家、額定指標(biāo)）等。

4結(jié)語

本文在服務(wù)器等硬件部署、數(shù)據(jù)采集、KKS統(tǒng)一編碼規(guī)則的基礎(chǔ)上，進行實時監(jiān)控及算法分析，在可視化平臺上實現(xiàn)不同診斷功能的應(yīng)用，解決了大型風(fēng)場不同級別和區(qū)域間的信息傳輸與存儲問題。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)速儀診斷、功率控制診斷、變槳診斷、偏航診斷、氣動傳動性能診斷、發(fā)電機診斷、齒輪箱診斷、主軸診斷等功能，統(tǒng)一編碼與應(yīng)用平臺賦予了系統(tǒng)極大的可拓展性，可使設(shè)備接人及應(yīng)用開發(fā)流程化與標(biāo)準(zhǔn)化，為大型風(fēng)場所有風(fēng)電機組的統(tǒng)一狀態(tài)監(jiān)控與診斷給出了基于計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的可行方案，在信息時代下該方案具有一定優(yōu)勢和潛力。