風電場應用風電智慧管控一體化平臺的相關研究

邱英強 黃新宇 陳偉 劉瑋 唐曉萌

摘要：風電智慧管控一體化的風電場智慧管控平臺可以將風機現(xiàn)場的各種設備運行數(shù)據(jù)、現(xiàn)場環(huán)境狀況、視頻監(jiān)控信息等在統(tǒng)一的平臺上實現(xiàn)集中管理、監(jiān)控，幫助運行人員對問題進行快速響應;輔以移動化的作業(yè)終端等手段，實現(xiàn)現(xiàn)場與控制中心的實時、直觀的互動。可以有效的提升風電場的管理效率、集約運行人力資源、提升設備運行水平、提高整體發(fā)電效率。

關鍵詞：智慧平臺;風電場;應用

一、風電場運行管理的現(xiàn)狀

1. 安全管理困難

由于風電場分布廣闊、環(huán)境開放，風機分布較為分散，且長期在野外運行，故障率相對集中式的發(fā)電廠要高，需要運維人員經(jīng)常到現(xiàn)場進行巡視、維護、修理，加之通訊條件差，安全管理更加困難。

2. 運行管理模式相對陳舊

風電場在我國的大規(guī)模開發(fā)建設時間較短，整個行業(yè)長期處于高速發(fā)展階段，風電場的開發(fā)建設一直是行業(yè)高度關注的重點;而風電場的運行管理受重視程度相對不足，管理人才匱乏，管理模式較為陳舊。

目前國內(nèi)的風電場普遍存在信息化水平偏低、缺乏智能化的管理手段，例如大量的日常統(tǒng)計、報表、流程等重復性工作都通過運行人員人工完成，占用大量的時間，導致人員工作效率偏低，類似這種現(xiàn)象都影響了風電場的管理效率。

二、風電場應用風電智慧管控一體化平臺的重要性

隨著計算機技術(shù)、信息技術(shù)、智能技術(shù)等一系列技術(shù)的發(fā)展，風電場在智能化發(fā)展方便有了很大的進步。通過建立智能一體化的風電場運行管理平臺，并在風電場現(xiàn)場布置邊緣計算設施，可以將風機現(xiàn)場的各種設備運行數(shù)據(jù)、現(xiàn)場環(huán)境狀況、視頻監(jiān)控信息等在統(tǒng)一的平臺上實現(xiàn)集中管理、監(jiān)控，輔以移動化的作業(yè)終端等手段，實現(xiàn)現(xiàn)場與控制中心的實時、直觀的互動?？梢杂行У奶嵘L電場的管理效率、集約運行人力資源、提升設備運行水平、提高整體發(fā)電效率。

三、風電場應用風電智慧管控一體化平臺的措施

1.通信網(wǎng)絡

風電智慧運維管控一體化平臺采用光纖+WIFI網(wǎng)絡，實現(xiàn)風電場作業(yè)區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡覆蓋，采用場區(qū)內(nèi)獨立組網(wǎng)，光纖環(huán)網(wǎng)及匯聚交換機達到1000Mbps，風機節(jié)點帶寬達100Mbps及以上。滿足視頻信號傳輸、安全管理、兩票管理、檢修管理、設備安全管理等風電日常工作的通訊需求。

2.塔筒傾斜與擺振監(jiān)測分析系統(tǒng)

結(jié)合風機振動監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對山地風場塔筒、軸竄、主傳軸對中及齒輪箱、軸承等故障監(jiān)測、診斷、報警及潛在故障風險的分析和健康狀況的預測，建立關鍵設備的故障模型和健康狀況的預測模型，制定關鍵設備監(jiān)測指標，定期形成狀況健康檢測報告，具體為：

（1）塔筒傾斜角監(jiān)測

監(jiān)測靜態(tài)傾斜角和動態(tài)（塔筒晃動和擺動時）傾斜角，塔筒傾斜程度分析，塔筒傾斜報警，塔筒傾斜趨勢分析，給出傾斜潛在風險預警信號，提醒管理人員對塔筒潛在傾斜風險的預警，山地塔筒傾斜角監(jiān)測指標：塔筒傾斜角度、塔筒傾斜方向，地基傾斜角度、地基傾斜方向、塔筒和地基傾斜趨勢分析、塔筒和地基傾斜傾斜角報警閾值等。

（2）塔筒健康狀況預測

對塔筒結(jié)構(gòu)和強度特性分析，預測塔筒的健康狀況，監(jiān)測的技術(shù)指：塔筒擺動的模態(tài)特性、擺動的本征頻率、塔筒靜態(tài)擺動幅度、頻譜特性，監(jiān)測塔筒安裝和結(jié)構(gòu)連接故障引起的結(jié)構(gòu)強度的變化;風作為塔筒外部激勵，在風作用下，塔筒發(fā)生的振動特性發(fā)生變化，檢測激振源的強度、方向，監(jiān)測和預警塔筒的結(jié)構(gòu)損傷、材料強度變化等引起的結(jié)構(gòu)強度變化情況，指標包括振動強度、振動頻率和振動頻譜，預測結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷和材料的疲勞損傷帶來的風險。

（3）塔筒晃動軌跡監(jiān)測

塔筒的連續(xù)晃動軌跡指標：晃動軌跡的幅值、晃動的角速度范圍、線速度的范圍、晃動頻率、晃動的趨勢，通過對晃動特性的分析，監(jiān)測運行狀況，給出塔筒健康狀況的判斷。

3.基于“端-云融合計算”架構(gòu)智慧風電終端

（1）系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用“端-云融合計算”架構(gòu)，風電場集中管控平臺（云）提供開放式統(tǒng)一平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和終端的統(tǒng)一管理。智慧風電終端將邊緣計算（Edge Computing）部署在靠近風機及數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡邊緣側(cè)，部署融合網(wǎng)絡、計算、存儲、應用核心能力的邊緣計算網(wǎng)關和終端通信模塊，為邊緣計算提供包括設備域、網(wǎng)絡域、數(shù)據(jù)域和應用域的平臺支撐。設備域通過終端通信模塊支撐現(xiàn)場設備的實時智能互聯(lián);網(wǎng)絡域為系統(tǒng)互聯(lián)、數(shù)據(jù)聚合與承載提供實時聯(lián)接及管理服務;數(shù)據(jù)域提供邊緣數(shù)據(jù)聚合及優(yōu)化服務，并保障數(shù)據(jù)的安全與隱私性;應用域則基于開放接口，實現(xiàn)邊緣行業(yè)應用本地化部署，支撐邊緣業(yè)務運營。

（2）功能應用

1、邊緣計算能力

基于上述架構(gòu)，可根據(jù)需要在每臺風機的智慧風電終端部署本地部署定制應用（APP），根據(jù)用戶需求合理適配在線監(jiān)測功能，如風機安防、消防、設備溫度、塔筒擺振、風機震動、風機工況和氣象信息等，實時執(zhí)行數(shù)據(jù)分析并根據(jù)分析結(jié)果觸發(fā)預定義的風機異常告警響應策略，第一時間發(fā)現(xiàn)設備潛在故障。邊緣計算同時提供本地存活，一旦與云端聯(lián)接故障，數(shù)據(jù)可以本地保存和處理，聯(lián)接恢復后，本地高價值數(shù)據(jù)自動同步到云端，確保為云端提供完整的產(chǎn)品運營數(shù)據(jù)。

2、“端-云融合”協(xié)同計算

端計算（邊緣計算）與云計算（風電場集中管控平臺）互相協(xié)同，集控平臺的云計算聚焦非實時、長周期數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析，能夠在周期性維護、故障隱患綜合識別分析，風機健康度檢查等領域發(fā)揮特長;智慧終端的邊緣計算聚焦實時、短周期數(shù)據(jù)的分析，能更好地支撐故障的實時告警，快速識別異常，毫秒級響應。

3、云端統(tǒng)一管理

部署在風電場集中管控平臺（主站）的敏捷控制器（AC），可實現(xiàn)所有風電指揮終端的計算資源、協(xié)議、應用和數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和自動化部署，實現(xiàn)全網(wǎng)智慧終端狀態(tài)監(jiān)控、海量設備即插即用、業(yè)務應用自動化部署，可大幅度提高運維便利性，并降低運營成本。

（3）系統(tǒng)效果

1.滿足低延時計算要求

邊緣計算聚焦高實時與短周期數(shù)據(jù)采集與分析處理，可實現(xiàn)毫秒級的高速數(shù)據(jù)采樣和分析，避免了網(wǎng)絡傳輸造成的數(shù)據(jù)時滯以及時標不一致的問題，能夠更好更準確地支撐風機在線實時監(jiān)測。

2.提高整體效率

通過在邊緣節(jié)點處實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的過濾和預處理分析，不需要將大量高頻高重復的數(shù)據(jù)送往風電場集中管控平臺處理，節(jié)省了云端計算資源，也節(jié)省了網(wǎng)絡傳輸帶寬。

四、結(jié)束語

通過采用風電智慧管控一體化平臺能夠?qū)崿F(xiàn)風電場運維信息化，整合數(shù)據(jù)資源，有效提高運維效率，創(chuàng)造更佳的盈利能力，全面提高經(jīng)濟運行水平，大幅降低運維成本，獲得更好的經(jīng)濟效益和社會效益。