風(fēng)電遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

許利偉

（山西同煤新能源有限公司，山西大同030000）

1 系統(tǒng)構(gòu)建

1．1 明確設(shè)計(jì)原則

發(fā)電企業(yè)在對(duì)基于云計(jì)算的風(fēng)電遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該堅(jiān)持兩個(gè)基本原則:一是可靠性。設(shè)計(jì)人員在解決系統(tǒng)配置及設(shè)備選型問題后，需要關(guān)注系統(tǒng)整體的可靠性，確保其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于各類數(shù)據(jù)信息的高效處理，以最大限度地滿足企業(yè)的各種要求。應(yīng)該建立起實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)庫，對(duì)實(shí)際測(cè)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和更新，同時(shí)建立歷史數(shù)據(jù)庫，確保其能夠存儲(chǔ)5年以上的歷史數(shù)據(jù)。工作人員還應(yīng)該切實(shí)做好操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件的管理和維護(hù)工作，設(shè)置相互匹配的軟硬件設(shè)備，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠?qū)⒃O(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)準(zhǔn)確反映出來。二是安全性。電力系統(tǒng)中存在數(shù)量眾多、類型各異的設(shè)備，很多設(shè)備都有著較高的安全級(jí)別，涉及的使用者包括發(fā)電企業(yè)、監(jiān)管機(jī)構(gòu)、用戶等，對(duì)于數(shù)據(jù)信息的保密性和安全性都有很高的要求。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該充分考慮信息的安全性和保密性，適當(dāng)增加冗余數(shù)據(jù)，配合防火墻及殺毒軟件，切實(shí)保障數(shù)據(jù)信息安全。

1．2 規(guī)范數(shù)據(jù)要求

發(fā)電企業(yè)有關(guān)部門可以借助恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)傳輸手段，將風(fēng)電場(chǎng)采集的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)持續(xù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可以分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，包含的信息內(nèi)容眾多，如機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、電流電壓、無功功率、隔離開關(guān)位置等，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?，需要?yán)格依照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對(duì)數(shù)據(jù)通訊協(xié)議進(jìn)行選擇。

1．3 做好需求分析

一是應(yīng)該明確需求目標(biāo)。通過系統(tǒng)建設(shè)，發(fā)電企業(yè)必須能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)電設(shè)備狀態(tài)信息、氣象數(shù)據(jù)等傳輸?shù)较鄳?yīng)的控制中心進(jìn)行集中處理，能夠?qū)︼L(fēng)電設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程評(píng)價(jià)和實(shí)時(shí)在線分析，能夠?qū)崿F(xiàn)故障的遠(yuǎn)程專家診斷，切實(shí)提高風(fēng)電設(shè)備的可用率及管理水平。數(shù)據(jù)分析平臺(tái)對(duì)于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量、功能全面性和數(shù)據(jù)顯示直觀性等都有著較高的要求。在該系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)平臺(tái)在數(shù)據(jù)顯示方面采用的是三級(jí)顯示模式，第一級(jí)是對(duì)電網(wǎng)在當(dāng)前運(yùn)行模式下運(yùn)行情況的顯示，第二級(jí)是對(duì)系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)或者存在問題的顯示，第三級(jí)則是對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)具體數(shù)值的顯示。通過清晰直觀的數(shù)據(jù)顯示，電網(wǎng)調(diào)度人員能夠很好的掌握風(fēng)電并網(wǎng)情況下發(fā)電企業(yè)的薄弱環(huán)節(jié)，并以此為依據(jù)，制定出相應(yīng)的故障防范和應(yīng)對(duì)措施；二是應(yīng)該明確需要解決的問題。當(dāng)前，不少發(fā)電企業(yè)在對(duì)風(fēng)電場(chǎng)控制中心進(jìn)行設(shè)置時(shí)，都存在設(shè)備數(shù)量眾多、分布散亂的情況，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)都連接著數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備，計(jì)算終端孤立而分散，在實(shí)際應(yīng)用中存在著任務(wù)單一、效率低下的問題，并不能很好的滿足海量數(shù)據(jù)的處理需求。如果通過增加設(shè)施設(shè)備數(shù)量的方式來提升系統(tǒng)計(jì)算效率，則面臨著建設(shè)周期長(zhǎng)、資金短缺等問題。對(duì)此，發(fā)電企業(yè)可以引入云計(jì)算技術(shù)，借助云端服務(wù)器來提升數(shù)據(jù)處理的效率，降低成本的同時(shí)，也可以減輕設(shè)備維護(hù)工作量?；诖?，建設(shè)云計(jì)算平臺(tái)，能夠利用軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)于硬件設(shè)備的虛擬化管理，構(gòu)建虛擬化資源池，形成高效便捷的協(xié)同工作機(jī)制，而且用戶不需要建設(shè)機(jī)房和數(shù)據(jù)中心，只需要在終端登錄，就能完成數(shù)據(jù)瀏覽、數(shù)據(jù)修改和數(shù)據(jù)查詢等工作，所有的業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)處理都能夠在云端完成。

1．4 合理選擇算法

系統(tǒng)算法包含了系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的分布式計(jì)算模式，以及各節(jié)點(diǎn)對(duì)于子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的調(diào)用算法，客戶端和云端數(shù)據(jù)的交互算法等。從目前的發(fā)展情況分析，在云計(jì)算系統(tǒng)中，可以采用Map－Reduce編程模式對(duì)電力調(diào)度信息進(jìn)行挖掘，構(gòu)建起可以對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)集進(jìn)行處理的計(jì)算平臺(tái)（如圖1）。在對(duì)海量數(shù)據(jù)計(jì)算任務(wù)進(jìn)行處理時(shí)，平臺(tái)會(huì)將單個(gè)計(jì)算任務(wù)分解成多個(gè)子任務(wù)，進(jìn)行同步分布式計(jì)算，能夠在保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的同時(shí)，降低完成任務(wù)所需的時(shí)間。

圖1 執(zhí)行過程概述Map－Reduce

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2．1 數(shù)據(jù)監(jiān)控

在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行中，會(huì)產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)信息可以通過風(fēng)電場(chǎng)集控站傳輸?shù)较鄳?yīng)的地調(diào)SCADA系統(tǒng)中。不過，受技術(shù)條件的影響，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中的一些異常信息，如噪聲、振動(dòng)等并沒有被納入到發(fā)電企業(yè)集中監(jiān)控平臺(tái)，而這些信息恰恰是風(fēng)電機(jī)組故障診斷的主要參考依據(jù)。對(duì)此，技術(shù)人員在系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，可以借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)于風(fēng)電設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)工作，通過對(duì)綜合氣象數(shù)據(jù)的采集，構(gòu)建起完善的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2．2 質(zhì)量監(jiān)控

系統(tǒng)需要能夠依照風(fēng)電并網(wǎng)的實(shí)際需求，對(duì)注入到電網(wǎng)中的諧波電流進(jìn)行監(jiān)視，并且將風(fēng)電的并網(wǎng)點(diǎn)納入到無功電壓控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)于電網(wǎng)無功電壓的整體優(yōu)化控制。另外，系統(tǒng)也應(yīng)該能夠?qū)L(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)的暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定以及全系統(tǒng)電壓分布圖直觀顯示出來，實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同電壓等級(jí)電壓的監(jiān)控和越限報(bào)警。

2．3 功率預(yù)測(cè)

可以在發(fā)電企業(yè)的風(fēng)電數(shù)據(jù)中心接入風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)，借助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)于風(fēng)電運(yùn)行信息的監(jiān)視以及歷史數(shù)據(jù)的挖掘，對(duì)照數(shù)據(jù)完成風(fēng)電發(fā)電計(jì)劃的校核與修正，對(duì)電能的質(zhì)量進(jìn)行有效調(diào)控。應(yīng)該做好風(fēng)電場(chǎng)最大有功功率輸出曲線和最大無功容量補(bǔ)償曲線的合理預(yù)測(cè)工作，為EMS潮流計(jì)算提供參考依據(jù)，同時(shí)可以運(yùn)用SCADA系統(tǒng)中存在的基于組件接口規(guī)范的結(jié)構(gòu)，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息傳遞給EMS。

2．4 遠(yuǎn)程診斷

結(jié)合海量數(shù)據(jù)分析以及挖掘，可以構(gòu)建起遠(yuǎn)程故障診斷專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組主要設(shè)備的故障自動(dòng)診斷，可以確定故障的具體位置以及類型，也能夠評(píng)價(jià)故障的嚴(yán)重程度，對(duì)于一些重要元件的故障，可以做到早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、早檢修、早處理，避免故障范圍的和影響的進(jìn)一步擴(kuò)大。

2．5 故障報(bào)警

故障報(bào)警能夠?qū)L(fēng)電機(jī)組中主要設(shè)備故障的早期特征提取出來，向維護(hù)人員發(fā)出相應(yīng)的預(yù)警信息，提醒其重視起來，提前制定出相應(yīng)的維修策略，盡可能減少機(jī)組故障停機(jī)的可能性，降低損失，同時(shí)也可以避免設(shè)備損壞引發(fā)的一系列問題，能夠切實(shí)提高風(fēng)電設(shè)備的維修效率，有效減輕運(yùn)行維護(hù)人員的工作負(fù)擔(dān)，有利于設(shè)備利用效率的提高。

3 效果對(duì)比

3．1 效率對(duì)比

從發(fā)電企業(yè)的角度來對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行效率進(jìn)行分析，可以設(shè)置相同的計(jì)算任務(wù)，利用常規(guī)計(jì)算方法和云計(jì)算進(jìn)行同時(shí)處理，云計(jì)算消耗的時(shí)間僅為常規(guī)計(jì)算的2．3%，工作效率的提升極其明顯，因此能夠很好地適應(yīng)海量數(shù)據(jù)分析處理的現(xiàn)實(shí)需求。對(duì)照相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，院區(qū)服務(wù)器的平均利用率可以從原本的7%提升到80%－90%，服務(wù)器重建以及應(yīng)用加載的時(shí)間從原本的20小時(shí)以上縮短到了30分鐘以內(nèi)，能夠?qū)L(fēng)電場(chǎng)的總體運(yùn)營(yíng)成本節(jié)約75%甚至更多。

3．2 數(shù)據(jù)挖掘

結(jié)合歷史數(shù)據(jù)分析和挖掘結(jié)果分析，在發(fā)電企業(yè)風(fēng)電設(shè)備故障中，齒輪箱故障的占比為55%，發(fā)電機(jī)設(shè)備的故障占比為20%，葉片故障占比約為18%，因此，在對(duì)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和故障診斷的過程中，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注齒輪箱、發(fā)電機(jī)和葉片，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，時(shí)刻關(guān)注其狀態(tài)的波動(dòng)，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，需要立即進(jìn)行分析和診斷，爭(zhēng)取將故障扼殺在萌芽之際。

4 結(jié)束語

總而言之，新的發(fā)展環(huán)境下，伴隨著風(fēng)電規(guī)模的迅速擴(kuò)大，發(fā)電企業(yè)對(duì)于風(fēng)電設(shè)備故障診斷的及時(shí)性和準(zhǔn)確性提出了更加嚴(yán)格的要求，為了能夠滿足這一需求，提出了一種基于云計(jì)算的風(fēng)電遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)，配合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，能夠從海量數(shù)據(jù)中提取有用信息。實(shí)踐結(jié)果顯示，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于數(shù)據(jù)的高效分析和故障的精準(zhǔn)定位，能夠顯著降低風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，提升風(fēng)電運(yùn)行管理水平。另外，以該系統(tǒng)為支撐，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電和傳統(tǒng)電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展，也可以為云計(jì)算在風(fēng)電遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控和故障診斷中的應(yīng)用提供參考和借鑒。