新基建時(shí)代風(fēng)電場(chǎng)智能運(yùn)維技術(shù)的發(fā)展與展望

王 靛，文 坤，胡凱凱，陳亞楠，陳 剛

（中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電是現(xiàn)階段世界范圍內(nèi)較為推崇的清潔能源,在我國(guó)的電力生產(chǎn)市場(chǎng)中占據(jù)著一席重要地位[1]。尤其是在當(dāng)前“30·60碳達(dá)峰、碳中和”以及“新基建”的時(shí)代背景下，借助新基建技術(shù)，風(fēng)電行業(yè)必然會(huì)迎來(lái)新一輪的大發(fā)展。然而，風(fēng)力發(fā)電自身行業(yè)屬性決定了風(fēng)電場(chǎng)部署具有機(jī)組分散、地形條件復(fù)雜多樣、生產(chǎn)環(huán)境惡劣等特征，致使行業(yè)內(nèi)對(duì)通過(guò)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)無(wú)人或少人值守以及風(fēng)電機(jī)組早期故障診斷與預(yù)測(cè)有著較為強(qiáng)烈的內(nèi)在需求。

隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G通信、人工智能等新基建技術(shù)的不斷進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電行業(yè)與整個(gè)工業(yè)系統(tǒng)正在進(jìn)行深度融合，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電行業(yè)工業(yè)產(chǎn)品的智能化升級(jí)，推動(dòng)風(fēng)電智能運(yùn)維技術(shù)發(fā)展，這符合行業(yè)發(fā)展的客觀需求。同時(shí)，在風(fēng)電整機(jī)產(chǎn)品嚴(yán)重同質(zhì)化、風(fēng)電上網(wǎng)售電平價(jià)化的政策背景下，通過(guò)數(shù)字化智能運(yùn)維方法提升產(chǎn)品附加價(jià)值，合理化降本增效，是在本輪產(chǎn)業(yè)發(fā)展中提升風(fēng)電產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力和行業(yè)地位的必要手段。

本文將對(duì)新基建時(shí)代下的風(fēng)電場(chǎng)智能運(yùn)維技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行較為系統(tǒng)的介紹，并分析其智能化、數(shù)字化發(fā)展趨勢(shì)。

1 風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維技術(shù)現(xiàn)狀

風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維是風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)管理的重要環(huán)節(jié)之一，其目的在于維持和提高設(shè)備可利用率，提升設(shè)備的發(fā)電性能并降低運(yùn)營(yíng)成本，從而保證風(fēng)電場(chǎng)在整個(gè)生命周期內(nèi)的投資收益率。因此，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維水平對(duì)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電性能及發(fā)電量有著直接的影響，并決定了整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。

目前，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維模式主要包括計(jì)劃性維護(hù)和非計(jì)劃性維護(hù)[2]。計(jì)劃性維護(hù)依靠現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員按照運(yùn)維計(jì)劃對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行維護(hù)檢查及消缺，該運(yùn)維方式存在間斷性和滯后性特點(diǎn)，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的缺陷。非計(jì)劃性維護(hù)依靠風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的故障告警提示，在機(jī)組報(bào)出故障后由現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員對(duì)故障進(jìn)行處理。該運(yùn)維方式受備件、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及故障發(fā)生時(shí)間等因素的影響，易出現(xiàn)故障處理響應(yīng)慢、風(fēng)電機(jī)組停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。

傳統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維以分散式運(yùn)維為主，主要表現(xiàn)為機(jī)組分散、運(yùn)維人員分散、備品備件分散[3]，即以單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)為單位的分散式運(yùn)維，風(fēng)電場(chǎng)間的人力資源和備品備件相互獨(dú)立、互不共享。在分散式運(yùn)維模式下，因無(wú)法實(shí)現(xiàn)資源共享和集中統(tǒng)一協(xié)調(diào)，各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)為保證運(yùn)維效率，避免機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間故障停機(jī)，通常在風(fēng)電場(chǎng)部署充足的運(yùn)維人員及備品備件，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維成本高[4]，難以滿足風(fēng)電平價(jià)時(shí)代的要求。同時(shí)，傳統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維方式缺乏統(tǒng)一的運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，運(yùn)維人員水平參差不齊，風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)和定期檢查缺少有效的運(yùn)維監(jiān)管，導(dǎo)致部分運(yùn)維工作流于形式，運(yùn)維質(zhì)量難以保證[5-6]，從而無(wú)法發(fā)揮機(jī)組的最優(yōu)發(fā)電性能，造成發(fā)電量損失，機(jī)組的安全性也經(jīng)受到嚴(yán)峻考驗(yàn)。因此，如何在低運(yùn)維成本的壓力下實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)維質(zhì)量的不斷提升、提高機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，這將是風(fēng)電企業(yè)一個(gè)亟待解決的課題。

2 新基建時(shí)代風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

在當(dāng)前風(fēng)電平價(jià)上網(wǎng)政策要求下，風(fēng)電機(jī)組整機(jī)市場(chǎng)價(jià)格持續(xù)走低，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維成本將面臨更大壓力，傳統(tǒng)的運(yùn)維方式已難以滿足行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展需求。《2020年國(guó)務(wù)院政府工作報(bào)告》提出，重點(diǎn)支持“兩新一重”（即新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，新型城鎮(zhèn)化建設(shè)，交通、水利等重大工程建設(shè)）[7]，其中的5G基站建設(shè)、特高壓建設(shè)、大數(shù)據(jù)中心、人工智能和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字“新基建”技術(shù)將服務(wù)于風(fēng)電行業(yè)。目前已有不少運(yùn)營(yíng)商借助數(shù)字“新基建”技術(shù)，將風(fēng)電運(yùn)維模式從傳統(tǒng)分散式運(yùn)維模式向智能化集中式運(yùn)維模式轉(zhuǎn)變，并在整個(gè)風(fēng)力發(fā)電運(yùn)維過(guò)程中的部分領(lǐng)域突破了關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了局部智能運(yùn)維。針對(duì)風(fēng)電運(yùn)維生命周期過(guò)程涵蓋的“運(yùn)維定檢”“備品備件”“資產(chǎn)管理”“技術(shù)支持”“延壽改造”和“提質(zhì)增效”等關(guān)鍵要素，平價(jià)政策下的風(fēng)電運(yùn)維技術(shù)呈現(xiàn)出智能化、數(shù)字化的新特點(diǎn)。

2.1 基于5G通信技術(shù)的無(wú)人機(jī)蜂群巡檢系統(tǒng)

該創(chuàng)新點(diǎn)考慮風(fēng)電場(chǎng)前端的“運(yùn)維定檢”可達(dá)性和高效性，針對(duì)傳統(tǒng)人工巡檢方式所存在的人工成本高、通勤開(kāi)支大、時(shí)效性差、精度差以及航程短等問(wèn)題[8]，可采用無(wú)人機(jī)對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行定期巡檢的方式來(lái)解決。例如，無(wú)人機(jī)巡檢風(fēng)電機(jī)組葉片技術(shù)，通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)蜂群路徑進(jìn)行最優(yōu)規(guī)劃和編隊(duì)控制，利用5G通信技術(shù)（具有高速率、低延時(shí)特點(diǎn)）傳輸風(fēng)電場(chǎng)實(shí)況高清視頻、音頻數(shù)據(jù)及蜂群控制信號(hào)，定期自動(dòng)巡航，監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組葉片是否存在開(kāi)裂及覆冰現(xiàn)象以及風(fēng)電機(jī)組外部情況，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組智能巡檢和風(fēng)電場(chǎng)少人化值守。圖1為基于無(wú)人機(jī)方式的風(fēng)電機(jī)組葉片巡檢示意圖。采用這種方式將極大提高巡檢誤差精度和效率，降低運(yùn)維成本。

圖1 基于無(wú)人機(jī)的風(fēng)電機(jī)組葉片巡檢示意Fig.1 Schematic diagram of UAV based wind turbine blade inspection

2.2 基于數(shù)字孿生技術(shù)的風(fēng)電機(jī)組數(shù)字化仿真系統(tǒng)

風(fēng)電機(jī)組數(shù)字化仿真系統(tǒng)是從風(fēng)電場(chǎng)后端的“運(yùn)維定檢”視角，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，基于數(shù)字孿生技術(shù)，將數(shù)字風(fēng)電機(jī)組與實(shí)際風(fēng)電機(jī)組逐一映射，呈現(xiàn)“如影隨形”的仿真效果。該仿真系統(tǒng)規(guī)避了機(jī)組通達(dá)條件的復(fù)雜性與環(huán)境特殊性，可降低運(yùn)維成本，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的故障復(fù)現(xiàn)和壽命預(yù)測(cè)。圖2所示為風(fēng)電機(jī)組部件級(jí)數(shù)字化仿真的風(fēng)電機(jī)組直驅(qū)變槳距數(shù)字孿生仿真模型[9]。首先，該模型通過(guò)安裝在風(fēng)電機(jī)組直驅(qū)變槳距系統(tǒng)物理實(shí)體中的傳感器及數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視系統(tǒng)，完成對(duì)風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集。然后，數(shù)字孿生映射模型將數(shù)據(jù)傳送到風(fēng)電機(jī)組直驅(qū)變槳距系統(tǒng)數(shù)字孿生虛擬空間。最后，虛擬空間通過(guò)更新傳感器數(shù)據(jù)和分析歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真，以反映相應(yīng)風(fēng)電機(jī)組直驅(qū)變槳距系統(tǒng)物理實(shí)體裝備的生命周期過(guò)程。

圖2 風(fēng)電機(jī)組直驅(qū)變槳距系統(tǒng)數(shù)字孿生模型Fig.2 Digital twin model of wind turbine direct drive variable pitch system

2.3 基于信息化系統(tǒng)的企業(yè)資產(chǎn)管理（enterprise asset management，EAM）系統(tǒng)

該創(chuàng)新點(diǎn)兼顧“資產(chǎn)管理”和“備品備件”兩個(gè)關(guān)鍵要素，通過(guò)各信息系統(tǒng)的互通互聯(lián)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維的管控，使故障處理形成閉環(huán)；并在故障處理過(guò)程中，不斷完善故障知識(shí)庫(kù)，使行業(yè)經(jīng)驗(yàn)得以傳承[10]。

圖3為基于信息化系統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)企業(yè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。其針對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維特點(diǎn)，從預(yù)測(cè)性、預(yù)防性和故障維修3個(gè)方面著手，借助遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、高頻采樣系統(tǒng)和振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，獲得風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行日志數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)測(cè)性分析；同時(shí)，通過(guò)設(shè)備、耗材周期運(yùn)維管理，對(duì)風(fēng)電機(jī)組故障進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，并利用專家經(jīng)驗(yàn)庫(kù)進(jìn)行線上、線下方式知識(shí)共享、信息提醒與遠(yuǎn)程指導(dǎo)，從而獲得知識(shí)沉淀和故障Top統(tǒng)計(jì)（即故障發(fā)生頻次排行榜）。最終實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的根因分析與專項(xiàng)改造，達(dá)到降低排障難度和耗材率、提高風(fēng)電機(jī)組維修效率的目的。

圖3 基于信息化系統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)企業(yè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 Architecture of enterprise asset management system for wind farms based on information system

2.4 基于智能系統(tǒng)方式的故障預(yù)測(cè)與健康管理（prognostics and health management, PHM）系統(tǒng)

該創(chuàng)新點(diǎn)著眼于風(fēng)電機(jī)組的“延壽改造”問(wèn)題，基于智能系統(tǒng)方式對(duì)風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件進(jìn)行診斷和預(yù)測(cè)，有利于提升風(fēng)電機(jī)組的可靠性與延長(zhǎng)整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)生命周期[11]。

相對(duì)于傳統(tǒng)的基于傳感器方式的預(yù)測(cè)方式，PHM基于智能系統(tǒng)方式，通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)的智能監(jiān)測(cè)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型算法，預(yù)先診斷風(fēng)電機(jī)組部件或系統(tǒng)完成其功能的狀態(tài)，并根據(jù)診斷、預(yù)測(cè)信息及使用需求，評(píng)估風(fēng)電機(jī)組健康狀態(tài)，對(duì)運(yùn)維作業(yè)做出合理決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的健康維護(hù)與管理。例如風(fēng)電機(jī)組齒輪箱溫控閥異常檢測(cè)模型，其用于識(shí)別齒輪箱溫控閥早期故障特征，實(shí)現(xiàn)在風(fēng)電機(jī)組報(bào)油溫高故障/警告前發(fā)現(xiàn)溫控閥故障，幫助運(yùn)維人員提前做好維修計(jì)劃制定、配件準(zhǔn)備、故障檢修時(shí)機(jī)選擇等工作，減少非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間，最大程度地減小該故障對(duì)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量的影響。該模型的算法流程如圖4所示[12]。通過(guò)數(shù)據(jù)測(cè)試驗(yàn)證，溫控閥異常檢測(cè)模型能夠提前3個(gè)月發(fā)現(xiàn)機(jī)組溫控閥異常問(wèn)題，使得風(fēng)電場(chǎng)能夠及時(shí)準(zhǔn)備相關(guān)配件，避免因等待配件而造成發(fā)電量損失。

鎂是生物體內(nèi)四大陽(yáng)離子之一，其含量?jī)H次于鈣、鈉、鉀，在細(xì)胞內(nèi)僅次于鉀，居第二位。鎂是細(xì)胞新陳代謝過(guò)程中各種酶系統(tǒng)的重要活化劑，為300多種酶反應(yīng)的金屬輔離子，同時(shí)也是其它一些離子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的調(diào)節(jié)物。鎂對(duì)心臟具有重要生理作用，它可激活心臟細(xì)胞膜的Na+-k+-ATP酶和心肌腺苷酸環(huán)化酶，并激活線粒體氧化磷酸化反應(yīng)，降低細(xì)胞膜的通透性，興奮鉀、鈉泵，促進(jìn)鉀內(nèi)流，同時(shí)降低心肌的應(yīng)激性和傳導(dǎo)性，抑制異位激動(dòng)。

圖4 溫控閥異常檢測(cè)模型Fig.4 Detection model for temperature control valve anomaly

又如風(fēng)電機(jī)組葉根螺栓斷裂檢測(cè)模型。由于葉根螺栓位置并未安裝傳感器，因此，一旦發(fā)生螺栓斷裂，系統(tǒng)無(wú)法對(duì)該故障進(jìn)行實(shí)時(shí)警報(bào)。只有當(dāng)葉根螺栓斷裂后觸發(fā)其他警報(bào)時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的業(yè)務(wù)人員才能夠得到該故障信息。通過(guò)對(duì)葉根螺栓斷裂故障的檢測(cè)，能夠提前獲知葉根螺栓故障狀態(tài)，及時(shí)安排檢修，避免了因延誤修理而造成重大事故，滿足風(fēng)電場(chǎng)業(yè)務(wù)人員對(duì)設(shè)備的運(yùn)維及時(shí)性需求。圖5所示為葉根螺栓斷裂檢測(cè)流程[13]。其利用不同風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)據(jù)建模并對(duì)相應(yīng)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，采用該模型進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組葉根螺栓斷裂故障預(yù)測(cè)，其準(zhǔn)確率可達(dá)到90%以上，能夠及時(shí)、有效地發(fā)現(xiàn)機(jī)組葉根螺栓斷裂的情況，從而避免了葉根螺栓斷裂所造成的其他更嚴(yán)重的損害。

圖5 葉根螺栓斷裂檢測(cè)流程Fig.5 Detection process of blade root bolt fracture

2.5 基于整機(jī)廠技術(shù)實(shí)力的后市場(chǎng)運(yùn)維體系

該創(chuàng)新點(diǎn)是從技術(shù)支持層面考慮，針對(duì)后市場(chǎng)運(yùn)維服務(wù)品質(zhì)問(wèn)題，依托以整機(jī)廠為代表的服務(wù)商的技術(shù)實(shí)力，通過(guò)發(fā)電量擔(dān)保的手段，有效規(guī)范市場(chǎng)[14]。同時(shí)，整機(jī)廠通過(guò)打造覆蓋全生命周期的機(jī)組智能運(yùn)維解決方案，可有效實(shí)現(xiàn)機(jī)組提質(zhì)增效，甚至可參與分享?yè)?dān)保外的發(fā)電收益，與用戶一起實(shí)現(xiàn)互利共贏，最終依托智能運(yùn)維技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)模式的拓展。

2.6 基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)的發(fā)電量后評(píng)估及增效潛力評(píng)估

該創(chuàng)新點(diǎn)從風(fēng)電場(chǎng)整體的提質(zhì)增效出發(fā)，考慮發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量提升和潛力評(píng)估。對(duì)于在役機(jī)組而言，其發(fā)電量損失主要包括發(fā)電性能退化造成的損失以及可靠性降低造成的損失[15]。發(fā)電量后評(píng)估模型依托大數(shù)據(jù)平臺(tái)豐富且完備的數(shù)據(jù)信息，從風(fēng)電場(chǎng)、單臺(tái)機(jī)組、故障等多維度評(píng)估機(jī)組及風(fēng)電場(chǎng)的電量損失，精準(zhǔn)定位電量損失源由，明確機(jī)組可靠性提升項(xiàng)點(diǎn)。而增效潛力評(píng)估模型，從偏航、葉片對(duì)零、安全增功、高風(fēng)穿越及切入優(yōu)化等維度評(píng)估機(jī)組發(fā)電性能提升潛力，有針對(duì)性地對(duì)機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，以提升發(fā)電量。通過(guò)采用類似評(píng)估手段，對(duì)南方某一容量為50 MW的低風(fēng)速風(fēng)電場(chǎng)展開(kāi)評(píng)估，在明確各臺(tái)機(jī)組的發(fā)電量提升項(xiàng)點(diǎn)并優(yōu)化的情況下，該風(fēng)電場(chǎng)年發(fā)電量可提升4%，約4.40×106kW·h，每年能夠額外增加260多萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)收益。

2.7 基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的集團(tuán)和區(qū)域級(jí)集約式集控中心

集約式集控中心是從集團(tuán)層面或區(qū)域?qū)用婵紤]風(fēng)電運(yùn)維周期內(nèi)規(guī)模效應(yīng)。集團(tuán)層定位于經(jīng)營(yíng)和管控，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一決策、管控和對(duì)下服務(wù)；區(qū)域?qū)佣ㄎ挥趨^(qū)域化的經(jīng)營(yíng)管理，其一方面強(qiáng)化運(yùn)營(yíng)管控和決策分析，另一方面搭建共享服務(wù)，不僅包括集團(tuán)內(nèi)部的共享服務(wù)，同時(shí)也包括跟客戶以及供應(yīng)商高度協(xié)同的共享服務(wù)[16]。

縱觀風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維技術(shù)脈絡(luò)，當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維模式處于變革期，隨著智能化、數(shù)字化新基建技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)電智能運(yùn)維技術(shù)應(yīng)用將更加廣泛。

3 新基建時(shí)代下風(fēng)電場(chǎng)智能運(yùn)維體系建設(shè)

在新基建時(shí)代背景下，傳統(tǒng)風(fēng)電運(yùn)維技術(shù)將與物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、人工智能、邊緣計(jì)算、云計(jì)算、無(wú)人機(jī)、5G通信、智能終端等新技術(shù)進(jìn)行深度融合，并借助大數(shù)據(jù)平臺(tái)和信息化技術(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)和遠(yuǎn)程診斷，實(shí)現(xiàn)行業(yè)智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型。風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維體系的智能化將從多層面、多維度進(jìn)行精細(xì)化滲透。

未來(lái)風(fēng)電運(yùn)維生態(tài)體系特點(diǎn)如下：

（2）基于數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字風(fēng)電場(chǎng)與實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)的“形影”跟隨，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控狀態(tài)，輔助決策。

（3）用戶基于無(wú)人機(jī)蜂群協(xié)同系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際勘測(cè)與檢驗(yàn)，通過(guò)場(chǎng)站智能能量管理系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)整場(chǎng)能量供需平衡，并將整場(chǎng)狀態(tài)信息，通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)上傳至集約式集控中心。

（4）集控中心借助數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)大數(shù)據(jù)平臺(tái)、云計(jì)算等技術(shù)手段進(jìn)行故障預(yù)測(cè)、健康管理以及損失電量評(píng)估。

（5）基于EAM合理配置運(yùn)維資源，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維資源最優(yōu)化、場(chǎng)能效益最大化。

從發(fā)電企業(yè)視角，自下而上，可將未來(lái)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維分為智能風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維、智能風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維和智能場(chǎng)群運(yùn)維，如圖6所示。以下將從這3個(gè)維度進(jìn)行闡述。

圖6 風(fēng)電場(chǎng)智能運(yùn)維體系結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of intelligent operation and maintenance system for wind farms

3.1 智能風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維

隨著5G通信技術(shù)的逐步成熟和數(shù)字信息化系統(tǒng)建設(shè)與發(fā)展，可在風(fēng)電機(jī)組端部署智能傳感器和邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，將故障預(yù)測(cè)模型前移至風(fēng)電機(jī)組端，實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)融合的分析及診斷；而風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)結(jié)合邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，可構(gòu)建以風(fēng)電機(jī)組度電成本和綜合成本率為目標(biāo)函數(shù)的風(fēng)電機(jī)組多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，進(jìn)行目標(biāo)最佳尋優(yōu)[17]。同時(shí)，基于先進(jìn)測(cè)量與傳感技術(shù)，從風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)況、載荷、狀態(tài)等多維度深度感知，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的自適應(yīng)控制，構(gòu)建會(huì)思考、自學(xué)習(xí)的智能風(fēng)電機(jī)組。此外，面對(duì)行業(yè)內(nèi)當(dāng)前難點(diǎn)和痛點(diǎn)問(wèn)題，創(chuàng)新思想，利用新技術(shù)和手段進(jìn)行分析處理，或可得到解決方案或思路。譬如，針對(duì)葉片巡檢效率低、覆蓋面窄等行業(yè)運(yùn)維問(wèn)題，可借助無(wú)人機(jī)蜂群系統(tǒng)，增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組感知能力，延伸風(fēng)電機(jī)組感知范圍；又如,針對(duì)風(fēng)電機(jī)組大部件散熱及葉片結(jié)冰問(wèn)題，可以考慮兩者的能量供需平衡，利用部件間的熱交換技術(shù)，設(shè)計(jì)和優(yōu)化能量傳導(dǎo)循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大部件散熱與葉片除冰一體化，有效提高能源利用率，達(dá)到節(jié)能減排目標(biāo)。

3.2 智能風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維

在智能風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)上，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)及5G通信技術(shù)，將邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳云端，并基于數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建與實(shí)際風(fēng)電機(jī)組一一對(duì)應(yīng)的虛擬風(fēng)電機(jī)組，形成基于數(shù)據(jù)模型的可視化虛擬風(fēng)電場(chǎng)。同時(shí)，借助無(wú)人機(jī)蜂群系統(tǒng)捕捉實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)檢測(cè)和驗(yàn)證提供依據(jù)。無(wú)人機(jī)群系統(tǒng)通過(guò)蜂群編隊(duì)、智能巡檢，可有效提高運(yùn)維效率。后端利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)與云計(jì)算技術(shù)，匯總風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維信息，并基于機(jī)器學(xué)習(xí)的模型算法與PHM系統(tǒng)，支撐場(chǎng)級(jí)管理決策，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的故障預(yù)測(cè)和健康管理，最終達(dá)到風(fēng)電場(chǎng)效益提升的目的。與傳統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)相比，基于這些新興技術(shù)所構(gòu)建的智能風(fēng)電場(chǎng)的智能化、自動(dòng)化及運(yùn)維效率將極大提高，可實(shí)現(xiàn)場(chǎng)站的少人化甚至無(wú)人化值守。這有利于降低運(yùn)維成本和因調(diào)度計(jì)劃性限電所致的棄風(fēng)率，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)收益最大化。

3.3 智能場(chǎng)群運(yùn)維

基于集團(tuán)或區(qū)域化運(yùn)維管理模式，從全局出發(fā)，構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)的風(fēng)電場(chǎng)智能運(yùn)維解決方案，協(xié)調(diào)控制風(fēng)電大數(shù)據(jù)平臺(tái)、場(chǎng)群集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、EAM系統(tǒng)、風(fēng)電場(chǎng)數(shù)字化仿真系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)群協(xié)同控制系統(tǒng)、風(fēng)電機(jī)組全生命周期健康管理系統(tǒng)以及場(chǎng)群級(jí)智能能量協(xié)同管理系統(tǒng)，形成云邊端架構(gòu)的大數(shù)據(jù)決策中心，并建立專家經(jīng)驗(yàn)積累庫(kù)進(jìn)行遠(yuǎn)程支持，實(shí)現(xiàn)資源合理配置及風(fēng)電機(jī)組大數(shù)據(jù)分析優(yōu)勢(shì)對(duì)比、能量管理策略宏觀優(yōu)化。同時(shí)，構(gòu)建風(fēng)電場(chǎng)體檢、產(chǎn)能分析等平價(jià)時(shí)代機(jī)組合同履約風(fēng)險(xiǎn)跟蹤保障體系，最終達(dá)到整體提升風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量、合理降本增效、價(jià)值大幅增長(zhǎng)的目的。

綜上所述，未來(lái)的風(fēng)電運(yùn)維服務(wù)，將是基于新基建技術(shù)，并利用風(fēng)電機(jī)組智能故障診斷、大數(shù)據(jù)預(yù)警防護(hù)、損失電量監(jiān)測(cè)等智能化、數(shù)字化手段構(gòu)建風(fēng)電智能運(yùn)維生態(tài)體系，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電運(yùn)維的降本增效。同時(shí)，智能化的風(fēng)電運(yùn)維技術(shù)也將成為未來(lái)風(fēng)電企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著風(fēng)電行業(yè)大規(guī)模、快速發(fā)展，風(fēng)電場(chǎng)低成本運(yùn)維需求越來(lái)越強(qiáng)烈，傳統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維模式在風(fēng)電平價(jià)政策下所存在的局限性也隨之突顯。本文分析了當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維技術(shù)現(xiàn)狀，認(rèn)為在國(guó)家提出大力發(fā)展新基建的時(shí)代背景下，未來(lái)的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維技術(shù)將融合大數(shù)據(jù)、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、5G通信等新基建技術(shù)，并利用智能化、數(shù)字化技術(shù)手段，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)行集約式統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)有效降本增效；并從風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)電場(chǎng)及場(chǎng)群角度出發(fā)，分析了不同維度下的風(fēng)電運(yùn)維智能化發(fā)展方向，構(gòu)建了風(fēng)電智能運(yùn)維生態(tài)體系，在一定程度上為風(fēng)電行業(yè)“服務(wù)型制造”的轉(zhuǎn)型之路提供參考。