基于SCADA 數(shù)據(jù)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電性能評(píng)價(jià)研究

王昊天，姬梓程

（華能環(huán)縣新能源有限公司，甘肅 慶陽 745700）

0 引言

隨著綠色發(fā)展理念、可持續(xù)發(fā)展理念的落實(shí)，我國為實(shí)現(xiàn)“雙碳”發(fā)展目標(biāo)，大力興建風(fēng)力發(fā)電設(shè)施，對(duì)風(fēng)電機(jī)組更新、優(yōu)化，提高風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電性能、保障風(fēng)電機(jī)組的工作效率，減少風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行故障。因此，風(fēng)電機(jī)組發(fā)電性能評(píng)價(jià)工作的開展，是提高設(shè)備作業(yè)效率的核心。

國內(nèi)外學(xué)者目前針對(duì)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電性能開展了大量研究。我國于2021年提出《在役機(jī)組性能評(píng)價(jià)技術(shù)指標(biāo)》，并積極開展行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)研討會(huì)，為風(fēng)電機(jī)組發(fā)電性能評(píng)價(jià)開展提供支撐。文獻(xiàn)［1］基于風(fēng)電機(jī)組的模型構(gòu)建，闡述了風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中的異常預(yù)警狀態(tài)，提出優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組預(yù)警模型的措施。文獻(xiàn)［2-3］開展了風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行功率預(yù)測作業(yè)，將風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)作為功率預(yù)測的基本依據(jù)。文獻(xiàn)［4-6］開展了有關(guān)風(fēng)電機(jī)組健康狀態(tài)的評(píng)價(jià)、評(píng)估工作，識(shí)別了風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行階段產(chǎn)生的問題。上述文獻(xiàn)雖然從多個(gè)角度開展了風(fēng)電機(jī)組的故障、預(yù)警、狀態(tài)監(jiān)測等研究工作，但基于具體實(shí)例和相關(guān)數(shù)據(jù)研究內(nèi)容較少，且行業(yè)中的風(fēng)電機(jī)組性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一。

本文將從風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中產(chǎn)生的SCADA歷史數(shù)據(jù)出發(fā)，開展風(fēng)電機(jī)組發(fā)電性能評(píng)價(jià)工作，建立風(fēng)電機(jī)組發(fā)電性能評(píng)價(jià)體系?；诰唧w數(shù)據(jù)，分析風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行階段存在的問題，為風(fēng)電機(jī)組的改良方向提供借鑒。

1 風(fēng)電機(jī)組發(fā)電性能評(píng)價(jià)流程

基于SCADA數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電性能，按照流程需要開展數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)評(píng)估工作，如評(píng)價(jià)結(jié)果與預(yù)期結(jié)果不符合，則需要采取相應(yīng)的性能提升措施。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組所在區(qū)域，采集有關(guān)發(fā)電性能的信息及數(shù)據(jù)，其中包括風(fēng)電機(jī)組設(shè)備結(jié)構(gòu)、選址、裝機(jī)容量等。包括機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)、發(fā)電數(shù)據(jù)、運(yùn)維數(shù)據(jù)等。從SCADA數(shù)據(jù)庫中可以獲取到有關(guān)發(fā)電機(jī)組性能的大量數(shù)據(jù)資源，根據(jù)機(jī)組控制流程、控制邏輯篩除無關(guān)數(shù)據(jù)，將功率數(shù)據(jù)、偏航數(shù)據(jù)、發(fā)電數(shù)據(jù)、時(shí)間利用數(shù)據(jù)等分類處理，對(duì)比《在役機(jī)組性能評(píng)價(jià)技術(shù)指標(biāo)》文件中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分析風(fēng)電機(jī)組發(fā)電性能是否滿足要求［7］。如評(píng)價(jià)結(jié)果表明風(fēng)電機(jī)組在功能、效率上仍存在進(jìn)一步的改善空間，則可以采取提質(zhì)增效措施，確保風(fēng)電機(jī)組時(shí)刻處于最優(yōu)性能狀態(tài)中。

2 風(fēng)電機(jī)組發(fā)電性能評(píng)價(jià)體系建立

2.1 數(shù)據(jù)采集

選取風(fēng)場內(nèi)共計(jì)30 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，均為雙饋式，規(guī)格型號(hào)為2.5 MW?；谠O(shè)施的選擇開展風(fēng)電機(jī)組發(fā)電性能評(píng)估工作，根據(jù)功率及發(fā)電量等相關(guān)數(shù)據(jù)，深入展開分析。采集并整理SCADA 中的數(shù)據(jù)，將風(fēng)電機(jī)組2022年的全年運(yùn)行數(shù)據(jù)作為依據(jù)，每間隔2 min 采集數(shù)據(jù)樣本，并計(jì)算平均風(fēng)速及光通量，結(jié)合發(fā)電機(jī)裝置的轉(zhuǎn)速、扭矩等，建立性能評(píng)價(jià)體系［8］。

2.2 功率曲線生成

功率曲線生成則依據(jù)分鐘級(jí)數(shù)據(jù)，根據(jù)《風(fēng)電機(jī)組功率特性測試》文件中的要求，開展功率數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作，并使用bin寬度建立數(shù)據(jù)組。采集的風(fēng)速數(shù)據(jù)中，按照0.6 m／s 的標(biāo)準(zhǔn)，建立數(shù)據(jù)組。不考慮風(fēng)電機(jī)組處于非運(yùn)行狀態(tài)以及限制功率狀態(tài)，篩除無關(guān)數(shù)據(jù)之后，開展功率曲線的生成作業(yè)。功率曲線生成建立數(shù)據(jù)篩選標(biāo)準(zhǔn)，將變槳角度值在5°以上的數(shù)據(jù)刪除，同時(shí)將未達(dá)到額定功率的數(shù)據(jù)點(diǎn)刪除。低于發(fā)電機(jī)組理論轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)也刪除，其中包括異常運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。將轉(zhuǎn)速低于并網(wǎng)轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)篩除，將剩余數(shù)據(jù)作為功率曲線生成的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算功率曲線保證值。并將其作為風(fēng)電機(jī)組發(fā)電性能評(píng)價(jià)的參數(shù)量，具體計(jì)算公式如下：

式中：M為保證值；Rn為風(fēng)電機(jī)組處于實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的折算電量數(shù)值；Rb為保證功率下的折算電量數(shù)值。

生成功率曲線之后，比較兩者數(shù)值之間的差異，觀察散點(diǎn)的分布狀態(tài)。功率保證值與實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的散點(diǎn)集中，則表明機(jī)組功率性能良好，反之則表現(xiàn)較差［9］。30 組數(shù)據(jù)中共計(jì)存在12 組功率曲線偏右，在低風(fēng)速狀態(tài)下呈現(xiàn)出功率下降的狀態(tài)。具體功率曲線保證值計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 風(fēng)電機(jī)組功率曲線保證值計(jì)算結(jié)果表（部分）

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，其中B 組、C 組的風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的功率保證值偏低，在滿風(fēng)狀態(tài)下的機(jī)組運(yùn)行存在滯后因素，且當(dāng)自然風(fēng)量較低的情況下，存在一定的跌落問題。而表內(nèi)的其余數(shù)據(jù)的保證值較高，且散點(diǎn)集中，表明設(shè)備功率效率較好。

2.3 偏航性能數(shù)據(jù)分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在安裝階段，為切實(shí)保障性能指標(biāo)良好，會(huì)根據(jù)風(fēng)向的初始位置以及風(fēng)電機(jī)組的機(jī)艙位置，標(biāo)定位置。這就可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組存在偏航的情況，使得理論性能指標(biāo)與實(shí)際性能指標(biāo)之間存在偏差。因此，風(fēng)電機(jī)組會(huì)使用風(fēng)向儀裝置，用于計(jì)量航向，但在長期作業(yè)環(huán)境下，設(shè)備可能會(huì)出現(xiàn)磨損等問題，使得偏航角測量結(jié)果與實(shí)際情況不符合，使得測量偏差存在。而偏航問題的產(chǎn)生，會(huì)影響到風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電性能，使得功率數(shù)值和發(fā)電量數(shù)值受到影響［10］。

基于SCADA數(shù)據(jù)的航向偏差分析，堅(jiān)持系統(tǒng)性的原則，從風(fēng)向機(jī)組的整體角度出發(fā)，判斷是否存在數(shù)據(jù)值異常情況，且結(jié)合設(shè)施扇區(qū)風(fēng)頻變化及尾流變化，綜合評(píng)估測量偏差。在偏航數(shù)據(jù)分析過程中，根據(jù)單個(gè)機(jī)組設(shè)備所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，采取對(duì)風(fēng)性能分析方法，將2°作為一個(gè)寬度曲線，繪制功率曲線。采集的偏航數(shù)據(jù)是指設(shè)施對(duì)風(fēng)角度與功率曲線間的曲線，并根據(jù)對(duì)風(fēng)誤差的額定功率，計(jì)算最終的算術(shù)平均值，具體計(jì)算結(jié)果如表2所示。表中中間數(shù)值表示風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行功率。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)變化，評(píng)價(jià)風(fēng)電機(jī)組處于偏航狀態(tài)下對(duì)風(fēng)性能的影響。數(shù)據(jù)表明，在風(fēng)速、角度存在差異的情況下，偏差角度存在區(qū)別，最終計(jì)算平均值為-4.2°。

表2 風(fēng)電機(jī)組對(duì)風(fēng)角度偏差數(shù)值表（部分）MW

2.4 發(fā)電量數(shù)據(jù)分析

結(jié)合風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)SCADA 產(chǎn)生的散點(diǎn)數(shù)據(jù)，可以判斷風(fēng)電機(jī)組在未發(fā)電、啟動(dòng)狀態(tài)、正常運(yùn)行狀態(tài)及限制發(fā)電狀態(tài)下的發(fā)電量，對(duì)比實(shí)際發(fā)電量和理論發(fā)電量，可以了解到風(fēng)電機(jī)組設(shè)施運(yùn)行過程中的相關(guān)發(fā)電量參數(shù)。根據(jù)2022年自然風(fēng)速數(shù)據(jù)，確定微選風(fēng)速，機(jī)組平均運(yùn)行風(fēng)速值較微選風(fēng)速值高。總結(jié)發(fā)電量數(shù)據(jù)后，計(jì)算不同狀態(tài)下風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量平均數(shù)值，開展風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電性能分析工作。具體理論電量與實(shí)際電量占比數(shù)值如表3 所示。

表3 理論發(fā)電量與實(shí)際發(fā)電量統(tǒng)計(jì)表

發(fā)電量是衡量風(fēng)電機(jī)組發(fā)電性能指標(biāo)的關(guān)鍵要素，理論發(fā)電量是指在風(fēng)電機(jī)組安裝建設(shè)之前所預(yù)估的發(fā)電量數(shù)值，實(shí)際發(fā)電量是指風(fēng)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下所產(chǎn)生的電量數(shù)值。如果存在限電狀態(tài)，則會(huì)使發(fā)電量的損耗比較大，如果風(fēng)電機(jī)組存在故障因素，也會(huì)出現(xiàn)發(fā)電量損失［11］。對(duì)比理論發(fā)電量與實(shí)際發(fā)電量，發(fā)電量損失較為嚴(yán)重，而等效滿發(fā)時(shí)長之間也存在一定差異。

2.5 時(shí)間利用率數(shù)據(jù)分析

結(jié)合風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)發(fā)電量后需要根據(jù)發(fā)電量數(shù)據(jù)，計(jì)算風(fēng)電機(jī)組的時(shí)間利用率。根據(jù)相關(guān)時(shí)間參數(shù)計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)。在2022年全年內(nèi)，平均風(fēng)速值在6 m／s 左右，小風(fēng)量狀態(tài)下的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)間占比為30%左右，由于風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)故障因素，且自然風(fēng)無法滿足風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的時(shí)間占比在12%左右，風(fēng)電機(jī)組處于正常狀態(tài)下的運(yùn)行時(shí)間總量在55%左右。風(fēng)電機(jī)組發(fā)電的時(shí)間利用率在計(jì)算總時(shí)間上，根據(jù)可編程邏輯控制器的帶電作業(yè)時(shí)間，計(jì)量最終的數(shù)據(jù)量。小風(fēng)量運(yùn)行時(shí)間則對(duì)比風(fēng)速和切入風(fēng)速，統(tǒng)計(jì)實(shí)際風(fēng)速低于切入風(fēng)速的數(shù)據(jù)量［12］。在存在自然風(fēng)的情況下，設(shè)備未處于發(fā)電狀態(tài)的發(fā)電計(jì)算，統(tǒng)計(jì)實(shí)際風(fēng)速高于切入風(fēng)速且設(shè)備轉(zhuǎn)速在50 r／min 以下的數(shù)據(jù)量。限電數(shù)據(jù)和正常數(shù)據(jù)則采用常規(guī)計(jì)算方法，具體計(jì)算結(jié)果如表4 所示。

表4 實(shí)際發(fā)電時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

3 風(fēng)電機(jī)組發(fā)電性能評(píng)價(jià)結(jié)果

3.1 功率曲線

分析風(fēng)電機(jī)組發(fā)電功率曲線變化，將保證值作為風(fēng)力發(fā)電性能計(jì)算的基礎(chǔ)依據(jù)。從總體角度分析，風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電性能有待提高，在30 組風(fēng)電機(jī)組之中，存在12 組風(fēng)電機(jī)組的功率保證值數(shù)值較低，僅有18組功率保證值的數(shù)值較高，這說明風(fēng)電機(jī)組的硬件設(shè)備可能存在一定的問題。在保證值數(shù)值較低的情況下，發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行功率較差，與預(yù)估功率之間存在偏差。因此，相關(guān)人員應(yīng)對(duì)排查出的12 組風(fēng)電機(jī)組展開硬件排查工作，進(jìn)一步加強(qiáng)功率數(shù)據(jù)的分析，有效提高風(fēng)電機(jī)組的性能。

3.2 偏航對(duì)風(fēng)性能分析

根據(jù)風(fēng)電機(jī)組在偏航狀態(tài)下對(duì)風(fēng)機(jī)性能數(shù)值結(jié)果的分析，風(fēng)速段不同會(huì)使得偏差誤差角度存在差異，通過對(duì)數(shù)據(jù)的綜合整理分析，最終平均偏差數(shù)值為-4.2°，這說明風(fēng)電機(jī)組在功率性能上仍存在較大的提升空間。相關(guān)技術(shù)人員在采取功率調(diào)整措施的過程中，可以應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，將偏航誤差調(diào)整軟件與風(fēng)電機(jī)組相結(jié)合，建立風(fēng)電機(jī)組的自適應(yīng)補(bǔ)償機(jī)制，減少偏航問題對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行功率產(chǎn)生的影響［13］。

3.3 發(fā)電量

根據(jù)發(fā)電量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中存在限電發(fā)電量損失較大的情況，占據(jù)理論發(fā)電量數(shù)值的13%左右，而由于設(shè)備處于故障狀態(tài)所導(dǎo)致的發(fā)電損失量占比也較高，占據(jù)理論發(fā)電量的10%左右。因此，發(fā)電量損失較高是風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行存在的問題，相關(guān)部門必須積極開展風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)調(diào)整作業(yè)，采取機(jī)組優(yōu)化措施，提高風(fēng)電機(jī)組發(fā)電性能［14］。

3.4 時(shí)間利用率

根據(jù)時(shí)間利用率結(jié)果分析，因故障檢修、啟動(dòng)等占據(jù)的總體時(shí)間比例在17%左右，占比較高，風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)間占比為54.26%。為提高風(fēng)電機(jī)組的時(shí)間利用率，可以通過故障風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、故障分析，快速故障檢修等方法，提升機(jī)組發(fā)電時(shí)間［15］。

4 結(jié)束語

本文建立風(fēng)電機(jī)組發(fā)電性能評(píng)價(jià)體系開展風(fēng)電機(jī)組的性能評(píng)估工作，主要根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行性能整理相關(guān)歷史數(shù)據(jù)，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)合功率曲線可以了解風(fēng)電機(jī)組性能狀態(tài)，結(jié)合發(fā)電量、時(shí)間利用率等各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)，可以切實(shí)了解風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行階段影響性能指標(biāo)的相關(guān)問題，為風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行效率的提升指明方向、提供思路，以期為電力企業(yè)長效發(fā)展提供保障。隨著未來大數(shù)據(jù)技術(shù)以及智能技術(shù)的不斷完善，其在風(fēng)電機(jī)組性能評(píng)價(jià)領(lǐng)域?qū)?huì)發(fā)揮更加積極的作用，評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)體系也將更加完善。