風(fēng)電機組集群大數(shù)據(jù)平臺應(yīng)用存在的問題分析及解決方法

陳 瑞

（大唐云南發(fā)電有限公司，昆明 650000）

0 引言

在“雙碳”目標(biāo)推動下，我國新能源發(fā)電裝機容量占總裝機容量的比重不斷提高，部分區(qū)域正在形成以風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電為主體的新型電力系統(tǒng)。風(fēng)電場大多位于高山、戈壁、海上等偏遠位置，發(fā)電機組部署分散、間隔路程遠，僅靠風(fēng)電場配置的工作人員難以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障和隱患[1-4]。隨著通信、自動控制、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的迅速發(fā)展，風(fēng)電場基本實現(xiàn)信息化、數(shù)字化、智能化管理，通過對風(fēng)電機組開展實時監(jiān)測和預(yù)測分析，機組運行效率得到顯著提升[5-6]。

然而，分析近年已投運的風(fēng)電機組運行的可靠性和穩(wěn)定性情況可知，風(fēng)電場集電線路頻繁跳閘、風(fēng)機故障率高、輸出功率波動大等問題時有發(fā)生，說明大數(shù)據(jù)在實際應(yīng)用過程中仍存在不少問題和難點[7-8]。一是大數(shù)據(jù)平臺在建設(shè)初期未建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)，采集范圍不明確，導(dǎo)致數(shù)據(jù)可靠性降低[9]；二是風(fēng)機數(shù)量及型號增多使得數(shù)據(jù)量變得異常龐大，而大數(shù)據(jù)平臺篩選程序設(shè)置簡單，在海量數(shù)據(jù)中篩選有效數(shù)據(jù)的能力不足，導(dǎo)致數(shù)據(jù)有效性降低[10]；三是針對風(fēng)電設(shè)備運行數(shù)據(jù)的分析算法不成體系，代碼解析、數(shù)據(jù)擬合等策略庫不能準(zhǔn)確、全面地反映機組運行、停機、檢修、維護、試驗等過程[11-13]；四是僅本著“應(yīng)采盡采”原則匯總設(shè)備運行數(shù)據(jù)、簡單統(tǒng)計運行狀態(tài)、生成報表，不深入挖掘風(fēng)機系統(tǒng)各參數(shù)間的關(guān)聯(lián)特性。以上技術(shù)問題導(dǎo)致大數(shù)據(jù)技術(shù)重要的分析、預(yù)測能力發(fā)揮不足，難以指導(dǎo)生產(chǎn)實踐[14]。因此，有必要采用先進的算法優(yōu)化大數(shù)據(jù)平臺，切實發(fā)揮大數(shù)據(jù)在指導(dǎo)設(shè)備檢修維護、完善安全生產(chǎn)管控體系、提升運行指標(biāo)考核質(zhì)效等方面的作用[15-16]。

1 風(fēng)電機組大數(shù)據(jù)平臺應(yīng)用存在的問題及原因

1.1 大數(shù)據(jù)平臺對風(fēng)機狀態(tài)的判定不準(zhǔn)確

通過分析目前風(fēng)電領(lǐng)域大數(shù)據(jù)技術(shù)的實際應(yīng)用情況可知，當(dāng)風(fēng)機數(shù)量較少、型號較為單一時，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)對風(fēng)機狀態(tài)的判斷基本準(zhǔn)確；當(dāng)接入風(fēng)機數(shù)量呈規(guī)?；鲩L并形成集群態(tài)勢，風(fēng)機機型增多、主控程序版本增多時，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)適用性變差，對風(fēng)機運行狀態(tài)的誤判率提高[17]，主要原因有以下三方面：

一是大數(shù)據(jù)平臺在建設(shè)準(zhǔn)備階段未同步發(fā)布數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)與接入系統(tǒng)要求，未統(tǒng)一風(fēng)機狀態(tài)和模擬量數(shù)據(jù)定義方式，采集測點未覆蓋全部型號的風(fēng)機、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不統(tǒng)一，導(dǎo)致風(fēng)機狀態(tài)數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)分析困難，大數(shù)據(jù)平臺不能真實反映風(fēng)機實際運行狀態(tài)[18]；二是部分型號風(fēng)機的主控系統(tǒng)可向外部傳輸?shù)娘L(fēng)機狀態(tài)數(shù)據(jù)不足，不能很好滿足大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的計算分析要求；三是部分風(fēng)機主控不能提供風(fēng)機狀態(tài)映射策略說明，且廠商無法對其進行升級，導(dǎo)致大數(shù)據(jù)平臺不能實現(xiàn)風(fēng)機全狀態(tài)數(shù)據(jù)映射。

1.2 大數(shù)據(jù)平臺對風(fēng)機事件的代碼解析和分類、分級不準(zhǔn)確

對于目前主流型號風(fēng)機，風(fēng)機事件按照觸發(fā)來源可分為10個類別，分別為主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、發(fā)電機系統(tǒng)、變頻系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)、齒輪箱系統(tǒng)、機艙系統(tǒng)和測風(fēng)系統(tǒng)；風(fēng)機事件按照危急程度可分為3 個等級，分別是提示級、報警級、故障級。當(dāng)前，大數(shù)據(jù)平臺算法庫不能通過智能識別風(fēng)機測點描述信息對數(shù)據(jù)進行自動歸類，數(shù)以千萬計的數(shù)據(jù)庫測點對應(yīng)風(fēng)機事件的分類、分級工作仍需借助人工手動填報來完成，容易出現(xiàn)未按觸發(fā)來源分類，甚至未進行分類或分級不明確、分級錯誤等問題[19]。

具有不同程序版本的風(fēng)機主控對發(fā)電流程的控制邏輯差異較大，當(dāng)風(fēng)機主控程序版本和事件代碼解析方式增多、SCADA 軟件開放程度較低、外部通信功能單一時，大數(shù)據(jù)平臺事件代碼解析策略庫將不能自動向事件信息分配適宜的解析方法，容易造成事件信息解析不全面、不正確或無法解析的問題[20]。

因此大數(shù)據(jù)平臺難以迅速、準(zhǔn)確定位故障設(shè)備并判定事件類別及故障等級，導(dǎo)致對風(fēng)電場損失電量、可控應(yīng)發(fā)電量、風(fēng)機利用率等主要指標(biāo)的計算結(jié)果失真。

1.3 大數(shù)據(jù)平臺對風(fēng)機停機類事件首出信息的判定及其故障時長的統(tǒng)計不準(zhǔn)確

風(fēng)機狀態(tài)一般分為停機類和非停機類。停機類狀態(tài)包括用戶停機、故障停機、電網(wǎng)故障、維護停機，非停機類狀態(tài)包括正常發(fā)電、限功率、環(huán)境待機、技術(shù)待機、通信中斷。

當(dāng)風(fēng)機主控上傳至大數(shù)據(jù)平臺的測點信息能完全覆蓋風(fēng)機狀態(tài)時，大數(shù)據(jù)平臺直采直用風(fēng)機停機類狀態(tài)，并同時展示機組停運時刻的故障事件信息，對事件首出信息的判定及其故障時長的統(tǒng)計基本準(zhǔn)確。當(dāng)風(fēng)機主控上傳至大數(shù)據(jù)平臺的測點信息不能完全覆蓋上述狀態(tài)時，大數(shù)據(jù)平臺采取根據(jù)工作人員經(jīng)驗來補充缺少的風(fēng)機狀態(tài)，易造成風(fēng)機狀態(tài)映射錯誤，將非停機類狀態(tài)映射成停機類狀態(tài)或?qū)⑼C類狀態(tài)映射成非停機類狀態(tài)，導(dǎo)致事件首出信息無法準(zhǔn)確判定或故障時長統(tǒng)計錯誤[21]。例如，將環(huán)境待機錯誤映射成故障停機，或?qū)⒂脩敉C映射為故障停機等，此時若無故障信號，則無法生成事件首出信息。

1.4 大數(shù)據(jù)平臺對外部因素造成的限電、機組停運引起的電量損失歸類不準(zhǔn)確

在實際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)采集范圍易受風(fēng)電場關(guān)聯(lián)系統(tǒng)局限性約束。目前，大數(shù)據(jù)平臺暫無有效手段自動采集電網(wǎng)運行方式倒換、線路檢修消缺等信息，若調(diào)度機構(gòu)電話通知風(fēng)電場降負(fù)荷或配合停機，期間的電量損失會被歸類至手動計劃停運損失。此外，當(dāng)風(fēng)電場遭遇極寒天氣導(dǎo)致風(fēng)機葉片覆冰時，機組不平衡載荷增大，為避免風(fēng)機零部件受損，風(fēng)電場會采取主動停機措施，而大數(shù)據(jù)平臺無法識別出該操作是為應(yīng)對極端災(zāi)害天氣采取的，停運期間的電量損失會被歸類至手動計劃停運損失，遭遇伴隨雷暴現(xiàn)象的強對流天氣時也會如此。

1.5 大數(shù)據(jù)平臺對風(fēng)電場內(nèi)部開展計劃性工作造成的電量損失歸類不明確

當(dāng)風(fēng)電場開展風(fēng)機定檢、電場清掃預(yù)試、風(fēng)機技改、控制系統(tǒng)調(diào)試、風(fēng)機修后試驗、消缺等工作時，將進行手動停機，大數(shù)據(jù)平臺會把此類工作造成的電量損失籠統(tǒng)地歸類為計劃停運損失，過于粗放。在此基礎(chǔ)上開展風(fēng)機運行狀態(tài)指導(dǎo)和考核指標(biāo)管控將不利于實現(xiàn)精細化管理。

1.6 大數(shù)據(jù)平臺對風(fēng)機系統(tǒng)各參數(shù)間的關(guān)聯(lián)價值挖掘不深入

考察一座風(fēng)電場資源利用是否充分、生產(chǎn)管控措施是否到位、運行維護水平是否良好的主要方式，是對風(fēng)電場進行電量指標(biāo)、電力消耗指標(biāo)、設(shè)備運行指標(biāo)、運行維護指標(biāo)等進行全面評價[22-23]。這就要求大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)不能停留在初級階段，僅匯總設(shè)備運行數(shù)據(jù)、簡單統(tǒng)計運行狀態(tài)、生成報表還遠遠不夠，要深入研究風(fēng)機系統(tǒng)各參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性，充分利用、開發(fā)大數(shù)據(jù)算法，實現(xiàn)生產(chǎn)規(guī)律自總結(jié)、系統(tǒng)（設(shè)備）變化趨勢自預(yù)測和異常事件自診斷。

2 風(fēng)力發(fā)電企業(yè)提升大數(shù)據(jù)平臺應(yīng)用效能的思路及實現(xiàn)方案

本文在分析風(fēng)電企業(yè)大數(shù)據(jù)平臺應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從六個方面提出了解決問題的思路及實現(xiàn)方案。

2.1 提高風(fēng)機狀態(tài)判定的準(zhǔn)確性

（1）大數(shù)據(jù)平臺在建設(shè)初期要做好準(zhǔn)備工作，制定數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)，明確風(fēng)機基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集范圍和相關(guān)要求，約定數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和通信端口，統(tǒng)籌規(guī)劃系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口及地址段分配文件，規(guī)定風(fēng)機狀態(tài)的定義方式[24]。例如：規(guī)定風(fēng)電場需采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括故障代碼、風(fēng)機狀態(tài)、風(fēng)機限功率狀態(tài)、有功發(fā)電量總計、有功用電量總計、艙外溫度、風(fēng)速、風(fēng)電機組有功功率、上網(wǎng)電量、購網(wǎng)電量、自動發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）限功率指令值、站用電量、升壓站間隔事故總信號、升壓站開關(guān)位置信號等，約定數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為IEC104、通信端口為2404，約定某風(fēng)電場的通信地址段為10.66.24.35 至10.66.24.45，規(guī)定風(fēng)機狀態(tài)包含正常發(fā)電、限功率、環(huán)境待機、維護停機、用戶停機、技術(shù)待機、故障停機、電網(wǎng)故障、通信中斷。

（2）當(dāng)部分型號的風(fēng)機主控系統(tǒng)可向外部傳輸?shù)娘L(fēng)機狀態(tài)數(shù)據(jù)不足時，要訂立風(fēng)機狀態(tài)數(shù)據(jù)補采標(biāo)準(zhǔn)和方法。比如，某風(fēng)電場提供的風(fēng)機狀態(tài)只有發(fā)電、停機、故障、維護時，應(yīng)要求風(fēng)電場升級風(fēng)機主控程序來實現(xiàn)必要的風(fēng)機狀態(tài)上傳，確因設(shè)備老舊、廠家破產(chǎn)等客觀原因無法完成風(fēng)機主控程序升級的，應(yīng)向大數(shù)據(jù)平臺提交風(fēng)機狀態(tài)映射策略說明，由大數(shù)據(jù)平臺廠商開發(fā)相應(yīng)的程序補充至風(fēng)機狀態(tài)數(shù)據(jù)擬合策略庫。

（3）當(dāng)風(fēng)機主控廠家無法提供風(fēng)機狀態(tài)映射策略說明且無法對風(fēng)機主控程序進行升級時，大數(shù)據(jù)平臺廠商應(yīng)在組織專家充分論證風(fēng)機狀態(tài)與功率、發(fā)電機電壓、發(fā)電機電流、風(fēng)速、風(fēng)向等數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)性后制訂風(fēng)機全狀態(tài)數(shù)據(jù)映射方案，以可調(diào)用模型算法的形式將其補入風(fēng)機狀態(tài)數(shù)據(jù)擬合策略庫。

2.2 解決風(fēng)機事件分類、分級和代碼解析不準(zhǔn)確問題

（1）大數(shù)據(jù)平臺應(yīng)在建設(shè)初期開發(fā)基于測點中文描述信息自動歸類事件信息的基礎(chǔ)程序，同時也要開發(fā)風(fēng)機事件信息自動分類、分級的算法程序，避免人工分揀錯誤的問題。

（2）大數(shù)據(jù)平臺應(yīng)在建設(shè)初期做好擬接入風(fēng)電場的風(fēng)機主控生產(chǎn)廠家、型號、程序版本類別的調(diào)研工作，并針對多版本、多解析算法的事件代碼，提前建立大數(shù)據(jù)平臺代碼解析策略庫。策略庫將根據(jù)事件代碼附帶的主控程序版本及型號信息，自動適配解析方式，可有效避免風(fēng)機事件代碼解析不正確、不全面或無法解析的問題。

2.3 提高停機類事件首出信息判定及其故障時長統(tǒng)計的準(zhǔn)確性

大數(shù)據(jù)系統(tǒng)在建設(shè)初期要劃分好風(fēng)機的狀態(tài)類別，當(dāng)風(fēng)電場風(fēng)機主控上傳大數(shù)據(jù)平臺的測點信息不能覆蓋風(fēng)機全部狀態(tài)時，大數(shù)據(jù)平臺要采取調(diào)用風(fēng)機狀態(tài)數(shù)據(jù)擬合策略庫的方式來映射出缺少的風(fēng)機狀態(tài)作為補充。

2.4 解決外部因素造成的限電、機組停運引起的電量損失歸類不準(zhǔn)確問題

風(fēng)電場集控中心要開發(fā)手動掛牌功能，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)也應(yīng)開發(fā)相應(yīng)的掛牌識別功能。

（1）當(dāng)管轄風(fēng)電場的電網(wǎng)調(diào)度中心通知風(fēng)電場配合開展電網(wǎng)運行方式倒換、線路檢修消缺，需要采取主動降負(fù)荷或停機操作時，運行值班人員應(yīng)在操作前將設(shè)備掛“電網(wǎng)限電”電子牌，大數(shù)據(jù)平臺也應(yīng)完成掛牌識別并將掛牌后降出力或停運風(fēng)機造成的電量損失歸類為電網(wǎng)限電損失，同時按照標(biāo)準(zhǔn)計入“場外受累損失電量”。

（2）當(dāng)風(fēng)電場遭遇伴隨雷暴現(xiàn)象的強對流天氣，需要采取手動停風(fēng)機、停集電線路措施來避免雷擊時，運行值班人員應(yīng)在操作前將設(shè)備掛“避雷停運”電子牌，大數(shù)據(jù)平臺也應(yīng)完成掛牌識別并將掛牌后停運風(fēng)機或停集電線路造成的電量損失歸類為環(huán)境因素?fù)p失，同時按照標(biāo)準(zhǔn)計入“場外受累損失電量”。

（3）當(dāng)風(fēng)電場遭遇極寒天氣導(dǎo)致部分風(fēng)機葉片覆冰，需要采取主動停機措施時，運行值班人員應(yīng)在操作前將設(shè)備掛“風(fēng)機覆冰”電子牌，大數(shù)據(jù)平臺也應(yīng)完成掛牌識別并將掛牌后停運風(fēng)機造成的電量損失歸類為環(huán)境因素?fù)p失，同時按照標(biāo)準(zhǔn)計入“場外受累損失電量”。

2.5 優(yōu)化電量損失的分類方式

（1）大數(shù)據(jù)平臺要編寫電量損失分類程序，將電量損失細化為風(fēng)機故障損失、自降容損失、計劃停運損失、場外受累損失等，并區(qū)分計劃停運損失，包括定期工作、檢修技改和風(fēng)機維修造成的電量損失。

（2）當(dāng)風(fēng)電場需要開展風(fēng)機定檢、電場清掃預(yù)試、風(fēng)機技改、控制系統(tǒng)調(diào)試、風(fēng)機修后試驗、消缺等計劃性工作，需要進行手動停機時，運行值班人員應(yīng)在操作前將設(shè)備掛相應(yīng)的電子牌，大數(shù)據(jù)平臺也應(yīng)完成掛牌識別并將掛牌后停運風(fēng)機造成的電量損失分別歸類至定期工作電量損失、檢修技改電量損失或風(fēng)機維修電量損失。

2.6 深入挖掘風(fēng)機系統(tǒng)各參數(shù)間的關(guān)聯(lián)價值

（1）大數(shù)據(jù)平臺要按照風(fēng)電企業(yè)生產(chǎn)指標(biāo)管理體系要求，開發(fā)電量指標(biāo)、電力消耗指標(biāo)、設(shè)備運行指標(biāo)和運行維護指標(biāo)的全面評價程序。

（2）根據(jù)實際需求建立數(shù)學(xué)模型。一是建立風(fēng)速模型，提高發(fā)電量預(yù)測的準(zhǔn)確性；二是建立風(fēng)機狀態(tài)模型，對風(fēng)機故障或異常事件觸發(fā)原因進行自動分析；三是建立風(fēng)機發(fā)電系統(tǒng)及其部件的運行模型，科學(xué)評估設(shè)備性能的劣化程度、預(yù)測設(shè)備剩余壽命、及時發(fā)布預(yù)警信息并給出處理建議[25-26]；四是通過數(shù)學(xué)模型對風(fēng)機各負(fù)荷階段齒輪油溫度、黏度、壓力的變化特征進行分析，預(yù)測下一次注油或換油時間并提供生產(chǎn)維保建議?？傊?，要提升大數(shù)據(jù)平臺分析各系統(tǒng)參數(shù)間關(guān)聯(lián)特性的能力，實現(xiàn)生產(chǎn)規(guī)律自總結(jié)、系統(tǒng)（設(shè)備）變化趨勢自預(yù)測和異常事件自診斷。

3 結(jié)束語

隨著風(fēng)電裝機規(guī)模迅速擴張，數(shù)以億計的實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)正在形成巨大的數(shù)據(jù)資源地，大數(shù)據(jù)平臺在生產(chǎn)管理工作中的服務(wù)支撐作用日益凸顯。本文闡述了風(fēng)電場大數(shù)據(jù)平臺運行過程中實際存在的問題，并進行了深入的原因剖析，從制定數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)、完善風(fēng)機狀態(tài)數(shù)據(jù)擬合策略庫、構(gòu)建算法模型等角度提出了解決思路和實現(xiàn)方案，對如何提高風(fēng)機狀態(tài)判斷準(zhǔn)確性和電量損失歸類準(zhǔn)確性、解決風(fēng)機事件分類、分級和代碼解析不準(zhǔn)確問題、挖掘風(fēng)機系統(tǒng)各參數(shù)間的關(guān)聯(lián)價值提出了針對性措施，對提升風(fēng)電企業(yè)設(shè)備運行管控水平，充分發(fā)揮風(fēng)力發(fā)電供能系統(tǒng)效能、提高風(fēng)資源利用率、保持風(fēng)電裝機容量規(guī)?；鲩L具有重要意義。