面向智慧風(fēng)電場(chǎng)的遠(yuǎn)距離控制與運(yùn)維管理技術(shù)研究

張 軍

（永?？h中翔能源有限公司，廣西欽州 535000）

“智慧風(fēng)電場(chǎng)”概念已被提出多年，迄今為止，在業(yè)界并沒有形成統(tǒng)一的定論。5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代高新技術(shù)及風(fēng)電技術(shù)的不斷發(fā)展，為智慧風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)提供了重要基礎(chǔ)條件，也為智慧風(fēng)電場(chǎng)提供了新的發(fā)展契機(jī)。文章對(duì)智慧風(fēng)電場(chǎng)的遠(yuǎn)距離控制與運(yùn)維管理關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討，并提出了一種風(fēng)電場(chǎng)智慧型一體化監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)方案，以推進(jìn)風(fēng)電場(chǎng)智能化水平的進(jìn)一步提升。

1 智慧風(fēng)電場(chǎng)概述

智慧風(fēng)電場(chǎng)是一種利用先進(jìn)技術(shù)和智能系統(tǒng)來提高風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)效率，降低成本，優(yōu)化能源產(chǎn)量的風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)。其整合了現(xiàn)代信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)各方面的實(shí)時(shí)監(jiān)控、優(yōu)化管理和預(yù)測(cè)性維護(hù)。

智慧風(fēng)電場(chǎng)具有以下基本特征。

（1）學(xué)習(xí)性。智慧風(fēng)電場(chǎng)可通過持續(xù)的數(shù)據(jù)收集和分析，不斷優(yōu)化運(yùn)行策略，提高發(fā)電效率和可靠性。

（2）成長(zhǎng)性。智慧風(fēng)電場(chǎng)具有良好的擴(kuò)展性，可根據(jù)需要，靈活地增加風(fēng)機(jī)數(shù)量，適應(yīng)不同規(guī)模的電力需求。

（3）開放性。智慧風(fēng)電場(chǎng)采用先進(jìn)的信息技術(shù)，通常具有開放的系統(tǒng)架構(gòu)，可與其他智能系統(tǒng)、電力網(wǎng)絡(luò)等互相連接，實(shí)現(xiàn)信息共享和資源整合。

（4）異構(gòu)性。智慧風(fēng)電場(chǎng)通常由多個(gè)不同型號(hào)、不同規(guī)格的風(fēng)機(jī)組成，這些風(fēng)機(jī)可能來自不同的制造商，系統(tǒng)需要具備處理這種異構(gòu)性的能力。

（5）友好性。智慧風(fēng)電場(chǎng)利用可再生風(fēng)能資源，可減少對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴，從而降低環(huán)境負(fù)荷，減緩氣候變化。

這些特征使得智慧風(fēng)電場(chǎng)成為一種高度智能化、靈活可控、可持續(xù)發(fā)展的清潔能源解決方案，對(duì)于推動(dòng)清潔能源轉(zhuǎn)型和提升電力系統(tǒng)的智能化水平起到了積極的推動(dòng)作用。

2 智慧風(fēng)電場(chǎng)體系架構(gòu)

2.1 智慧風(fēng)電場(chǎng)的生產(chǎn)管理維度

（1）風(fēng)機(jī)級(jí)。具有自我調(diào)節(jié)、自我保護(hù)，對(duì)重大故障直接反應(yīng)等基本功能的智能風(fēng)機(jī)。

（2）場(chǎng)站級(jí)?；跉庀髷?shù)據(jù)和風(fēng)場(chǎng)拓?fù)?，?duì)風(fēng)電場(chǎng)的布局進(jìn)行優(yōu)化，最大程度利用風(fēng)資源。對(duì)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)調(diào)度風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，以保證場(chǎng)站的整體穩(wěn)定性和高效性。

（3）集控級(jí)。集中監(jiān)控和調(diào)度所有場(chǎng)站，協(xié)調(diào)風(fēng)電場(chǎng)間的運(yùn)行，保障整個(gè)風(fēng)電項(xiàng)目的高效穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)從各場(chǎng)站收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，為決策者提供可靠的參考和建議，以優(yōu)化運(yùn)營(yíng)策略。

（4）集團(tuán)化管控級(jí)。其主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的智慧發(fā)展，要求持續(xù)學(xué)習(xí)、持續(xù)優(yōu)化，分類指導(dǎo)風(fēng)電智慧化發(fā)展。

2.2 智慧風(fēng)電場(chǎng)的信息系統(tǒng)維度

智慧風(fēng)電場(chǎng)的信息系統(tǒng)維度分為基礎(chǔ)設(shè)施級(jí)（硬件基礎(chǔ)）、支撐平臺(tái)級(jí)（軟件基礎(chǔ)架構(gòu)）、應(yīng)用平臺(tái)級(jí)（建設(shè)目標(biāo)的各類應(yīng)用）3個(gè)部分。

（1）基礎(chǔ)設(shè)施級(jí)。這一層次包括了構(gòu)成智慧風(fēng)電系統(tǒng)基礎(chǔ)的硬件設(shè)施，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、變流器、傳感器、控制器、通信設(shè)備等。這些組件共同構(gòu)成了一個(gè)完整的物理基礎(chǔ)，為系統(tǒng)的運(yùn)行提供支持。

（2）支撐平臺(tái)級(jí)。這一層次涵蓋了在硬件基礎(chǔ)上運(yùn)行的軟件基礎(chǔ)架構(gòu)，包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、通信協(xié)議等。支撐平臺(tái)級(jí)的軟件提供了對(duì)硬件的管理、控制和數(shù)據(jù)處理功能。

（3）應(yīng)用平臺(tái)級(jí)。這一層次是智慧風(fēng)電系統(tǒng)中的最高級(jí)別，涵蓋了各種用于實(shí)現(xiàn)具體功能和目標(biāo)的應(yīng)用程序，包括數(shù)據(jù)分析、故障檢測(cè)、性能優(yōu)化、遠(yuǎn)程監(jiān)控等各類應(yīng)用。

總之，智慧風(fēng)電系統(tǒng)的架構(gòu)采用高效融合計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基于多元異構(gòu)計(jì)算構(gòu)建，形成了一個(gè)結(jié)合邊緣計(jì)算和云端計(jì)算的智能架構(gòu)。不同層次的計(jì)算能力和側(cè)重點(diǎn)各異，不同層次的體系結(jié)構(gòu)引入了不同的計(jì)算能力，以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的高效、實(shí)時(shí)處理，從而使風(fēng)電系統(tǒng)在各層級(jí)上都能實(shí)現(xiàn)智能化。

3 智慧風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)距離控制與運(yùn)維管理關(guān)鍵技術(shù)

隨著風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)巡檢和維護(hù)方式已無法滿足日益增長(zhǎng)的需求。智慧風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)距離控制技術(shù)的應(yīng)用，使得運(yùn)維管理人員可在辦公室，甚至在數(shù)百甚至數(shù)千公里外，通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問風(fēng)電場(chǎng)的所有設(shè)備，實(shí)時(shí)獲取各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。智慧風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)距離控制技術(shù)，融合了先進(jìn)的信息技術(shù)、通信技術(shù)及人工智能等多種高新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)時(shí)調(diào)度和故障診斷。

3.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

精準(zhǔn)地采集風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)于評(píng)估風(fēng)機(jī)和整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的性能、運(yùn)行狀況、發(fā)電量預(yù)測(cè)等方面具有重要的作用。然而，通常情況下風(fēng)電場(chǎng)在單位時(shí)間內(nèi)需要采集的數(shù)據(jù)量十分龐大，數(shù)據(jù)種類呈多樣化，因此在數(shù)據(jù)質(zhì)量方面難以得到有效保證。目前，絕大多數(shù)風(fēng)電企業(yè)在數(shù)據(jù)采集工作方面面臨著成本高、安全性低、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)獲取不全面等問題，對(duì)數(shù)據(jù)采集工作造成了極大的挑戰(zhàn)。

為解決此類問題，并為后續(xù)場(chǎng)站、區(qū)域集中管控、總部生產(chǎn)調(diào)度等信息建設(shè)提供可靠的數(shù)據(jù)來源，迫切需要開展標(biāo)準(zhǔn)化、精準(zhǔn)化的風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)采集技術(shù)工作。其中，風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)直接采集作為一種能夠屏蔽不同機(jī)型差異的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，為風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)采集工作帶來了新的機(jī)遇，其主要涉及數(shù)據(jù)的主動(dòng)采集、通信規(guī)約的解析、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化輸出及風(fēng)機(jī)狀態(tài)的精準(zhǔn)識(shí)別等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

3.2 智能優(yōu)化控制技術(shù)

風(fēng)電場(chǎng)智能優(yōu)化控制技術(shù)可增強(qiáng)風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的支持能力，是保障智慧風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)定、靈活運(yùn)行的關(guān)鍵。建立一個(gè)統(tǒng)一的能量管理平臺(tái)，并適用于多種型號(hào)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，可保障風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而獲得最大的風(fēng)能利用率，保證供電可靠性，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)群的優(yōu)化控制。同時(shí)，還可探索先進(jìn)的儲(chǔ)能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電力的調(diào)峰和調(diào)頻，靈活控制并網(wǎng)電量，減小電網(wǎng)的波動(dòng)，并研究無功功率控制方法，在風(fēng)機(jī)允許的范圍內(nèi)，全面響應(yīng)調(diào)度對(duì)無功功率控制的要求。

3.3 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

通信系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)部、就地監(jiān)控、中央監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控間的數(shù)據(jù)傳輸和指令傳遞。然而，現(xiàn)有的有線通信網(wǎng)絡(luò)難以滿足對(duì)風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和通信系統(tǒng)可靠性和安全性的要求。應(yīng)針對(duì)不同風(fēng)機(jī)廠家的通信規(guī)約差異，制訂統(tǒng)一的通信傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。隨著風(fēng)電場(chǎng)容量的不斷加大，亟需研發(fā)先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，同時(shí)，考慮到有線介質(zhì)可能會(huì)遇到不可控因素遭到破壞，因此應(yīng)盡可能采用無線通信技術(shù)，提升其靈活性。

3.4 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

風(fēng)電機(jī)組配備了不同類型及規(guī)格的傳感器，如振動(dòng)傳感器、紅外傳感器、視頻傳感器及溫度濕度傳感器等。這些不同類型的傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的風(fēng)電數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出多維度、異構(gòu)性。如何有效地將這些來自不同源頭、具有實(shí)時(shí)要求的時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，以保證運(yùn)行系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地做出決策與控制，是目前面臨的一個(gè)重要問題。

多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，可在不同階段和目標(biāo)下采取相應(yīng)的融合策略。其核心問題在于選擇合適的數(shù)據(jù)融合算法，而不同層次的融合策略研究為后期智慧風(fēng)電系統(tǒng)的決策分析提供了數(shù)據(jù)質(zhì)量的保證。

3.5 系統(tǒng)架構(gòu)信息安全技術(shù)

智慧風(fēng)電系統(tǒng)由于技術(shù)復(fù)雜，并屬于全開放交互的架構(gòu)，因此在建設(shè)方面極易出現(xiàn)漏洞，給智慧風(fēng)電系統(tǒng)的安全防護(hù)工作帶來了巨大挑戰(zhàn)。智慧風(fēng)電體系架構(gòu)的安全防護(hù)需要滿足多層次的保護(hù)要求，并具有靈活性強(qiáng)、功能易擴(kuò)展等特征，因此，需要融合邊緣計(jì)算、云計(jì)算等多種異構(gòu)計(jì)算體系的智慧風(fēng)電體系架構(gòu)，為數(shù)據(jù)安全管理等方面提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

3.6 智能傳感技術(shù)

風(fēng)電機(jī)組、升壓站及測(cè)風(fēng)塔上安裝的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過有線或無線方式形成了一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，能夠全面實(shí)時(shí)地感知、監(jiān)測(cè)并收集覆蓋區(qū)域內(nèi)的各類設(shè)備及環(huán)境等數(shù)據(jù)信息，并將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至控制中心，進(jìn)而減小設(shè)備故障率，降低維修成本，保障設(shè)備安全。智能傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智慧風(fēng)電精準(zhǔn)感知的基礎(chǔ)硬件保障，因此，智慧風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)過程中，應(yīng)加強(qiáng)智能傳感器的設(shè)計(jì)、傳感器節(jié)點(diǎn)的布設(shè)及能量?jī)?yōu)化策略，保證傳感器網(wǎng)絡(luò)高效準(zhǔn)確運(yùn)行。

4 風(fēng)電場(chǎng)智慧型一體化監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)方案

智慧型一體化監(jiān)控管理系統(tǒng)，涵蓋了設(shè)備狀態(tài)全面感知、無人機(jī)器巡視巡檢、設(shè)備缺陷主動(dòng)預(yù)警、遠(yuǎn)程操作一鍵順控、主輔設(shè)備智能聯(lián)動(dòng)、人員設(shè)備智能管控、行為決策智慧輔助等技術(shù)特征，可實(shí)現(xiàn)對(duì)全場(chǎng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)全景智能化監(jiān)控，并進(jìn)行各類數(shù)據(jù)的集中化管理，實(shí)現(xiàn)無人值守、少人集控的智慧化運(yùn)維管理新模式。

4.1 系統(tǒng)基本情況

建設(shè)智慧型一體化監(jiān)控管理平臺(tái)，應(yīng)采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化接口，實(shí)現(xiàn)每個(gè)子系統(tǒng)的無縫融合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)統(tǒng)一的運(yùn)行控制和管理維護(hù)。通訊接口要具備安全性、實(shí)時(shí)性、可靠性、易維護(hù)性等要求，系統(tǒng)平臺(tái)基于網(wǎng)絡(luò)通訊和IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備、人員、物資的綜合監(jiān)視與管理，以及設(shè)備狀態(tài)性能實(shí)時(shí)評(píng)估、故障實(shí)時(shí)預(yù)警、故障智能診斷及分析等功能的深度集成，有助于風(fēng)電場(chǎng)更加及時(shí)準(zhǔn)確掌握風(fēng)機(jī)的健康狀態(tài)。

4.2 系統(tǒng)架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)采集層。負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集風(fēng)電場(chǎng)各種設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如風(fēng)力機(jī)組的發(fā)電量、溫度、風(fēng)速等信息。

（2）數(shù)據(jù)傳輸層。將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴蠈拥臄?shù)據(jù)處理和管理層，通常采用各種通訊協(xié)議和技術(shù)。

（3）數(shù)據(jù)處理和管理層。對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、存儲(chǔ)和管理，包括對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

（4）應(yīng)用層。提供了各種功能模塊，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)維管理、數(shù)據(jù)分析、報(bào)警處理等功能。

（5）用戶界面層。提供了直觀的用戶界面，使運(yùn)維人員能夠方便地使用系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和管理。

4.3 功能模塊

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊。實(shí)時(shí)監(jiān)控風(fēng)電場(chǎng)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，包括發(fā)電量、溫度、轉(zhuǎn)速等指標(biāo)。

（2）故障診斷模塊。通過分析傳感器數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)，能夠自動(dòng)識(shí)別可能存在的故障，并提供相應(yīng)的處理建議。

（3）運(yùn)維管理模塊。用于計(jì)劃、跟蹤和記錄維護(hù)活動(dòng)，包括預(yù)防性維護(hù)和突發(fā)性維修。

（4）數(shù)據(jù)分析模塊：對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，提供報(bào)表和圖表，用于優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行策略。

（5）報(bào)警管理模塊。監(jiān)控系統(tǒng)的警報(bào)，及時(shí)通知運(yùn)維人員，幫助他們快速響應(yīng)問題。

（6）遠(yuǎn)程控制模塊。允許遠(yuǎn)程對(duì)風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制和調(diào)整。

（7）能效評(píng)估模塊。評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)的能源利用效率，提供優(yōu)化建議。

4.4 安全分區(qū)

一體化系統(tǒng)可分為安全1、2、3、4區(qū)。安全區(qū)1對(duì)風(fēng)電機(jī)組、AGC/AVC 等子系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)智能化監(jiān)控；安全2區(qū)對(duì)功率預(yù)測(cè)、狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)及安防、門禁等子系統(tǒng)進(jìn)行非實(shí)時(shí)智能化監(jiān)控；安全3區(qū)為智慧化管理區(qū)；安全4區(qū)為機(jī)器人、無人機(jī)巡檢等子系統(tǒng)區(qū)。其中，各安全區(qū)間采用防火墻進(jìn)行安全隔離，橫向通過隔離裝置，縱向通過加密認(rèn)證進(jìn)行隔離。

5 結(jié)束語(yǔ)

智慧風(fēng)電是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，智慧風(fēng)電場(chǎng)技術(shù)的發(fā)展成為了解決可再生能源管理和利用的重要途徑。遠(yuǎn)距離控制與運(yùn)維管理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智慧風(fēng)電場(chǎng)的關(guān)鍵。未來還應(yīng)進(jìn)一步融合5G 技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、信息技術(shù)等，推動(dòng)智慧風(fēng)電建設(shè)質(zhì)量的進(jìn)一步提升，進(jìn)而推動(dòng)整個(gè)風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，提升風(fēng)電行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。