信息化控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用

摘要：信息化控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用正逐漸成為提升風(fēng)電效率、降低運(yùn)維成本、增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。本文綜述了信息化控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，重點(diǎn)探討了環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)傳輸效率、系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性、網(wǎng)絡(luò)安全等關(guān)鍵技術(shù)，并提出了一系列應(yīng)對(duì)策略，以達(dá)到降低機(jī)組非預(yù)期停產(chǎn)的目的，提升風(fēng)電機(jī)組的綜合運(yùn)營(yíng)效益。

關(guān)鍵詞：信息化控制；風(fēng)力發(fā)電；數(shù)據(jù)傳輸

DOI：10.12433/zgkjtz.20242609

在世界能源格局轉(zhuǎn)變及可再生能源需求量增大的背景下，風(fēng)電是一種可再生的清潔新能源，近年來(lái)得到了迅猛發(fā)展。風(fēng)電機(jī)組的高效率運(yùn)營(yíng)與維修，除了依靠先進(jìn)的硬件設(shè)施外，還取決于能否合理運(yùn)用信息技術(shù)。通過(guò)將傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)及智能算法相結(jié)合，可對(duì)風(fēng)機(jī)及風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障診斷、性能優(yōu)化及預(yù)防維修。

一、信息化控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用

（一）風(fēng)力發(fā)電機(jī)的監(jiān)控與診斷

在風(fēng)電領(lǐng)域，尤其是風(fēng)電機(jī)組的監(jiān)測(cè)與故障檢測(cè)，關(guān)鍵在于將先進(jìn)的傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及智能算法相結(jié)合，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的工作狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控與分析。該方法可以采集風(fēng)電機(jī)組各部分的轉(zhuǎn)速、溫度、振動(dòng)等關(guān)鍵參量，并利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行建模，對(duì)可能出現(xiàn)的故障或退化現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)警，以便進(jìn)行維修或調(diào)試。研究成果將為風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行提供新的思路。

（二）風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的集中監(jiān)控與管理

本文以風(fēng)電機(jī)組為研究對(duì)象，利用先進(jìn)的傳感器、數(shù)據(jù)采集、自適應(yīng)控制算法、專(zhuān)家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型、智能故障診斷等手段，對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警、性能優(yōu)化及預(yù)防維修。該方法通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，使風(fēng)機(jī)在不同的環(huán)境下保持高效穩(wěn)定運(yùn)行，提升整體的能量產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益，減少運(yùn)行費(fèi)用與維修費(fèi)用，為我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]。

（三）風(fēng)力發(fā)電與電網(wǎng)的集成

風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)性和不可預(yù)測(cè)性對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性構(gòu)成挑戰(zhàn)。為應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，智能電網(wǎng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用，它利用先進(jìn)的信息技術(shù)和通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)管理。其中包括使用自動(dòng)控制技術(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)電力流動(dòng)，以及采用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、抽水蓄能電站等儲(chǔ)能技術(shù)，平衡風(fēng)力發(fā)電的間歇性，增強(qiáng)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和供電的可靠性。最成功的案例當(dāng)屬新疆地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目，其通過(guò)與電網(wǎng)的互聯(lián)，成功將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電力供應(yīng)。國(guó)家電網(wǎng)的“送風(fēng)上高速”工程通過(guò)優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和提升輸電能力，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電產(chǎn)能的有效輸送和利用。風(fēng)力發(fā)電與電網(wǎng)的集成提高了風(fēng)電資源的利用效率，促進(jìn)了清潔能源的可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型和碳中和目標(biāo)提供了技術(shù)支撐。對(duì)當(dāng)?shù)鼐蜆I(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了顯著的積極影響，提供了大量的就業(yè)機(jī)會(huì)，不僅涉及直接參與風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的工人，還包括為風(fēng)電項(xiàng)目提供支持服務(wù)的企業(yè)和商家，如物流、餐飲、住宿等。

二、信息化控制技術(shù)的關(guān)鍵

（一）風(fēng)力發(fā)電機(jī)的智能控制策略

信息化控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的智能控制策略中，通過(guò)高精度傳感器和智能算法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析風(fēng)速、溫度、葉片角度等關(guān)鍵參數(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)以適應(yīng)風(fēng)況變化，以?xún)?yōu)化發(fā)電效率，降低機(jī)械應(yīng)力。綜合故障診斷技術(shù)可以對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行預(yù)警與辨識(shí)，縮短停工周期，并通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與可視化人機(jī)交互，提升運(yùn)行與維護(hù)的有效性。上述研究可提高風(fēng)電機(jī)組的工作效率與可靠性，減少運(yùn)行費(fèi)用，為風(fēng)電機(jī)組的安全、可靠運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

（二）故障預(yù)測(cè)與健康管理

故障預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）是將先進(jìn)的傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析、智能故障診斷等有機(jī)結(jié)合，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警及使用壽命評(píng)估[2]。通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的工作狀態(tài)進(jìn)行分析，對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行預(yù)警，為風(fēng)電機(jī)組提供維修決策，降低非預(yù)期停機(jī)次數(shù)，實(shí)現(xiàn)維修方案的最優(yōu)配置，提升風(fēng)電機(jī)組的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。其核心內(nèi)容為數(shù)據(jù)采集與處理、健康狀態(tài)評(píng)估、剩余壽命預(yù)測(cè)、故障診斷等，為提升風(fēng)機(jī)裝備的運(yùn)營(yíng)效能、減少維修費(fèi)用提供理論支撐。利用 PHM，可使風(fēng)電產(chǎn)業(yè)由被動(dòng)檢修向狀態(tài)檢修過(guò)渡，使風(fēng)電裝備的智能程度得到提高。

（三）風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的能量管理

通過(guò)建立風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部的精細(xì)化網(wǎng)絡(luò)模型，并準(zhǔn)確感知風(fēng)場(chǎng)內(nèi)部的各種運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有功功率的智能管理。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展基于無(wú)功調(diào)控的風(fēng)電機(jī)組無(wú)功調(diào)控方法研究，確保風(fēng)電供電品質(zhì)與電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。與此同時(shí)，引入智能傳感、物聯(lián)網(wǎng)等手段，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備—人員—周邊環(huán)境之間全維度的信息交互，提升風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行管理的有效性與安全性。

（四）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)安全關(guān)鍵技術(shù)，涉及構(gòu)建全面的防護(hù)體系以確保風(fēng)電監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全和運(yùn)行穩(wěn)定。這包括實(shí)施安全分區(qū)和網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)用原則來(lái)隔離關(guān)鍵操作網(wǎng)絡(luò)，采用橫向隔離和縱向加密認(rèn)證技術(shù)防范數(shù)據(jù)泄露和未授權(quán)訪問(wèn)，部署實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)和入侵檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)識(shí)別潛在威脅，執(zhí)行嚴(yán)格的安全管理措施和人員培訓(xùn)，以及定期進(jìn)行系統(tǒng)更新和攻防演練，形成一個(gè)多層次、全方位的防御機(jī)制，確保風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在面對(duì)日益復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)攻擊時(shí)能夠保持高度的安全性和可靠性。

三、信息化控制技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

（一）環(huán)境因素對(duì)控制系統(tǒng)的影響

由于風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)一般處于邊遠(yuǎn)或極端天氣區(qū)域，對(duì)其運(yùn)行過(guò)程中的溫度、濕度、鹽霧、沙塵等因素提出了更高的要求。在此基礎(chǔ)上，提出了一種新的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新型智能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的工作狀況受風(fēng)場(chǎng)、方向等因素的影響，需要對(duì)其進(jìn)行迅速的反應(yīng)，以達(dá)到最大限度地降低設(shè)備損耗的目的。為解決上述問(wèn)題，風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中必須兼顧高可靠、高容錯(cuò)性，并結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算方法與大數(shù)據(jù)處理方法，以達(dá)到風(fēng)電機(jī)組精準(zhǔn)調(diào)控與健康管理的目的[3]。

（二）數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性

風(fēng)電基地地處偏僻，且受外界環(huán)境變化（包括風(fēng)速、溫度等）的影響，對(duì)測(cè)量精度及信號(hào)的可靠性造成了威脅。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)與故障預(yù)報(bào)是基礎(chǔ)，也是重點(diǎn)。而精度又是保證資料分析及預(yù)報(bào)模式之可靠度之依據(jù)，若有偏差，將造成決定與維修計(jì)劃的失誤。

（三）系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性

在極端的溫度、濕度、鹽霧、沙塵等苛刻的工作條件下，需保證整個(gè)系統(tǒng)的連續(xù)、平穩(wěn)工作。因此，當(dāng)風(fēng)機(jī)在極端工況下工作時(shí)，需要長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行，以確保其對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)和對(duì) EMI的抵抗。穩(wěn)定是指風(fēng)電機(jī)組在受到外部干擾時(shí)，仍能維持在預(yù)先設(shè)定的工作區(qū)域，避免出現(xiàn)大的振蕩或失去控制，保證風(fēng)電機(jī)組的安全和高效運(yùn)轉(zhuǎn)[4-5]。

（四）成本效益分析

信息化控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。但是，要體現(xiàn)該方法的實(shí)用性，還要進(jìn)行費(fèi)用—效果的評(píng)估。同時(shí)，必須對(duì)該系統(tǒng)的初期投資、運(yùn)行費(fèi)用、預(yù)期節(jié)能效應(yīng)及收益等進(jìn)行詳盡的成本收益分析。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)關(guān)注對(duì)工程經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大影響的政策扶持和補(bǔ)助。只有通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新、政策扶持、市場(chǎng)適應(yīng)和完善，才能更好地促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

四、信息化控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)對(duì)措施

（一）強(qiáng)化環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

采用能抵御惡劣天氣的材質(zhì)，例如抗侵蝕涂層和特種合金，以抵抗鹽霧、濕度及溫度的改變。利用高精密的傳感與監(jiān)控技術(shù)，對(duì)外界的溫度、濕度、風(fēng)速等進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界條件的響應(yīng)。為了保證在外部條件下，當(dāng)某個(gè)部件發(fā)生故障時(shí)，該系統(tǒng)能夠正常工作，應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行常規(guī)保養(yǎng)，建立嚴(yán)密的保養(yǎng)方案，對(duì)易受到外界因素干擾的零件進(jìn)行定期的檢測(cè)及替換，盡量降低事故造成的停工。使用環(huán)境適應(yīng)性算法，能夠預(yù)測(cè)和適應(yīng)環(huán)境變化，以?xún)?yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能和壽命[6]。對(duì)于臺(tái)風(fēng)等極端天氣，應(yīng)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的臺(tái)風(fēng)適應(yīng)性設(shè)計(jì)，包括結(jié)構(gòu)加固和自動(dòng)偏航系統(tǒng)，以減少極端天氣對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的損害。

（二）提高數(shù)據(jù)傳輸效率

本文擬應(yīng)用5G等高速通訊技術(shù)，保障數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性與精確性，利用高精度的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)及邊緣計(jì)算對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，利用數(shù)據(jù)壓縮減輕傳輸負(fù)荷，構(gòu)建能夠統(tǒng)一監(jiān)測(cè)與分析的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，通過(guò)先進(jìn)的數(shù)據(jù)同步方法保障數(shù)據(jù)的一致性，并對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)密的數(shù)據(jù)安全保障。研究成果將為提高我國(guó)風(fēng)電機(jī)組的總體運(yùn)行能力和智能程度，保障風(fēng)電數(shù)據(jù)高效、安全、可靠的傳輸。

（三）定期進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試和評(píng)估

采用5G等高速通信技術(shù)，保證實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)傳送，以提高風(fēng)電機(jī)組的信息傳輸效率，在提升數(shù)據(jù)速率的同時(shí)，也提升了信號(hào)的覆蓋范圍，提升了系統(tǒng)的抗噪聲性能，尤其是在海洋風(fēng)電場(chǎng)中。比如，在江蘇沿海3號(hào)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中，利用5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了統(tǒng)一的運(yùn)行監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)管理，達(dá)到了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行智能化管理的目的。該系統(tǒng)采用基于業(yè)務(wù)的方式進(jìn)行自動(dòng)報(bào)告，確保了實(shí)時(shí)性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，無(wú)需附加元件的支撐。通過(guò)合理調(diào)節(jié)抽樣速率，在確保數(shù)據(jù)完備、實(shí)時(shí)的前提下，降低了數(shù)據(jù)收集的工作量。在此基礎(chǔ)上，建立基于云端和邊緣的智能風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理[7]。該系統(tǒng)可以對(duì)各種類(lèi)型的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的加工與分析，有效提升數(shù)據(jù)的使用效果，保證資料在傳輸時(shí)的安全性，避免資料泄漏及未經(jīng)許可的存取，是確保風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)絡(luò)安全的關(guān)鍵。

（四）加強(qiáng)跨學(xué)科合作和技術(shù)研發(fā)

通過(guò)跨學(xué)科合作，研究人員共同開(kāi)發(fā)出更適應(yīng)惡劣環(huán)境的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組材料，如耐腐蝕、耐高溫、抗大風(fēng)等性能優(yōu)良的風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)，為風(fēng)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。研究開(kāi)發(fā)工作的重心是提升風(fēng)電機(jī)組的智能化程度，為此，技術(shù)研發(fā)包括開(kāi)發(fā)先進(jìn)的控制算法，如自適應(yīng)控制、智能診斷系統(tǒng)等分析方法，以提高風(fēng)電機(jī)組的可靠性。此外，還將利用機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等方法，對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)與自適應(yīng)，以提升風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效能。

五、結(jié)語(yǔ)

總之，信息化控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用前景廣闊，它不僅能夠提高風(fēng)電系統(tǒng)的效率和可靠性，還能推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。隨著技術(shù)的不斷成熟和成本的降低，預(yù)計(jì)信息化控制技術(shù)將在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，為實(shí)現(xiàn)全球清潔能源目標(biāo)作出更大的貢獻(xiàn)。

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