隨著化石能源的枯竭、環(huán)境污染的加重，可再生能源的開發(fā)得到極度重視。風力發(fā)電作為可再生能源發(fā)電中最為成熟的發(fā)電技術，近年來在政府的大力支持下，迅猛發(fā)展起來。在短短十年內(nèi)，我國風力發(fā)電占世界風電的比重由2004 年的1.66% 上升到27% ，風電總裝機容量已躍居世界第一。2013 年，風力發(fā)電在全國5.26 萬億千瓦時發(fā)電量中占2.6% ，已經(jīng)超過了核電的發(fā)電量，在不到10 年的時間里，風電的發(fā)電量已經(jīng)超過發(fā)展了40 年的核電，上升為中國第三大能源。國家發(fā)改委能源研究所預期，到2050 年風電裝機容量將達到10 億千瓦，提供國內(nèi)17% 的電力。風電的飛速發(fā)展，也暴露出了一系列的管理問題，本文在總結(jié)風電管理問題的基礎上，提出風電場管理改進方案，即智能管理與集控系統(tǒng)的研究開發(fā)。
風電場管理存在的問題
我國風電場的特點是發(fā)展速度快，風電場建設由小規(guī)模向大規(guī)模電場群轉(zhuǎn)變，在大型風電場中有幾十、幾百甚至上萬臺風電機組，而我國目前大規(guī)模風電場群綜合自動化系統(tǒng)的建設尚屬起步階段，已經(jīng)滿足不了發(fā)展現(xiàn)狀，造成風電場在實際運行管理中面臨諸多問題。
一、難統(tǒng)一
一個大型風電場群可能由多個投資商投資，所用風電機組來自不同風電機組廠商，即便是同一個風電機組廠商的產(chǎn)品，由于項目實施階段不同，也會產(chǎn)生多種機型，而不同廠商不同型號風電機組通訊方式，數(shù)據(jù)接口不盡相同，因此一個風電場的中控室往往需要安裝多套不同的監(jiān)控系統(tǒng)，來滿足不同型號風電機組的監(jiān)控，造成重復投資，增加了管理負擔。且這些集控系統(tǒng)提供的監(jiān)控功能與報表也不盡相同，導致業(yè)主管理指標不統(tǒng)一，不便于風電場綜合比較與分析。風電場業(yè)主迫切希望用一套統(tǒng)一的集控系統(tǒng)來進行監(jiān)控與管理風電場所有風電機組，但由于數(shù)據(jù)接口錯綜復雜，實現(xiàn)困難。另外，不同廠家的監(jiān)控共存與遠程訪問，帶來網(wǎng)絡安全問題。
二、難維護
風電場環(huán)境惡劣、條件艱苦，使得風電場各專業(yè)人才稀缺，且人員管理水平、技術水平參差不齊，風電高速發(fā)展與人才培養(yǎng)嚴重滯后之間的矛盾日益突出，給風電場后期運行與維護帶來巨大風險與嚴峻挑戰(zhàn)。且隨著風電建設的加快，風電機組的運維工作量將與日俱增，因此單純依靠人工分析數(shù)據(jù)、排除故障已經(jīng)不能滿足風電場對風電機組的全面維護，這些都導致了風電場運維困難，運行效率與資源綜合利用率低下。
三、難調(diào)度
風電場規(guī)模和所占電網(wǎng)電源比重越來越大，大規(guī)模風電并網(wǎng)對電能質(zhì)量和電力系統(tǒng)安全運營的影響也越來越大，而目前已投運風電機組對電網(wǎng)故障和擾動的過濾能力不強。國家電網(wǎng)出臺了《風電并網(wǎng)技術規(guī)范》，要求風電場對發(fā)電生產(chǎn)進行計劃上報，并能對風電場進行電能調(diào)度。風電場集控系統(tǒng)迫切需求增加該功能，并且改造風電機組主控及變流器具備有功無功調(diào)節(jié)功能。
四、重要運行數(shù)據(jù)存儲問題
風電場風電機組運行數(shù)據(jù)，除了風電機組發(fā)電量、功率曲線、可利用率等少數(shù)幾個運行數(shù)據(jù)進行長期存儲外，沒有對其他風電機組運行歷史數(shù)據(jù)進行存儲與分析，這些數(shù)據(jù)是風電機組設計優(yōu)化的重要運行數(shù)據(jù)，也是風電場選址，風電機組選型的重要依據(jù)。沒有對這些運行數(shù)據(jù)進行存儲與分析，造成了風電機組設計與風電場選型是個開環(huán)的過程，不能進行改進與評估。
如何有效地對風電場內(nèi)各風電機組進行管理以及運行狀態(tài)監(jiān)控, 使整個風電場風電機組運行安全、可靠、經(jīng)濟;如何解決風電場電網(wǎng)接入問題，滿足電網(wǎng)調(diào)度;如何通過風電機組運行數(shù)據(jù)的分析，持續(xù)對風電機組性能進行優(yōu)化，對風電場選址進行評估，已成為風電發(fā)展的關鍵問題，常規(guī)的風電場集中監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足要求。
風電場信息系統(tǒng)的設計開發(fā)
風電場信息系統(tǒng)，是以計算機為基礎的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)，可以對現(xiàn)場的運行設備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，設備控制，測量，參數(shù)調(diào)節(jié)以及事故報警等功能，可以保證系統(tǒng)的信息完整，正確掌握風電系統(tǒng)的運行狀態(tài)，幫助快速診斷系統(tǒng)故障，提高生產(chǎn)效率, 主要由風電場智能管理與集控系統(tǒng)平臺、運維服務系統(tǒng)、智能調(diào)度系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析與評估系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1 所示。
一、風電場信息系統(tǒng)平臺開發(fā)
該平臺包括硬件支撐平臺，標準化通訊接口，風電場對象信息模型，模塊化軟件支撐平臺，統(tǒng)一超大容量數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以及引擎系統(tǒng)，一致的對外數(shù)據(jù)服務接口。在此數(shù)據(jù)與分析優(yōu)化引擎的基礎上，可實現(xiàn)風電場基本專業(yè)應用，如風電場基本監(jiān)控功能，啟停機功能，也可實現(xiàn)風電場智能高級應用，如運維服務項目，智能調(diào)度，數(shù)據(jù)分析與評估等項目。通過建立統(tǒng)一的風電場與風電機組數(shù)據(jù)模型，使不同廠家的風電監(jiān)控系統(tǒng)，不同型號的機組，都可方便接入該系統(tǒng)，其軟件架構(gòu)原理圖如圖2 所示。
建立單機數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型以標準化各類風電機組，并以此為基礎創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，開發(fā)一個可組態(tài)的風電場監(jiān)控系統(tǒng)平臺，具有繪圖、通訊接口調(diào)用、數(shù)據(jù)鏈接、趨勢圖、報表、高級語言接口，數(shù)據(jù)庫接口、數(shù)據(jù)文件下載及解析、對外數(shù)據(jù)發(fā)布、互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布等功能。
二、風電場運維服務系統(tǒng)開發(fā)
風電場運維服務系統(tǒng)主要包括日常維護系統(tǒng)和故障專家系統(tǒng)兩部分，日常運維主要是通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺提供的服務來完成日常的運行與維護操作，主要包括：運行管理、維護管理、設備物資管理、檔案管理和安全管理五部分。運行管理要求運維人員對日常工作內(nèi)容進行錄入和查詢，通過網(wǎng)上辦公來規(guī)范風電場運行管理制度，減少人為差錯，提高工作效率。在發(fā)現(xiàn)故障后，系統(tǒng)將自動新建缺陷記錄，記錄風電機組編號、故障代碼、故障開始時間、故障結(jié)束時間、故障時長和故障次數(shù)等，人工只需選擇故障分類，系統(tǒng)會根據(jù)故障代碼和故障專家中的信息自動列出故障處理方案，方便運維人員進行處理。風電機組檔案管理記載了每臺風電機組的基本信息、關鍵時間點、缺陷記錄、隱患記錄、維護記錄。通過對所有風電機組及主要部件的生產(chǎn)廠家、型號等基本參數(shù)進行維護，來管理風電機組整個生命周期所有的記錄。該系統(tǒng)還可通過風電場設備日常監(jiān)控及運行報表，對單個風電場進行數(shù)據(jù)對比，也可進行橫向的多個風電場的對比。
故障專家系統(tǒng)是一個閉環(huán)設計的，具有知識庫自學習功能的系統(tǒng)，主要包括健康監(jiān)測和故障診斷兩部分。健康監(jiān)測系統(tǒng)具有實時預警、實時視頻監(jiān)視、狀態(tài)在線監(jiān)測、個性化分析功能?？蓪崿F(xiàn)風電場常規(guī)設備監(jiān)控與風電機組健康狀況的診斷。通過監(jiān)控參數(shù)與報表分析，可對風電機組核心控制策略進行優(yōu)化，提高風電機組發(fā)電量，降低風電機組機械載荷;對風電機組部件進行運行參數(shù)的優(yōu)化與調(diào)整，提高部件安全性及壽命，提高風電機組可利用率;對不同風電機組的相同部件運行特性分析，分析出部件的缺陷，進行設計改進，使風電機組安全性提高，質(zhì)量優(yōu)化。
故障診斷系統(tǒng)主要是針對故障進行常規(guī)統(tǒng)計、狀態(tài)跟蹤、精準挖掘和定制分析，通過對風電機組故障信息的二次處理，利用故障專家?guī)烊娣治龉收显颉⒉课缓凸收咸卣?，對故障進行排除。故障專家?guī)焱ㄟ^人工記錄采集故障和系統(tǒng)自動采集故障不斷進行更新。除此之外，該系統(tǒng)還具有遠程專家診斷，維護計劃制定，風電機組輔助學習等功能。風電機組的故障類型主要有電氣系統(tǒng)故障、傳感器故障、齒輪箱故障、發(fā)電機故障、機組震動故障、控制系統(tǒng)故障等。系統(tǒng)可配置每個分類下的具體故障清單和相應的解決措施(不同類型風電機組對應不同的故障清單)，并可根據(jù)日常維護積累經(jīng)驗完善故障解決措施。該系統(tǒng)運用數(shù)據(jù)挖掘技術，從大量的風電場運行數(shù)據(jù)中揭示出隱含的，具有潛在價值的信息，并采用人工智能的方法，根據(jù)故障描述，模糊查詢相關故障的處理推薦方案，輔助風電場維護人員進行故障排除。該系統(tǒng)的運行能降低維護成本，減小運維人員工作量，提高風電場年發(fā)電量。
三、風電場智能調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)
風力發(fā)電的隨機性，間歇性和反調(diào)性造成了并網(wǎng)難題，風電場智能調(diào)度系統(tǒng)可解決風電場的電網(wǎng)調(diào)度問題，滿足電力市場運營技術。該系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)的調(diào)度指令，結(jié)合當前風電場風況，風電機組運行狀況及風電機組發(fā)電特性，進行風電場有功無功調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)可以均衡風電場進行發(fā)電生產(chǎn)，合理安排檢修;平時保證盡可能多的風電機組處于運行狀態(tài)，減少風電機組啟停機次數(shù)，特別是在特殊環(huán)境地區(qū)，風電機組保持運轉(zhuǎn)，能夠延長風電機組壽命。
四、風電場數(shù)據(jù)分析與評估系統(tǒng)開發(fā)
統(tǒng)計分析通過系統(tǒng)采集所需數(shù)據(jù)，運用多種數(shù)學方法對數(shù)據(jù)進行綜合對比分析、線性分析、相關性分析和趨勢預測等二次處理，最終得出結(jié)論，并形成圖形、報表、報告等標準模板供決策分析用。該系統(tǒng)的應用可以優(yōu)化風電機組核心控制策略，提高風電機組發(fā)電量;可以優(yōu)化與調(diào)整風電機組部件運行參數(shù)，提高部件安全性及壽命，提高風電機組可利用率;分析不同風電機組的相同部件運行特性，分析出部件的缺陷，進行部件設計改進。通過風電場運行數(shù)據(jù)分析，也可對機組選型，風電場選址，風電機組擺放位置進行評估，挖掘提高機組回報率的方法與策略。
五、其他
本系統(tǒng)還加入了系統(tǒng)總覽和綜合管理部分。系統(tǒng)總覽主要用于各風電場的地理位置和重要信息的展示，包括：地圖導航、焦點信息、實時監(jiān)測等。綜合管理可針對本系統(tǒng)維護升級，結(jié)合目前信息化發(fā)展的方向，為用戶提供多種信息交互式的服務管理，包括角色管理、流程管理、數(shù)據(jù)字典、日志管理，其中數(shù)據(jù)字典可實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)維護、值列表維護、自動編號設置、調(diào)度作業(yè)管理等。
該系統(tǒng)的設計符合標準化、規(guī)范化要求，采用開放式結(jié)構(gòu)靈活設計，能夠方便地進行后期功能擴展。
結(jié)語
在未來，風電行業(yè)將繼續(xù)迅速擴張，風電場將向著大型風電場發(fā)展，現(xiàn)有的管理模式已不能滿足未來的發(fā)展趨勢，大型風電場的集中監(jiān)控勢在必行。而大型風電場的智能管理離不開數(shù)據(jù)庫，依據(jù)數(shù)據(jù)庫可對各種運行數(shù)據(jù)進行集中存貯和分析，并能實現(xiàn)數(shù)據(jù)比較、缺陷分析、預警、自動生成報表等功能。信息系統(tǒng)，必將朝著領先的信息化服務，物聯(lián)網(wǎng)與云計算服務，移動終端服務，故障專家診斷、分析、處理一體化服務及可持續(xù)定制化功能服務方向發(fā)展。
本文介紹的風電場信息系統(tǒng)建立在模塊化軟件支撐平臺，統(tǒng)一超大容量數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以及引擎系統(tǒng)，一致的對外數(shù)據(jù)服務接口基礎之上，可實現(xiàn)風電場基本專業(yè)應用和智能高級應用，實現(xiàn)風電場的可靠、經(jīng)濟、高效、電網(wǎng)友好、環(huán)境友好和使用安全的目的。提高風電場管理高效性，供電可靠性，更好地體現(xiàn)社會效益和企業(yè)效益。
(作者單位：浙江運達風電股份有限公司)
