風電場信息系統的開發與應用

文 | 黃佳佳，婁堯林，吳海列

隨著化石能源的枯竭、環境污染的加重，可再生能源的開發得到極度重視。風力發電作為可再生能源發電中最為成熟的發電技術，近年來在政府的大力支持下，迅猛發展起來。在短短十年內，我國風力發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，風力發電在全國5.26萬億千瓦時發電量中占2.6%，已經超過了核電的發電量，在不到10年的時間里，風電的發電量已經超過發展了40年的核電，上升為中國第三大能源。國家發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17%的電力。風電的飛速發展，也暴露出了一系列的管理問題，本文在總結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的研究開發。

風電場管理存在的問題

我國風電場的特點是發展速度快，風電場建設由小規模向大規模電場群轉變，在大型風電場中有幾十、幾百甚至上萬臺風電機組，而我國目前大規模風電場群綜合自動化系統的建設尚屬起步階段，已經滿足不了發展現狀，造成風電場在實際運行管理中面臨諸多問題。

一、難統一

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品，由于項目實施階段不同，也會產生多種機型，而不同廠商不同型號風電機組通訊方式，數據接口不盡相同，因此一個風電場的中控室往往需要安裝多套不同的監控系統，來滿足不同型號風電機組的監控，造成重復投資，增加了管理負擔。且這些集控系統提供的監控功能與報表也不盡相同，導致業主管理指標不統一，不便于風電場綜合比較與分析。風電場業主迫切希望用一套統一的集控系統來進行監控與管理風電場所有風電機組，但由于數據接口錯綜復雜，實現困難。另外，不同廠家的監控共存與遠程訪問，帶來網絡安全問題。

二、難維護

風電場環境惡劣、條件艱苦，使得風電場各專業人才稀缺，且人員管理水平、技術水平參差不齊，風電高速發展與人才培養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。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據、排除故障已經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、難調度

風電場規模和所占電網電源比重越來越大，大規模風電并網對電能質量和電力系統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故障和擾動的過濾能力不強。國家電網出臺了《風電并網技術規范》，要求風電場對發電生產進行計劃上報，并能對風電場進行電能調度。風電場集控系統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節功能。

四、重要運行數據存儲問題

風電場風電機組運行數據，除了風電機組發電量、功率曲線、可利用率等少數幾個運行數據進行長期存儲外，沒有對其他風電機組運行歷史數據進行存儲與分析，這些數據是風電機組設計優化的重要運行數據，也是風電場選址，風電機組選型的重要依據。沒有對這些運行數據進行存儲與分析，造成了風電機組設計與風電場選型是個開環的過程，不能進行改進與評估。

如何有效地對風電場內各風電機組進行管理以及運行狀態監控,使整個風電場風電機組運行安全、可靠、經濟；如何解決風電場電網接入問題，滿足電網調度；如何通過風電機組運行數據的分析，持續對風電機組性能進行優化，對風電場選址進行評估，已成為風電發展的關鍵問題，常規的風電場集中監控系統已經不能滿足要求。

風電場信息系統的設計開發

風電場信息系統，是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統，可以對現場的運行設備進行監視和控制，以實現數據采集，設備控制，測量，參數調節以及事故報警等功能，可以保證系統的信息完整，正確掌握風電系統的運行狀態，幫助快速診斷系統故障，提高生產效率,主要由風電場智能管理與集控系統平臺、運維服務系統、智能調度系統和數據分析與評估系統組成，其系統結構原理圖如圖1所示。

一、風電場信息系統平臺開發

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，統一超大容量數據庫系統以及引擎系統，一致的對外數據服務接口。在此數據與分析優化引擎的基礎上，可實現風電場基本專業應用，如風電場基本監控功能，啟停機功能，也可實現風電場智能高級應用，如運維服務項目，智能調度，數據分析與評估等項目。通過建立統一的風電場與風電機組數據模型，使不同廠家的風電監控系統，不同型號的機組，都可方便接入該系統，其軟件架構原理圖如圖2所示。

建立單機數據結構模型以標準化各類風電機組，并以此為基礎創建數據庫結構，開發一個可組態的風電場監控系統平臺，具有繪圖、通訊接口調用、數據鏈接、趨勢圖、報表、高級語言接口，數據庫接口、數據文件下載及解析、對外數據發布、互聯網發布等功能。

二、風電場運維服務系統開發

風電場運維服務系統主要包括日常維護系統和故障專家系統兩部分，日常運維主要是通過統一數據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容進行錄入和查詢，通過網上辦公來規范風電場運行管理制度，減少人為差錯，提高工作效率。在發現故障后，系統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、故障結束時間、故障時長和故障次數等，人工只需選擇故障分類，系統會根據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廠家、型號等基本參數進行維護，來管理風電機組整個生命周期所有的記錄。該系統還可通過風電場設備日常監控及運行報表，對單個風電場進行數據對比，也可進行橫向的多個風電場的對比。

圖1 系統結構原理圖

圖2 軟件架構原理圖

故障專家系統是一個閉環設計的，具有知識庫自學習功能的系統，主要包括健康監測和故障診斷兩部分。健康監測系統具有實時預警、實時視頻監視、狀態在線監測、個性化分析功能。可實現風電場常規設備監控與風電機組健康狀況的診斷。通過監控參數與報表分析，可對風電機組核心控制策略進行優化，提高風電機組發電量，降低風電機組機械載荷；對風電機組部件進行運行參數的優化與調整，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，質量優化。

故障診斷系統主要是針對故障進行常規統計、狀態跟蹤、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，利用故障專家庫全面分析故障原因、部位和故障特征，對故障進行排除。故障專家庫通過人工記錄采集故障和系統自動采集故障不斷進行更新。除此之外，該系統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故障、傳感器故障、齒輪箱故障、發電機故障、機組震動故障、控制系統故障等。系統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），并可根據日常維護積累經驗完善故障解決措施。該系統運用數據挖掘技術，從大量的風電場運行數據中揭示出隱含的，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，提高風電場年發電量。

三、風電場智能調度系統開發

風力發電的隨機性，間歇性和反調性造成了并網難題，風電場智能調度系統可解決風電場的電網調度問題，滿足電力市場運營技術。該系統根據電網的調度指令，結合當前風電場風況，風電機組運行狀況及風電機組發電特性，進行風電場有功無功調節。該系統可以均衡風電場進行發電生產，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，減少風電機組啟停機次數，特別是在特殊環境地區，風電機組保持運轉，能夠延長風電機組壽命。

四、風電場數據分析與評估系統開發

統計分析通過系統采集所需數據，運用多種數學方法對數據進行綜合對比分析、線性分析、相關性分析和趨勢預測等二次處理，最終得出結論，并形成圖形、報表、報告等標準模板供決策分析用。該系統的應用可以優化風電機組核心控制策略，提高風電機組發電量；可以優化與調整風電機組部件運行參數，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。通過風電場運行數據分析，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

本系統還加入了系統總覽和綜合管理部分。系統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、實時監測等。綜合管理可針對本系統維護升級，結合目前信息化發展的方向，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、數據字典、日志管理，其中數據字典可實現系統參數維護、值列表維護、自動編號設置、調度作業管理等。

該系統的設計符合標準化、規范化要求，采用開放式結構靈活設計，能夠方便地進行后期功能擴展。

結語

在未來，風電行業將繼續迅速擴張，風電場將向著大型風電場發展，現有的管理模式已不能滿足未來的發展趨勢，大型風電場的集中監控勢在必行。而大型風電場的智能管理離不開數據庫，依據數據庫可對各種運行數據進行集中存貯和分析，并能實現數據比較、缺陷分析、預警、自動生成報表等功能。信息系統，必將朝著領先的信息化服務，物聯網與云計算服務，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定制化功能服務方向發展。

本文介紹的風電場信息系統建立在模塊化軟件支撐平臺，統一超大容量數據庫系統以及引擎系統，一致的對外數據服務接口基礎之上，可實現風電場基本專業應用和智能高級應用，實現風電場的可靠、經濟、高效、電網友好、環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，更好地體現社會效益和企業效益。