風電場監控系統的優化探討

文 | 吳光雄

風電場的正常運行離不開監控系統，但是隨著系統運行的要求逐年提高，早期的風電場監控系統已經不能滿足當今電網運行的要求。

中鋁寧夏能源集團有限公司太陽山風電場正處于不斷發展和壯大中，伴隨而來的風電場管理問題也日益凸顯。在風電場的實際管理中存在如下問題：

（1）目前風電場存在工作繁雜、不能保證報送數據準確性、及時性等問題，管理人員不能及時了解風電場的生產運營狀況，而且對生產設備的性能評價缺乏實際運行數據的支持。

（2）風電場需要向各部門上報相關數據（已有的監控系統不能向其他部門提供所需數據），每個部門所需要的數據均為基礎數據，且每個部門都需要相應的報表，導致同一項數據需要多次人工輸入系統，各系統之間的數據不能共享。另外，目前報表等統計工作均由人工完成，耗時耗力，有時不能保證統計工作的準確性和完整性，同時很多系統沒有歷史記錄，信息化程度很低，因此迫切需要一套能提供靈活豐富的報表及分析的系統，最大限度地從總體上掌握信息資源，進行更深層次的信息開發，以保證設備經常在最佳經濟參數下運行，獲取最高的效益。

（3）風電場風電設備繁多，涉及系統各異，風電開發技術性要求高，運行人員需要熟悉各類系統才能對相關的數據進行統計、整合與分析，進一步形成各類知識庫，以指導生產運行。而以單個風電場為單位實施風電開發管理，人員的素質和業務能力無法滿足技術要求，導致人員管理成本居高不下，且容易留下安全質量隱患。

（4）沒有具體的故障診斷系統，易發生錯誤的故障診斷，且當故障發生時，工作人員趕到現場按照“兩票三制”的原則檢修風電機組，往往會出現這種情況，例如，檢修人員開車進行巡檢，爬上風電機組后，發現相關問題，需要開具相關工作票和操作票，進行檢修維護，此時需要下機艙，返回主控，開具票后再進行相關工作，既費力又費時。

（5）沒有風功率預測系統，會出現大風期進行設備維護，不但給工作人員帶來維護的困難，同時錯過了大風期的風電機組發電。

（6）人才綜合利用能力差,有經驗的風電運行、檢修以及管理人員安排在具體的某個風電場，這樣僅能解決一個風電場的實際問題，無法發揮人力資源的最大價值，使企業整體績效水平無法提高；整體競爭實力弱,以場為單位實施經營管理，資源配置效率低，管控能力弱，風電場的效益無法充分實現，整體利益得不到保障。

綜上所述，深入研究風電場并網技術，完成大規模可再生能源發電運行控制、對電網安全穩定影響等關鍵技術已迫在眉睫，而最基礎的信息來自于風電場，建立智能化的監控系統將為風電的有效并網及可靠運行，全面建成風電場監測系統包括對風力發電相關數據的監測，實現風電機組功率預測及有功功率的實時控制，風電場運維管理，風電機組故障診斷、預警分析，為打造智能化風電場提供堅實的基礎。

系統設計

開發一套完整的風電場監控系統有助于提高風電公司服務質量。因此，根據太陽山風電場的實際業務需求對其原有的監控系統進行了優化整合，研發了新的風電場監控系統。基本的功能包括以下幾類：

（1）系統整合：原有監控系統中各個子系統來自不同廠家，因此系統整合將各個分散的、獨立的子系統整合到新的風電場監控系統中，實現統一的集中控制。

（2）自動報表：常用報表、趨勢圖表、啟停記錄編輯功能、查看實時數據報表、靈活報表(實現用戶設計報表格式和數據來源)、對標分析報表、報表補充數據以及根據數據形成的分析報告等。系統設計的各項功能較多，其中最重要的是底層數據層的4個數據源(風電機組數據、變電站數據、線路數據、人員基本信息)，每個數據源都有各自的一套業務邏輯，且相互之間存在交集，構成復雜的管理系統業務邏輯。

（3）移動兩票：移動設備上的兩票管理功能能夠通過兩票登錄、兩票處理、兩票驗收、兩票統計等功能對兩票進行登錄、審核、批準、跟蹤、統計，方便電廠對兩票進行有序處理。同時，兩票管理能對兩票數據按照需求進行各種統計，企業可以根據自身工作票、操作票情況，進行特制開發，滿足特定的需求。風電機組維護人員去現場進行風電機組維護工作時，不用再返回主控開票，而是在現場利用安裝在移動設備上的移動兩票功能直接開票，既節省了工作人員維護時間，同時工作人員還可以利用移動設備隨時查詢網絡及歷史經驗庫或知識庫對現場的風電機組的故障做出最正確快速的解決方案。

（4）設備臺帳：設備臺帳管理這一功能模塊主要是設備基礎檔案信息的維護，實現設備臺帳的增加、刪除、修改、查詢等，包括設備名稱、設備編碼、所屬單位、所屬班組、安裝部位、設備型號、圖號或規范、單臺數量、設備材質、生產廠家、出廠日期、投運日期、使用壽命(年)、檢修周期(月)、保修期(月)、技術規范和其它等基本信息。

圖1 總體框架圖

圖2 風電機組監控系統結構圖

（5）故障診斷：故障診斷是對系統運行狀態和異常情況做出判斷，并根據診斷做出判斷，為系統故障修復提供依據。要對系統進行故障診斷，首先必須對其進行檢測，在發生系統故障時，對故障類型、故障部位及原因進行診斷，最終給出解決方案，實現故障恢復。

（6）故障預警分析：以故障相關參數信息知識庫實時監測設備特定故障相關的參數信息，建立一個設備故障偵查預警模型對符合知識庫參數值和邏輯的進行預警。以歷史預警信息和預警效果評估為基礎，建立一個設備故障預警自優化模型，實現預警參數信息知識庫的優化，從而達到預警信息準確性的不斷提高。

（7）歷史經驗庫：是風電機組在運行、檢修、數據挖掘過程中產生的歷史數據以及風電機組發生故障處理的歷史經驗的歸宿，為工作人員進行設備檢修、維護提供了寶貴的經驗，并提高了工作效率；同時也將歷史數據“變廢為寶”，為生產運行、檢修管理和進一步的數據挖掘、故障預警分析等提供應用支持的來源。

本監控系統的基本功能是實現對現場風電機組、變壓站等生產數據的采集和整理，并存儲在集控中心統一的實時歷史數據庫中，經過對數據的二次加工，將原有分散的、獨立的子系統整合到一個平臺上，實現上述功能。在此基礎上，系統可以對大量的數據進行統計分析，找出發電指標差距，定量分析由于維護、電網限電、設備故障或天氣等多種原因造成的電量損失情況，整體查找設備故障根源和共性問題，提高風電場設備利用率，提升發電量。同時為實現設備的精細化管理、優化控制及從規模化檢修維護提供強有力的參考數據，總體架構圖如圖1所示。

系統實現

針對上述系統的基本功能，下面給出每個功能的實現方式：

（1）系統整合：利用網絡，將各個子系統的廠家以標準通訊協議進行開放的接口，并對其進行破解，然后與風電場的各種不同設備進行數據交換，構建集中監控系統，滿足在中心實現對下屬風電場各類設備的遠程、集控監控。

風電機組監控系統，由風電機組廠家提供，通過匯總一個風電場該廠家某一型號的所有風電機組的PLC數據，形成監控系統。其常見結構如圖2所示。

風電機組內部通訊主要通過環網或星形網絡實現，風電機組監控系統分別與網絡中的每一個節點進行通訊。

（2）自動報表：將各個報表整合，再進行統一計算、統計。當設計開發好一個新報表之后，經過測試將它部署到報表服務器，最終用戶則通過瀏覽器訪問web服務器。但有報表需求時，從報表服務器數據庫中獲得報表定義，從系統數據庫中獲得報表數據，生成最終顯示的報表并返回到web服務器。報表管理員則通過瀏覽器管理報表權限和設置數據庫連接參數等，系統數據庫和報表服務器數據庫也可以在同一數據庫服務器上。

（3）移動兩票：在移動設備上安裝兩票管理系統，使其工作流達到一個閉環，通過工作流引導各個功能模塊中的數據流傳遞，并展示給工作人員。保證管理決策和運維實施業務的高效溝通聯動。與此同時，各個節點信息流、實施工況的實時檢測，保證領導決策人員及時制定檢修計劃、督查工作進展。

（4）設備臺帳：通過打通各個系統之間的信息流，實現設備生命周期內的全方位跟蹤管理，建立系統化的“一設備一檔案”管理機制，對風電場各設備部件實現從采購、備檔、運行跟蹤到報廢的細致管理。

（5）故障診斷：通過對風電機組故障數據進行統計、提取和分析從而進行故障診斷。其中數據包括，風電場中每臺風電機組的傳感點的參數類型、每隔2s的實時數據、故障的種類，每種故障發生的次數等，數據量達到T級。通過對以上數據的分析和挖掘，找出風電機組每種故障發生與風電機組參數的關系，建立故障相關參數信息挖掘模型，以該模型和已有的工業運行庫為基礎，形成特定型號設備的故障相關參數信息知識庫，為故障診斷提供了有利的依據。當風電機組發生故障時，會根據知識庫中的信息來判斷故障的類型、并會自動提示處理辦法預防措施及故障征兆。

（6）預警分析：故障預警建立在故障診斷的基礎上，系統周期性檢測設備相關參數（每個故障有3個－5個相關參數），計算出相關參數幅值，對比設定的參數幅值和計算的相關參數幅值大小和各參數之間的對應邏輯，若符合以上條件即推出報警信息，并歸檔。以歷史預警信息和預警效果評估為基礎，建立一個設備故障預警自優化模型，實現預警參數信息知識庫的優化，從而達到預警信息準確性的不斷提高。預警系統開放用戶參數調整接口，保證權限的用戶可以根據經驗直接添加系統的故障相關參數信息知識庫等配置信息，以保證運行人力智庫的充分利用。

（7）歷史經驗庫：以業務推動數據，預警自動生成檢修工單、兩票系統按流程審批，檢修人員進行故障排查，完善數據庫結束流程。一方面對生產一線的數據進行有效的匯總，另一方面應對知識數據進行匯總，如各現場的檢修經驗匯總、人才匯總、備品備件的匯總（后續區域檢修方案中涉及），為更好的提高公司的生產管理的效率、提高企業經濟效益提供更為全面的數據支撐。

結語

風能資源是一種純粹的綠色資源，但是由于風具有隨機性，所以風電場就需要有一套完整的監控系統對其參數進行監控。為太陽山風電場設計開發的風電場監控系統將原有的風電場監控系統中零散的子系統整合、優化。工作人員可通過新的風電場監控系統進行報表管理、移動兩票管理、故障診斷、故障預警分析、設備臺賬管理、歷史經驗庫等。信息化的管理模式取替了紙質工作和人工操作的管理模式，減輕了工作人員的工作量，提高了工作效率和風電企業的管理水平，從而提升了風電機組發電量以及企業的核心競爭力，使得太陽山風電場成為達到高水平的智能化風電場。