基于SCADA數(shù)據(jù)的風(fēng)電機(jī)組技術(shù)改造后評(píng)估方法研究

楊超，王志 ，葉小廣，賈思遠(yuǎn) ，劉慶超

(1.華電福新能源股份有限公司云南分公司，昆明 650228；2.華電電力科學(xué)研究院,杭州 310030)

基于SCADA數(shù)據(jù)的風(fēng)電機(jī)組技術(shù)改造后評(píng)估方法研究

楊超1，王志2，葉小廣2，賈思遠(yuǎn)1，劉慶超2

(1.華電福新能源股份有限公司云南分公司，昆明 650228；2.華電電力科學(xué)研究院,杭州 310030)

風(fēng)電場(chǎng)后評(píng)估作為優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)、降低運(yùn)維成本的關(guān)鍵技術(shù)手段,其方法已成為業(yè)界探討的焦點(diǎn)。介紹了目前國(guó)外基于風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)數(shù)據(jù)的風(fēng)電場(chǎng)后評(píng)估方法, 提出了基于SCADA數(shù)據(jù)的出力性能前后對(duì)比與機(jī)組運(yùn)行性能對(duì)比分析方法，以量化評(píng)估技術(shù)改造工作對(duì)風(fēng)場(chǎng)效益的提升程度。

風(fēng)電機(jī)組；SCADA數(shù)據(jù)；技術(shù)改造；后評(píng)估；出力性能；評(píng)估方法

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)和世界經(jīng)濟(jì)的不斷快速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)規(guī)模迅速擴(kuò)大，不可再生能源愈發(fā)稀缺，同時(shí)也給環(huán)境帶來(lái)了不可磨滅的影響。風(fēng)能作為主要的可持續(xù)綠色能源得到了大力發(fā)展，截至2015年年底，全球風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到433.0GW，2015年風(fēng)電裝機(jī)容量為63.0GW，較前一年增長(zhǎng)22%，其中中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量為30.8GW，幾乎占全球新增裝機(jī)容量的一半[1]。

風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)壽命通常是20年,在風(fēng)電場(chǎng)投入運(yùn)營(yíng)之后,因?yàn)閻毫拥淖匀画h(huán)境、當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛病C(jī)組部件失效等因素，導(dǎo)致機(jī)組的出力性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)預(yù)期。為了“提質(zhì)增效”，風(fēng)電場(chǎng)會(huì)通過(guò)加長(zhǎng)葉片、提高塔筒高度或機(jī)組移位等技術(shù)改造(以下簡(jiǎn)稱技改)手段來(lái)提高風(fēng)電場(chǎng)總體效益。如何對(duì)風(fēng)電機(jī)組技改后的成效進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確的第三方評(píng)估，成為擺在風(fēng)電運(yùn)營(yíng)業(yè)主與技改方眼前的共同課題。

風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)SCADA(supervisorycontrolanddataacquisition)獲取的數(shù)據(jù)具有時(shí)效性和完整性，針對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)乃至風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作狀態(tài)實(shí)時(shí)或者近似實(shí)時(shí)的分析監(jiān)控，這使風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)由定期檢測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)闂l件監(jiān)測(cè)，同時(shí)也使風(fēng)電場(chǎng)后評(píng)估對(duì)風(fēng)機(jī)故障的根本原因可以進(jìn)行更為深入、具體的分析。

1 SCADA數(shù)據(jù)簡(jiǎn)述

SCADA是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的分布式控制系統(tǒng)與電力自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在風(fēng)電行業(yè)中，SCADA主要應(yīng)用于風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計(jì)[2]，所統(tǒng)計(jì)的內(nèi)容包括了風(fēng)速、風(fēng)向、錯(cuò)風(fēng)角、有功功率、葉片角度、環(huán)境溫度等風(fēng)機(jī)機(jī)組工作狀態(tài)信息。這些數(shù)據(jù)通常不會(huì)全部被用來(lái)進(jìn)行技改后評(píng)估，本文將進(jìn)一步說(shuō)明使用的幾個(gè)主要參數(shù)。

2 全場(chǎng)機(jī)組技改前后出力性能分析

2.1SCADA數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)采集時(shí)間分為兩段，分別為技改前后的同期時(shí)間段，從風(fēng)機(jī)SCADA導(dǎo)出的數(shù)據(jù)包含風(fēng)向、風(fēng)速、錯(cuò)風(fēng)角、功率值、變槳角度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、故障列表、停機(jī)故障時(shí)間與環(huán)境溫度等。一般選用的數(shù)據(jù)為1min平均值，按照以下原則剔除SCADA異常情況、停機(jī)、故障時(shí)間段之外的數(shù)據(jù)。

(1)風(fēng)速以外的其他外部條件超出風(fēng)機(jī)的運(yùn)行范圍。

(2)風(fēng)機(jī)故障引起風(fēng)機(jī)停機(jī)。

(3)在維護(hù)運(yùn)行中人工停機(jī)。

(4)棄風(fēng)限電期間數(shù)據(jù)。

風(fēng)機(jī)SCADA數(shù)據(jù)要進(jìn)行校驗(yàn)。選擇風(fēng)場(chǎng)內(nèi)的測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)與風(fēng)機(jī)的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，根據(jù)兩者的相關(guān)性(如圖1所示)，對(duì)風(fēng)機(jī)SCADA風(fēng)速需做一定的修正處理。

2.2 功率曲線分析

風(fēng)速-功率曲線(如圖2所示，圖中37，38，39等為風(fēng)機(jī)編號(hào))是一種機(jī)組SCADA數(shù)據(jù)中反映風(fēng)速和有功功率對(duì)應(yīng)關(guān)系的曲線。風(fēng)速數(shù)據(jù)是基于機(jī)艙后部的風(fēng)速儀測(cè)量得到的，可以利用激光雷達(dá)或聲雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀等對(duì)風(fēng)速進(jìn)行精確校驗(yàn)[3-4]。

圖2 全場(chǎng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速-功率曲線

技改前后的兩段數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)修正處理，根據(jù)GB/T18451.2—2012《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率特性測(cè)試》計(jì)算得到兩段區(qū)間內(nèi)的風(fēng)速功率曲線，并與廠家的標(biāo)稱功率曲線進(jìn)行對(duì)比。

2.3 發(fā)電性能分析

統(tǒng)計(jì)全場(chǎng)風(fēng)機(jī)技改前后的實(shí)際總發(fā)電量數(shù)據(jù)與平均風(fēng)速，并將全場(chǎng)風(fēng)機(jī)的發(fā)電量與平均風(fēng)速分別作對(duì)比，如圖3所示。

圖3 全場(chǎng)機(jī)組實(shí)際發(fā)電量與風(fēng)速增幅對(duì)比

2.4 技改后實(shí)際-理論發(fā)電性能對(duì)比

根據(jù)GB/T18451.2—2012《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率特性測(cè)試》得到各臺(tái)機(jī)組風(fēng)速-功率曲線以及風(fēng)頻分布，計(jì)算得到技改后的理論發(fā)電量，并繪制對(duì)比圖如圖4所示。

圖4 技改后理論發(fā)電量與實(shí)際發(fā)電量對(duì)比

2.5 基于相同風(fēng)速的技改前后發(fā)電性能對(duì)比

由于技改前后平均風(fēng)速不同，對(duì)發(fā)電量帶來(lái)的影響不同，為進(jìn)一步確認(rèn)技改效果，選取同樣的風(fēng)速分布進(jìn)行發(fā)電量評(píng)估。為此采用風(fēng)場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔70m的代表年風(fēng)頻分布，結(jié)合2.2節(jié)中各臺(tái)機(jī)組的風(fēng)速-功率曲線，求得同風(fēng)速情境下的理論發(fā)電量如圖5所示[5]。

圖5 相同風(fēng)頻分布下技改前后理論發(fā)電量

3 全場(chǎng)機(jī)組技改前后運(yùn)行性能分析

3.1 可靠性分析

對(duì)全場(chǎng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行基于故障率的可靠性分析，可靠性包括故障率、平均無(wú)故障工作時(shí)間(MTBF)和平均修復(fù)時(shí)間(MTBR)，對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行分析，可以初步確定技改前后機(jī)組可靠性影響程度。故障率是指一定時(shí)間內(nèi)機(jī)組處于故障狀態(tài)時(shí)段所占的比例，它反映了風(fēng)機(jī)工作的穩(wěn)定、可靠性；MTBF反映了風(fēng)機(jī)的時(shí)間質(zhì)量，體現(xiàn)了風(fēng)機(jī)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)保持功能的一種能力；MTTR反映了機(jī)組恢復(fù)功能的能力[6]。某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)在兩個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)間段的故障率統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 全場(chǎng)風(fēng)機(jī)故障率 %

3.2 偏航性能分析

以風(fēng)向與機(jī)艙位置的夾角-錯(cuò)風(fēng)角(有的SCADA數(shù)據(jù)顯示為“風(fēng)向角”)為評(píng)估機(jī)組偏航性能的指標(biāo)。偏航性能分析主要通過(guò)錯(cuò)風(fēng)角平均值(如圖6所示)和錯(cuò)風(fēng)角標(biāo)準(zhǔn)偏差(如圖7所示)兩個(gè)值來(lái)表征，其中錯(cuò)風(fēng)角平均值表征風(fēng)機(jī)是否正對(duì)風(fēng)，其值為0表示正對(duì)風(fēng)；錯(cuò)風(fēng)角標(biāo)準(zhǔn)偏差表示風(fēng)向和風(fēng)機(jī)機(jī)艙位置的離散程度，其值越小表示風(fēng)機(jī)的對(duì)風(fēng)效果越好。

3.3 變槳性能分析

通過(guò)槳距角-功率的對(duì)比分析，可以對(duì)全場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組變槳性能評(píng)估。對(duì)機(jī)組SCADA數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到相應(yīng)槳距角-功率變化圖如圖8所示。

圖6 全場(chǎng)風(fēng)機(jī)錯(cuò)風(fēng)角平均值

圖7 全場(chǎng)風(fēng)機(jī)錯(cuò)風(fēng)角標(biāo)準(zhǔn)差

圖8 各臺(tái)風(fēng)機(jī)槳距角-功率曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

為了對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組的技改后的效果進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，本文提出了基于SCADA數(shù)據(jù)的出力性能前后對(duì)比與機(jī)組運(yùn)行性能對(duì)比分析方法，能量化評(píng)估技改對(duì)風(fēng)場(chǎng)效益的提升程度。后續(xù)可以通過(guò)SCADA數(shù)據(jù)的深入分析，對(duì)風(fēng)機(jī)的故障進(jìn)行精確定位，以評(píng)估某類型故障與技改之間的關(guān)聯(lián)性。

[1]張辰源, 石一迪.風(fēng)電場(chǎng)降容提效技改方案精細(xì)化研究及實(shí)例分析[C]// 中國(guó)農(nóng)機(jī)工業(yè)協(xié)會(huì)風(fēng)力機(jī)械分會(huì)(風(fēng)能設(shè)備分會(huì)).中國(guó)風(fēng)電后市場(chǎng)專題研討會(huì)論文集，2015.

[2]MCMILLAN D,AULT G W. Quantifi-cation of condition monitoring benefit for offshore wind turbines [J].Wind engineering, 2007, 31(4): 267-285.

[3]王志國(guó)，馬一太，楊昭，等．風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能分析的模糊綜合評(píng)判方法[J]．太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2004， 25(2)： 177-181.

[4]胡姚剛.并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估[D].重慶：重慶大學(xué)，2011.

[5]陳旸.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率特性測(cè)試及外推方法研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2013.

[6]張新燕，何山，張曉波,等．風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要部件故障診斷研究[J]．新疆大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，26(6)：140-144.

(本文責(zé)編：白銀雷)

2016-06-30；

2016-11-01

TM315；TM

B

1674-1951(2017)01-0021-03

楊超(1977—)，男，云南保山人，工程師，從事風(fēng)機(jī)故障診斷與排查方面的研究工作(E-mail:hunjl@163. com)。