淺析風電場的智能化發展歷程

摘 ?要：本文以當前風電場的運行狀態和發展情況為基礎，針對風力發電的主要核心技術著重介紹了風電場智能化中數據管理平臺、通信網絡、風功率預測、電氣設備、有功無功控制等主要設備的構成及功能設計，以及對未來風電場構建所具備的特性進行了分析和探究，以上系統功能、特性的應用將會增加風電場運行的可靠性、提高運行檢修的安全系數，擴大產能效益以及促進電力系統的科學調度，并對未來智能電網的發展建設具有一定推動作用。

關鍵詞：數據管理;風功率預測;智能通信;控制策略

中圖分類號：TM614 ???文獻標識碼：A ???文章編號：2096-6903（2019）03-0000-00

0 引言

隨著國家新能源風電產業的飛速發展，電力網絡的安全、高效、可靠、清潔重要性日趨突出，在國家智能電網一系列標準框架制定推出以前，對智能化風電場建設的推進和研究顯得尤為重要。通過對智能風電場研究探索，令其與智能電網無縫對接可以有效的減小分布式發電的大量接入對電網的負面影響，從而改善電力調度調峰調壓的嚴峻形勢，確保電網的安全穩定和可靠供電，對于提高系統供電質量和風電領域的運行效率，推進我國智能電網的發展和智能化風電場的建設具有十分重要的意義。

我國風電場多分布于三北，東南沿海及內陸局部地區，大部分風電機組地處偏遠，環境惡劣，臺風、雷暴、積冰、鹽霧、沙塵暴等災害性天氣遍布其中，對風電機組本身的性能質量和升壓系統的長期安全穩定運行提出嚴峻考驗，另外由于風能資源本身無法受控，風速的大小更不可能人為地對其進行調節，由此導致捕捉到的風能本身具有間歇性和蘊含能量的隨機性，因此產生的電能輸送到系統中勢必會對全網的電能質量和安全穩定運行產生影響。傳統風電場的系統配置、運維管理和調度集控形式已經很難滿足當今電網發展的需求，新型智能化風電場系統的出現將使當前風電場的運維現狀和存在的問題都會得到較大改觀。

1 智能風電場主要構成

對未來風電場的設計研究更加傾向于對智能化系統方向進行探索，智能化風電場的主要研究內容涉及到風電功率預測，數據管理，通信網絡，有功無功控制以及相配套的電氣設備等，本文著重介紹風電場智能化系統的應用及特性。

1.1 數據管理平臺

風電數據管理平臺是將風電場所有數據統一管理的綜合處理系統，主要涵蓋風機監控系統、變電站監控系統、功率控制系統、風功率預測系統、箱變監控系統、調度自動化系統等模塊，實現為風電場的各項數據的采集、分析、存儲、以及指令的下發等功能，達到應用數據統一收發，遠程監控指令精確迅速，信息綜合處理的智能風電場數字管理平臺。目前風電場配備的監控系統種類和傳輸接口形式繁雜多樣，實現功能各有不一。系統之間信息交互由于缺乏統一的接口規范和數據模型經常出現協議匹配、報文傳輸、軟硬件兼容等問題，這就增加了升壓站集控難度，降低了監控數據的互通性，并且不利于調度指令的順暢下達。隨著日益增加的數據端口和精確實時的監測控制要求，風電系統大數據處理存儲終端研究建設迫在眉睫。數據管理平臺的建立可以有效排除數據采集混亂，提高信息處理速度，改善信源傳輸質量，海量儲備大數據資源，保證了生產數據評估能力，縮減管理設備的重復投資。

1.2 通信網絡

風電場的通訊業務主要分為場內和場外兩種網絡傳輸方式，場內分為升壓站電氣設備、風電機組的各項運行數據的采集控制，包括運行機組的電氣量、傳感器反饋、控制指令以及視頻監控等;場外傳輸主要是針對電力調度機構和遠程集控中心兩大部分，傳輸的信息主要是場內輸變電運行狀態的各項參數以及上級指令的下發。由于風電機組分布相對較為分散，信息互傳要求質量較高，風電場智能通信的研究建設方向則將基于OPC規范和IEC61400-25標準，以遠控星形網狀和集電線路內部環狀拓撲網絡結構為主的光纖傳輸方式，利用以太網組網技術進行有線和無線網絡共同配合搭載在生產運行與調度自動化系統中，可以對現場設備進行數據采集、設備控制、測量、發信、參數調整和事故告警等。以滿足風電場內部通信網絡的承載能力和安全、高效的傳輸需求。

1.3 風功率預測

隨著風電裝機容量在電網中所占比例不斷增加，特別是風電集群、整裝風場的出現，風電場的接入系統電壓等級也隨之提高。所以，風電機組大規模頻繁集中并網/脫網會對電力系統的安全穩定運行產生較大影響。引入風電功率預測系統參與到調度日常運行管理的范疇內將逐漸成為可能，風電功率預測系統用于電力調度可以有效地減小風電機組隨機性和波動性對系統的相關控制難度。而智能風電場功率預測的研究在現有的預測機制中引入灰色神經網絡、廣義神經網絡、支持向量機SVM、小波分析和BP神經網絡等多算法的人工智能模型，多種建模機制相結合，改善提高天氣預報精度，根據設定程序對當地風能的捕捉算法與實時數據連續校核并進行自我修正，根據歷史氣候變化和風能資源的分布自動識別對應、自我學習，采用多種容錯機制，以應對風電場各種突發天氣變化引起的改變，有效提升預測的準確率、上報數據的合格率以及預測系統的魯棒性。采用數值氣象預報將物理預測模型和統計預測模型結合細化短期預測精度，拓寬中長期預測時間跨度，完善映射關系提高輸出功率的預測準確程度。

1.4 電氣設備

風電場智能化電氣設備的研發主要針對升壓站輸變電系統、風電機組箱監控以及風電機組控制系統等幾方面。智能風電場電氣設備構建上參照IEC61850標準內容框架，采用智能終端、電子式互感器、智能開關、在線監測等先進智能設備，達到場內信息化和網絡化要求，實現自動采集設備信息，并根據場內設備和電網需求進行實時控制、智能調節并能完成在線分析決策和協同互動功能，從功能上劃分為變電站層、間隔層和過程層（如圖1所示），并通過分層分布開放式網絡系統實現連接，用以實現升壓站內電氣設備間的信息互聯互通和與站外風電機組、調度、集控中心間信息共享和操作。從而提高風電場運行操作的自動化程度，使站內各個分區統一管理，信息共享。將計算機仿真技術應用到網側信息管理中，充分提升調度智能化的控制能力。另外，引入風機箱變的智能監控裝置，采用微機保護和綜合自動化裝置的應用不但能實現狀態化檢修，增加運行可靠性和安全性，更能適應無人值守和調度自動化的需要。

1.5 有功無功控制

1.5.1 有功控制

風電匯入電網的有功功率具有不可儲能性、波動性、間歇性、反調峰性等特性，電力系統需要預留更多的旋轉備用來彌補，風電功率給電網帶來的調峰調頻問題正受到廣泛的關注和研究。目前，由風電機組自治發電的有功控制方式正在向風電場群集中發電控制模式轉變，今后風電場的有功控制策略將是多元化發展，考慮各種因素，將不同策略優勢互補，盡可能提高有功功率控制的能力，以風功率預測為基礎調控策略，多種策略因地制宜參與調控。例文獻對風電-水電聯合運行建模分析，針對季節互補的特征，驗證了水電調節能力可以有效抑風電的日內及日間波動特性的可行性，這種模式可應用到我國東北、南方等風電，水電高密集區作為次要策略參與風電功率的調節。所以，以風電功率預測為基礎，風電集群控制策略、電網約束自動控制、單臺風機轉動慣量的最優調節以及建立儲能系統等多種模式相結合來完成風力發電AGC的精確調節將是未來智能風電場有功控制發展的主要方式。

1.5.2 無功控制

無功調節應兼顧分層分區，就地平衡的技術原則，突出風電機組的調節作用。現階段多以就地無功補償裝置調節為主，風電機組參與補償為輔進行調節，即無功控制系統以靜止無功補償裝置和雙饋感應發電機相配合。未來的一段時間內，變速恒頻機組在不斷改善有功控制策略的同時，充分發揮雙饋風電機組在整個風電場中無功處理的能力，使其參與或獨立完成所連電網的無功調節。強電網狀態下，既能向電網正常輸出有功功率，還可以向電網提供無功功率，來保障網側的電壓平穩，甚至在特殊情況下可以作為無功電源向鄰近無功消耗用戶提供必要的電壓補償。風電集群將匯入母線的電壓作為無功控制的中樞節點，用以統籌管理各風電場的輸出電壓，在風電場集群內部形成無功平衡，實現了向電網輸送電壓的整體合格，達到了降低網損的目的。這種無功控制中心思想以多目標的優化模型為基礎，適合應用無窮大電網母線電壓較低及風電出力較大的地區。

2 智能化風電場的特性

今后，智能風電場的發展將是基于無人和少人值守的風電機群集中控制處理的風電場，風電的發展也將面向大數據時代，智能化風電場需要通過利用計算機技術、通信網絡技術、自動化技術、傳感器技術實現遙信、遙測、遙控、遙調、遙視功能對風電機組和升壓變電站系統進行測控監視。針對未來風電場的智能化發展，作者認為應注重以下幾種特性的探究。

2.1 自愈性

在日常風電機組運行中，實時掌握機組運行狀態，及時反饋、快速診斷和自動消除故障隱患發生的可能，無需或僅需少量人為干預，最小化或避免風機故障停機的必要。風機出現故障后自行進入診斷過程，通過設定的邏輯程序，對故障現象和特征進行甄別和篩選，連續的評估自測，分別依次進行軟件，硬件和相應級別的操作處理，通過控制開關分合、電力電子元件的高低電平發信進行調節運行中電氣量、轉速、角度、溫濕度等參數的變化，配合復位和啟、停等風機動作，實現對風機系統中存在問題元器件的隔離或使其恢復正常運行，判斷篩選處理后再進入對應的分系統處理階段，將狀態監測和自動排除故障結果綜合反饋給運營數據終端，呈現給操作人員進行核查，記錄或者安排現場檢修。

2.2 安全性

由于風電機組常年運行于惡劣嘈雜的自然環境中，為了保障風電機組長期有效的安全健康運行，智能化風電場要求風電機組及變電設備的性能質量更加優異，控制系統的健壯性能、機組出力性能和元器件的抗疲勞特性等級更為苛刻，隨著高低壓穿越能力要求的不斷提高，及工裝、降噪、靜電感應場強水平以及無線電的干擾等方面的影響，無論是硬件系統還是計算機網絡遭到外部攻擊時，或是網側潮流暫態失穩等，智能風電場均能針對以上情形作出應對措施，有效地排除電力系統、計算機網絡及自然條件等對其產生的危害，即使造成系統失電，也能夠快速切除故障點，重新修復投入運行。

2.3 集成性

在IEC61850、IEC61968、IEC62357、IEC60870-6/TASE.2等標準基礎上對信息處理功能將采用高度集成的綜合模塊化系統。實現電氣設備和風電機組運行參數的監視、控制、維護。能量管理（EMS）、配電管理（EMS）、調度自動化、電能質量管理平臺等和其他各類信息系統之間的綜合集成，新的系統控制邏輯使它們協同運行，從而實現多重電力電子裝置的集成控制，電網與風力發電（DG）之間的物理電氣形成互聯，調度與集控控制中心以及面向風機個體之間的通信，并實現在此基礎上的業務集成。從而提高信息化集成程度，避免一二次設備的重復設置和多次投資。

2.4 互操作性

風電機群SCADA系統與綜合自動化監控系統通過OPC服務器和相應的協議相互連接起來，實現有功、無功調度，風電機組監控，風功率預測，站內輸變電設備統一管理的開放式系統，就地、遠方完成互聯互操。安裝在風電場的SCADA控制系統從發電機、升壓站等設備上采集實時運行數據，通過企業專網或衛星傳輸通道實現與運營中心通訊，運營中心將收集到的實時數據匯總，統一存儲及可視化展現每臺發電設備產生的實時數據及運行變化趨勢，實現遠程控制、監測發電設備和診斷發電設備故障等功能，便于現場運維人員與運營中心的工作人員協同工作，對設備進行維護與檢修、減少設備平均宕機時間，提高設備利用率，使每臺發電設備在技術管理和經濟效益上達到最優，整體上實現企業改進生產運營效率的戰略目標。

3 結語

長期來看，實現風電場的自動化和智能化控制是今后風電場的主要發展趨勢，隨著風電場集成性、安全性、自愈性、互操作性等性能的不斷提高，通信網絡、數據管理平臺、風電功率預測系統、電氣設備、有功無功控制裝置等關鍵應用的不斷改進和發展，將會大大減少風電場在建設運營上人力、物力的投入，有效的提高設備利用效率，充分利用自然資源，促進地區經濟增長。針對以上近階段風電技術的發展作者談了對風電場智能化發展的一些理解和建議，其中有些建議和目標還只是在設想階段，但相信隨著上述各方面技術特性的改進與創新勢必會推動傳統風電場向智能化方向的巨大演變。

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收稿日期：2019-06-01

作者簡介：羅普（1987—），男，山東菏澤人，本科，主要從事風電場運維管理。

Analysis of Intelligent Development of Wind Farm

LUO Pu

（Guodian Power Weihai Wind Power Co.， Ltd. Weihai Shandong ?264000）

Abstract：?;In this paper， the current operating status and development of wind farms， based on the core technology of wind power for the main highlights of the wind farm intelligent data management platform， communication networks， wind power prediction， electrical equipment， active and reactive power control， etc. structure and functional design of major equipment， as well as to build the future of wind farms possess characteristics were analyzed and explore the application of these system functions， features， will increase the reliability of wind farm operation and maintenance to improve the operation of the safety factor， and expand production efficiency and the promotion of scientific power system dispatch， and the construction and development of the smart grid has a certain role in the future.

Keywords：?data management; wind power prediction; intelligent communication; control strategy;