風電機組遠程監控及診斷系統設計與實現

周宗仁

摘要：為了解決風電機組在監控與檢測維護等方面受地域、人員因素限制較大，且無法即時掌握風機性能等缺點，基于KKS編碼、數據處理系統，以及基于C/S架構的在線監控診斷平臺，建立風電機組遠程監控及診斷系統.系統建立區域KDM數據中心，接入集控平臺數據及CMS數據等，完成對所有接入數據的統一編碼與存儲。該系統可通過狀態監測及性能評估掌握設備健康程度，為風電場的檢修維護提供指導意見與實施方案，從而提高設備運維工作效率與風電場經營效益。

關鍵詞：風電機組;KKS編碼;C/S架構;遠程監控

DOI：10.11907/rjdk.191191開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：中圖分類號：TP319文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）010-0094-04

0引言

隨著現代社會的進步，以及工業水平與生活水平的提高，對能源的需求量越來越大。其中風能作為一種清潔的可再生能源，在當今對環境保護越來越重視的背景下，受到人們越來越多關注。科技的進步使得風力發電技術也得到了快速發展。風力發電最主要的設備是各種發電機組，發電機組的地理位置一般位于人煙稀少的草原地區或近海海面，提高對機組設備的監控與診斷工作效率是影響風力發電技術發展的關鍵因素之一。互聯網技術的發展，為機組設備的監控與診斷工作提供了新的思路。傳統風機檢測與監控多采用定人定區實地檢測與維護的方式，而通過對風機關鍵部件傳感數據建立數據庫，以及分析診斷系統及監控平臺，能夠實現對指定區域所有風機的實時監控與在線檢測，并能夠極大程度上提高故障發現率、減少故障處理時間，國內外已有相關團隊進行了系統實踐與應用。在國內，如李靜等設計了基于OPCXML-DA的風力發電機移動遠程監控系統，使遠程監控得以在無線終端上實現，但數據傳輸受限于無線信道質量與帶寬;張根寶等設計并實現了基于ARM單片機的風機遠程監控系統，可實現對風機數據的采集與診斷，但數據分析仍受限于單片機處理能力。國外Eto等提出利用互聯網與Web進行風電場遠程監控的系統網絡，Hussain等提出基于紅外攝像機的風力發電機遠程監控通信網絡。以上方法都基于局部或單個風力發電機組的監控與診斷，本文通過統一的數據采集與編碼管理，建立生態系統;建立分布式數據服務中心，實現集團、區域、風場三級應用;建立應用超市，實現指標、診斷、維修三大應用。通過遠程監控及診斷平臺，能夠有效強化設備治理，規范節能管理，全面提升大型分布式風場的能耗管理水平及能源轉換效率，有效保障風電機組的安全、高效運行。

1系統架構

遠程診斷系統以數據層一應用層一展示層為主線進行搭建，如圖1所示。其中數據層要求數據統一編碼，并保證數據編碼的唯一性及易識別性;應用層要求應用模塊化，不同應用之間相互無耦合，診斷結果可作為平臺生態系統的新變量進行編碼應用。

1.1數據層

數據層將按照工程產品化及軟件硬件化的思路，建立電廠標識系統KKS（Kraftwerk-Kennzeichen System）編碼、KDM（KKS Dependent Management）數據中心，集成數據采集接口、數據庫接口、應用接口與轉發接口等，有效實現標準化的數據采集傳輸，同時通過產品化大幅降低平臺建設投資成本及維護成本。

KDM采集服務器與上游數據庫通過接口相連，可實現數據統一編碼。基于數據的統一化與標準化，實現平臺間數據的相互調用，進而滿足三級應用。KDM服務器分為兩部分：KKS管理及應用程序與KDM實時庫。

KKS管理及應用部分功能是連接指定數據源，并對指定數據源（實時庫、關系庫、文件等）中的數據進行規范化編碼，以及提供統一的ResultFul API供用戶進行數據與規則的增刪改查等;KDM實時庫提供存儲數據的容器。

1.2應用層

數據分析應用是平臺建設的重要環節，根據平臺各層的實際需要，通過自主研發、開放式合作或技術引進的方式，開發各種應用模塊。借助應用APP（Application）模塊對平臺數據的深入挖掘與分析，實現設備健康狀態監測、設備健康診斷、維修管理等功能。隨著技術的完善與進步以及用戶需求的不斷增加，按照“應用無限”原則，允許任何用戶在遵循平臺開發規則的前提下，升級已有應用程序或開發新應用程序。如圖2為應用層組成模塊。

系統在集團級別、區域級別分別建立KDM數據中心，實現集團、區域兩級部署。系統架構如圖3所示。

2硬件部署

由于不同品牌與型號風電機組的結構及參數不同，因此首先需要對設備臺賬進行整理，并統一錄入數據庫。具體錄入的設備臺賬包括風場基本信息、風機品牌、型號、投產時間、發電機及齒輪箱等大部件的基本信息。錄入數據保存在集團級別的關系數據庫中。為此，各區域及集團統一部署至少1臺KDM機及3臺功能服務器（1臺數據存儲、2臺應用程序服務），為數據接人、統一編碼及數據同步奠定基礎。另外，通過磁盤陣列部署存儲區域振動數據。系統硬件拓撲簡圖如圖4所示。

3數據接入

區域是平臺應用的主體，建立區域KDM數據中心，能實現數據分布式存儲，緩解集團層級數據中心統一存儲的壓力。

平臺所需數據包括內容管理系統CMS（Content Man-agement System）數據、集控平臺數據等。其中，CMS系統獲得的數據存儲在風場數據存儲服務器，通過區域集控中心的建設，一般CMS廠家已將數據推送至區域集控中心服務器進行存儲，系統通過接收CMS原始數據并進行計算分析，將分析結果存儲至KDM數據中心;系統所需的風機數據采集與監視控制SCADA（Supervisory Control And DataAcquisition）數據由集控平臺統一采集，通過位于集控三區的數據服務器推送至KDM數據中心，并進行統一編碼。詳細鏈路如圖5所示。

集控中心和CMS系統的數據接入點根據風機具體參數規劃制定，一般包括風速、風向、風機功率，以及齒輪箱、發電機、主軸承等相關數據。KDM采集服務器與現場數據庫通過接口相連，利用KDM錄入工具實現數據統一編碼。KD入工具采用C/S架構模式，基于Rest接口開發各種功能，其主要功能包括：KKS編碼錄入、修改、刪除、批量添加與修改、導入導出、查看歷史趨勢及實時趨勢等。針對風電設備管理，遠程診斷監控系統確保統一使用KKS編碼方式。編碼規則由主編碼與附屬編碼兩部分組成。

（1）主編碼。主編碼力求簡潔、穩定和唯一性，包括設備區域管理信息、設備定位與狀態量值等。系統數據主編碼形式結構如圖6所示。

其中，管理編碼包括省份、場站名與類別，設備編碼包括主系統、子系統、設備與采集部位，狀態量編碼包括采集信號來源、物理屬性與算法信息，具體編碼規則如表1-表3所示。

（2）附屬編碼。數據編碼除主編碼涉及信息外，還設置附屬編碼、對數據來源的行政劃分（集團級別、區域級別、第三方界別等）、告警規則（有效范圍、閾值、策略）、主設備信息（制造廠家、額定指標）等。

4結語

本文在服務器等硬件部署、數據采集、KKS統一編碼規則的基礎上，進行實時監控及算法分析，在可視化平臺上實現不同診斷功能的應用，解決了大型風場不同級別和區域間的信息傳輸與存儲問題。該系統能夠實現風速儀診斷、功率控制診斷、變槳診斷、偏航診斷、氣動傳動性能診斷、發電機診斷、齒輪箱診斷、主軸診斷等功能，統一編碼與應用平臺賦予了系統極大的可拓展性，可使設備接人及應用開發流程化與標準化，為大型風場所有風電機組的統一狀態監控與診斷給出了基于計算機與網絡技術的可行方案，在信息時代下該方案具有一定優勢和潛力。