新能源發(fā)電場站智能運維探析

國網(wǎng)經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司 劉思源 航天極創(chuàng)物聯(lián)網(wǎng)研究院（南京）有限公司 宋高順

隨著可再生能源的發(fā)展，新能源發(fā)電場站的建設和運營成為當今能源行業(yè)的熱點。本電廠新能源電站位于遠離市中心的區(qū)域，所處環(huán)境極為復雜，運行容易受到環(huán)境因素的影響。目前電廠仍沿用傳統(tǒng)運維模式，設備故障的處理存在滯后性，使設備控制受到不利影響，嚴重時甚至會導致系統(tǒng)無法正常運行。為此，本電廠基于智能技術(shù)構(gòu)建集中控制系統(tǒng)，利用系統(tǒng)同時監(jiān)控多個設備運行狀態(tài)，便于人員管理電站。

用智能運維代替?zhèn)鹘y(tǒng)運維模式具有以下優(yōu)點：首先，智能運維模式下工作人員可通過實時監(jiān)測設備運行狀態(tài)、收集數(shù)據(jù)、分析運行情況，及時發(fā)現(xiàn)設備故障和異常，提前維護或修復，避免因設備故障導致的停機，提高發(fā)電效率；其次，傳統(tǒng)運維模式需定期檢查并維護，極易因未能及時發(fā)現(xiàn)設備故障導致維修成本超出預期。智能運維可通過實時監(jiān)測結(jié)合預測性維護提前發(fā)現(xiàn)潛在故障，降低維修成本，延長設備使用壽命；最后，新能源發(fā)電場站位于偏遠地區(qū)，環(huán)境復雜且氣候惡劣，設備容易受到外界環(huán)境影響，智能運維系統(tǒng)的實時監(jiān)測預警功能，有助于及時發(fā)現(xiàn)設備故障及異常，采取措施避免事故進一步發(fā)酵，提高發(fā)電場站的安全性、可靠性[1]。

1 新能源發(fā)電場站智能運維要點

在新能源發(fā)電領域，智能運維作為一種先進的管理模式正逐漸受到越來越多企業(yè)和機構(gòu)的重視。智能運維指的是利用先進的信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)手段，對發(fā)電設備進行實時監(jiān)測、故障診斷和預測維護，以提高發(fā)電效率、降低運維成本、延長設備壽命的管理模式[2]。智能運維模式的價值在本電廠光伏電站得以最大化實現(xiàn)，主要是做到如下要點。

靈活使用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，監(jiān)測并分析發(fā)電場站的運行數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式實現(xiàn)故障預警、優(yōu)化運行的目的，由此提高發(fā)電場站的運行效率和可靠性。采用預防性維護策略，通過定期檢查、保養(yǎng)和維護設備，提前發(fā)現(xiàn)并且解決潛在問題，避免設備故障對發(fā)電場站運行造成不良影響，降低維護成本、延長設備壽命；利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)設備的遠程監(jiān)控，24h 監(jiān)測設備運行狀態(tài)，根據(jù)監(jiān)測所掌握情況調(diào)整運行參數(shù)，確保設備正常運行，提高發(fā)電場站的運行效率。

建立完善的故障診斷系統(tǒng)，對設備故障做出快速準確的診斷，并采取相應的處理措施，及時解決設備故障，減少停機時間，提高發(fā)電場站的可靠性；優(yōu)化設備運行參數(shù)，減少能耗，提高能源利用效率，降低發(fā)電場站的運行成本，同時采取有效的排放控制措施降低對環(huán)境的影響，實現(xiàn)可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展；發(fā)揮工作人員和智能系統(tǒng)的優(yōu)勢，實現(xiàn)人機協(xié)同，共同參與發(fā)電場站的運維工作。運維過程中，工作人員主要負責設備維護和管理，智能系統(tǒng)則負責數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析，相互協(xié)作提高運維效率；此外還要定期評估發(fā)電場站運維工作的實施情況，不斷優(yōu)化運維流程和策略，提高運維水平，保證發(fā)電場站長期穩(wěn)定運行。

2 新能源發(fā)電場站智能運維技術(shù)研究

本電廠光伏電站配置為無人值守，由于地域較為分散，故對其監(jiān)控和運維的難度較高。集控中心是組成智能運維體系的關(guān)鍵一環(huán)，而作為智能運維的核心，集控中心往往承擔著監(jiān)控、調(diào)度、故障處理等重要職責，需要通過對發(fā)電設備的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對發(fā)電場站運行狀態(tài)的全面掌控，保障發(fā)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

2.1 總體思路

設計集控中心需要考慮多方面因素，包括但不限于設備監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、遠程控制[3]。本電廠建設集控中心的思路如下。

第一步，在集控中心建立實時監(jiān)測系統(tǒng)，配備高清攝像頭監(jiān)控新能源發(fā)電場站的各類設備狀態(tài)，以便工作人員發(fā)現(xiàn)異常情況；第二步，配置傳感器和數(shù)據(jù)采集設備，實時采集新能源發(fā)電場站的各類數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)深入挖掘并分析數(shù)據(jù)，預測設備運行狀態(tài)，確定優(yōu)化方向；第三步，建立遠程控制系統(tǒng)，通過集控中心對發(fā)電場站進行集中調(diào)度，實現(xiàn)功率優(yōu)化和負荷均衡；第四步，配備智能診斷系統(tǒng)監(jiān)測設備運行狀態(tài)，對故障進行自動識別及定位，提前預警并生成故障報告。同時配置智能維修系統(tǒng)，提供遠程維修指導，縮短故障處理時間，降低運維成本。

事實證明，在設計集控中心時，充分利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)手段，能夠?qū)崿F(xiàn)設備的智能監(jiān)控、數(shù)據(jù)的智能分析和運維的智能化，提升新能源發(fā)電場站的運行效率。

2.2 核心功能

實時監(jiān)控。在指定位置安裝傳感器、監(jiān)測設備，用于實時采集發(fā)電設備溫度、壓力、電流等運行數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至集控中心，工作人員無需前往現(xiàn)場便可以通過集控中心顯示屏了解設備運行狀態(tài)，根據(jù)設備出現(xiàn)故障的原因采取針對性解決方案，提高設備的可靠性、實效性。

數(shù)據(jù)分析。通過對大量的運行數(shù)據(jù)進行分析和處理，實現(xiàn)對發(fā)電設備運行狀態(tài)的準確預測與評估，及時發(fā)現(xiàn)潛在故障隱患并采取相應的措施，避免設備故障對發(fā)電系統(tǒng)帶來的影響，提高運行的安全性。

遠程調(diào)控。實踐經(jīng)驗表明，集控中心還需要具備遠程調(diào)度和控制能力，以便工作人員對發(fā)電設備進行遠程調(diào)控，實現(xiàn)對發(fā)電系統(tǒng)的遠程監(jiān)管和操作，提高運維工作的靈活性，保障發(fā)電系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定運行。

2.3 具體設計

2.3.1 電站地理位置相關(guān)性模型構(gòu)建

在完成系統(tǒng)設計后，本電廠通過故障診斷技術(shù)增強系統(tǒng)的故障診斷能力。考慮到電站所處環(huán)境較為復雜，其設備狀態(tài)和參數(shù)容易在環(huán)境的影響下發(fā)生變化，例如在陰天時光伏組件發(fā)電效率會顯著降低，因此需要在光伏電站故障識別和定位功能設計過程中，將地理位置相關(guān)系數(shù)引入其中。將本電站所處的實際位置作為依據(jù)，可利用下述公式對兩個光伏電站之間的距離加以計算。為降低后續(xù)研究難度，需要將電站地理位置涉及的因子用距離的倒數(shù)進行表示。在經(jīng)過一系列的計算后，便可以獲得所需的系數(shù)[4]：

式中：地球的半徑由R來表示；其數(shù)值大約為6371.4km；其中，1號電站的經(jīng)緯度坐標由（x1，y1）表示；2號電站則由（x2，y2）表示。在實際研究中，將參照點設為k，以滿足故障識別分析的要求，如果其他光伏電站與k之間的距離分別為dk1,dk2,dk3,…。上述電站地理位置相關(guān)因子即為其倒數(shù)1/dk1,1/dk2,1/dk3,…，在經(jīng)過處理后可得到下述公式：

根據(jù)上述公式，可以計算k與其他電站之間的位置關(guān)系如下：rkn=（1/dkn）/sum，上述公式均滿足m≠k，1≤k≤n，且0≤m≤n。

2.3.2 設備異常識別模型構(gòu)建

在研究后得知，設備故障和環(huán)境因素是導致本電廠運行出現(xiàn)異常的主要原因。為此，需要利用下述公式對電站發(fā)電效率加以計算，并將計算結(jié)果與集控中心所得到的數(shù)據(jù)加以對比，在此基礎上即可判斷電站是否存在異常：PR=E/Ee，式中：某一時間段集控中心所測量出的發(fā)電效率由PR表示；某一時間內(nèi)光伏電站發(fā)電量由E表示；電站裝機容量由Ee表示[5]。

2.4 軟件設計

隨著新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，發(fā)電場站規(guī)模不斷擴大，運維管理難度增加。為提高運維效率、降低運維成本，需建設集控中心。在設計集控中心內(nèi)部所運行的軟件時，要重點考慮實時監(jiān)測、遠程控制和數(shù)據(jù)分析。本電廠在軟件設計方面所設計的內(nèi)容以開發(fā)系統(tǒng)和操作系統(tǒng)軟件為主，同時還包括了與集控中心相匹配的軟件。所應用的架構(gòu)為B/S，在實際運維過程中，工作人員可以將瀏覽器作為媒介對系統(tǒng)設備各類信息進行獲取，從而掌握電氣設備的狀態(tài)和參數(shù)信息。本電站所選的操作系統(tǒng)為Windows 系統(tǒng)，該系統(tǒng)的適用性較強，且各節(jié)點計算機均與使用要求相吻合。

2.5 硬件設計

集控中心系統(tǒng)的架構(gòu)組成為兩層，集控層為第一層，光伏子站層為第二層，以通信鏈路為媒介完成數(shù)據(jù)的傳輸。將總體架構(gòu)作為依據(jù)，本電站對硬件進行了合理配置，具體內(nèi)容如下：

在集中監(jiān)控系統(tǒng)中最核心的部分就是集控側(cè)，其屬于中心架構(gòu)，具有數(shù)據(jù)分析、故障診斷和運營管理的功能。系統(tǒng)在設計過程中對超融合技術(shù)加以運用，同時將虛擬服務器部署在系統(tǒng)中，使硬件平臺被虛擬，在經(jīng)過整合后即可使全部服務器融合成為云資源池，最終使集中管理目標實現(xiàn)。具體表現(xiàn)為：運維人員可以通過顯示屏對光伏電站進行監(jiān)控和管理。本電廠所構(gòu)建的系統(tǒng)布置多臺超融合服務器，本電站所部署的服務器數(shù)量為5臺，其中3臺在虛擬化處理后形成資源池，之后完成對各類服務器的組建，如采集、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘等；而剩余2臺服務器所形成的資源池，則可以組建生產(chǎn)管理、App 發(fā)布等服務器。

光伏電站硬件配置。本電廠將集中監(jiān)控系統(tǒng)的實際要求作為依據(jù)，本電站部署了多臺數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)機和正向隔離裝置，通過這種方式使遠動功能達成[6]。

2.6 實際應用分析

本電廠以4個光伏電站作為研究對象驗證系統(tǒng)應用效果。本次試驗從每個電站內(nèi)選擇5個逆變器，以系統(tǒng)2023年10月某個時間區(qū)域的數(shù)據(jù)為例開展分析。利用上文公式可以對電站之間的距離進行計算，如表1所示。

表1 發(fā)電場站與集控中心的距離及相關(guān)系數(shù)

通過表1可知，4座電站之間的地理位置的相關(guān)系數(shù)其和為1，故可以將環(huán)境因素的影響予以排除，因此模型具有實用價值。最后，本電站所設計的監(jiān)控系統(tǒng)對上述方法予以應用，得到了某一時間段光伏電站故障定位數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：在這一事件段1號電站發(fā)生了故障，而其余電站并未受到影響。其中，監(jiān)控畫面顯示1號電站內(nèi)某個逆變器發(fā)出報警，在與現(xiàn)場人員聯(lián)系后讓其進行現(xiàn)場檢查，檢查后發(fā)現(xiàn)該逆變器發(fā)電效率低于正常值，在做深入調(diào)查后得知導致本次故障的原因為光伏組串斷路，此次試驗證明上述模型十分可靠。

現(xiàn)階段，多數(shù)光伏電站集控中心主要監(jiān)測的對象以設備參數(shù)和狀態(tài)為主，但對于設備故障卻未能準確定位。而本電廠所設計的系統(tǒng)，則通過構(gòu)建模型的方式完善系統(tǒng)的故障診斷定位功能，試驗結(jié)果表明系統(tǒng)在故障診斷方面發(fā)揮了重要作用。

3 結(jié)語

本文結(jié)合本電廠實際情況，指出集控中心在新能源發(fā)電場站的智慧運維中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過引入先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析，可以實現(xiàn)對發(fā)電設備的實時監(jiān)測和故障診斷，提高運維效率以及設備利用率。此外，集控中心還可以優(yōu)化發(fā)電場站的運行策略，提高發(fā)電效率、降低運營成本，對于新能源發(fā)電行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。綜上，設計功能強大、智能化程度高的集控中心是實現(xiàn)發(fā)電場站智能運維的關(guān)鍵，未來應進一步優(yōu)化設計方案，使集控中心的價值得到最大化實現(xiàn)。