中車永濟電機有限公司 趙夢露 胡 睿

前言

火力發(fā)電為常見的發(fā)電形式，需大量開采煤炭資源以供燃燒產(chǎn)生熱能。不僅容易造成資源的浪費，且易加重環(huán)境污染。風力發(fā)電的出現(xiàn)，為上述問題的解決提供了思路。但由于相關(guān)監(jiān)測技術(shù)欠缺，發(fā)電機組運行過程中的狀態(tài)異常情況難以監(jiān)控并及時得到解決。因此，為使可持續(xù)發(fā)展得以實現(xiàn)，加強對風電機組運行狀態(tài)的監(jiān)測與評估，提高機組運行的穩(wěn)定性尤為重要。

1.風電機組運行數(shù)據(jù)監(jiān)測需求

風特性、功率特性、風能利用系數(shù)、轉(zhuǎn)矩特性以及推力特性，是決定風電機組性能的主要參數(shù)，也是風電機組運行需監(jiān)測的主要數(shù)據(jù)。其中，風特性即機組隨自然界風力大小及方向的變化而不斷變化的特征，主要監(jiān)測指標，以風速、風頻為主。功率特性需以功率曲線表示，指風電機組功率的常規(guī)動態(tài)特性，是決定機組發(fā)電量大小的主要指標[1]。風能利用系數(shù)，即機組將由風所帶來的動能轉(zhuǎn)化為電能的系數(shù)，以Cp表示，計算公式如下：

公式中，P代表功率，ρ代表密度，S代表風與風電機組接觸的面積，v代表風的實時速度。因此風電機組的風能利用系數(shù)，為多種因素綜合作用的結(jié)果。轉(zhuǎn)矩與推力，同樣為決定風電機組運行效率的主要指標。確保上述指標無異常，且能夠處于穩(wěn)定的狀態(tài)，是提高風力發(fā)電可靠性及連續(xù)性的主要途徑。

2.大數(shù)據(jù)技術(shù)在風電機組運行狀態(tài)監(jiān)測評估中的應(yīng)用方案

為提高風電機組運行的穩(wěn)定性，某發(fā)電場將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用到了機組運行狀態(tài)的監(jiān)測與評估過程中。技術(shù)應(yīng)用方法如下：

2.1 運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

本課題中，風電場的機組運行狀態(tài)監(jiān)測評估系統(tǒng)，為SCADA系統(tǒng)。系統(tǒng)功能主要包括“信息采集”、“遠程控制”、“數(shù)據(jù)分析”等。系統(tǒng)依托JAVA進行程序設(shè)計，后臺數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為MySQL，以確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。SCADA系統(tǒng)的具體功能如下：（1）信息采集：SCADA系統(tǒng)能夠?qū)嵤┎杉L電機組所處區(qū)域的自然環(huán)境數(shù)據(jù)（以風力、風向、風速數(shù)據(jù)為主），通過對數(shù)據(jù)的觀察，調(diào)整風電機組的運行參數(shù)。以確保能夠及時發(fā)現(xiàn)機組存在的異常，并及時給予維修。（2）遠程控制：SCADA系統(tǒng)能夠通過對數(shù)據(jù)的收集，通過預警的方式，使機組故障能夠被維修人員及時感知，提高故障的維修效率[2]。（3）數(shù)據(jù)分析：SCADA系統(tǒng)能夠?qū)C組運行的歷史數(shù)據(jù)，記錄在數(shù)據(jù)庫當中。并通過分析數(shù)據(jù)規(guī)律的方式，分析機組未來的運行狀態(tài)。以確保有關(guān)人員可通過對機組的調(diào)整，提高其運行穩(wěn)定性。

2.2 運行狀態(tài)監(jiān)測模塊

風電機組的運行狀態(tài)監(jiān)測模塊，由數(shù)據(jù)讀取及參數(shù)設(shè)置模塊、波形顯示及故障分析模塊兩部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)讀取及參數(shù)設(shè)置模塊，能夠?qū)崟r讀取機組運行及其周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)，波形顯示及故障分析模塊，能夠以波形圖的形式描述當前機組的運行狀態(tài)，以供相關(guān)人員進行分析：（1）數(shù)據(jù)讀取及參數(shù)設(shè)置模塊：當監(jiān)測人員登錄到監(jiān)測系統(tǒng)中后，可經(jīng)系統(tǒng)直接讀取數(shù)據(jù)庫中的機組運行數(shù)據(jù)。為滿足監(jiān)測需要，監(jiān)測人員可通過SCADA系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)采集的頻率、待采集機組編號進行設(shè)置。確保系統(tǒng)能夠針對性的對數(shù)據(jù)進行采集，提高數(shù)據(jù)的可利用性。（2）波形顯示及故障分析模塊：由時間信號、時頻分析，以及參數(shù)模塊構(gòu)成，可用于針對性的顯示機組運行信息。例如：監(jiān)測人員可選擇2018年2月12日作為時間，選擇“風速”作為監(jiān)測指標，得到2018年2月12日的機組風速波形圖，進而為有關(guān)人員判斷機組故障提供參考。

2.3 數(shù)據(jù)及信號分析

時域信號、頻域信號及時頻信號，為顯示風電機組運行狀態(tài)的主要參數(shù)，均能夠以圖像的形式，呈現(xiàn)在SCADA系統(tǒng)之中。供檢測人員通過對圖像的觀察，判斷風電機組運行狀態(tài)是否存在異常。以時域圖為例，時域圖為體現(xiàn)時域信號隨時間變化為不斷變化的規(guī)律的圖像。將其應(yīng)用到風電機組運行狀態(tài)監(jiān)測過程中，能夠有效體現(xiàn)機組運行的平穩(wěn)性。但需注意的是，時域圖無法顯示精確的采集數(shù)據(jù)。監(jiān)測人員需利用統(tǒng)計學軟件，對數(shù)據(jù)進行整理與分析，得到最終的信號分析結(jié)果。時域圖分析過程中，信號的強度將能夠反映風電機組的性能。信號強度的計算公式如下：

如時域信號較為復雜，則可將其采用以下公式表示：

根據(jù)上述公式，監(jiān)測人員能夠詳細的計算出時域信號的強度。通過對信號強度的分析，既可大致掌握風電機組目前的運行情況。

2.4 運行狀態(tài)監(jiān)測方法

以大數(shù)據(jù)技術(shù)為基礎(chǔ)的風電機組運行狀態(tài)的監(jiān)測與評估，借助SCADA系統(tǒng)實現(xiàn)，具體監(jiān)測方法如下：（1）登錄：監(jiān)測人員應(yīng)通過輸入“用戶名+密碼”的方式，登錄至SCADA系統(tǒng)當中。利用系統(tǒng)的多種功能，實現(xiàn)對機組運行狀態(tài)的監(jiān)測。（2）數(shù)據(jù)讀取：SCADA系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，需存儲于數(shù)據(jù)庫當中。監(jiān)測人員可在登錄后，采用EXCEL格式，將數(shù)據(jù)以表格的形式導出，獲取風電機組的運行參數(shù)。（3）參數(shù)設(shè)置：監(jiān)測人員可分析待監(jiān)測的數(shù)據(jù)，并將其輸入至系統(tǒng)當中。在此基礎(chǔ)上，判斷數(shù)據(jù)是否為“空”或“零”。如參數(shù)異常，則表明數(shù)據(jù)能夠設(shè)置成功。（4）選定并導入SCADA數(shù)據(jù)后，監(jiān)測人員應(yīng)根據(jù)監(jiān)測需求，選擇數(shù)據(jù)的展示模式。例如：如監(jiān)測人員需觀察進一個月的風力變化趨勢，則可選擇“曲線模式”，使風力的變化趨勢，能夠以曲線圖的形式體現(xiàn)。進而通過觀察相應(yīng)圖表的途徑，對風電機組的運行狀態(tài)進行評估。

2.5 大數(shù)據(jù)應(yīng)用前后監(jiān)測結(jié)果對比

為評估大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用價值，本風電場對大數(shù)據(jù)應(yīng)用前后風電機組的運行情況進行了觀察，發(fā)現(xiàn)：（1）大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用前，風電機組1年內(nèi)平均故障次數(shù)為5次，機組運行的穩(wěn)定性較低，發(fā)電連續(xù)性差。（2）大數(shù)據(jù)應(yīng)用后，進一步觀察風電機組的運行狀況發(fā)現(xiàn)，機組運行1年內(nèi)，僅產(chǎn)生1次故障。該故障發(fā)生后，SCADA數(shù)據(jù)立即實現(xiàn)了預警。維護人員收到預警信息后，立即對故障展開了維修，使故障得到了及時的解決。對比發(fā)現(xiàn)，將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用到風電機組運行狀態(tài)監(jiān)測過程中，能夠有效降低風電機組的故障率。對于機組運行穩(wěn)定性及安全性的提升，具有較大的推動作用。

3.結(jié)論

綜上所述，本風力發(fā)電場以大數(shù)據(jù)技術(shù)為基礎(chǔ)，對風電機組運行狀態(tài)進行了監(jiān)測與評估，在提高機組運行穩(wěn)定性方面，取得了良好的效果。我國風力發(fā)電領(lǐng)域，可借助其經(jīng)驗，積極應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)設(shè)計信息化監(jiān)測系統(tǒng)。通過實時采集風電機組功率、轉(zhuǎn)矩及推力參數(shù)的方式，及時發(fā)現(xiàn)異常并給予調(diào)整。最終使發(fā)電的穩(wěn)定性，以及機組的性能得以提升。

[1]郭鵬,姜漫利,李航濤.基于運行數(shù)據(jù)和高斯過程回歸的風電機組發(fā)電性能分析與監(jiān)測[J].電力自動化設(shè)備,2016,36(8)：10-15+25.

[2]李輝,胡姚剛,李洋.基于溫度特征量的風電機組關(guān)鍵部件劣化漸變概率分析[J].電力自動化設(shè)備,2015,35(11)：1-7+19.