何 婷，何飛躍，韓長霖，劉 寅

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

0 引言

隨著新能源電站的自動(dòng)化水平提高，風(fēng)電場(chǎng)/光伏電站涌現(xiàn)了大量的二次系統(tǒng)，如風(fēng)電場(chǎng)/光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)、升壓站監(jiān)控系統(tǒng)、功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、有功/無功控制系統(tǒng)、保護(hù)及故障信息子站及其他智能電子裝置等[1]。但目前這些系統(tǒng)均獨(dú)立運(yùn)行，之間沒有信息共享，而且這些二次系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家往往不同，設(shè)備型號(hào)也繁雜多樣[2]，因而存在多種硬件接入形式和不同的通信規(guī)約。在信息自動(dòng)化飛速發(fā)展的今天，急需進(jìn)行這些系統(tǒng)（裝置）的信息整合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合利用。

本文從新能源電站的監(jiān)視控制、運(yùn)行維護(hù)和運(yùn)行評(píng)價(jià)角度全面研究了新能源集控平臺(tái)的功能需求，提出一種針對(duì)新能源集成化應(yīng)用系統(tǒng)的開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，給出了基于iP9000平臺(tái)的新能源集控平臺(tái)架構(gòu)，并闡述了數(shù)據(jù)治理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、智能運(yùn)維、運(yùn)行評(píng)價(jià)、故障診斷等關(guān)鍵技術(shù)和方案，為實(shí)現(xiàn)新能源電站的集中高效管理提出了一種優(yōu)化解決方案。

1 新能源集控平臺(tái)架構(gòu)

針對(duì)新能源集控多業(yè)務(wù)、多系統(tǒng)需求，中水科技iP9000智能一體化平臺(tái)提供了良好的解決方案。iP9000智能一體化平臺(tái)是在整合水利水電新能源工程經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上開發(fā)的基于面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）的智能一體化平臺(tái)，該平臺(tái)具有標(biāo)準(zhǔn)化、通用性、可擴(kuò)展性、可配置性的特點(diǎn)，滿足各專業(yè)應(yīng)用的不同需求。

基于iP9000平臺(tái)打造的新能源集控，采用開放式分層分布式的一體化結(jié)構(gòu)，分為集控中心主控級(jí)和電站分控級(jí)2個(gè)主要層次，實(shí)現(xiàn)集控中心對(duì)所轄廠站遠(yuǎn)方監(jiān)視、分析決策、操作控制和運(yùn)行管理。在集控中心設(shè)置一套集控中心主站系統(tǒng)，在各電站設(shè)置通信子站系統(tǒng)，該通信子站系統(tǒng)用于收集電站子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，經(jīng)規(guī)約轉(zhuǎn)換后以IEC104規(guī)約向集控中心傳送數(shù)據(jù)，同時(shí)接收集控中心的控制調(diào)節(jié)命令向場(chǎng)站系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)。集控中心以集控應(yīng)用建設(shè)為核心，以一體化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、智能化為原則，在iP9000平臺(tái)上集成建設(shè)集控中心監(jiān)控系統(tǒng)、保信主站系統(tǒng)、風(fēng)/光功率預(yù)測(cè)、電能量系統(tǒng)、風(fēng)水光互補(bǔ)分析功能、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等各類自動(dòng)化系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)，解決了新能源電站的二次系統(tǒng)互不聯(lián)系、管控難度大、維護(hù)復(fù)雜度高、智能決策水平差以及重復(fù)投資等問題。

新能源集控技術(shù)架構(gòu)如圖1所示，采用面向服務(wù)的架構(gòu)，分為元數(shù)據(jù)層，消息通信層，技術(shù)服務(wù)平臺(tái)層和數(shù)據(jù)組件平臺(tái)層4個(gè)層次。元數(shù)據(jù)層提供新能源集控平臺(tái)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。消息通信層是各個(gè)應(yīng)用數(shù)據(jù)交互的通道，由分布式通信總線構(gòu)成。技術(shù)服務(wù)平臺(tái)層提供事件驅(qū)動(dòng)、工作流等多種業(yè)務(wù)引擎。數(shù)據(jù)組件層實(shí)現(xiàn)面向應(yīng)用的數(shù)據(jù)封裝，為各個(gè)應(yīng)用提供組件級(jí)服務(wù)。

圖1 新能源集控平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

新能源集控系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)如圖2所示，應(yīng)用架構(gòu)包括基礎(chǔ)設(shè)施層，數(shù)據(jù)資源層，應(yīng)用支撐層和應(yīng)用平臺(tái)層?；A(chǔ)設(shè)施層和數(shù)據(jù)資源層實(shí)現(xiàn)應(yīng)用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、時(shí)序數(shù)據(jù)庫和文件系統(tǒng)的透明封裝，為上層應(yīng)用提供應(yīng)用API接口。應(yīng)用支撐層實(shí)現(xiàn)新能源集控的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)界面、智能告警、權(quán)限管理、日志管理等基礎(chǔ)應(yīng)用，應(yīng)用平臺(tái)層實(shí)現(xiàn)新能源集控的智能高級(jí)應(yīng)用，包括AGC/AVC、風(fēng)/光功率預(yù)測(cè)，狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷等。

圖2 新能源集控平臺(tái)應(yīng)用架構(gòu)

2 系統(tǒng)安全解決方案

新能源集控需滿足國家發(fā)展和改革委員會(huì)令[2014]第14號(hào)《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》和國家能源局2015年36號(hào)文《國家能源局關(guān)于印發(fā)電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)總體方案和評(píng)估規(guī)范的通知》的規(guī)定，各功能部署在對(duì)應(yīng)的安全分區(qū)內(nèi)[3]。

集控主站系統(tǒng)采用雙網(wǎng)冗余設(shè)計(jì)，分為安全一區(qū)、安全二區(qū)、管理信息區(qū)等3個(gè)安全分區(qū)。安全一區(qū)和安全二區(qū)之間配置有防火墻，共用一套數(shù)據(jù)庫，二區(qū)和三區(qū)之間配置有網(wǎng)絡(luò)隔離裝置，由二區(qū)向三區(qū)單向轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

監(jiān)控系統(tǒng)位于一區(qū)，保信主站系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、電能量等系統(tǒng)位于二區(qū)，WEB發(fā)布、在線趨勢(shì)分析和狀態(tài)監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)位于管理信息區(qū)。

各區(qū)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和同步服務(wù)由iP9000平臺(tái)統(tǒng)一提供。

3 智能應(yīng)用技術(shù)

新能源集控智能應(yīng)用技術(shù)包括數(shù)據(jù)治理，狀態(tài)監(jiān)測(cè)，智能運(yùn)維和運(yùn)行評(píng)價(jià)，智能應(yīng)用技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智慧新能源的基礎(chǔ)。

3.1 數(shù)據(jù)治理

由于新能源具有較大的隨機(jī)性和波動(dòng)性，同時(shí)由于通信的不穩(wěn)定等原因，不可避免的存在數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)丟失等問題，需要對(duì)新能源數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和治理，以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。

3.1.1 治理原則

根據(jù)新能源監(jiān)測(cè)、運(yùn)行和管理的特點(diǎn)，通過分析集控大數(shù)據(jù)平臺(tái)不良數(shù)據(jù)的成因，對(duì)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)等過程進(jìn)行篩查和分析研究，總結(jié)不同環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)治理的方法，將不良數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和治理，最終得到滿足數(shù)據(jù)質(zhì)量要求的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)治理技術(shù)主要應(yīng)用于新能源數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)質(zhì)量管理3個(gè)方面。

（1）新能源數(shù)據(jù)倉庫中，數(shù)據(jù)治理的主要任務(wù)是清除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)、修補(bǔ)丟失數(shù)據(jù)、解決數(shù)據(jù)冗余問題，不僅是簡(jiǎn)單地對(duì)不良數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)和根據(jù)實(shí)際情況修正，而且還需要對(duì)同類型數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整合，對(duì)復(fù)雜信息數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分。

（2）新能源數(shù)據(jù)挖掘中，數(shù)據(jù)治理的任務(wù)是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，保證良好的數(shù)據(jù)質(zhì)量。針對(duì)各種不同二次系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，需要特定的治理方法。新能源的數(shù)據(jù)治理包括風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)治理，升壓站數(shù)據(jù)治理，狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)治理，功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)治理。

（3）新能源數(shù)據(jù)質(zhì)量管理中，數(shù)據(jù)治理過程是評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)正確性并改善其質(zhì)量的過程。

3.1.2 治理方法

數(shù)據(jù)治理方法包括數(shù)據(jù)合理性治理法、拓?fù)渲卫矸?、模型一致性治理法、時(shí)序治理法、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)治理法、狀態(tài)估計(jì)治理法、聚類分析治理法和模式識(shí)別治理法。

數(shù)據(jù)合理性治理法從新能源遙測(cè)、遙信、電度等數(shù)據(jù)的合理性出發(fā)，校驗(yàn)數(shù)據(jù)的合理性，從而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行治理。拓?fù)渲卫矸◤男履茉措娬镜木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出發(fā)，依據(jù)電網(wǎng)絡(luò)理論，校驗(yàn)新能源廠站數(shù)據(jù)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)約束下的數(shù)據(jù)聯(lián)系，對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行治理。模型一致性治理法，依據(jù)新能源廠站數(shù)據(jù)的物理模型（如有功功率、無功功率等），校驗(yàn)各個(gè)數(shù)據(jù)的正確性，完成對(duì)數(shù)據(jù)治理。新能源廠站歷史數(shù)據(jù)均為時(shí)間序列，可以采用回歸分析、最小二乘法等方法，消除不良數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)治理。新能源廠站數(shù)據(jù)實(shí)際上為隨機(jī)變量，可以按照方差分析、置信區(qū)間和狀態(tài)估計(jì)等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)治理法進(jìn)行數(shù)據(jù)治理。聚類分析和模式識(shí)別治理法是人工智能的數(shù)據(jù)治理方法，該類方法基于人工智能原理，采用均值聚類和模式識(shí)別的方法，治理新能源廠站數(shù)據(jù)。

3.1.3 治理流程

新能源廠站數(shù)據(jù)治理主要包括以下5個(gè)階段：

（1）準(zhǔn)備階段。通過數(shù)據(jù)應(yīng)用的需求分析明確新能源集控對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的需求，通過調(diào)研數(shù)據(jù)所處的風(fēng)電和光電設(shè)備的位置明確環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)流產(chǎn)生的影響，確定具體的數(shù)據(jù)治理任務(wù)目標(biāo)，結(jié)合各方面的調(diào)研結(jié)果制定針對(duì)不同二次系統(tǒng)的數(shù)據(jù)治理方案，并確定數(shù)據(jù)接口方式，最終形成完整的數(shù)據(jù)治理方案，指導(dǎo)整個(gè)數(shù)據(jù)治理過程的大方向。

（2）檢測(cè)階段。將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，完成標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理，進(jìn)行冗余數(shù)據(jù)、重復(fù)記錄、不合理數(shù)據(jù)、不一致數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)等檢測(cè)，并完成統(tǒng)計(jì)分析，確定不良數(shù)據(jù)存在的形式，為設(shè)定具體的數(shù)據(jù)治理方法提供依據(jù)。

（3）定位階段。通過對(duì)統(tǒng)計(jì)后的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估，分析不良數(shù)據(jù)的存在及修正對(duì)后期數(shù)據(jù)應(yīng)用的影響，并通過問題定位、數(shù)據(jù)流追蹤的方法，明確不良數(shù)據(jù)產(chǎn)生的根本原因，定位數(shù)據(jù)質(zhì)量問題的性質(zhì)和位置，完善數(shù)據(jù)治理的方案。根據(jù)定位的情況，部分?jǐn)?shù)據(jù)可能需要再次檢測(cè)，再次定位。

（4）修正階段。定位階段對(duì)數(shù)據(jù)的治理方案已具備有效的方法，本階段即可對(duì)數(shù)據(jù)按照相應(yīng)的方法進(jìn)行修正，包括清除不合理數(shù)據(jù)、合并重復(fù)記錄、修補(bǔ)缺失數(shù)據(jù)及不可修復(fù)數(shù)據(jù)標(biāo)記，并對(duì)數(shù)據(jù)修正過程進(jìn)行記錄。

（5）驗(yàn)證階段。將修正后數(shù)據(jù)與任務(wù)需求定義進(jìn)行比較分析，可能用到部分檢測(cè)階段的方法，若驗(yàn)證結(jié)果與任務(wù)目標(biāo)相符，則完成對(duì)該數(shù)據(jù)的清洗治理，若驗(yàn)證結(jié)果與任務(wù)目標(biāo)不相符，則重新進(jìn)行定位和修正，通過分析修正失敗的原因，甚至需返回準(zhǔn)備階段重新調(diào)研，以確保治理的數(shù)據(jù)真實(shí)有效。

3.2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)

風(fēng)電場(chǎng)采集風(fēng)電設(shè)備的主軸承、齒輪箱、軸承等主要部件的機(jī)械振幅數(shù)據(jù)，葉片應(yīng)力數(shù)據(jù)；光伏電站采集陣列、匯流箱、逆變器、組串零電流，分別結(jié)合SCADA數(shù)據(jù)，采用人工智能算法，可對(duì)潛在的故障進(jìn)行預(yù)測(cè)。一體化平臺(tái)為狀態(tài)檢修平臺(tái)提供采集、消息、計(jì)算、界面組態(tài)等基本功能，形成風(fēng)機(jī)/光伏運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)與分析、故障預(yù)警、專家知識(shí)庫、診斷模型、檢修決策與優(yōu)化運(yùn)行等模塊。

3.3 智能運(yùn)維

我國大部分風(fēng)電場(chǎng)集中投運(yùn)在21世紀(jì)10年代初，運(yùn)行至今，大量風(fēng)電機(jī)組目前將面臨出質(zhì)保的問題。而且風(fēng)電機(jī)組長期工作在條件惡劣的環(huán)境中，氣溫變化大，風(fēng)沙、風(fēng)速、載荷變化隨機(jī)、不確定等因素導(dǎo)致機(jī)組各部件故障頻發(fā)。國內(nèi)風(fēng)機(jī)的生產(chǎn)廠家繁多，型號(hào)多樣化，各類型的風(fēng)機(jī)運(yùn)維技術(shù)多掌握在風(fēng)機(jī)廠家，運(yùn)營商反而缺少有效的維護(hù)技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)，因此需要建立風(fēng)電場(chǎng)智能運(yùn)維系統(tǒng)，對(duì)于提高風(fēng)電運(yùn)營的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性有著重大且長遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

可建立風(fēng)電場(chǎng)和風(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)歷史風(fēng)資源的情況進(jìn)行仿真運(yùn)行，通過統(tǒng)計(jì)分析，得到機(jī)組運(yùn)行規(guī)律，制定優(yōu)化運(yùn)行策略。新能源集控中心包括對(duì)升壓站一次設(shè)備（GIS，變壓器等）和風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組（電氣設(shè)備、傳動(dòng)系統(tǒng)、塔架、葉輪等關(guān)鍵部件的振動(dòng)、溫度和壓力參數(shù)等）的監(jiān)測(cè)。利用狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊的數(shù)據(jù)和SCADA數(shù)據(jù)綜合分析，對(duì)設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的各時(shí)域和頻域信號(hào)進(jìn)行處理，進(jìn)行故障診斷、分析和預(yù)警，以減少故障的發(fā)生，提高運(yùn)行效率。

光伏電站通過無人機(jī)巡檢，發(fā)現(xiàn)熱癍、遮擋、玻璃破碎、發(fā)電異常問題；通過智能清洗機(jī)器人，提高清洗效率、降低清掃成本；采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行故障診斷，診斷組串發(fā)電不良，逆變器發(fā)電不良等故障。

3.4 運(yùn)行評(píng)價(jià)

新能源廠站的運(yùn)行評(píng)價(jià)主要包括如下幾個(gè)方面：發(fā)電量水平、設(shè)備運(yùn)行水平、生產(chǎn)維護(hù)水平、能耗及綜合評(píng)價(jià)。

根據(jù)采集的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)、太陽能資源數(shù)據(jù)、風(fēng)機(jī)/光伏板的分布，結(jié)合風(fēng)電機(jī)組的功率曲線和推力系數(shù)曲線、光伏面板IV特性等計(jì)算，得出風(fēng)電場(chǎng)/光伏電站年理論發(fā)電量，再根據(jù)上網(wǎng)折減系數(shù)來進(jìn)行上網(wǎng)電量的估算，對(duì)比實(shí)際上網(wǎng)電量，對(duì)發(fā)電量水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。生產(chǎn)維護(hù)水平評(píng)價(jià)根據(jù)期望運(yùn)行費(fèi)用與實(shí)際運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用進(jìn)行比較評(píng)價(jià)。

3.5 故障診斷

故障診斷過程本質(zhì)上是一個(gè)故障模式識(shí)別的過程。設(shè)備故障模式識(shí)別是在故障信息監(jiān)測(cè)和故障特征提取的基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)備發(fā)生故障的種類、原因和部位做出判斷和推斷。針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)/光伏電站的某一個(gè)設(shè)備故障診斷問題，選擇不同的故障模式識(shí)別方法，可能導(dǎo)致其分類精度和準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大的差異。目前，廣泛應(yīng)用于設(shè)備故障診斷的模式識(shí)別方法主要有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、灰色關(guān)聯(lián)分析、聚類分析、信息融合等。

故障診斷的基礎(chǔ)是故障特征量提取。在獲取風(fēng)電場(chǎng)/光伏電站設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)挖掘、趨勢(shì)分析等技術(shù)方法，準(zhǔn)確地提取采集數(shù)據(jù)中的有效信息，分析故障特征量，以反映設(shè)備的運(yùn)行健康狀況。故障特征量提取方法包括時(shí)域提取法和頻域提取法。時(shí)域提取法提取時(shí)域內(nèi)各個(gè)量測(cè)的幅值指標(biāo)和無量綱指標(biāo)，對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行定位。頻域提取法采用快速傅里葉變換、小波分析等方法提取各個(gè)量測(cè)的頻率指標(biāo)，對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行定位。

目前新能源廠站故障診斷應(yīng)用方法主要有基于人工智能的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)和聚類分析等，由于每種故障的特征量不同，對(duì)于不同的故障，需要采用不同的故障診斷方法。同時(shí)，由于新能源廠站SCADA系統(tǒng)采集了廠站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合SCADA數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷是今后的發(fā)展方法，由于SCADA數(shù)據(jù)的采樣頻率低于狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采樣頻率，因此需在一體化平臺(tái)上構(gòu)建多元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)融合，進(jìn)行數(shù)據(jù)整合和計(jì)算。

4 結(jié)論

新能源的開發(fā)利用飛速發(fā)展，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站的運(yùn)維提出了更高的要求，因此建設(shè)新能源集控平臺(tái)、提高智能應(yīng)用技術(shù)，可更高效地支持新能源電站的運(yùn)維。本文提出了基于iP9000一體化平臺(tái)的集控解決方案，并介紹了一體化平臺(tái)的架構(gòu)、系統(tǒng)安全解決方案，描述了包括數(shù)據(jù)治理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、智能運(yùn)維、運(yùn)行評(píng)價(jià)和故障診斷的智能應(yīng)用技術(shù)，為新能源電場(chǎng)的集中監(jiān)視控制、系統(tǒng)運(yùn)維、故障診斷和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了一種解決方案。