國能思達科技有限公司 魏 亮

引言

隨著我國工業(yè)發(fā)展和人民生活對能源的需求，各大電網(wǎng)公司都在大力發(fā)展風力發(fā)電，并在全國范圍內(nèi)興建風電場，從而使風電的效率得到顯著的改善。由于風電場分布比較分散，風場監(jiān)測系統(tǒng)相互獨立，難以實現(xiàn)風電資源的共享和統(tǒng)一管理。因此，要充分引進先進的技術(shù)，結(jié)合信息時代的發(fā)展趨勢加強風電的信息化建設(shè)，建立一個統(tǒng)一的風電場管理平臺以及時掌握風能資料，做好風電場的遠程監(jiān)測和設(shè)備維護及對突發(fā)情況的科學處置。

1 風力發(fā)電集控中心的信息化建設(shè)的作用

1.1 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的研究能有效維護風電系統(tǒng)在數(shù)據(jù)方面的安全性

在風力發(fā)電系統(tǒng)中數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)越來越被人們所關(guān)注，并被大力推廣。數(shù)據(jù)挖掘是數(shù)據(jù)收集和查找的過程，數(shù)據(jù)的來源是以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，經(jīng)過過濾獲得有價值的、全新的、有潛力的數(shù)據(jù)。風力發(fā)電系統(tǒng)在運行期間會積累大量的原始資料，其中蘊藏著巨大的潛能，對今后的系統(tǒng)進行改進、對風力發(fā)電系統(tǒng)的高效運轉(zhuǎn)有著重要的意義。

目前，風力發(fā)電系統(tǒng)所能夠收集和整理的部分資料信息等級較低，不能深入挖掘出更深層的信息，也不能對其進行系統(tǒng)性的整理和預(yù)測。然而數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)則是通過對電力設(shè)備所提供的數(shù)據(jù)進行深入分析，從而對潛在問題做出合理的預(yù)測和預(yù)警，從而使維修人員可更好地監(jiān)控自己所在區(qū)域。同時還可對電網(wǎng)的運行規(guī)律進行分析，并對其進行自動設(shè)置，使其運行在最佳狀態(tài)，從而大大地提高了運行效率，減少了維護費用，確保了風電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

1.2 保證風電系統(tǒng)內(nèi)部信息傳遞的順利進行

在風力發(fā)電系統(tǒng)的集控中心，由于控制站與數(shù)據(jù)中心的位置相隔較遠，數(shù)據(jù)共享、指令傳送等都要求采用高效率的通訊方式。該中心有語音服務(wù)、數(shù)據(jù)調(diào)整與調(diào)度、視頻服務(wù)和MIS服務(wù)四大功能。語音業(yè)務(wù)主要用于處理中央和下屬的集控站的各種電話，包括發(fā)送指令、系統(tǒng)調(diào)動和撥打電話；調(diào)度服務(wù)主要負責對各個集控站的生產(chǎn)信息進行控制，其內(nèi)容包括電力行業(yè)信息、系統(tǒng)自動化數(shù)據(jù)等；視頻業(yè)務(wù)主要是監(jiān)控、防盜等功能，并在內(nèi)部組織視頻會議；信息管理系統(tǒng)以提供辦公服務(wù)為主，強化自動化和多媒體，以改善電力使用、企業(yè)管理、生產(chǎn)管理等；在電力信息網(wǎng)絡(luò)中，MIS系統(tǒng)的信息傳輸是其中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其存在可以保證風力發(fā)電系統(tǒng)的集中控制中心的高效和安全運行。因此在風力發(fā)電系統(tǒng)中，通訊系統(tǒng)是實現(xiàn)信息傳輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.3 信息安全技術(shù)為集控中心的數(shù)據(jù)提供安全保障

在風力發(fā)電系統(tǒng)的集中控制中心存儲了大量電力部門的生產(chǎn)和操作信息，確保了它的安全。為確保集控中心的數(shù)據(jù)傳輸，須滿足二次電力系統(tǒng)的安全保護，并在此基礎(chǔ)上建立了一個與網(wǎng)絡(luò)相分離的安全硬件防火墻。各系統(tǒng)界面應(yīng)保持一致并嚴格遵守界面規(guī)格，同時保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的正常傳遞和數(shù)據(jù)的高穩(wěn)定性。

為有效防止跨部門間的信息交互，減少系統(tǒng)間的信息交互、減少系統(tǒng)間的風險，同時限制了用戶的使用權(quán)限，加強了認證。集中控制中心在與外界進行數(shù)據(jù)交互時，應(yīng)當注意防止系統(tǒng)遭到攻擊，并加強對外部系統(tǒng)的安全審查，防止病毒入侵和網(wǎng)絡(luò)攻擊。

2 風力發(fā)電集控中心信息化建設(shè)措施

2.1 采集數(shù)據(jù)信息

風電場集控中心由監(jiān)控、能源、數(shù)據(jù)查詢等部分構(gòu)成，它們各自獨立工作互不干擾，可實現(xiàn)各個系統(tǒng)的功能。在風力發(fā)電系統(tǒng)中，傳輸精確的數(shù)據(jù)和信息是實現(xiàn)資源共享的關(guān)鍵。由于各子系統(tǒng)的設(shè)計要求、運行模式不同，相應(yīng)的行業(yè)標準也不盡相同，使得各系統(tǒng)之間的信息不能充分交換。

為達到這一目的，本文提出以Web服務(wù)為基礎(chǔ)的通用數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)，使各子系統(tǒng)間可進行高效的互聯(lián)、共享，傳輸數(shù)據(jù)的效率更高。網(wǎng)絡(luò)的主要功能是提供通訊服務(wù)，然后通過各種協(xié)議對各地區(qū)的原始資料進行收集。Web具有信息統(tǒng)一的特征，使得系統(tǒng)能在各種背景下有效地進行數(shù)據(jù)的處理。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持通信協(xié)議和操作系統(tǒng)應(yīng)用，在風力發(fā)電系統(tǒng)集控中心信息化建設(shè)的基礎(chǔ)上，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可實現(xiàn)信息的共享，而不會影響到各個子系統(tǒng)的獨立運作和相應(yīng)的功能。

2.2 應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

在風電集控站的信息化建設(shè)中大數(shù)據(jù)技術(shù)是一種普遍的技術(shù)方法，而數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在風電集控中心的應(yīng)用也越來越廣泛。數(shù)據(jù)挖掘包含了數(shù)據(jù)的收集和檢索，將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫中提取，通過設(shè)置條件進行篩選，從而獲得有價值的數(shù)據(jù)；其核心是對資料的搜尋。風力發(fā)電系統(tǒng)在運行過程中會產(chǎn)生大量的原始數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進行沉淀并將其存儲起來，從而使其在實際應(yīng)用中得到更好的利用。

目前在風力發(fā)電系統(tǒng)的信息化建設(shè)中，主要是對已有的信息進行收集和整理，所提供的信息水平不高，無法對有價值的資料進行進一步的挖掘；沒有系統(tǒng)的整理和預(yù)測。利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，可對電力設(shè)備的各種數(shù)據(jù)進行自動歸納，并對其可能出現(xiàn)的問題進行預(yù)警。通過這種方法可根據(jù)預(yù)報的結(jié)果來設(shè)置維修區(qū)域，并把處于維修區(qū)域的設(shè)備列為重點監(jiān)控對象。

此外，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可對電網(wǎng)的運行規(guī)律進行歸納和自動設(shè)定，從而保證電網(wǎng)的正常工作，提高了運行效率、減少了維護次數(shù)、節(jié)約了成本，提高了運行的安全性和穩(wěn)定性。

2.3 應(yīng)用信息安全技術(shù)

風力發(fā)電集控中心是電力生產(chǎn)和運營的重要組成部分，其數(shù)據(jù)安全是非常重要的。集中控制中心的重要信息傳輸，對二次供電的保護提出了更高的要求，即要保證各子系統(tǒng)都在安全區(qū)域，并使用安全的硬件防火墻；與因特網(wǎng)實現(xiàn)安全隔離。系統(tǒng)各接口必須一致并達到接口的需求，確保系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可高效傳輸，同時也要確保穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳送。

為了避免信息安全的風險，各系統(tǒng)必須使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺進行數(shù)據(jù)交換。另外用戶的權(quán)限也有一定的限制，特別是認證的必要性。在與外界進行數(shù)據(jù)信息交換時，要時刻關(guān)注系統(tǒng)是否遭到惡意攻擊，這時需要對外部系統(tǒng)進行安全檢查，防止出現(xiàn)安全問題。

2.4 智慧化監(jiān)測賦能

深度應(yīng)用基于大數(shù)據(jù)的智慧化監(jiān)測技術(shù)，嵌入豐富的監(jiān)測模型、預(yù)警模型、評估模型及數(shù)字孿生系統(tǒng)，實現(xiàn)將人工的絕大部分工作通過在線監(jiān)測、自我檢測、系統(tǒng)分析以及智能機器來完成。建立全面感知體系，利用信息化網(wǎng)絡(luò)賦予風力發(fā)電集控中心全方位立體感知能力，可實現(xiàn)風電設(shè)備關(guān)鍵運行狀態(tài)的直接精確測量，包括對整機及核心部件振動、不均勻沉降、腐蝕、應(yīng)力應(yīng)變等運行狀態(tài)進行機組級的實時監(jiān)控或評估，并及時進行故障預(yù)警和控制；對機組關(guān)鍵部位的載荷進行實時監(jiān)測，并進行基于載荷狀態(tài)的優(yōu)化控制，以支持機組壽命評估并最大化機組發(fā)電能力。

實現(xiàn)產(chǎn)品全壽命周期智能化運維。應(yīng)用智能巡點檢設(shè)備，覆蓋GIS地理信息、RFID無線射頻技術(shù)、LBS基于位置服務(wù)、4G/5G網(wǎng)絡(luò)通信等多種新技術(shù)，使用手持智能終端滿足流程處理、身份識別、人員定位、信息采集、作業(yè)指導等工作場景的需要。實現(xiàn)對大部件故障監(jiān)測，基于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，應(yīng)用最新的風機監(jiān)控和故障診斷軟件工具，實現(xiàn)對風機及風場整體故障風險的診斷和評估；利用在風電關(guān)鍵部件生產(chǎn)、測試、維護及狀態(tài)監(jiān)控的經(jīng)驗和服務(wù)能力，將多種產(chǎn)品和相關(guān)技術(shù)集成到智能風場管理業(yè)務(wù)和平臺中。

支持智能風場管理系統(tǒng)的建設(shè)，提高風場維護管理及故障診斷能力，提高診斷準確率，降低維護成本等。實現(xiàn)對風機葉片的監(jiān)測，應(yīng)實現(xiàn)葉片振動監(jiān)測、葉片應(yīng)力監(jiān)測，利用風機葉片長期運行積累的故障特征數(shù)據(jù)，如：葉片開裂、葉片斷裂、葉片結(jié)冰、雷擊事件、葉片附塵、質(zhì)量不平衡等；基于聲音的葉片在線外形損傷監(jiān)測系統(tǒng)采用與葉片非接觸的形式，實時采集葉片運行過程中的聲音數(shù)據(jù)，與風機狀態(tài)數(shù)據(jù)同步，通過機端采集系統(tǒng)中內(nèi)置的特征提取與機器學習算法，對原始數(shù)據(jù)進行降噪、脫敏、瘦身，協(xié)同站端的工業(yè)智能算法在線識別葉片損傷及嚴重等級，根據(jù)損傷類型及嚴重等級以進行針對性維護。支持雷擊損傷、保護膜脫落、排水孔堵塞、葉片結(jié)冰等常見失效模式識別的能力；對葉片的擺動幅值和頻率進行實時監(jiān)測，并根據(jù)相應(yīng)算法，實時評估葉片健康狀態(tài)。

2.5 強化智慧能量控制

通過應(yīng)用智慧能量控制，可迅速響應(yīng)調(diào)度計劃，統(tǒng)籌考慮各風電機組的運行狀態(tài)和當前有功出力，掌握設(shè)備狀況以及功率預(yù)測，進行高響應(yīng)速度、高精度的場級能量控制、單機能量控制，動態(tài)進行有功調(diào)頻和無功調(diào)壓。實時結(jié)合電場機組的設(shè)備狀態(tài)及運行工況，得到風電場未來的輸出功率，并以此推算風電場未來發(fā)電能力。

新能源基礎(chǔ)氣象大數(shù)據(jù)是整個集中功率預(yù)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)。氣象數(shù)據(jù)須積累大量的歷史數(shù)據(jù)，通過強大的中尺度預(yù)測引擎及CFD流體仿真引擎，提供高精度氣象預(yù)測及預(yù)警數(shù)據(jù)服務(wù)。采用國際最先進的數(shù)值天氣預(yù)報模擬技術(shù)，同時根據(jù)中國地形地貌和氣候特點進行不斷優(yōu)化、完善。通過采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學習、混沌理論等智能算法，對風電場進行混合建模，在現(xiàn)有時間序列模型下，采用人工智能技術(shù)，引入概率統(tǒng)計學理論以及智能優(yōu)化算法，針對電場地形及氣候特點，通過綜合各方法所使用的信息和優(yōu)勢實現(xiàn)復雜性建模，提高風功率預(yù)測的精度。可實現(xiàn)超短期（日內(nèi)）預(yù)測、短期（日間）預(yù)測，來支撐建立風電系統(tǒng)的經(jīng)濟調(diào)度與決策模型。

2.6 配套儲能控制

通過應(yīng)用大容量、高效率、長時間儲能系統(tǒng)，以獨立控制裝置完成有功-頻率下垂特性控制，使其在并網(wǎng)點具備主動支撐參與電網(wǎng)頻率快速調(diào)整能力；以動態(tài)無功調(diào)壓采用無功-電壓下垂曲線控制裝置，實時監(jiān)測并網(wǎng)點的電壓，當電壓變化超出調(diào)壓死區(qū)范圍時，主動實施動態(tài)無功調(diào)壓功能。通過儲能系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)進行發(fā)電，對電網(wǎng)的負荷進行快速跟蹤，減少風光電對電網(wǎng)的沖擊，保證新能源場站的出力穩(wěn)定性，迅速完成峰谷平滑調(diào)配。

2.7 構(gòu)建數(shù)字孿生技術(shù)

應(yīng)用基于數(shù)字孿生的設(shè)備監(jiān)控來建立與實際設(shè)備完全一致的三維幾何模型，在此基礎(chǔ)上通過數(shù)據(jù)采集或添加傳感器全方位獲取設(shè)備數(shù)據(jù)，并將各個位置數(shù)據(jù)與虛擬三維模型一一映射，實現(xiàn)物理對象與孿生設(shè)備完全一致的運動行為，更加直觀的監(jiān)控物流對象實時狀態(tài)。從關(guān)鍵部件級進行仿真，全方位進行參數(shù)調(diào)優(yōu)與測試，經(jīng)驗證取得較優(yōu)指標后再推廣至整機仿真，直至建立完整的孿生模型。

應(yīng)用基于數(shù)字孿生的設(shè)備控制調(diào)試、工藝仿真及參數(shù)調(diào)優(yōu)能夠在虛擬空間開展虛擬驗證，可進行工藝調(diào)參驗證工藝變更的合理性，有效降低了傳統(tǒng)物理調(diào)試時間，極大提高測試安全性。應(yīng)用基于實時仿真的設(shè)備深度運維管理，將離線仿真與IOT實時數(shù)據(jù)結(jié)合，實現(xiàn)基于實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的仿真分析，能夠?qū)崟r分析設(shè)備哪個位置出現(xiàn)了問題，并給出最佳響應(yīng)決策。通過基于數(shù)字孿生的智能仿真診斷分析，將傳統(tǒng)仿真技術(shù)與人工智能技術(shù)結(jié)合，極大提升了傳統(tǒng)仿真模擬準確性。

3 結(jié)語

在現(xiàn)代化的社會背景下，電力系統(tǒng)必須逐步實現(xiàn)信息化、數(shù)字化和智能化。在風電集控中心的信息化建設(shè)中，除了要在數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析等方面進行創(chuàng)新外，還應(yīng)引入大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術(shù)，以確保數(shù)據(jù)的安全。

通過技術(shù)創(chuàng)新的不斷突破，依托于高度智能化的數(shù)字化系統(tǒng)、全方位的監(jiān)測體系、預(yù)警分析體系，可更好的適應(yīng)并支撐各種工況的電網(wǎng)，可賦能風力發(fā)電集控中心統(tǒng)籌調(diào)控風光儲等不同電源形式間運行時序、營銷協(xié)作、出力均衡的協(xié)同運行，更好地融入?yún)^(qū)域電力市場，以數(shù)字革新全方位提升電力營銷能力。