張 軍

（永福縣中翔能源有限公司，廣西欽州 535000）

“智慧風電場”概念已被提出多年，迄今為止，在業(yè)界并沒有形成統(tǒng)一的定論。5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代高新技術及風電技術的不斷發(fā)展，為智慧風電場建設提供了重要基礎條件，也為智慧風電場提供了新的發(fā)展契機。文章對智慧風電場的遠距離控制與運維管理關鍵技術進行了探討，并提出了一種風電場智慧型一體化監(jiān)控系統(tǒng)的建設方案，以推進風電場智能化水平的進一步提升。

1 智慧風電場概述

智慧風電場是一種利用先進技術和智能系統(tǒng)來提高風電場運營效率，降低成本，優(yōu)化能源產(chǎn)量的風電發(fā)電系統(tǒng)。其整合了現(xiàn)代信息技術、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術，以實現(xiàn)對風電場各方面的實時監(jiān)控、優(yōu)化管理和預測性維護。

智慧風電場具有以下基本特征。

（1）學習性。智慧風電場可通過持續(xù)的數(shù)據(jù)收集和分析，不斷優(yōu)化運行策略，提高發(fā)電效率和可靠性。

（2）成長性。智慧風電場具有良好的擴展性，可根據(jù)需要，靈活地增加風機數(shù)量，適應不同規(guī)模的電力需求。

（3）開放性。智慧風電場采用先進的信息技術，通常具有開放的系統(tǒng)架構，可與其他智能系統(tǒng)、電力網(wǎng)絡等互相連接，實現(xiàn)信息共享和資源整合。

（4）異構性。智慧風電場通常由多個不同型號、不同規(guī)格的風機組成，這些風機可能來自不同的制造商，系統(tǒng)需要具備處理這種異構性的能力。

（5）友好性。智慧風電場利用可再生風能資源，可減少對傳統(tǒng)化石能源的依賴，從而降低環(huán)境負荷，減緩氣候變化。

這些特征使得智慧風電場成為一種高度智能化、靈活可控、可持續(xù)發(fā)展的清潔能源解決方案，對于推動清潔能源轉(zhuǎn)型和提升電力系統(tǒng)的智能化水平起到了積極的推動作用。

2 智慧風電場體系架構

2.1 智慧風電場的生產(chǎn)管理維度

（1）風機級。具有自我調(diào)節(jié)、自我保護，對重大故障直接反應等基本功能的智能風機。

（2）場站級?；跉庀髷?shù)據(jù)和風場拓撲，對風電場的布局進行優(yōu)化，最大程度利用風資源。對整個風電場進行實時監(jiān)控，及時調(diào)度風機運行狀態(tài)，以保證場站的整體穩(wěn)定性和高效性。

（3）集控級。集中監(jiān)控和調(diào)度所有場站，協(xié)調(diào)風電場間的運行，保障整個風電項目的高效穩(wěn)定運行。對從各場站收集的數(shù)據(jù)進行綜合分析，為決策者提供可靠的參考和建議，以優(yōu)化運營策略。

（4）集團化管控級。其主要任務是實現(xiàn)風電場的智慧發(fā)展，要求持續(xù)學習、持續(xù)優(yōu)化，分類指導風電智慧化發(fā)展。

2.2 智慧風電場的信息系統(tǒng)維度

智慧風電場的信息系統(tǒng)維度分為基礎設施級（硬件基礎）、支撐平臺級（軟件基礎架構）、應用平臺級（建設目標的各類應用）3個部分。

（1）基礎設施級。這一層次包括了構成智慧風電系統(tǒng)基礎的硬件設施，包括風力發(fā)電機、變流器、傳感器、控制器、通信設備等。這些組件共同構成了一個完整的物理基礎，為系統(tǒng)的運行提供支持。

（2）支撐平臺級。這一層次涵蓋了在硬件基礎上運行的軟件基礎架構，包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡架構、通信協(xié)議等。支撐平臺級的軟件提供了對硬件的管理、控制和數(shù)據(jù)處理功能。

（3）應用平臺級。這一層次是智慧風電系統(tǒng)中的最高級別，涵蓋了各種用于實現(xiàn)具體功能和目標的應用程序，包括數(shù)據(jù)分析、故障檢測、性能優(yōu)化、遠程監(jiān)控等各類應用。

總之，智慧風電系統(tǒng)的架構采用高效融合計算、存儲和網(wǎng)絡技術，基于多元異構計算構建，形成了一個結合邊緣計算和云端計算的智能架構。不同層次的計算能力和側重點各異，不同層次的體系結構引入了不同的計算能力，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的高效、實時處理，從而使風電系統(tǒng)在各層級上都能實現(xiàn)智能化。

3 智慧風電場遠距離控制與運維管理關鍵技術

隨著風電場建設規(guī)模的不斷擴大，傳統(tǒng)的現(xiàn)場巡檢和維護方式已無法滿足日益增長的需求。智慧風電場遠距離控制技術的應用，使得運維管理人員可在辦公室，甚至在數(shù)百甚至數(shù)千公里外，通過網(wǎng)絡遠程訪問風電場的所有設備，實時獲取各項關鍵數(shù)據(jù)。智慧風電場遠距離控制技術，融合了先進的信息技術、通信技術及人工智能等多種高新技術，實現(xiàn)了對風電場的遠程監(jiān)控、實時調(diào)度和故障診斷。

3.1 數(shù)據(jù)采集技術

精準地采集風機數(shù)據(jù)對于評估風機和整個風電場的性能、運行狀況、發(fā)電量預測等方面具有重要的作用。然而，通常情況下風電場在單位時間內(nèi)需要采集的數(shù)據(jù)量十分龐大，數(shù)據(jù)種類呈多樣化，因此在數(shù)據(jù)質(zhì)量方面難以得到有效保證。目前，絕大多數(shù)風電企業(yè)在數(shù)據(jù)采集工作方面面臨著成本高、安全性低、標準不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)獲取不全面等問題，對數(shù)據(jù)采集工作造成了極大的挑戰(zhàn)。

為解決此類問題，并為后續(xù)場站、區(qū)域集中管控、總部生產(chǎn)調(diào)度等信息建設提供可靠的數(shù)據(jù)來源，迫切需要開展標準化、精準化的風電機組數(shù)據(jù)采集技術工作。其中，風機數(shù)據(jù)直接采集作為一種能夠屏蔽不同機型差異的數(shù)據(jù)采集技術，為風電機組數(shù)據(jù)采集工作帶來了新的機遇，其主要涉及數(shù)據(jù)的主動采集、通信規(guī)約的解析、數(shù)據(jù)標準化輸出及風機狀態(tài)的精準識別等多項關鍵技術。

3.2 智能優(yōu)化控制技術

風電場智能優(yōu)化控制技術可增強風電對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的支持能力，是保障智慧風電系統(tǒng)穩(wěn)定、靈活運行的關鍵。建立一個統(tǒng)一的能量管理平臺，并適用于多種型號的風力發(fā)電機組，可保障風電機組的穩(wěn)定運行，進而獲得最大的風能利用率，保證供電可靠性，實現(xiàn)對整個風電場場群的優(yōu)化控制。同時，還可探索先進的儲能技術，實現(xiàn)電力的調(diào)峰和調(diào)頻，靈活控制并網(wǎng)電量，減小電網(wǎng)的波動，并研究無功功率控制方法，在風機允許的范圍內(nèi)，全面響應調(diào)度對無功功率控制的要求。

3.3 網(wǎng)絡通信技術

通信系統(tǒng)需要實現(xiàn)對風機內(nèi)部、就地監(jiān)控、中央監(jiān)控和遠程監(jiān)控間的數(shù)據(jù)傳輸和指令傳遞。然而，現(xiàn)有的有線通信網(wǎng)絡難以滿足對風電場監(jiān)控系統(tǒng)和通信系統(tǒng)可靠性和安全性的要求。應針對不同風機廠家的通信規(guī)約差異，制訂統(tǒng)一的通信傳輸技術標準。隨著風電場容量的不斷加大，亟需研發(fā)先進的網(wǎng)絡通信技術，同時，考慮到有線介質(zhì)可能會遇到不可控因素遭到破壞，因此應盡可能采用無線通信技術，提升其靈活性。

3.4 多源異構數(shù)據(jù)融合技術

風電機組配備了不同類型及規(guī)格的傳感器，如振動傳感器、紅外傳感器、視頻傳感器及溫度濕度傳感器等。這些不同類型的傳感器節(jié)點產(chǎn)生的風電數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出多維度、異構性。如何有效地將這些來自不同源頭、具有實時要求的時間序列數(shù)據(jù)進行融合處理，以保證運行系統(tǒng)能夠快速、準確地做出決策與控制，是目前面臨的一個重要問題。

多源異構數(shù)據(jù)融合技術，可在不同階段和目標下采取相應的融合策略。其核心問題在于選擇合適的數(shù)據(jù)融合算法，而不同層次的融合策略研究為后期智慧風電系統(tǒng)的決策分析提供了數(shù)據(jù)質(zhì)量的保證。

3.5 系統(tǒng)架構信息安全技術

智慧風電系統(tǒng)由于技術復雜，并屬于全開放交互的架構，因此在建設方面極易出現(xiàn)漏洞，給智慧風電系統(tǒng)的安全防護工作帶來了巨大挑戰(zhàn)。智慧風電體系架構的安全防護需要滿足多層次的保護要求，并具有靈活性強、功能易擴展等特征，因此，需要融合邊緣計算、云計算等多種異構計算體系的智慧風電體系架構，為數(shù)據(jù)安全管理等方面提供強有力的技術支持。

3.6 智能傳感技術

風電機組、升壓站及測風塔上安裝的傳感器節(jié)點，通過有線或無線方式形成了一個傳感器網(wǎng)絡，能夠全面實時地感知、監(jiān)測并收集覆蓋區(qū)域內(nèi)的各類設備及環(huán)境等數(shù)據(jù)信息，并將這些數(shù)據(jù)實時傳輸至控制中心，進而減小設備故障率，降低維修成本，保障設備安全。智能傳感器技術是實現(xiàn)智慧風電精準感知的基礎硬件保障，因此，智慧風電場建設過程中，應加強智能傳感器的設計、傳感器節(jié)點的布設及能量優(yōu)化策略，保證傳感器網(wǎng)絡高效準確運行。

4 風電場智慧型一體化監(jiān)控系統(tǒng)的建設方案

智慧型一體化監(jiān)控管理系統(tǒng)，涵蓋了設備狀態(tài)全面感知、無人機器巡視巡檢、設備缺陷主動預警、遠程操作一鍵順控、主輔設備智能聯(lián)動、人員設備智能管控、行為決策智慧輔助等技術特征，可實現(xiàn)對全場的遠程實時全景智能化監(jiān)控，并進行各類數(shù)據(jù)的集中化管理，實現(xiàn)無人值守、少人集控的智慧化運維管理新模式。

4.1 系統(tǒng)基本情況

建設智慧型一體化監(jiān)控管理平臺，應采用統(tǒng)一的標準化接口，實現(xiàn)每個子系統(tǒng)的無縫融合，進而實現(xiàn)風電場統(tǒng)一的運行控制和管理維護。通訊接口要具備安全性、實時性、可靠性、易維護性等要求，系統(tǒng)平臺基于網(wǎng)絡通訊和IEC 61850標準。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對風電場設備、人員、物資的綜合監(jiān)視與管理，以及設備狀態(tài)性能實時評估、故障實時預警、故障智能診斷及分析等功能的深度集成，有助于風電場更加及時準確掌握風機的健康狀態(tài)。

4.2 系統(tǒng)架構

（1）數(shù)據(jù)采集層。負責實時采集風電場各種設備的運行數(shù)據(jù)，如風力機組的發(fā)電量、溫度、風速等信息。

（2）數(shù)據(jù)傳輸層。將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴蠈拥臄?shù)據(jù)處理和管理層，通常采用各種通訊協(xié)議和技術。

（3）數(shù)據(jù)處理和管理層。對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行處理、分析、存儲和管理，包括對風電場運行狀態(tài)的實時監(jiān)控和歷史數(shù)據(jù)的存儲。

（4）應用層。提供了各種功能模塊，用于實現(xiàn)對風電場的運維管理、數(shù)據(jù)分析、報警處理等功能。

（5）用戶界面層。提供了直觀的用戶界面，使運維人員能夠方便地使用系統(tǒng)進行監(jiān)控和管理。

4.3 功能模塊

（1）實時監(jiān)控模塊。實時監(jiān)控風電場各設備的運行狀態(tài)，包括發(fā)電量、溫度、轉(zhuǎn)速等指標。

（2）故障診斷模塊。通過分析傳感器數(shù)據(jù)和設備狀態(tài)，能夠自動識別可能存在的故障，并提供相應的處理建議。

（3）運維管理模塊。用于計劃、跟蹤和記錄維護活動，包括預防性維護和突發(fā)性維修。

（4）數(shù)據(jù)分析模塊：對歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析，提供報表和圖表，用于優(yōu)化風電場的運行策略。

（5）報警管理模塊。監(jiān)控系統(tǒng)的警報，及時通知運維人員，幫助他們快速響應問題。

（6）遠程控制模塊。允許遠程對風電場設備進行控制和調(diào)整。

（7）能效評估模塊。評估風電場的能源利用效率，提供優(yōu)化建議。

4.4 安全分區(qū)

一體化系統(tǒng)可分為安全1、2、3、4區(qū)。安全區(qū)1對風電機組、AGC/AVC 等子系統(tǒng)進行實時智能化監(jiān)控；安全2區(qū)對功率預測、狀態(tài)在線監(jiān)測及安防、門禁等子系統(tǒng)進行非實時智能化監(jiān)控；安全3區(qū)為智慧化管理區(qū)；安全4區(qū)為機器人、無人機巡檢等子系統(tǒng)區(qū)。其中，各安全區(qū)間采用防火墻進行安全隔離，橫向通過隔離裝置，縱向通過加密認證進行隔離。

5 結束語

智慧風電是一個復雜的系統(tǒng)工程，智慧風電場技術的發(fā)展成為了解決可再生能源管理和利用的重要途徑。遠距離控制與運維管理技術是實現(xiàn)智慧風電場的關鍵。未來還應進一步融合5G 技術、大數(shù)據(jù)技術、信息技術等，推動智慧風電建設質(zhì)量的進一步提升，進而推動整個風電行業(yè)的發(fā)展，提升風電行業(yè)的競爭優(yōu)勢。