基于大數(shù)據(jù)的風(fēng)電場風(fēng)能資源及風(fēng)機選型評估

梁旭東

摘 要：目前電力產(chǎn)能過剩及競爭性配置開發(fā)等政策環(huán)境變化使得風(fēng)電產(chǎn)業(yè)市場化競爭越演越烈，加快優(yōu)質(zhì)項目開發(fā)和資源儲備力度、科學(xué)優(yōu)化設(shè)計、提高風(fēng)電項目開發(fā)建設(shè)質(zhì)量，以實現(xiàn)企業(yè)降本增效綜合效益最大化，將成為風(fēng)電企業(yè)追求的重要目標(biāo)。要想完整這一轉(zhuǎn)型和升級，在前期階段采用大數(shù)據(jù)技術(shù)對風(fēng)能資源進行評估是一個主要的發(fā)展趨勢。本文采用大數(shù)據(jù)的方法對風(fēng)電場風(fēng)能資源及利用情況進行評估，同時提出了一些針對性的建議措施，以期為今后風(fēng)電項目的開發(fā)提供必要的參考。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；風(fēng)電場；風(fēng)能資源；風(fēng)機選型

中圖分類號：TM614 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）05-0179-02

0 引言

2018年5月，國家能源局印發(fā)《國家能源局關(guān)于2018年度風(fēng)電建設(shè)管理有關(guān)要求的通知》，明確自文件印發(fā)之日起，新增集中式陸上風(fēng)電項目和未確定投資主體的海上風(fēng)電項目全部通過競爭方式配置和確定上網(wǎng)電價。相比傳統(tǒng)風(fēng)電開發(fā)模式，競價模式下的項目開發(fā)核心是投標(biāo)電價，較低的上網(wǎng)電價意味著未來風(fēng)電項目投資收益將進一步受到擠壓。因此在前期階段采用大數(shù)據(jù)技術(shù)對規(guī)劃風(fēng)場的風(fēng)能資源進行精準(zhǔn)評估、風(fēng)電機組的優(yōu)化選型及其相關(guān)成本降低是一個發(fā)展趨勢，能夠有效減少前期立塔測風(fēng)的時間要求，提高工作效率。

1 風(fēng)電行業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

根據(jù)研究機構(gòu)Gartner給出的定義，大數(shù)據(jù)是需要新處理模式才能具有更強的決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力的海量、高增長率和多樣化的信息資產(chǎn)。大數(shù)據(jù)的整合利用是一個系統(tǒng)工程，需要從數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)資產(chǎn)化和大數(shù)據(jù)應(yīng)用創(chuàng)新等不同層面同步推進。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸拓寬，并應(yīng)用到風(fēng)電行業(yè)中。電力企業(yè)的數(shù)據(jù)資源非常豐富，在風(fēng)電行業(yè)中體現(xiàn)的更加明顯。準(zhǔn)確的場址風(fēng)能資源評估、適宜場址的最優(yōu)化風(fēng)機選型方案、準(zhǔn)確的風(fēng)功率預(yù)報均是智慧風(fēng)電的關(guān)鍵技術(shù)。

現(xiàn)階段，風(fēng)電行業(yè)內(nèi)眾多的設(shè)計院、設(shè)備廠家、風(fēng)力發(fā)電企業(yè)中大多已開始應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)。例如：中國能建廣東設(shè)計院在2017年11月28日設(shè)立了廣東省海上風(fēng)電大數(shù)據(jù)中心；國家電網(wǎng)（SGCC）下屬的冀北電力有限公司（SG-JBEPC），正在使用基于IBM公司研發(fā)的高精度天氣預(yù)報模型和高性能計算平臺（HyRef）來整合所在電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的可再生能源。遠景能源作為發(fā)布了基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的集控X.0，能夠?qū)庀笳`差減少到2m/s以下，高于行業(yè)平均水平。中國大唐集團著力建設(shè)基于標(biāo)準(zhǔn)化直采和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的新能源大數(shù)據(jù)云平臺，并成功入選國家工信部2018年制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展試點示范項目等等。

目前各企業(yè)的大數(shù)據(jù)平臺存在以下問題。

（1）風(fēng)電行業(yè)在數(shù)據(jù)公開、數(shù)據(jù)共享等方面缺乏國家層面的標(biāo)準(zhǔn)和政策指導(dǎo)，在各個單位之間甚至單位內(nèi)部不同部門間，由于數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化不同，導(dǎo)致數(shù)據(jù)共享難度較大，并且缺乏結(jié)合海量數(shù)據(jù)和實際需求的深度分析服務(wù)，使用者多為具有一定數(shù)據(jù)分析能力的專業(yè)人士，導(dǎo)致平臺使用門檻較高。（2）企業(yè)大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)滯后。當(dāng)前風(fēng)電行業(yè)內(nèi)很多企業(yè)沒有建立比較完善的大數(shù)據(jù)平臺，缺乏對大數(shù)據(jù)平臺足夠的認識，而且信息技術(shù)水平也比較薄弱，無論是硬件建設(shè)還是軟件建設(shè)，都無法對大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用的有效支撐，導(dǎo)致大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用缺乏有效性，另外，能夠熟練應(yīng)用信息化技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算技術(shù)的人才相對較少，制約了大數(shù)據(jù)技術(shù)在企業(yè)發(fā)展中的有效應(yīng)用。

2 基于大數(shù)據(jù)的風(fēng)電場風(fēng)能資源及風(fēng)機選型評估模型

2.1 模型假設(shè)

（1）假設(shè)風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)的空氣是均勻分布的，且空氣密度不受外界因素影響。（2）各機型功率除受切入風(fēng)速、切出風(fēng)速、額定風(fēng)速和額定功率以外，不受其他參數(shù)影響。（3）忽略極端天氣和海拔對風(fēng)力發(fā)電機組的影響。

2.2 風(fēng)能資源及風(fēng)機選型評估

通過分析風(fēng)場原始測風(fēng)數(shù)據(jù)，構(gòu)建指標(biāo)體系對風(fēng)能資源利用情況及風(fēng)機選型適應(yīng)性進行評估，再結(jié)合實際運行情況進行佐證。

（1）數(shù)據(jù)檢查與預(yù)處理。數(shù)據(jù)驗證的檢驗項目及檢驗標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)、氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及類似風(fēng)電場風(fēng)能資源評估工作實踐經(jīng)驗來確定。（2）風(fēng)能資源評估指標(biāo)體系。依據(jù)國家發(fā)改委發(fā)布的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，選取空氣密度，平均風(fēng)速，風(fēng)功率密度，風(fēng)速頻率，風(fēng)能密度，湍流強度，切變指數(shù)，Weibull分布等構(gòu)成指標(biāo)體系對風(fēng)能資源進行評估；如果有風(fēng)場實際運行數(shù)據(jù)，則可以增加風(fēng)力發(fā)電機滿載負荷總發(fā)電量，風(fēng)力發(fā)電機實際發(fā)電量，利用效能比，有效風(fēng)時比等參數(shù)對風(fēng)能資源利用情況進行評估。

2.3 風(fēng)機選型評估

風(fēng)機選型評估時，可采用以下兩種方法對目前市場上最新風(fēng)機技術(shù)進行比選。

2.3.1 定性分析方法

為了使風(fēng)能資源利用效能最高，我們要求風(fēng)機的切入風(fēng)速與額定風(fēng)速越小越好，額定功率越大越好。通過對比各機型的切入風(fēng)速、額定風(fēng)速，并將功率折算成標(biāo)幺值后，在場址風(fēng)能較為集中的風(fēng)速段中，能夠比較出輸出功率最優(yōu)及最差的機型。在僅考慮最大化利用場址風(fēng)能資源的情況下，輸出功率最優(yōu)的機型最適合，可通過編程實現(xiàn)分析與計算過程。

2.3.2 定量分析方法

（1）線性插值法。即將逐條的實測風(fēng)速放到功率曲線中，選擇該風(fēng)速所屬的風(fēng)速段區(qū)間，對其上下邊界的電功率采用線性插值的方法直接算出風(fēng)速對應(yīng)功率，再累加逐條功率值得到單機年發(fā)電量值。（2）多項式擬合法。即將功率曲線從切入風(fēng)速至額定風(fēng)速區(qū)間內(nèi)的功率值取出，繪制對應(yīng)的線性曲線，通過多項式方程對曲線進行擬合，并提取出多項式公式，采用將逐條實測風(fēng)速數(shù)據(jù)代入多項式的方式得到對應(yīng)功率，通過累加逐條功率值得到單機年發(fā)電量值。（3）Weibull分布法。由于完整年風(fēng)速滿足雙參數(shù)Weibull分布，因此對該數(shù)據(jù)進行Weibull擬合，提取雙參數(shù)K、C值，計算各風(fēng)速段的分布概率，采用風(fēng)速段對應(yīng)功率與分布概率、年總小時數(shù)相乘得發(fā)電量，最后累加各風(fēng)速段發(fā)電量，得到單機年發(fā)電量值。

采用以上三種方案定量的對單機年理論發(fā)電量進行計算，采用平均值統(tǒng)計各機型的計算結(jié)果，一般與定性分析的結(jié)果較為一致。可通過兩種計算方式綜合對選擇的風(fēng)機機型進行比選，在不考慮造價的情況下，選出最優(yōu)機型。

3 基于大數(shù)據(jù)的風(fēng)電場未來發(fā)展的思考與建議

3.1 頂層設(shè)計，科學(xué)搭建大數(shù)據(jù)平臺

（1）開放式數(shù)據(jù)倉庫。數(shù)據(jù)是分析研究的基礎(chǔ)，風(fēng)電企業(yè)要制定數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)的存儲方式、結(jié)構(gòu)等技術(shù)要求，獨立建設(shè)開放的、自控的數(shù)據(jù)倉庫，為風(fēng)電企業(yè)技術(shù)人員和合作伙伴提供數(shù)據(jù)。（2）云計算管理模式。傳統(tǒng)的服務(wù)器管理模式是按功能管理，各服務(wù)器只承擔(dān)固定的計算任務(wù)，資源不能充分發(fā)揮。因此，在集控中心、集團總部生產(chǎn)調(diào)度中心建設(shè)時，要按照云管理架構(gòu)進行搭建，架構(gòu)內(nèi)的服務(wù)器不再進行功能分工，統(tǒng)一由主機指揮，進行集群式計算，提高計算能力。（3）分布式計算模式。風(fēng)電企業(yè)大數(shù)據(jù)平臺按三級搭建，從層次上看，越往上層數(shù)據(jù)量越大。因此，應(yīng)本著“底層優(yōu)先”的原則，分層明晰各層計算界面，最大程度的減少上層計算和重復(fù)計算，減少平臺負荷。

3.2 底層突破，統(tǒng)一數(shù)據(jù)判斷和計算標(biāo)準(zhǔn)

（1）完善數(shù)據(jù)獲取標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)電企業(yè)要制定統(tǒng)一的風(fēng)電場信息化管理標(biāo)準(zhǔn)，明確風(fēng)電機組和升壓站的保護及自動化裝置的設(shè)備網(wǎng)口數(shù)量、計量點位置及精度、測控裝置配置、通訊網(wǎng)絡(luò)要求等設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，明確設(shè)備廠家應(yīng)提供的數(shù)據(jù)點數(shù)和接口軟件。（2）開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化軟件。應(yīng)在風(fēng)電場開發(fā)通用的SCADA平臺，研究不同風(fēng)電機組、變流器的通訊協(xié)議、控制方式、狀態(tài)分類、判斷邏輯和計算方法，建立適用于多廠家、多機型的數(shù)據(jù)接口模塊，自動完成差異化輸入、標(biāo)準(zhǔn)化輸出。

3.3 科學(xué)組織、加快推進，深入挖掘大數(shù)據(jù)蘊藏價值

（1）集中預(yù)測。可將風(fēng)電場氣象信息、地理信息、測風(fēng)塔數(shù)據(jù)直接傳到區(qū)域分子公司或集團總部，在原有的溫度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速等參考變量的基礎(chǔ)上，增加同區(qū)域風(fēng)電場群差異化校正、同風(fēng)向關(guān)聯(lián)風(fēng)電場管道效應(yīng)校正等因素，提高功率預(yù)測的準(zhǔn)確性。（2）劣化分析。研究各部件異常運行工況與參數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如風(fēng)向儀不準(zhǔn)時，與機艙方向、風(fēng)速、功率的變化規(guī)律；葉片角度錯誤時，與風(fēng)速、負荷、振動、葉根載荷的變化規(guī)律，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備劣化趨勢，開展?fàn)顟B(tài)檢修維護。（3）智能控制。研究風(fēng)電機組各部件的控制策略，特別是定值式、周期式的簡單控制策略，重點進行分析研究，加入風(fēng)機運行狀態(tài)、參數(shù)識別技術(shù)，開發(fā)智能偏航、智能變槳、智能解纜、智能測試、智能加熱冷卻等控制技術(shù)，提高風(fēng)電機組可利用率和產(chǎn)能。（4）智能設(shè)計。包括基于客戶端-服務(wù)器架構(gòu)的協(xié)同工作模式；風(fēng)電場微尺度CFD 高性能計算；風(fēng)電場設(shè)計自動優(yōu)化等。

參考文獻

[1] 裴愛國，何登富.海上風(fēng)電大數(shù)據(jù)發(fā)展研究——以廣東省海上風(fēng)電大數(shù)據(jù)中心建設(shè)為例[J].南方能源建設(shè)，2018，5（02）：19-23.

[2] 李佳，徐勝超.基于云計算的智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)處理平臺[J].計算機工程與設(shè)計，2018，39（10）：3073-3079.