風電場智慧運維管理淺談

張艷鋒，田震，楊海濤，陳海濱，王明明

（華潤電力北方大區新能源運維公司，山西 太原 030000）

“物移云大智”時代讓互聯網與產業深度融合，智慧風電場也是如此，智慧風電場是融入電力信息化發展步伐，利用現代化的新技術，將人的智慧傳遞到傳統的發電設施上，采用智能設計、集中監控、集中運維，提高設備運行效率，構建以數字化交互為基礎的智慧風電場。智慧風電場將真正實現風電場的智能控制及智慧發電，以實現發電收益最大化為目標，運維過程中通過有效數據采集，科學的模型建立、算法優化，不斷的提高風機設備整體可利用率和風電場發電效益。

智慧風電場運行系統主要包括智慧風機、智慧變電站及相關系統組成的智慧風電系統、區域集控系統、集團大數據分析系統。

1 智能風機技術介紹

1.1 自適應控制策略

風電機組通過大量傳感器及算法具備自適應控制策略，對機組關鍵部件監測更為充分?？梢酝ㄟ^控制系統優化風電機組在運行過程中的出力情況，包括以下內容：

（1）偏航自適應。風電機組能夠通過自身控制算法，精確控制偏航對風，減少風能損失，預知感風，同時能夠滿足機組自身載荷要求。

（2）變槳自適應。風電機組能夠通過控制算法，實現槳距角的自動尋優。

（3）運行環境自適應。根據外部運行環境（風況、氣候、機組運行狀態等）的變化，通過控制算法，實現功率輸出的自動尋優。

（4）設備健康度自檢測。將傳統的基于傳感器的診斷，轉變為基于智能系統的預測。在進行數據采集之后，對風機的硬件、軟件和功能模塊算法等方面進行診斷。

1.2 開放的通訊協議

風電機組數據采集的開放性、并有開放的通訊協議，使中央監控系統可以直接與風電機組通訊，實現單臺風機和整個風電場在正?；蚓o急情況下終止運行、單臺風機和整個風電場恢復運行、控制參數的修改、風機所有運行參數的采集。

1.3 其他智能系統

（1）智慧預警系統。智慧風機構建故障預警系統，采用機器學習、智能算法處理和分析分鐘級、秒級風機事件和傳感數據，并將預警數據發送給現場人員，通過提前更換將要損壞的部件，避免小故障演變為更嚴重故障的發生。

（2）故障診斷專家系統。通過掌握設備過去和現在的運行狀態，在動態工況下，利用設備運行中產生的信息，自搜索歷史匹配故障信息，通過專家自積累、自分析，給出故障診斷信息，并指導給出處理方法與步驟。

（3）智能場群控制。通過先進的場群控制可以使風電場整體實現最優發電，場級機組故障容錯。根據現場條件及運行數據分析建立單臺風機的控制尋優策略，根據不同風機的產出與載荷情況，建立風電場級尋優策略、限電分解、場級尾流尋優控制、預測性尋優控制。

1.4 完善的故障穿越系統

風電機組完善的故障穿越系統，包括低電壓穿越、高電壓穿越、有功調頻及無功調壓等功能。

2 打造智慧變電站

2.1 總體設計

智能變電站自動化系統是運行、保護和監視變電站一次設備的系統，完成變電站的設備及其饋線監視、控制、保護等功能。智能變電站自動化系統采用開放式分層分布結構，由“三層兩網”構成，其中“三層”指站控層、間隔層、過程層；“兩網”指站控層/間隔層網絡、過程層網絡。

圖1 智能變電站系統架構示意圖

2.2 系統架構

智能變電站采用合并單元和智能終端進行就地數據采集與控制，采用光纜代替大量的電纜，取消了傳統電流互感器/電壓互感器的大功率輸入回路，避免電纜帶來的電磁兼容、傳輸過電壓和兩點接地等問題。從根本上解決抗干擾問題，提高傳輸可靠性，如圖1 所示。

2.3 智慧變電站的意義

（1）智慧變電站。智能變電站對電網運行信息和設備狀態信息進行分層分類，利用智能告警和遠程瀏覽技術，實現對信息的按需訪問，減輕了信息處理的壓力，提高了信息的使用效率，實現了在數據模型和圖形的人工維護，確保了同一處在模型出現的同步性、一致性，達到了在一處維護，主站可以直接應用的目標。

（2）統一的功能和接口規范、通信標準。智能變電站信息的采集和表達遵循IEC61850 標準，實現了信息的標準化規范化。智能變電站采用在一處采集，全站共享的信息共享機制，為各種應用提供模型，以及統一的通信標準，形成縱向貫通，橫向互通的變電站。全景數據平臺為各種應用提供統一的接口，實現信息交互和信息共享，體現了信息的完備性特征，實現了信息的標準化，信息的唯一性。

圖2 集控中心網絡拓撲圖

3 建立區域集中監控中心

3.1 網絡層建設

風電場遠程集控中心計算機監控系統采用開放分層分布式系統結構，可分為生產信息查詢層、控制層、非控制層和接入層，相應的集控中心監控系統也由四個局域網組成，分別是：生產控制網（安全I 區）、生產非控制網（安全II 區）、管理信息大區（安全III 區）和接入網（安全IV 區）。集控中心可以實時采集四個不同安全分區的數據，通過統一的網絡通信程序和運行控制模式，實現集控中心主控級對各個風電場的實時監控功能，網絡拓撲圖如圖2 所示。

集控中心系統通過專線網絡與下轄的風電場相連，與各個風電場內的通信子站進行通訊，實現對所接場站可靠、合理、完善的監視、測量和控制。實時采集各子站模擬量、狀態量、電能量、繼電保護、自動裝置信息以及風機監控、能量管理平臺等的相關數據。

風電場各子站配置風電場智能通信網關機，實現采集風電場內升壓站、電能計量、風機、功率預測、AGC/AVC 等子系統的數據，將數據進行處理后傳輸至集控中心。風電場專用通信網關裝置可用于直接接入風場已有的遠動系統、風機監控系統及其它子系統，對下支持接入風場常用通訊規約，對上支持轉發至上級集控中心。

3.2 遠控智能巡檢系統

遠程可視巡檢系統即可以實時、遠程規范施工作業人員的工作，通過GPS 定位路線，可以規劃巡檢路徑，擴充機器人巡檢、無人機巡航等工作。

4 集團層面大數據分析

對風電場安全I/II 區的數據進行直采，如圖3 所示，為后續進行數據分析提供了基礎，整個平臺涉及到的多個不同系統的數據流的打通，實現多系統數據之間的相互調用，實時分析，實現數字化平臺對風電場的信息管理和決策支持、專家診斷和智能運維等功能，為智能風機和智能發配電設備提供人的智慧，為實現智慧運維奠定基礎。

5 結語

智慧風電場傳感器數量多、功能強，需要處理數據量大，將海量數據傳送到云端，利用大數據進行海量數據分析計算，并定期推送數據分析報告，完成設備在線數據分析預警、形成風機大數據分析中心，實現對設備的狀態檢修和壽命管理。整合區域內部調度業務，采用電網調度專線，將以調度管轄區域風電場調度業務統一管理，形成區域調度業務處理中心，高效完成調度實時管理業務。以地理交通條件為管理維護單元，將地理區域較近的風電場現場檢修力量進行整合，完成現場的設備維護工作，建設專業化的設備維護隊伍。最終形成“集團層面負責數據分析、設備預警、戰略管控；調度區域層面集中監控、集中管理、生產策劃；地理區域層面設備檢修、集中維護、集中實施；生產現場少人值守”的生產局面。

圖3 風機遠程實時監控系統及無線傳輸系統

在風電業務的快速發展擴張形勢下，探索和構建新型運維體系是公司風電運營業務由快速擴張的外延式發展到提高管理能力的內涵式增長轉型的必經之路，也是推動風電發展的管理創新。它用集中監控、少人值守，闡述著集約、簡成；它用區域檢修、快速響應，詮釋著技優、高效；它用統一管理、資源優化，書寫著平衡、共贏。