海上風(fēng)電場智慧數(shù)字化運維研究

陳勇

（國家電投集團江蘇海上風(fēng)力發(fā)電有限公司，江蘇 鹽城 224500）

海上風(fēng)電場是我們未來可持續(xù)能源發(fā)展的重要方向之一，然而當(dāng)前，其仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。比如，過度依賴人力資源，信息化、數(shù)字化以及智慧化的實踐程度都不夠高。尤其是在數(shù)據(jù)管理方面，存在數(shù)據(jù)孤島的問題，高頻信息錄入負(fù)擔(dān)繁重，系統(tǒng)數(shù)量分散，使得數(shù)據(jù)的價值沒有得到充分挖掘。面對這些問題，需要通過智慧數(shù)字化建設(shè)，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)科學(xué)，更好地處理和管理風(fēng)場的數(shù)據(jù)。這包括一體化協(xié)同采集風(fēng)場的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，以及實現(xiàn)設(shè)備全生命周期數(shù)據(jù)的跨業(yè)務(wù)共享。這樣可以使運檢業(yè)務(wù)的全過程網(wǎng)絡(luò)化和透明化，大大提高作業(yè)效率。數(shù)據(jù)的透明化管理不僅能幫助我們更準(zhǔn)確地評估業(yè)務(wù)量，同時也能改善業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)效率。這些數(shù)據(jù)可以為生產(chǎn)計劃、技改計劃、維保計劃和采購計劃的制定提供重要支持，使這些計劃更符合實際情況，減少資源浪費。

1 海上風(fēng)電場網(wǎng)絡(luò)部署及網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計

1.1 海上風(fēng)電場網(wǎng)絡(luò)部署

分區(qū)接入設(shè)備在整體網(wǎng)絡(luò)安全中起到了極其重要的作用。不同的分區(qū)設(shè)備必須嚴(yán)格遵守對應(yīng)分區(qū)的安全要求，確保整個系統(tǒng)的安全性。為了滿足這些要求，所有的配置必須在遵循總體的安全防護(hù)原則的基礎(chǔ)上，兼顧項目的實際情況。為了進(jìn)一步保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，我們采用了防火墻設(shè)備來保護(hù)我們的核心系統(tǒng)。在構(gòu)建安全網(wǎng)絡(luò)的過程中，安全Ⅰ區(qū)與安全Ⅱ區(qū)的分離尤為關(guān)鍵。我們使用符合安全防護(hù)要求的產(chǎn)品來實現(xiàn)這兩個區(qū)域的邏輯隔離，以確保各自的數(shù)據(jù)和操作不會被其他區(qū)域的設(shè)備訪問或干擾。同時，我們還強調(diào)網(wǎng)絡(luò)的獨立性和隔離性。各區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是獨立的，任何沒有數(shù)據(jù)通訊需求的子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)都應(yīng)嚴(yán)格禁止互訪。這同樣適用于生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)、辦公網(wǎng)絡(luò)和生活網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)應(yīng)獨立組網(wǎng)，彼此之間不能相互串聯(lián)。為了進(jìn)一步增強安全性，在生產(chǎn)控制大區(qū)與管理信息大區(qū)之間設(shè)置了電力專用橫向單向安全隔離裝置。這個裝置的隔離強度應(yīng)該接近或達(dá)到物理隔離的效果，確保這兩大區(qū)間的信息不能互相泄露。不同安全區(qū)域的系統(tǒng)必須使用不同的網(wǎng)絡(luò)交換機設(shè)備。這既是出于安全防護(hù)的需要，也是考慮到了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運行效率的需求。

1.2 網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計

互聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò)面臨著來自網(wǎng)內(nèi)和網(wǎng)外的多元化安全威脅。其中，網(wǎng)內(nèi)的安全威脅尤為嚴(yán)重，如內(nèi)部攻擊等，這些往往是最難以防范和檢測的。網(wǎng)絡(luò)攻擊手段多種多樣，包括網(wǎng)絡(luò)黑客攻擊、計算機病毒的傳播以及拒絕服務(wù)攻擊等。在處理這些網(wǎng)絡(luò)安全威脅時，我們必須保持高度警惕，并且積極尋找有效的解決方案。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，我們需要對不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行安全等級劃分，并采取相應(yīng)等級的防范措施。如在安全Ⅳ區(qū)、辦公區(qū)、生活區(qū)以及風(fēng)電場網(wǎng)絡(luò)等環(huán)境中，應(yīng)根據(jù)其各自的網(wǎng)絡(luò)安全等級，實施適合的防范措施。例如，對于Ⅰ/Ⅱ區(qū)網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)采取更嚴(yán)格的安全措施，而對于安全Ⅲ/Ⅳ區(qū)網(wǎng)絡(luò)，可以根據(jù)實際情況適當(dāng)降低防范級別，這種方式被稱為分級防范。風(fēng)電場網(wǎng)絡(luò)安全尤其重要，因為任何小的安全破綻都可能導(dǎo)致整個風(fēng)電系統(tǒng)的停擺，給電網(wǎng)安全帶來嚴(yán)重威脅。因此，風(fēng)電場網(wǎng)絡(luò)安全也必須劃入高級別的安全等級，采取嚴(yán)格的防范措施。

2 打破數(shù)據(jù)孤島，盤活數(shù)據(jù)資產(chǎn)

2.1 數(shù)據(jù)采集

在實施智慧運維項目時，網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)有效性是兩個重要考慮因素。這涉及設(shè)計出精確的數(shù)據(jù)采集路徑，以從風(fēng)電場的各個子系統(tǒng)中獲取全面的數(shù)據(jù)源，同時確保網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)有效性。例如，我們需要收集來自風(fēng)機、升壓站/主變、測風(fēng)塔、AGC/AVC等設(shè)備的詳細(xì)工況類數(shù)據(jù)。

為了使數(shù)據(jù)采集計劃更全面，我們還需要搜集各種指標(biāo)類數(shù)據(jù)。這包括但不限于資源指標(biāo)、電量指標(biāo)、能耗指標(biāo)以及可靠性指標(biāo)。例如，資源指標(biāo)可能包括風(fēng)電場的總?cè)萘?，電量指?biāo)可能涉及實際發(fā)電量與理論發(fā)電量之比，能耗指標(biāo)可能包含各設(shè)備的能耗情況，而可靠性指標(biāo)則可能涉及設(shè)備的故障率、故障恢復(fù)時間等。

2.2 數(shù)據(jù)治理存儲及接口

為了實現(xiàn)高效且完整的數(shù)據(jù)治理，考慮不同來源和類型的數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)一致性和完整性。為了滿足這一需求，建立了一個分布式數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。這種系統(tǒng)不僅能處理大量數(shù)據(jù)，還能確保數(shù)據(jù)的安全和可靠性。根據(jù)場站的規(guī)模，為數(shù)據(jù)庫配置相應(yīng)的容量。數(shù)據(jù)存儲及轉(zhuǎn)發(fā)終端必須具備至少半年的數(shù)據(jù)存儲能力，以滿足長期數(shù)據(jù)處理和分析的需求。歷史數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存儲能力應(yīng)大于或等于1年，以備份和保留關(guān)鍵數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)，實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫將支持文件備份和恢復(fù)功能。同時，使用無損數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，以節(jié)省存儲空間并保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。系統(tǒng)接口設(shè)計方案將滿足運維管理系統(tǒng)的要求，滿足必要的數(shù)據(jù)推送需求，并具備與后續(xù)新增數(shù)字化系統(tǒng)對接的能力。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，在系統(tǒng)接口設(shè)計中包含數(shù)據(jù)檢查功能。此外，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?，設(shè)計了數(shù)據(jù)壓縮和解壓功能。進(jìn)一步實現(xiàn)數(shù)據(jù)完整性校驗功能，以確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性。

2.3 海上風(fēng)電場模型解析

在風(fēng)電場項目管理中，團隊采用了一種全新的模式，以提升工作效率并實現(xiàn)實時監(jiān)控。一開始，構(gòu)建了一個全局基礎(chǔ)模型，這個模型詳細(xì)描繪了所有設(shè)備和設(shè)施的位置、規(guī)格和功能。為了進(jìn)一步優(yōu)化和應(yīng)用這個模型，并進(jìn)行了一系列的操作，包括解析、重構(gòu)、數(shù)模分離和輕量化，最終形成了一個輕量化的BIM信息模型。在這個BIM信息模型中，采用了KKS編碼系統(tǒng)，使得靜態(tài)信息，如設(shè)備廠家信息、設(shè)備基礎(chǔ)資料等能夠被有效地關(guān)聯(lián)到模型上。這樣，無論何時需要查詢設(shè)備信息，只需在模型中進(jìn)行檢索，便能立即獲取到相關(guān)數(shù)據(jù)。然而，技術(shù)人員的工作并未就此停止，他們進(jìn)一步采用了項目的數(shù)據(jù)采集模塊，將實時數(shù)據(jù)與三維模型相掛鉤。這就意味著，風(fēng)電場的效益指標(biāo)、設(shè)備運行參數(shù)、告警數(shù)據(jù)等信息可以在三維模型中動態(tài)展示出來。無論是設(shè)備的運行狀況，還是風(fēng)電場的整體效益，都可以清晰地呈現(xiàn)在管理者的眼前，方便技術(shù)人員隨時掌握風(fēng)電場的運行狀態(tài)。

3 全局監(jiān)視系統(tǒng)，集中監(jiān)管

3.1 區(qū)域監(jiān)視

全局監(jiān)視系統(tǒng)為風(fēng)電場的全面運營和數(shù)據(jù)分析提供了強有力的支持。該系統(tǒng)可以追蹤風(fēng)電場中的每臺風(fēng)機，記錄其正常運行臺數(shù)、故障臺數(shù)和停機維護(hù)臺數(shù)，并提供實時反饋。這種實時監(jiān)控功能使運營商能在任何時候獲取風(fēng)電場的精準(zhǔn)運行狀態(tài)。此外，該系統(tǒng)還提供了各種核心運行參數(shù)的詳細(xì)信息，包括風(fēng)機的運行狀態(tài)、功率和風(fēng)速等關(guān)鍵信息。這些數(shù)據(jù)不僅反映了風(fēng)電場的當(dāng)前生產(chǎn)能力，而且可以幫助運營商預(yù)測未來的生產(chǎn)情況。更重要的是，該系統(tǒng)提供了關(guān)于功率、發(fā)電量和上網(wǎng)電量的詳細(xì)數(shù)據(jù)，這些是衡量風(fēng)電場生產(chǎn)效能的關(guān)鍵指標(biāo)。并通過與往年同期平均發(fā)電量和預(yù)期計劃的對比，計算出計劃完成率，從而實時評估風(fēng)電場的生產(chǎn)效率。系統(tǒng)通過計算風(fēng)電場的實際運行時間與總可能運行時間的比例，提供了可利用率這一關(guān)鍵指標(biāo)，從而幫助運營商更好地理解和優(yōu)化風(fēng)電場的運行時間利用率。為了使得數(shù)據(jù)更易理解和分析，系統(tǒng)還提供了曲線圖表，用以展示歷史和實時數(shù)據(jù)，使運營商能夠清晰地了解和對比生產(chǎn)水平。

3.2 場站監(jiān)視

海上風(fēng)電場的運行和管理是一項極其復(fù)雜的任務(wù)，它需要多個互相協(xié)同的系統(tǒng)共同工作，以確保整個電力生產(chǎn)過程的穩(wěn)定和安全。

首先，需要綜合自動化系統(tǒng)來自動控制和管理風(fēng)電場的運行。這個系統(tǒng)包括風(fēng)力發(fā)電機組和其他相關(guān)設(shè)備的自動化控制，可以有效提高運行效率和安全性。使用SVG/無功調(diào)節(jié)系統(tǒng)來平衡電網(wǎng)的功率，這有助于保持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。AGC/AVC系統(tǒng)則用于自動調(diào)整發(fā)電機的發(fā)電量和電壓，以適應(yīng)電網(wǎng)的變化需求。為了預(yù)測風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電量，技術(shù)人員需要風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)，這樣可以更好地管理電網(wǎng)負(fù)載和調(diào)度電力資源。這些系統(tǒng)都需要通過陸上站和海上站的電氣設(shè)備進(jìn)行連接和控制。消防系統(tǒng)是必不可少的一環(huán)，因為任何火災(zāi)都可能對風(fēng)電場造成嚴(yán)重破壞。場站監(jiān)視系統(tǒng)也十分重要，可以實時監(jiān)控風(fēng)電場各系統(tǒng)的全局和個體數(shù)據(jù)。風(fēng)電場還需要一個系統(tǒng)來記錄和分析遙測運行數(shù)據(jù)、遙信狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及歷史故障信息。這些數(shù)據(jù)可以幫助我們及時發(fā)現(xiàn)并解決問題，從而確保風(fēng)電場的正常運行。

4 海上風(fēng)電場數(shù)字化應(yīng)用

4.1 效能分析

在風(fēng)電場的運行管理中，能效指標(biāo)分析是關(guān)鍵的一環(huán)。技術(shù)人員從各種關(guān)鍵指標(biāo)入手，比如，資源電量、運行水平、可靠性以及風(fēng)機績效等，利用數(shù)據(jù)查詢和智能報表進(jìn)行深入統(tǒng)計分析。風(fēng)電場的各項指標(biāo)的分析可劃分為單一指標(biāo)分析和多指標(biāo)融合分析兩種方式。在單一指標(biāo)分析中，技術(shù)人員專注于單個風(fēng)電場或機組的具體指標(biāo)，比如，發(fā)電量、損失電量和設(shè)備可靠性等，這有助于技術(shù)人員對特定場地或設(shè)備的表現(xiàn)有更深入的了解。多指標(biāo)融合分析則側(cè)重于從多個角度全面評價風(fēng)電場和機組的綜合表現(xiàn)。同時，技術(shù)人員也將分析工作擴展到了風(fēng)場和機組級別。風(fēng)場級別的分析幫助技術(shù)人員了解不同風(fēng)場的總體表現(xiàn)，而機組級別的分析則能讓技術(shù)人員更具體地把握每個風(fēng)機的運行狀況。借助機組績效排名和風(fēng)場對比分析，技術(shù)人員可以找出表現(xiàn)優(yōu)異的標(biāo)桿風(fēng)機，并以此為參考，提高其他風(fēng)機的運行效率。技術(shù)人員使用的數(shù)據(jù)列表展示和數(shù)據(jù)圖形化展示工具，使得技術(shù)人員能更直觀地理解和比較各項指標(biāo)。折線圖、柱狀圖和堆積圖等圖形能展示時序分布，直方圖和玫瑰圖則能揭示頻次分布，而散點圖和色斑圖則可呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)的全局對比展示。

4.2 故障可視化

故障可視化分析作為一種先進(jìn)的技術(shù)手段，已經(jīng)在風(fēng)電機組的運維領(lǐng)域中發(fā)揮了重要作用。它可以解析和處理風(fēng)電機組故障相關(guān)的各類數(shù)據(jù)，包括機組故障文件、日志文件、SCADA文件等，這些文件中包含大量關(guān)于故障源的信息。運維人員通過對這些文件的解析，可以對故障源有更準(zhǔn)確的定位。然而，僅僅依靠解析各類文件，還無法實現(xiàn)對故障源的直觀理解。因此，故障可視化分析系統(tǒng)進(jìn)一步提供了參數(shù)自定義提取、參數(shù)組合以及時間序列重構(gòu)的功能。這使得運維人員可以將各種參數(shù)進(jìn)行有效組合，根據(jù)時間序列重構(gòu)，進(jìn)一步挖掘數(shù)據(jù)中隱藏的故障模式。故障可視化分析系統(tǒng)將這些融合的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化作圖，使得運維人員可以更直觀地理解和處理故障。這種技術(shù)提供了一個實用的工具，可以輔助運維人員定位故障源，從而有效提高了風(fēng)電機組的運行效率和穩(wěn)定性。

5 海上風(fēng)電智慧化數(shù)字化發(fā)展趨勢

（1）大數(shù)據(jù)和人工智能。這兩個技術(shù)在海上風(fēng)電中的應(yīng)用將越來越廣泛。通過收集和分析風(fēng)電場的運行數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)對設(shè)備的預(yù)測性維護(hù)和優(yōu)化調(diào)度，降低運營成本，提高能源利用率。人工智能算法可以用來預(yù)測風(fēng)力和電力產(chǎn)量，從而幫助電力公司更好地調(diào)配資源。（2）遠(yuǎn)程操作和維護(hù)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，工作人員可以遠(yuǎn)程監(jiān)控風(fēng)電機組的工作狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并處理問題，減少因故障停機造成的損失。未來，我們甚至可能看到無人機或者機器人被用來進(jìn)行風(fēng)電機組的巡檢和維護(hù)工作。（3）智慧能源網(wǎng)格。在智慧電網(wǎng)中，海上風(fēng)電將與其他可再生能源（如太陽能、地?zé)崮艿龋┖蛢δ茉O(shè)備（如電池）聯(lián)動，形成一體化的能源供應(yīng)系統(tǒng)。通過數(shù)字化技術(shù)，電網(wǎng)能夠根據(jù)需求和供應(yīng)的變化，動態(tài)調(diào)整電力的分配，從而實現(xiàn)更高效、更環(huán)保的能源利用。（4）虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實。VR和AR技術(shù)可以幫助工程師在設(shè)計和維護(hù)海上風(fēng)電機組時更直觀、更準(zhǔn)確地理解問題。例如，他們可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)提前預(yù)覽風(fēng)電場的布局，或者通過增強現(xiàn)實技術(shù)在現(xiàn)場查看設(shè)備的3D模型和相關(guān)數(shù)據(jù)。（5）數(shù)字孿生技術(shù)。數(shù)字孿生是通過虛擬模型復(fù)制實體設(shè)備或系統(tǒng)，將現(xiàn)實世界與數(shù)字世界連接起來的技術(shù)。在海上風(fēng)電中，可以通過數(shù)字孿生技術(shù)模擬風(fēng)電機組的工作狀態(tài)，進(jìn)行風(fēng)力和電力產(chǎn)量的預(yù)測，幫助優(yōu)化設(shè)備設(shè)計和運營策略。（6）5G和邊緣計算。5G網(wǎng)絡(luò)的高速度和低延遲特性，使得海上風(fēng)電場的遠(yuǎn)程監(jiān)控和實時數(shù)據(jù)分析成為可能。而邊緣計算則可以將數(shù)據(jù)處理任務(wù)分配到離數(shù)據(jù)源更近的地方，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)處理速度和效率。

6 結(jié)語

綜上所述，通過信息化、數(shù)字化和智慧化的實踐，以及優(yōu)化的管理方式，我們可以充分提高海上風(fēng)電場的運營效率，為實現(xiàn)可持續(xù)能源的目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。同時，這也可以提高通信溝通的效率，提升工作人員的交互體驗，提高數(shù)據(jù)價值的可視化程度。