风电场信息系统的开发与应用

文 | 黄佳佳，娄尧林，吴海列

随着化石能源的枯竭、环境污染的加重，可再生能源的开发得到极度重视。风力发电作为可再生能源发电中最为成熟的发电技术，近年来在政府的大力支持下，迅猛发展起来。在短短十年内，我国风力发电占世界风电的比重由2004年的1.66%上升到27%，风电总装机容量已跃居世界第一。2013年，风力发电在全国5.26万亿千瓦时发电量中占2.6%，已经超过了核电的发电量，在不到10年的时间里，风电的发电量已经超过发展了40年的核电，上升为中国第三大能源。国家发改委能源研究所预期，到2050年风电装机容量将达到10亿千瓦，提供国内17%的电力。风电的飞速发展，也暴露出了一系列的管理问题，本文在总结风电管理问题的基础上，提出风电场管理改进方案，即智能管理与集控系统的研究开发。

风电场管理存在的问题

我国风电场的特点是发展速度快，风电场建设由小规模向大规模电场群转变，在大型风电场中有几十、几百甚至上万台风电机组，而我国目前大规模风电场群综合自动化系统的建设尚属起步阶段，已经满足不了发展现状，造成风电场在实际运行管理中面临诸多问题。

一、难统一

一个大型风电场群可能由多个投资商投资，所用风电机组来自不同风电机组厂商，即便是同一个风电机组厂商的产品，由于项目实施阶段不同，也会产生多种机型，而不同厂商不同型号风电机组通讯方式，数据接口不尽相同，因此一个风电场的中控室往往需要安装多套不同的监控系统，来满足不同型号风电机组的监控，造成重复投资，增加了管理负担。且这些集控系统提供的监控功能与报表也不尽相同，导致业主管理指标不统一，不便于风电场综合比较与分析。风电场业主迫切希望用一套统一的集控系统来进行监控与管理风电场所有风电机组，但由于数据接口错综复杂，实现困难。另外，不同厂家的监控共存与远程访问，带来网络安全问题。

二、难维护

风电场环境恶劣、条件艰苦，使得风电场各专业人才稀缺，且人员管理水平、技术水平参差不齐，风电高速发展与人才培养严重滞后之间的矛盾日益突出，给风电场后期运行与维护带来巨大风险与严峻挑战。且随着风电建设的加快，风电机组的运维工作量将与日俱增，因此单纯依靠人工分析数据、排除故障已经不能满足风电场对风电机组的全面维护，这些都导致了风电场运维困难，运行效率与资源综合利用率低下。

三、难调度

风电场规模和所占电网电源比重越来越大，大规模风电并网对电能质量和电力系统安全运营的影响也越来越大，而目前已投运风电机组对电网故障和扰动的过滤能力不强。国家电网出台了《风电并网技术规范》，要求风电场对发电生产进行计划上报，并能对风电场进行电能调度。风电场集控系统迫切需求增加该功能，并且改造风电机组主控及变流器具备有功无功调节功能。

四、重要运行数据存储问题

风电场风电机组运行数据，除了风电机组发电量、功率曲线、可利用率等少数几个运行数据进行长期存储外，没有对其他风电机组运行历史数据进行存储与分析，这些数据是风电机组设计优化的重要运行数据，也是风电场选址，风电机组选型的重要依据。没有对这些运行数据进行存储与分析，造成了风电机组设计与风电场选型是个开环的过程，不能进行改进与评估。

如何有效地对风电场内各风电机组进行管理以及运行状态监控,使整个风电场风电机组运行安全、可靠、经济；如何解决风电场电网接入问题，满足电网调度；如何通过风电机组运行数据的分析，持续对风电机组性能进行优化，对风电场选址进行评估，已成为风电发展的关键问题，常规的风电场集中监控系统已经不能满足要求。

风电场信息系统的设计开发

风电场信息系统，是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统，可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集，设备控制，测量，参数调节以及事故报警等功能，可以保证系统的信息完整，正确掌握风电系统的运行状态，帮助快速诊断系统故障，提高生产效率,主要由风电场智能管理与集控系统平台、运维服务系统、智能调度系统和数据分析与评估系统组成，其系统结构原理图如图1所示。

一、风电场信息系统平台开发

该平台包括硬件支撑平台，标准化通讯接口，风电场对象信息模型，模块化软件支撑平台，统一超大容量数据库系统以及引擎系统，一致的对外数据服务接口。在此数据与分析优化引擎的基础上，可实现风电场基本专业应用，如风电场基本监控功能，启停机功能，也可实现风电场智能高级应用，如运维服务项目，智能调度，数据分析与评估等项目。通过建立统一的风电场与风电机组数据模型，使不同厂家的风电监控系统，不同型号的机组，都可方便接入该系统，其软件架构原理图如图2所示。

建立单机数据结构模型以标准化各类风电机组，并以此为基础创建数据库结构，开发一个可组态的风电场监控系统平台，具有绘图、通讯接口调用、数据链接、趋势图、报表、高级语言接口，数据库接口、数据文件下载及解析、对外数据发布、互联网发布等功能。

二、风电场运维服务系统开发

风电场运维服务系统主要包括日常维护系统和故障专家系统两部分，日常运维主要是通过统一数据平台提供的服务来完成日常的运行与维护操作，主要包括：运行管理、维护管理、设备物资管理、档案管理和安全管理五部分。运行管理要求运维人员对日常工作内容进行录入和查询，通过网上办公来规范风电场运行管理制度，减少人为差错，提高工作效率。在发现故障后，系统将自动新建缺陷记录，记录风电机组编号、故障代码、故障开始时间、故障结束时间、故障时长和故障次数等，人工只需选择故障分类，系统会根据故障代码和故障专家中的信息自动列出故障处理方案，方便运维人员进行处理。风电机组档案管理记载了每台风电机组的基本信息、关键时间点、缺陷记录、隐患记录、维护记录。通过对所有风电机组及主要部件的生产厂家、型号等基本参数进行维护，来管理风电机组整个生命周期所有的记录。该系统还可通过风电场设备日常监控及运行报表，对单个风电场进行数据对比，也可进行横向的多个风电场的对比。

图1 系统结构原理图

图2 软件架构原理图

故障专家系统是一个闭环设计的，具有知识库自学习功能的系统，主要包括健康监测和故障诊断两部分。健康监测系统具有实时预警、实时视频监视、状态在线监测、个性化分析功能。可实现风电场常规设备监控与风电机组健康状况的诊断。通过监控参数与报表分析，可对风电机组核心控制策略进行优化，提高风电机组发电量，降低风电机组机械载荷；对风电机组部件进行运行参数的优化与调整，提高部件安全性及寿命，提高风电机组可利用率；对不同风电机组的相同部件运行特性分析，分析出部件的缺陷，进行设计改进，使风电机组安全性提高，质量优化。

故障诊断系统主要是针对故障进行常规统计、状态跟踪、精准挖掘和定制分析，通过对风电机组故障信息的二次处理，利用故障专家库全面分析故障原因、部位和故障特征，对故障进行排除。故障专家库通过人工记录采集故障和系统自动采集故障不断进行更新。除此之外，该系统还具有远程专家诊断，维护计划制定，风电机组辅助学习等功能。风电机组的故障类型主要有电气系统故障、传感器故障、齿轮箱故障、发电机故障、机组震动故障、控制系统故障等。系统可配置每个分类下的具体故障清单和相应的解决措施（不同类型风电机组对应不同的故障清单），并可根据日常维护积累经验完善故障解决措施。该系统运用数据挖掘技术，从大量的风电场运行数据中揭示出隐含的，具有潜在价值的信息，并采用人工智能的方法，根据故障描述，模糊查询相关故障的处理推荐方案，辅助风电场维护人员进行故障排除。该系统的运行能降低维护成本，减小运维人员工作量，提高风电场年发电量。

三、风电场智能调度系统开发

风力发电的随机性，间歇性和反调性造成了并网难题，风电场智能调度系统可解决风电场的电网调度问题，满足电力市场运营技术。该系统根据电网的调度指令，结合当前风电场风况，风电机组运行状况及风电机组发电特性，进行风电场有功无功调节。该系统可以均衡风电场进行发电生产，合理安排检修；平时保证尽可能多的风电机组处于运行状态，减少风电机组启停机次数，特别是在特殊环境地区，风电机组保持运转，能够延长风电机组寿命。

四、风电场数据分析与评估系统开发

统计分析通过系统采集所需数据，运用多种数学方法对数据进行综合对比分析、线性分析、相关性分析和趋势预测等二次处理，最终得出结论，并形成图形、报表、报告等标准模板供决策分析用。该系统的应用可以优化风电机组核心控制策略，提高风电机组发电量；可以优化与调整风电机组部件运行参数，提高部件安全性及寿命，提高风电机组可利用率；分析不同风电机组的相同部件运行特性，分析出部件的缺陷，进行部件设计改进。通过风电场运行数据分析，也可对机组选型，风电场选址，风电机组摆放位置进行评估，挖掘提高机组回报率的方法与策略。

五、其他

本系统还加入了系统总览和综合管理部分。系统总览主要用于各风电场的地理位置和重要信息的展示，包括：地图导航、焦点信息、实时监测等。综合管理可针对本系统维护升级，结合目前信息化发展的方向，为用户提供多种信息交互式的服务管理，包括角色管理、流程管理、数据字典、日志管理，其中数据字典可实现系统参数维护、值列表维护、自动编号设置、调度作业管理等。

该系统的设计符合标准化、规范化要求，采用开放式结构灵活设计，能够方便地进行后期功能扩展。

结语

在未来，风电行业将继续迅速扩张，风电场将向着大型风电场发展，现有的管理模式已不能满足未来的发展趋势，大型风电场的集中监控势在必行。而大型风电场的智能管理离不开数据库，依据数据库可对各种运行数据进行集中存贮和分析，并能实现数据比较、缺陷分析、预警、自动生成报表等功能。信息系统，必将朝着领先的信息化服务，物联网与云计算服务，移动终端服务，故障专家诊断、分析、处理一体化服务及可持续定制化功能服务方向发展。

本文介绍的风电场信息系统建立在模块化软件支撑平台，统一超大容量数据库系统以及引擎系统，一致的对外数据服务接口基础之上，可实现风电场基本专业应用和智能高级应用，实现风电场的可靠、经济、高效、电网友好、环境友好和使用安全的目的。提高风电场管理高效性，供电可靠性，更好地体现社会效益和企业效益。