風(fēng)力發(fā)電集控中心的信息化建設(shè)研究

國能思達(dá)科技有限公司 魏 亮

引言

隨著我國工業(yè)發(fā)展和人民生活對(duì)能源的需求，各大電網(wǎng)公司都在大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電，并在全國范圍內(nèi)興建風(fēng)電場(chǎng)，從而使風(fēng)電的效率得到顯著的改善。由于風(fēng)電場(chǎng)分布比較分散，風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相互獨(dú)立，難以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電資源的共享和統(tǒng)一管理。因此，要充分引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)，結(jié)合信息時(shí)代的發(fā)展趨勢(shì)加強(qiáng)風(fēng)電的信息化建設(shè)，建立一個(gè)統(tǒng)一的風(fēng)電場(chǎng)管理平臺(tái)以及時(shí)掌握風(fēng)能資料，做好風(fēng)電場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和設(shè)備維護(hù)及對(duì)突發(fā)情況的科學(xué)處置。

1 風(fēng)力發(fā)電集控中心的信息化建設(shè)的作用

1.1 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的研究能有效維護(hù)風(fēng)電系統(tǒng)在數(shù)據(jù)方面的安全性

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)越來越被人們所關(guān)注，并被大力推廣。數(shù)據(jù)挖掘是數(shù)據(jù)收集和查找的過程，數(shù)據(jù)的來源是以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，經(jīng)過過濾獲得有價(jià)值的、全新的、有潛力的數(shù)據(jù)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行期間會(huì)積累大量的原始資料，其中蘊(yùn)藏著巨大的潛能，對(duì)今后的系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)、對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)有著重要的意義。

目前，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所能夠收集和整理的部分資料信息等級(jí)較低，不能深入挖掘出更深層的信息，也不能對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)性的整理和預(yù)測(cè)。然而數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)則是通過對(duì)電力設(shè)備所提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，從而對(duì)潛在問題做出合理的預(yù)測(cè)和預(yù)警，從而使維修人員可更好地監(jiān)控自己所在區(qū)域。同時(shí)還可對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行分析，并對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)設(shè)置，使其運(yùn)行在最佳狀態(tài)，從而大大地提高了運(yùn)行效率，減少了維護(hù)費(fèi)用，確保了風(fēng)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 保證風(fēng)電系統(tǒng)內(nèi)部信息傳遞的順利進(jìn)行

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的集控中心，由于控制站與數(shù)據(jù)中心的位置相隔較遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)共享、指令傳送等都要求采用高效率的通訊方式。該中心有語音服務(wù)、數(shù)據(jù)調(diào)整與調(diào)度、視頻服務(wù)和MIS服務(wù)四大功能。語音業(yè)務(wù)主要用于處理中央和下屬的集控站的各種電話，包括發(fā)送指令、系統(tǒng)調(diào)動(dòng)和撥打電話；調(diào)度服務(wù)主要負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)集控站的生產(chǎn)信息進(jìn)行控制，其內(nèi)容包括電力行業(yè)信息、系統(tǒng)自動(dòng)化數(shù)據(jù)等；視頻業(yè)務(wù)主要是監(jiān)控、防盜等功能，并在內(nèi)部組織視頻會(huì)議；信息管理系統(tǒng)以提供辦公服務(wù)為主，強(qiáng)化自動(dòng)化和多媒體，以改善電力使用、企業(yè)管理、生產(chǎn)管理等；在電力信息網(wǎng)絡(luò)中，MIS系統(tǒng)的信息傳輸是其中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其存在可以保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的集中控制中心的高效和安全運(yùn)行。因此在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，通訊系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.3 信息安全技術(shù)為集控中心的數(shù)據(jù)提供安全保障

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的集中控制中心存儲(chǔ)了大量電力部門的生產(chǎn)和操作信息，確保了它的安全。為確保集控中心的數(shù)據(jù)傳輸，須滿足二次電力系統(tǒng)的安全保護(hù)，并在此基礎(chǔ)上建立了一個(gè)與網(wǎng)絡(luò)相分離的安全硬件防火墻。各系統(tǒng)界面應(yīng)保持一致并嚴(yán)格遵守界面規(guī)格，同時(shí)保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的正常傳遞和數(shù)據(jù)的高穩(wěn)定性。

為有效防止跨部門間的信息交互，減少系統(tǒng)間的信息交互、減少系統(tǒng)間的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)限制了用戶的使用權(quán)限，加強(qiáng)了認(rèn)證。集中控制中心在與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意防止系統(tǒng)遭到攻擊，并加強(qiáng)對(duì)外部系統(tǒng)的安全審查，防止病毒入侵和網(wǎng)絡(luò)攻擊。

2 風(fēng)力發(fā)電集控中心信息化建設(shè)措施

2.1 采集數(shù)據(jù)信息

風(fēng)電場(chǎng)集控中心由監(jiān)控、能源、數(shù)據(jù)查詢等部分構(gòu)成，它們各自獨(dú)立工作互不干擾，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)的功能。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，傳輸精確的數(shù)據(jù)和信息是實(shí)現(xiàn)資源共享的關(guān)鍵。由于各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求、運(yùn)行模式不同，相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同，使得各系統(tǒng)之間的信息不能充分交換。

為達(dá)到這一目的，本文提出以Web服務(wù)為基礎(chǔ)的通用數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)，使各子系統(tǒng)間可進(jìn)行高效的互聯(lián)、共享，傳輸數(shù)據(jù)的效率更高。網(wǎng)絡(luò)的主要功能是提供通訊服務(wù)，然后通過各種協(xié)議對(duì)各地區(qū)的原始資料進(jìn)行收集。Web具有信息統(tǒng)一的特征，使得系統(tǒng)能在各種背景下有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持通信協(xié)議和操作系統(tǒng)應(yīng)用，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)集控中心信息化建設(shè)的基礎(chǔ)上，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)信息的共享，而不會(huì)影響到各個(gè)子系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)作和相應(yīng)的功能。

2.2 應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

在風(fēng)電集控站的信息化建設(shè)中大數(shù)據(jù)技術(shù)是一種普遍的技術(shù)方法，而數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在風(fēng)電集控中心的應(yīng)用也越來越廣泛。數(shù)據(jù)挖掘包含了數(shù)據(jù)的收集和檢索，將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫中提取，通過設(shè)置條件進(jìn)行篩選，從而獲得有價(jià)值的數(shù)據(jù)；其核心是對(duì)資料的搜尋。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的原始數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行沉淀并將其存儲(chǔ)起來，從而使其在實(shí)際應(yīng)用中得到更好的利用。

目前在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的信息化建設(shè)中，主要是對(duì)已有的信息進(jìn)行收集和整理，所提供的信息水平不高，無法對(duì)有價(jià)值的資料進(jìn)行進(jìn)一步的挖掘；沒有系統(tǒng)的整理和預(yù)測(cè)。利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，可對(duì)電力設(shè)備的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)歸納，并對(duì)其可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行預(yù)警。通過這種方法可根據(jù)預(yù)報(bào)的結(jié)果來設(shè)置維修區(qū)域，并把處于維修區(qū)域的設(shè)備列為重點(diǎn)監(jiān)控對(duì)象。

此外，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行歸納和自動(dòng)設(shè)定，從而保證電網(wǎng)的正常工作，提高了運(yùn)行效率、減少了維護(hù)次數(shù)、節(jié)約了成本，提高了運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

2.3 應(yīng)用信息安全技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電集控中心是電力生產(chǎn)和運(yùn)營的重要組成部分，其數(shù)據(jù)安全是非常重要的。集中控制中心的重要信息傳輸，對(duì)二次供電的保護(hù)提出了更高的要求，即要保證各子系統(tǒng)都在安全區(qū)域，并使用安全的硬件防火墻；與因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)安全隔離。系統(tǒng)各接口必須一致并達(dá)到接口的需求，確保系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可高效傳輸，同時(shí)也要確保穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳送。

為了避免信息安全的風(fēng)險(xiǎn)，各系統(tǒng)必須使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。另外用戶的權(quán)限也有一定的限制，特別是認(rèn)證的必要性。在與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換時(shí)，要時(shí)刻關(guān)注系統(tǒng)是否遭到惡意攻擊，這時(shí)需要對(duì)外部系統(tǒng)進(jìn)行安全檢查，防止出現(xiàn)安全問題。

2.4 智慧化監(jiān)測(cè)賦能

深度應(yīng)用基于大數(shù)據(jù)的智慧化監(jiān)測(cè)技術(shù)，嵌入豐富的監(jiān)測(cè)模型、預(yù)警模型、評(píng)估模型及數(shù)字孿生系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)將人工的絕大部分工作通過在線監(jiān)測(cè)、自我檢測(cè)、系統(tǒng)分析以及智能機(jī)器來完成。建立全面感知體系，利用信息化網(wǎng)絡(luò)賦予風(fēng)力發(fā)電集控中心全方位立體感知能力，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電設(shè)備關(guān)鍵運(yùn)行狀態(tài)的直接精確測(cè)量，包括對(duì)整機(jī)及核心部件振動(dòng)、不均勻沉降、腐蝕、應(yīng)力應(yīng)變等運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行機(jī)組級(jí)的實(shí)時(shí)監(jiān)控或評(píng)估，并及時(shí)進(jìn)行故障預(yù)警和控制；對(duì)機(jī)組關(guān)鍵部位的載荷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行基于載荷狀態(tài)的優(yōu)化控制，以支持機(jī)組壽命評(píng)估并最大化機(jī)組發(fā)電能力。

實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全壽命周期智能化運(yùn)維。應(yīng)用智能巡點(diǎn)檢設(shè)備，覆蓋GIS地理信息、RFID無線射頻技術(shù)、LBS基于位置服務(wù)、4G/5G網(wǎng)絡(luò)通信等多種新技術(shù)，使用手持智能終端滿足流程處理、身份識(shí)別、人員定位、信息采集、作業(yè)指導(dǎo)等工作場(chǎng)景的需要。實(shí)現(xiàn)對(duì)大部件故障監(jiān)測(cè)，基于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，應(yīng)用最新的風(fēng)機(jī)監(jiān)控和故障診斷軟件工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)及風(fēng)場(chǎng)整體故障風(fēng)險(xiǎn)的診斷和評(píng)估；利用在風(fēng)電關(guān)鍵部件生產(chǎn)、測(cè)試、維護(hù)及狀態(tài)監(jiān)控的經(jīng)驗(yàn)和服務(wù)能力，將多種產(chǎn)品和相關(guān)技術(shù)集成到智能風(fēng)場(chǎng)管理業(yè)務(wù)和平臺(tái)中。

支持智能風(fēng)場(chǎng)管理系統(tǒng)的建設(shè)，提高風(fēng)場(chǎng)維護(hù)管理及故障診斷能力，提高診斷準(zhǔn)確率，降低維護(hù)成本等。實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的監(jiān)測(cè)，應(yīng)實(shí)現(xiàn)葉片振動(dòng)監(jiān)測(cè)、葉片應(yīng)力監(jiān)測(cè)，利用風(fēng)機(jī)葉片長期運(yùn)行積累的故障特征數(shù)據(jù)，如：葉片開裂、葉片斷裂、葉片結(jié)冰、雷擊事件、葉片附塵、質(zhì)量不平衡等；基于聲音的葉片在線外形損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用與葉片非接觸的形式，實(shí)時(shí)采集葉片運(yùn)行過程中的聲音數(shù)據(jù)，與風(fēng)機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)同步，通過機(jī)端采集系統(tǒng)中內(nèi)置的特征提取與機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、脫敏、瘦身，協(xié)同站端的工業(yè)智能算法在線識(shí)別葉片損傷及嚴(yán)重等級(jí)，根據(jù)損傷類型及嚴(yán)重等級(jí)以進(jìn)行針對(duì)性維護(hù)。支持雷擊損傷、保護(hù)膜脫落、排水孔堵塞、葉片結(jié)冰等常見失效模式識(shí)別的能力；對(duì)葉片的擺動(dòng)幅值和頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)相應(yīng)算法，實(shí)時(shí)評(píng)估葉片健康狀態(tài)。

2.5 強(qiáng)化智慧能量控制

通過應(yīng)用智慧能量控制，可迅速響應(yīng)調(diào)度計(jì)劃，統(tǒng)籌考慮各風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和當(dāng)前有功出力，掌握設(shè)備狀況以及功率預(yù)測(cè)，進(jìn)行高響應(yīng)速度、高精度的場(chǎng)級(jí)能量控制、單機(jī)能量控制，動(dòng)態(tài)進(jìn)行有功調(diào)頻和無功調(diào)壓。實(shí)時(shí)結(jié)合電場(chǎng)機(jī)組的設(shè)備狀態(tài)及運(yùn)行工況，得到風(fēng)電場(chǎng)未來的輸出功率，并以此推算風(fēng)電場(chǎng)未來發(fā)電能力。

新能源基礎(chǔ)氣象大數(shù)據(jù)是整個(gè)集中功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。氣象數(shù)據(jù)須積累大量的歷史數(shù)據(jù)，通過強(qiáng)大的中尺度預(yù)測(cè)引擎及CFD流體仿真引擎，提供高精度氣象預(yù)測(cè)及預(yù)警數(shù)據(jù)服務(wù)。采用國際最先進(jìn)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模擬技術(shù)，同時(shí)根據(jù)中國地形地貌和氣候特點(diǎn)進(jìn)行不斷優(yōu)化、完善。通過采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)、混沌理論等智能算法，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行混合建模，在現(xiàn)有時(shí)間序列模型下，采用人工智能技術(shù)，引入概率統(tǒng)計(jì)學(xué)理論以及智能優(yōu)化算法，針對(duì)電場(chǎng)地形及氣候特點(diǎn)，通過綜合各方法所使用的信息和優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性建模，提高風(fēng)功率預(yù)測(cè)的精度?？蓪?shí)現(xiàn)超短期（日內(nèi)）預(yù)測(cè)、短期（日間）預(yù)測(cè)，來支撐建立風(fēng)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度與決策模型。

2.6 配套儲(chǔ)能控制

通過應(yīng)用大容量、高效率、長時(shí)間儲(chǔ)能系統(tǒng)，以獨(dú)立控制裝置完成有功-頻率下垂特性控制，使其在并網(wǎng)點(diǎn)具備主動(dòng)支撐參與電網(wǎng)頻率快速調(diào)整能力；以動(dòng)態(tài)無功調(diào)壓采用無功-電壓下垂曲線控制裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓，當(dāng)電壓變化超出調(diào)壓死區(qū)范圍時(shí)，主動(dòng)實(shí)施動(dòng)態(tài)無功調(diào)壓功能。通過儲(chǔ)能系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)進(jìn)行發(fā)電，對(duì)電網(wǎng)的負(fù)荷進(jìn)行快速跟蹤，減少風(fēng)光電對(duì)電網(wǎng)的沖擊，保證新能源場(chǎng)站的出力穩(wěn)定性，迅速完成峰谷平滑調(diào)配。

2.7 構(gòu)建數(shù)字孿生技術(shù)

應(yīng)用基于數(shù)字孿生的設(shè)備監(jiān)控來建立與實(shí)際設(shè)備完全一致的三維幾何模型，在此基礎(chǔ)上通過數(shù)據(jù)采集或添加傳感器全方位獲取設(shè)備數(shù)據(jù)，并將各個(gè)位置數(shù)據(jù)與虛擬三維模型一一映射，實(shí)現(xiàn)物理對(duì)象與孿生設(shè)備完全一致的運(yùn)動(dòng)行為，更加直觀的監(jiān)控物流對(duì)象實(shí)時(shí)狀態(tài)。從關(guān)鍵部件級(jí)進(jìn)行仿真，全方位進(jìn)行參數(shù)調(diào)優(yōu)與測(cè)試，經(jīng)驗(yàn)證取得較優(yōu)指標(biāo)后再推廣至整機(jī)仿真，直至建立完整的孿生模型。

應(yīng)用基于數(shù)字孿生的設(shè)備控制調(diào)試、工藝仿真及參數(shù)調(diào)優(yōu)能夠在虛擬空間開展虛擬驗(yàn)證，可進(jìn)行工藝調(diào)參驗(yàn)證工藝變更的合理性，有效降低了傳統(tǒng)物理調(diào)試時(shí)間，極大提高測(cè)試安全性。應(yīng)用基于實(shí)時(shí)仿真的設(shè)備深度運(yùn)維管理，將離線仿真與IOT實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的仿真分析，能夠?qū)崟r(shí)分析設(shè)備哪個(gè)位置出現(xiàn)了問題，并給出最佳響應(yīng)決策。通過基于數(shù)字孿生的智能仿真診斷分析，將傳統(tǒng)仿真技術(shù)與人工智能技術(shù)結(jié)合，極大提升了傳統(tǒng)仿真模擬準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語

在現(xiàn)代化的社會(huì)背景下，電力系統(tǒng)必須逐步實(shí)現(xiàn)信息化、數(shù)字化和智能化。在風(fēng)電集控中心的信息化建設(shè)中，除了要在數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析等方面進(jìn)行創(chuàng)新外，還應(yīng)引入大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)，以確保數(shù)據(jù)的安全。

通過技術(shù)創(chuàng)新的不斷突破，依托于高度智能化的數(shù)字化系統(tǒng)、全方位的監(jiān)測(cè)體系、預(yù)警分析體系，可更好的適應(yīng)并支撐各種工況的電網(wǎng)，可賦能風(fēng)力發(fā)電集控中心統(tǒng)籌調(diào)控風(fēng)光儲(chǔ)等不同電源形式間運(yùn)行時(shí)序、營銷協(xié)作、出力均衡的協(xié)同運(yùn)行，更好地融入?yún)^(qū)域電力市場(chǎng)，以數(shù)字革新全方位提升電力營銷能力。