基于大數(shù)據(jù)的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源及風(fēng)機(jī)選型評(píng)估

梁旭東

摘 要：目前電力產(chǎn)能過剩及競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)化競(jìng)爭(zhēng)越演越烈，加快優(yōu)質(zhì)項(xiàng)目開發(fā)和資源儲(chǔ)備力度、科學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高風(fēng)電項(xiàng)目開發(fā)建設(shè)質(zhì)量，以實(shí)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(jí)，在前期階段采用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)風(fēng)能資源進(jìn)行評(píng)估是一個(gè)主要的發(fā)展趨勢(shì)。本文采用大數(shù)據(jù)的方法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源及利用情況進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)提出了一些針對(duì)性的建議措施，以期為今后風(fēng)電項(xiàng)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(chǎng)；風(fēng)能資源；風(fēng)機(jī)選型

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）05-0179-02

0 引言

2018年5月，國(guó)家能源局印發(fā)《國(guó)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(xiàng)目和未確定投資主體的海上風(fēng)電項(xiàng)目全部通過競(jìng)爭(zhēng)方式配置和確定上網(wǎng)電價(jià)。相比傳統(tǒng)風(fēng)電開發(fā)模式，競(jìng)價(jià)模式下的項(xiàng)目開發(fā)核心是投標(biāo)電價(jià)，較低的上網(wǎng)電價(jià)意味著未來(lái)風(fēng)電項(xiàng)目投資收益將進(jìn)一步受到擠壓。因此在前期階段采用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)規(guī)劃風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)能資源進(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)估、風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)化選型及其相關(guān)成本降低是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，能夠有效減少前期立塔測(cè)風(fēng)的時(shí)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(jī)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(qiáng)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(zhǎng)率和多樣化的信息資產(chǎn)。大數(shù)據(jù)的整合利用是一個(gè)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(jìn)。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(chǎng)址風(fēng)能資源評(píng)估、適宜場(chǎng)址的最優(yōu)化風(fēng)機(jī)選型方案、準(zhǔn)確的風(fēng)功率預(yù)報(bào)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(jì)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(guó)能建廣東設(shè)計(jì)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(guó)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(bào)模型和高性能計(jì)算平臺(tái)（HyRef）來(lái)整合所在電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的可再生能源。遠(yuǎn)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(guó)大唐集團(tuán)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(tái)，并成功入選國(guó)家工信部2018年制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展試點(diǎn)示范項(xiàng)目等等。

目前各企業(yè)的大數(shù)據(jù)平臺(tái)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(guó)家層面的標(biāo)準(zhǔn)和政策指導(dǎo)，在各個(gè)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(shí)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(tái)使用門檻較高。（2）企業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)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(tái)，缺乏對(duì)大數(shù)據(jù)平臺(tái)足夠的認(rèn)識(shí)，而且信息技術(shù)水平也比較薄弱，無(wú)論是硬件建設(shè)還是軟件建設(shè)，都無(wú)法對(duì)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(jì)算技術(shù)的人才相對(duì)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(chǎng)風(fēng)能資源及風(fēng)機(jī)選型評(píng)估模型

2.1 模型假設(shè)

（1）假設(shè)風(fēng)電場(chǎng)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(jī)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(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響。

2.2 風(fēng)能資源及風(fēng)機(jī)選型評(píng)估

通過分析風(fēng)場(chǎng)原始測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，構(gòu)建指標(biāo)體系對(duì)風(fēng)能資源利用情況及風(fēng)機(jī)選型適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)估，再結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行佐證。

（1）數(shù)據(jù)檢查與預(yù)處理。數(shù)據(jù)驗(yàn)證的檢驗(yàn)項(xiàng)目及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及類似風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。（2）風(fēng)能資源評(píng)估指標(biāo)體系。依據(jù)國(guó)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(qiáng)度，切變指數(shù)，Weibull分布等構(gòu)成指標(biāo)體系對(duì)風(fēng)能資源進(jìn)行評(píng)估；如果有風(fēng)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，則可以增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)滿載負(fù)荷總發(fā)電量，風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)際發(fā)電量，利用效能比，有效風(fēng)時(shí)比等參數(shù)對(duì)風(fēng)能資源利用情況進(jìn)行評(píng)估。

2.3 風(fēng)機(jī)選型評(píng)估

風(fēng)機(jī)選型評(píng)估時(shí)，可采用以下兩種方法對(duì)目前市場(chǎng)上最新風(fēng)機(jī)技術(shù)進(jìn)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(jī)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(duì)比各機(jī)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(chǎng)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(jī)型。在僅考慮最大化利用場(chǎng)址風(fēng)能資源的情況下，輸出功率最優(yōu)的機(jī)型最適合，可通過編程實(shí)現(xiàn)分析與計(jì)算過程。

2.3.2 定量分析方法

（1）線性插值法。即將逐條的實(shí)測(cè)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(duì)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(duì)應(yīng)功率，再累加逐條功率值得到單機(jī)年發(fā)電量值。（2）多項(xiàng)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(duì)應(yīng)的線性曲線，通過多項(xiàng)式方程對(duì)曲線進(jìn)行擬合，并提取出多項(xiàng)式公式，采用將逐條實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)代入多項(xiàng)式的方式得到對(duì)應(yīng)功率，通過累加逐條功率值得到單機(jī)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(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行Weibull擬合，提取雙參數(shù)K、C值，計(jì)算各風(fēng)速段的分布概率，采用風(fēng)速段對(duì)應(yīng)功率與分布概率、年總小時(shí)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(jī)年發(fā)電量值。

采用以上三種方案定量的對(duì)單機(jī)年理論發(fā)電量進(jìn)行計(jì)算，采用平均值統(tǒng)計(jì)各機(jī)型的計(jì)算結(jié)果，一般與定性分析的結(jié)果較為一致?？赏ㄟ^兩種計(jì)算方式綜合對(duì)選擇的風(fēng)機(jī)機(jī)型進(jìn)行比選，在不考慮造價(jià)的情況下，選出最優(yōu)機(jī)型。

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

3.1 頂層設(shè)計(jì)，科學(xué)搭建大數(shù)據(jù)平臺(tái)

（1）開放式數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。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(kù)及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式、結(jié)構(gòu)等技術(shù)要求，獨(dú)立建設(shè)開放的、自控的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，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(jì)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(jì)算任務(wù)，資源不能充分發(fā)揮。因此，在集控中心、集團(tuán)總部生產(chǎn)調(diào)度中心建設(shè)時(shí)，要按照云管理架構(gòu)進(jìn)行搭建，架構(gòu)內(nèi)的服務(wù)器不再進(jìn)行功能分工，統(tǒng)一由主機(jī)指揮，進(jìn)行集群式計(jì)算，提高計(jì)算能力。（3）分布式計(jì)算模式。風(fēng)電企業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)按三級(jí)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(jì)算界面，最大程度的減少上層計(jì)算和重復(fù)計(jì)算，減少平臺(tái)負(fù)荷。

3.2 底層突破，統(tǒng)一數(shù)據(jù)判斷和計(jì)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(chǎng)信息化管理標(biāo)準(zhǔn)，明確風(fēng)電機(jī)組和升壓站的保護(hù)及自動(dòng)化裝置的設(shè)備網(wǎng)口數(shù)量、計(jì)量點(diǎn)位置及精度、測(cè)控裝置配置、通訊網(wǎng)絡(luò)要求等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，明確設(shè)備廠家應(yīng)提供的數(shù)據(jù)點(diǎn)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(chǎng)開發(fā)通用的SCADA平臺(tái)，研究不同風(fēng)電機(jī)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(jì)算方法，建立適用于多廠家、多機(jī)型的數(shù)據(jù)接口模塊，自動(dòng)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(jìn)，深入挖掘大數(shù)據(jù)蘊(yùn)藏價(jià)值

（1）集中預(yù)測(cè)?？蓪L(fēng)電場(chǎng)氣象信息、地理信息、測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)直接傳到區(qū)域分子公司或集團(tuán)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(chǎng)群差異化校正、同風(fēng)向關(guān)聯(lián)風(fēng)電場(chǎng)管道效應(yīng)校正等因素，提高功率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。（2）劣化分析。研究各部件異常運(yùn)行工況與參數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如風(fēng)向儀不準(zhǔn)時(shí)，與機(jī)艙方向、風(fēng)速、功率的變化規(guī)律；葉片角度錯(cuò)誤時(shí)，與風(fēng)速、負(fù)荷、振動(dòng)、葉根載荷的變化規(guī)律，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備劣化趨勢(shì)，開展?fàn)顟B(tài)檢修維護(hù)。（3）智能控制。研究風(fēng)電機(jī)組各部件的控制策略，特別是定值式、周期式的簡(jiǎn)單控制策略，重點(diǎn)進(jìn)行分析研究，加入風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)識(shí)別技術(shù)，開發(fā)智能偏航、智能變槳、智能解纜、智能測(cè)試、智能加熱冷卻等控制技術(shù)，提高風(fēng)電機(jī)組可利用率和產(chǎn)能。（4）智能設(shè)計(jì)。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(chǎng)微尺度CFD 高性能計(jì)算；風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)自動(dòng)優(yōu)化等。

參考文獻(xiàn)

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