風(fēng)電場(chǎng)智能化設(shè)計(jì)云平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)探討

齊向?qū)? 魏健

【摘?要】科技的進(jìn)步，促進(jìn)人們對(duì)能源需求的增多。我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，在很大程度上補(bǔ)充了電力能源的供應(yīng)。近段時(shí)間以來(lái)，更多的小型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)轉(zhuǎn)變成為較大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，這樣一來(lái)，發(fā)電設(shè)備就呈現(xiàn)多樣性和復(fù)雜性的狀態(tài)，這就給風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)維管理帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。本文就風(fēng)電場(chǎng)智能化設(shè)計(jì)云平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)探討。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)電場(chǎng);智能化設(shè)計(jì);云平臺(tái)

引言

風(fēng)電場(chǎng)選型、選址和建設(shè)條件日益復(fù)雜，風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)成為影響風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)成敗的決定性因素。受益于大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算等信息技術(shù)的飛速發(fā)展，大量的創(chuàng)新技術(shù)正成為風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。基于人工智能和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的風(fēng)電場(chǎng)智能化設(shè)計(jì)正在革命性地改變傳統(tǒng)風(fēng)電設(shè)計(jì)行業(yè)，為平價(jià)風(fēng)電開(kāi)發(fā)提供有力的技術(shù)支撐。

1大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的特點(diǎn)

（1）風(fēng)能的穩(wěn)定性差。不同于其他情節(jié)性能源，風(fēng)能屬于過(guò)程性能源，具有隨機(jī)性和不可控性，風(fēng)向經(jīng)常發(fā)生變動(dòng)，并且風(fēng)速具有不穩(wěn)定性，因此這些不可控因素嚴(yán)重影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作效率。為了能夠確保輸出電能的穩(wěn)定性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須加裝調(diào)節(jié)風(fēng)速和風(fēng)向的控制裝置。（2）風(fēng)能的能量密度小。風(fēng)能的能量密度與發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪尺大小成正比例關(guān)系，為了確保在相同時(shí)間內(nèi)風(fēng)能的能量密度達(dá)到風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)前的發(fā)電容量，一定要確保發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪大小，一般要比未并網(wǎng)前大幾十倍。（3）風(fēng)輪的效率較低。按照正常理論來(lái)講，風(fēng)輪的最大效率大致保持在59%左右，實(shí)際可能會(huì)更低。最新統(tǒng)計(jì)顯示，水平軸風(fēng)輪機(jī)最大效率維持在15%～45%，垂直軸風(fēng)輪機(jī)最大效率在30%～35%。不難看出，雖然我國(guó)的風(fēng)能資源比較豐富，但分布位置比較偏遠(yuǎn)，大多集中在西北、華北和東北地區(qū)。根據(jù)分析風(fēng)能以上的幾個(gè)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)利用風(fēng)能發(fā)電不是件容易的事?？偟膩?lái)說(shuō)，風(fēng)能發(fā)電要考慮的因素有很多，其中最關(guān)鍵的就是風(fēng)能的不穩(wěn)定性，如果風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能直接并入電網(wǎng)，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)的正常運(yùn)行帶來(lái)一定威脅。（4）風(fēng)能不能儲(chǔ)存。風(fēng)能也是最不容易存儲(chǔ)的能源之一，所以要保持獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)能發(fā)電機(jī)組供電不間斷，在保證持續(xù)供電的同時(shí)還要配備可存儲(chǔ)風(fēng)能的裝置。

2風(fēng)電場(chǎng)智能化設(shè)計(jì)云平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

2.1基于大數(shù)據(jù)應(yīng)用的智慧型風(fēng)電場(chǎng)預(yù)測(cè)模型方法

風(fēng)電場(chǎng)功率過(guò)去采用的預(yù)測(cè)方法是模擬整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的功率輸出情況，建模簡(jiǎn)單但是風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)精確度比較差。因?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)中各風(fēng)電設(shè)備相隔距離比較遠(yuǎn)，所以風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)設(shè)備所處的氣壓、溫度、氣流和風(fēng)向都不完全相同，導(dǎo)致最后風(fēng)電場(chǎng)功率的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際相差較大。所以智慧型風(fēng)電場(chǎng)模型預(yù)測(cè)方法應(yīng)該采用大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中各風(fēng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、整理和分析，找出風(fēng)電場(chǎng)功率變化的規(guī)律，提高風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)的穩(wěn)定性，有利于智慧型風(fēng)電場(chǎng)的建立。

2.2 數(shù)據(jù)分析建模技術(shù)

在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，面對(duì)海量數(shù)據(jù)的采集與統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)的分析方法已無(wú)法滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)集處理，需要基于數(shù)據(jù)平臺(tái)，利用分布式存儲(chǔ)和并行處理機(jī)制，建立大數(shù)據(jù)環(huán)境下的數(shù)據(jù)分析模型，由海量數(shù)據(jù)中提取出有用的信息特征，為風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和運(yùn)維策略提供支持。一方面，應(yīng)綜合考慮質(zhì)量成本、發(fā)電量損失、發(fā)電量可利用率（PBA）、停機(jī)時(shí)間、平均故障間隔時(shí)間（MTBF）、平均維修時(shí)間（MTTR）等因素，確定健康評(píng)估模型的建模和實(shí)施優(yōu)先級(jí);另一方面，需根據(jù)業(yè)務(wù)問(wèn)題完成模型建模的需求分析，并選擇基于機(jī)理規(guī)則、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)或二者結(jié)合的方法完成建模分析。

2.3一體化監(jiān)控平臺(tái)

網(wǎng)絡(luò)微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)作為升壓站電氣監(jiān)控系統(tǒng)的常規(guī)設(shè)計(jì)方案，下設(shè)站控層、間隔層與過(guò)程層：站控層由操作員站、遠(yuǎn)動(dòng)裝置以及交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備等搭建監(jiān)控后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)整體的監(jiān)控功能;間隔層由一體化監(jiān)控平臺(tái)下各個(gè)子系統(tǒng)，如保護(hù)測(cè)控裝置、風(fēng)機(jī)機(jī)組控制系統(tǒng)和巡檢終端等組成，各個(gè)子系統(tǒng)可完成獨(dú)立的監(jiān)控功能。過(guò)程層由電流互感器、電壓互感器、測(cè)溫裝置、風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)采集等就地裝置，完成電氣量的實(shí)時(shí)采集、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和控制命令的執(zhí)行。所述巡檢裝置集中在巡檢機(jī)器人、在線監(jiān)測(cè)裝置、視頻終端以及一體化電源這 4 種類型，均可接入間隔層，海上升壓站配置的網(wǎng)絡(luò)微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可升級(jí)為一體化監(jiān)控平臺(tái)，巡檢數(shù)據(jù)納入網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中，由海底光電復(fù)合纜一并遠(yuǎn)傳至陸上集控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)海上升壓站無(wú)人值守、少人巡檢、陸上集控中心實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控的去人工的巡檢方案。

2.4數(shù)字孿生技術(shù)

在設(shè)計(jì)仿真及產(chǎn)業(yè)化運(yùn)行階段，風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)了數(shù)字世界與物理世界的閉環(huán)映射及閉環(huán)驗(yàn)證。基于風(fēng)資源條件、機(jī)型平臺(tái)等級(jí)、子系統(tǒng)條件等設(shè)計(jì)需求完成仿真模型建模、控制器設(shè)計(jì)、載荷及動(dòng)力學(xué)仿真設(shè)計(jì)、部件校驗(yàn)。通過(guò)對(duì)樣機(jī)的安全功能測(cè)試、系統(tǒng)辨識(shí)、性能測(cè)試、載荷驗(yàn)證等完成設(shè)計(jì)認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)與仿真設(shè)計(jì)的閉環(huán)確認(rèn)。通過(guò)產(chǎn)業(yè)化機(jī)組的安全、性能、可靠性、子部件健康、系統(tǒng)裕度等評(píng)估，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化機(jī)組表現(xiàn)與樣機(jī)的對(duì)比及與仿真設(shè)計(jì)的對(duì)比?；陂]環(huán)映射及閉環(huán)驗(yàn)證，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化、現(xiàn)場(chǎng)故障診斷及預(yù)警預(yù)測(cè)的目標(biāo)。

2.5風(fēng)電場(chǎng)模型數(shù)據(jù)預(yù)處理

（1）風(fēng)電場(chǎng)氣象數(shù)據(jù)采集。大數(shù)據(jù)采集風(fēng)電場(chǎng)氣象數(shù)據(jù)需要排除一些誤差較大的數(shù)據(jù)，保證風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)的精確度。大數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器采集數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)容易受到信道的影響導(dǎo)致氣象數(shù)據(jù)異?；騺G失，這些數(shù)據(jù)如果直接被大數(shù)據(jù)技術(shù)采集則會(huì)影響最終風(fēng)電場(chǎng)功率模式的精度。所以氣象數(shù)據(jù)在使用之前應(yīng)該經(jīng)過(guò)預(yù)處理，將誤差氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行修正或者將缺失的氣象數(shù)據(jù)補(bǔ)全，保證氣象數(shù)據(jù)的完整性和原始性。在氣象數(shù)據(jù)的采集中應(yīng)該測(cè)量風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、小時(shí)溫度變化、小時(shí)風(fēng)速變化以及小時(shí)氣壓變化的值，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，保證氣象數(shù)據(jù)的完整性和精確性。（2）風(fēng)電場(chǎng)歷史數(shù)據(jù)整理。風(fēng)電場(chǎng)模型構(gòu)建之后還要整理其歷史數(shù)據(jù)，然后將歷史數(shù)據(jù)與當(dāng)前測(cè)量的風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，剔除誤差較大的數(shù)據(jù)，防止在構(gòu)建模型的過(guò)程中出現(xiàn)矛盾數(shù)據(jù)。在歷史數(shù)據(jù)整理之后對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理，將外力因素導(dǎo)致的錯(cuò)誤歷史數(shù)據(jù)記錄剔除，防止風(fēng)電場(chǎng)功率模型出現(xiàn)較大誤差。風(fēng)電場(chǎng)處理歷史數(shù)據(jù)時(shí)可以根據(jù)風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家提供的風(fēng)功率變化曲線將誤差較大的數(shù)據(jù)剔除，防止風(fēng)電場(chǎng)功率容錯(cuò)范圍過(guò)大，同時(shí)查看風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)的維修記錄，將維修時(shí)間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)剔除，然后將此階段的歷史數(shù)據(jù)采用插值法進(jìn)行補(bǔ)全，將歷史數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)功率模型建立的影響因素控制在最小。（3）風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)歸一化處理。風(fēng)電場(chǎng)氣象數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)采集完成后需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，即風(fēng)速歸一化、風(fēng)向歸一化、溫度歸一化以及其他因素歸一化。風(fēng)速歸一化即（當(dāng)前風(fēng)速值 - 最小預(yù)測(cè)風(fēng)速值）/（最大預(yù)測(cè)風(fēng)速值 - 最小預(yù)測(cè)風(fēng)速值）;風(fēng)向歸一化即計(jì)算出風(fēng)向值的正弦和余弦數(shù)值;溫度歸一化即（1+e（5- 當(dāng)前溫度值）/10）-1;其他因素歸一化的值按照風(fēng)速歸一化的歸一方式計(jì)算即可。

結(jié)語(yǔ)

隨著時(shí)代的發(fā)展，當(dāng)今社會(huì)更注重綠色能源的開(kāi)發(fā)，而傳統(tǒng)的發(fā)電廠多為火力發(fā)電，在發(fā)電的同時(shí)對(duì)周圍環(huán)境帶來(lái)了污染，但是風(fēng)力發(fā)電則不會(huì)帶來(lái)污染問(wèn)題。所以風(fēng)能資源逐漸被開(kāi)發(fā)利用，我國(guó)多地建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，在大數(shù)據(jù)技術(shù)下風(fēng)電場(chǎng)逐漸向智慧型的方向發(fā)展。

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（作者單位：特變電工新疆新能源股份有限公司）