基于時序數(shù)據(jù)的風(fēng)電集控故障上報系統(tǒng)設(shè)計

宋坤 齊剛 王永文 余洋

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2106-5640-2742

摘? 要：為實現(xiàn)在電力網(wǎng)絡(luò)帶寬有限的情況下，將區(qū)域新能源集控管轄范圍內(nèi)數(shù)量龐大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備的故障信息迅速、可靠地上送到集控中心，本文設(shè)計了一種基于時序數(shù)據(jù)的風(fēng)電集控故障信息上報系統(tǒng)，其主要用于將風(fēng)電場站側(cè)大量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障信息快速、可靠地上報到區(qū)域風(fēng)電集控中心。在上報前，將故障信息編碼成浮點型時序數(shù)據(jù)，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸后，在集控中心側(cè)進(jìn)行解碼、故障分析和實時的故障播報。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)故障信息的穩(wěn)定、低延遲、高精度的網(wǎng)絡(luò)傳輸，滿足區(qū)域風(fēng)電場關(guān)鍵設(shè)備故障信息的及時上報。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電集控? 風(fēng)機(jī)故障? 故障編碼? 時序數(shù)據(jù)

中圖分類號：TP319? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）06（b）-0039-06

Fault Reporting System Design for Wind Power Centralized Control Based on Time Series Data

SONG Kun? QI Gang? WANG Yongwen? YU Yang

（GuoDian Nanjing Automation Co.， Ltd.， Nanjing，Jiangsu Province，211102 China）

Abstract： In order to quickly and reliably send the fault information of a large number of wind turbine equipment under the jurisdiction of regional new energy centralized control to the centralized control center under the condition of limited power network bandwidth， a wind power centralized control fault information reporting system based on time series data is designed in this paper. It is mainly used to quickly and reliably report a large number of wind turbine fault information at the station side of the wind farm to the regional wind power centralized control center. Before reporting， the fault information is encoded into floating-point timing data， which is transmitted through the network， decoded at the centralized control center side for fault analysis and real-time fault broadcasting. The system can realize stable， low delay and high-precision network transmission of fault information， and meet the timely reporting of fault information of key equipment in regional wind farm.

Key Words： Wind power centralized control; Fault of wind-driven generator; Fault coding; Time series data

近年來，我國新能源產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，尤其是碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的確立，我國區(qū)域風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的規(guī)模日漸龐大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)（以下簡稱“風(fēng)機(jī)”）的種類也繁多。如何有效地應(yīng)對區(qū)域內(nèi)風(fēng)電設(shè)備集中運營帶來的專業(yè)技術(shù)人才緊缺、風(fēng)機(jī)故障運維等問題，成為風(fēng)電行業(yè)亟需解決的問題[1-2]。目前，各發(fā)電公司大多都建設(shè)了風(fēng)電遠(yuǎn)程集控中心，這已成為風(fēng)電行業(yè)轉(zhuǎn)增長、調(diào)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化發(fā)展方式的共識[3-5]。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障實時上報給區(qū)域風(fēng)電集控中心，一是為了風(fēng)電集控中心能夠?qū)崟r監(jiān)控各風(fēng)電場站的設(shè)備運行狀態(tài)，及時地為設(shè)備運維人員提供指導(dǎo);二是風(fēng)機(jī)運行過程中產(chǎn)生的海量歷史故障數(shù)據(jù)，能夠為數(shù)據(jù)分析人員利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、設(shè)備故障分析和診斷，甚至設(shè)備故障的提前預(yù)警提供保障[6-8]。因此，風(fēng)電場風(fēng)機(jī)設(shè)備的故障信息實時傳輸及準(zhǔn)確的播報，是保障風(fēng)電場安全穩(wěn)定運行的重要手段，也是整個區(qū)域風(fēng)電集控中心系統(tǒng)尤為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

時序數(shù)據(jù)是電力行業(yè)生產(chǎn)運行、分析和設(shè)備診斷的重要支撐。近年來，時序數(shù)據(jù)的應(yīng)用越來越廣泛[9-10]。為此，本文設(shè)計了一種基于時序數(shù)據(jù)編碼的風(fēng)電集控系統(tǒng)故障上報系統(tǒng)，定義了4種風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障信息編碼規(guī)則。系統(tǒng)利用統(tǒng)一的故障編碼規(guī)則，將風(fēng)電場的故障信息經(jīng)過編碼、傳輸、解碼后上報給區(qū)域風(fēng)電集控中心，實現(xiàn)風(fēng)電場站故障信息的低延遲、高精度、大容量的網(wǎng)絡(luò)傳輸，滿足在同等帶寬條件下，區(qū)域內(nèi)風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)故障信息實時監(jiān)控及故障診斷的需求。

1? 故障上報系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

充分利用時序數(shù)據(jù)傳輸速度快、占用空間小等優(yōu)勢，在風(fēng)電集控故障上報系統(tǒng)中，建立一套通用的故障信息編碼規(guī)則。在場站側(cè)進(jìn)行編碼，在集控中心側(cè)進(jìn)行解碼。為實現(xiàn)這一設(shè)計，本文建立了從數(shù)據(jù)表設(shè)計到數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)解碼、故障上報等一整套規(guī)則和流程。

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

單臺風(fēng)機(jī)的故障經(jīng)過故障編碼后傳送到場站側(cè)實時數(shù)據(jù)庫中，后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽^(qū)域風(fēng)電集控中心實時數(shù)據(jù)庫中。故障偵測程序根據(jù)實時測點信息進(jìn)行故障解碼。解碼后的故障完整信息廣播到區(qū)域的集中監(jiān)控SCADA系統(tǒng)，實現(xiàn)故障的遠(yuǎn)程上報與監(jiān)控管理。同時，區(qū)域集控中心的故障時序數(shù)據(jù)同步共享到電力集團(tuán)的云端平臺，用于數(shù)據(jù)挖掘，支撐新能源診斷應(yīng)用。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1.2 故障編碼規(guī)則及數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計

通過分析各風(fēng)機(jī)廠家故障碼信息，總結(jié)設(shè)計了一套故障編碼規(guī)則。同一類型的風(fēng)機(jī)使用一套故障代碼庫，使用相同的故障編碼規(guī)則。本文提出了4種風(fēng)機(jī)故障偵測編碼規(guī)則，分別是比特型、代碼型、布爾型及限值型。通過設(shè)計的編碼規(guī)則，將風(fēng)電場站側(cè)風(fēng)機(jī)故障信息轉(zhuǎn)換為實時庫的實時測點值，通過風(fēng)機(jī)向場站側(cè)實時庫傳輸數(shù)據(jù)，再由場站側(cè)實時庫向區(qū)域集控中心的實時數(shù)據(jù)庫同步數(shù)值，提高故障數(shù)據(jù)時效性，保障數(shù)據(jù)安全。

如圖2所示，風(fēng)電場站側(cè)的故障信息如果以傳統(tǒng)報文方式向區(qū)域集控中心傳輸，受到故障報文長度、故障數(shù)量多、有限的網(wǎng)路資源等條件限制，極大降低了故障上報的時效性、完整性及準(zhǔn)確性?；诠收暇幋a方式，在場站側(cè)直接將風(fēng)機(jī)故障轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的實時庫測點實時值，通過統(tǒng)一的通信規(guī)約，將故障信息以測點值的方式進(jìn)行傳輸。在區(qū)域集控側(cè)部署故障偵測解碼軟件，將故障測點實時值轉(zhuǎn)化為完整的故障上報信息。這種方式有效地減少了網(wǎng)絡(luò)傳輸資源，提高了故障上報區(qū)域集控的時效性和完整性。

1.3 數(shù)據(jù)表設(shè)計

基于故障編碼規(guī)則，設(shè)計了完整的數(shù)據(jù)存儲模型，主要包括故障代碼庫、故障信息定義庫、故障結(jié)果庫。其中，故障代碼庫存儲基于編碼的各個故障代碼及與其對應(yīng)的故障具體信息。故障信息定義庫用于配置存儲各單臺風(fēng)機(jī)的故障配置信息，故障結(jié)果庫用于存儲解碼后的故障具體信息，如表1所示。

2? 故障編碼規(guī)則定義

故障編碼規(guī)則用于對風(fēng)機(jī)故障信息進(jìn)行編碼、解析。在場站側(cè)，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備下具體的故障信息轉(zhuǎn)換為實時數(shù)據(jù)庫中測點值;在區(qū)域集控中心側(cè)，將測點值解析成具體故障信息。編碼與解碼過程互逆。

2.1 比特型故障偵測編碼規(guī)則定義

2.1.1 定義

比特型故障偵測編碼是指按照浮點型數(shù)據(jù)的比特位區(qū)分不同故障的編碼和解碼方式。

2.1.2 傳輸方式

按照傳輸?shù)墓收蠑?shù)量，每臺風(fēng)機(jī)設(shè)定n個浮點型實時測點，以O(shè)PC方式或者M(jìn)odBus規(guī)約傳送。

2.1.3 解析方式

每個單精度浮點型（Float）測點為32位（4字節(jié)，1Byte=8bit）二進(jìn)制數(shù)。這32位二進(jìn)制每一位的比特值代表一個故障，其中1代表故障發(fā)生，0代表故障未發(fā)生。實際應(yīng)用中，這32位只用其中的低31位，最高為符號位不用。那么一個測點值就可以表示0～31個故障。假設(shè)某臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)共有m個故障點，那需要采用n個浮點型測點。

（1）

注意，一個浮點型測點低字節(jié)在右，高字節(jié)在左。因此，假設(shè)第n個測點值不為0，那么先將這個浮點型數(shù)值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的二進(jìn)制比特數(shù)組。假設(shè)第k個比特位值為1，那么其對應(yīng)某型風(fēng)機(jī)廠家的代碼表里第31×（n-1）+k個故障。

2.1.4 編碼實例說明

假設(shè)某一臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)共有18個float測點，每個測點低31位比特位全部有效。傳輸?shù)?8個測點值分別為：0，0，1082130436，0，0，…

分析如下。

這臺風(fēng)機(jī)共傳輸了18×31=558個故障點位。

第1、2個測點都為0，float數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)為00000000 00000000 00000000 00000000和00000000 00000000 00000000 00000000。表示這2個測點各位代表的故障均未發(fā)生。

第3個測點>0，說明有故障發(fā)生。將第3個測點轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制為：01000000 10000000 00000000 0000100。其余測點值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制全是 00000000 00000000 00000000 00000000，合計558個二進(jìn)制值。

那么第3個測點值對應(yīng)的二進(jìn)制值從低字節(jié)到高字節(jié)，發(fā)現(xiàn)第3、24、31比特位值為1，發(fā)生了故障。根據(jù)解析方式匹配風(fēng)機(jī)廠家故障代碼表得知第31×（3-1）+3=65、31×（3-1）+24=86、31×（3-1）+31=93個故障點位發(fā)生了故障。每隔一段時間刷新一下測點值，查看新增或者消缺后的故障。每個float測點最大使用31位二進(jìn)制位，所以最多傳輸31個故障。

每個float測點也可以傳輸少于31個故障，即一個float測點的31個二進(jìn)制位可以不完全用，主要看編碼和解碼方的約定。比如可以用其中的低16位，高15位不用。如上述例子中，如果每個float測點只傳輸16個故障（低16位有效），這樣要傳輸全部558個測點，就需要558÷ 16+1=35個float測點。解析規(guī)則與32位解析規(guī)則相同。

2.2 代碼型故障偵測編碼規(guī)則定義

2.2.1 定義

代碼型故障是指對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障編碼，每一種故障用一個浮點型數(shù)值表示。每個分在故障發(fā)生時，以編碼數(shù)值對應(yīng)的故障代碼值方式上報，未發(fā)生故障（測點值為0）時不播報。

2.2.2 傳輸方式

按照傳輸故障數(shù)量，每臺風(fēng)機(jī)設(shè)定n個float測點，以O(shè)PC方式或者M(jìn)odBus規(guī)約傳送。

2.2.3 解析方式

假設(shè)某臺風(fēng)機(jī)有n個故障點，針對每臺風(fēng)機(jī)在數(shù)據(jù)庫中預(yù)設(shè)m個浮點型數(shù)據(jù)點位。其中，m

2.2.4 舉例說明

假設(shè)一臺風(fēng)機(jī)設(shè)置8個浮點型故障測點，這8個測點的值分別為：102，203，0，0，0，0，0，0，則標(biāo)識這臺風(fēng)機(jī)發(fā)生了2個故障，102號和203號故障，根據(jù)故障代碼庫直接查詢第102和203號故障代表的是何種故障。如果下一時刻這8個測點值發(fā)生改變?yōu)?31，203，0，0，0，0，0，0，則表示102號故障結(jié)束，631號故障發(fā)生，203故障依然存在;如果再下一時刻這8個測點值發(fā)生改變，為631，4，203，0，0，0，0，0，則新發(fā)生了4號故障，631和203故障未結(jié)束。

2.3 布爾型故障偵測編碼規(guī)則定義

2.3.1 定義

布爾型故障是指每條故障信息分別占用數(shù)據(jù)庫中的一個浮點型測點位，其值為0或者1。測點值為1時，代表該故障發(fā)生。為0時，代表該故障結(jié)束。

2.3.2 傳輸方式

按照傳輸故障數(shù)量，每臺風(fēng)機(jī)設(shè)定n個浮點型測點，以O(shè)PC或ModBus規(guī)約傳送。

2.3.3 解析方式

布爾型故障偵測編碼是把風(fēng)力發(fā)電機(jī)對應(yīng)的數(shù)值用1表示故障發(fā)生，0表示故障未發(fā)生。假設(shè)某一臺風(fēng)機(jī)設(shè)備共有n個故障點，數(shù)據(jù)庫建立對應(yīng)的n個浮點型測點（float）。

2.3.4 舉例說明

假設(shè)一個風(fēng)機(jī)設(shè)備可測量的共有32個故障信息。那么，采用布爾型編碼就有32個數(shù)據(jù)庫測點位。數(shù)據(jù)庫中的每個測點值只能為1或0。如果第i個故障發(fā)生了，那么第i個測點值就為1值。若該故障消失后，其值恢復(fù)變?yōu)?值。

2.4 限值型故障偵測編碼規(guī)則定義

2.4.1 定義

限值型故障是指傳輸?shù)膄loat測點值超越上限或下限時發(fā)生的故障。每個float測點根據(jù)其值不同，可表示3種狀態(tài)：越下限故障、正常、越上限故障。

2.4.2 傳輸方式

按照傳輸故障數(shù)量，每臺風(fēng)機(jī)設(shè)定n個float測點，以O(shè)PC、ModBus或者IEC104等規(guī)約傳送。

2.4.3 解析方式

每個故障點對應(yīng)一個float測點值，其值介于[min，max]之間，其值低于min或者高于max都表示故障發(fā)生。根據(jù)不同的故障點定義不同的正常取值范圍。n個float測點則有n個范圍區(qū)間。

2.4.4 舉例說明

假設(shè)一個風(fēng)力發(fā)電機(jī)的溫度float測點，正常值范圍20～90℃。如果其float值大于90℃，則為溫度越上限故障（或告警），如果其float值小于20℃，則為溫度越下限故障（或告警）。

3? 應(yīng)用實例

3.1 區(qū)域集控實例說明

本文以某大型發(fā)電集團(tuán)內(nèi)蒙區(qū)域集控中心為例，該區(qū)域內(nèi)擁有風(fēng)機(jī)場站11個。各個場站內(nèi)由于自身建設(shè)需要等歷史原因，裝備了國內(nèi)外15種型號的風(fēng)機(jī)，包括華銳、ABB、金風(fēng)、歌美颯、東汽等主流型號風(fēng)機(jī)。區(qū)域內(nèi)需要監(jiān)控的風(fēng)機(jī)總數(shù)為705臺，故障總數(shù)量高達(dá)107 965個?；谝陨蠌?fù)雜的風(fēng)機(jī)機(jī)型情況，根據(jù)本文設(shè)計的編碼規(guī)則，使用本文設(shè)計的全部4種編碼規(guī)則，部署一套完整的故障從場站側(cè)故障向區(qū)域側(cè)進(jìn)行實時上報的偵測系統(tǒng)，用于區(qū)域集控中心進(jìn)行集中監(jiān)控管理。該系統(tǒng)已在現(xiàn)場穩(wěn)定運行時間超過1年，運行情況平穩(wěn)，故障上報準(zhǔn)確及時?；诠收暇幋a方式，該區(qū)域內(nèi)風(fēng)電場故障上報系統(tǒng)配置如表2所示。

3.2 基于編碼的故障上報系統(tǒng)測試

本文使用故障編碼規(guī)則，完成系統(tǒng)配置后，系統(tǒng)部署在區(qū)域集控側(cè)，選取穩(wěn)定運行時間段在2018年1月至2018年12月1年內(nèi)的運行數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，主要測試分析項目如下。

展示近1年內(nèi)故障上報數(shù)量及各時間段內(nèi)故障分布情況;測試多故障同時發(fā)生時系統(tǒng)并發(fā)處理能力;分析故障上報系統(tǒng)承壓能力。

分析測試運行時間段內(nèi)，故障上報區(qū)域風(fēng)電集控中心的準(zhǔn)確率，故障發(fā)生時場站側(cè)與區(qū)域集控中心側(cè)時效偏差。

3.2.1 故障上報承壓能力分析

2018年內(nèi)蒙區(qū)域內(nèi)場站向上上報故障總數(shù)量在127.8萬條。每月上送故障信息數(shù)量如圖3所示。由于風(fēng)機(jī)運行環(huán)境惡劣，各場站運維水平差異，當(dāng)月內(nèi)故障上報數(shù)量均維持在8～13萬之間，高峰時期當(dāng)月故障發(fā)生量在15萬左右。故障上報系統(tǒng)在基于編碼方式進(jìn)行故障向集控中心傳送時，具備負(fù)擔(dān)起大數(shù)據(jù)量的故障上報能力。故障上報過程中包含了故障偵測、故障處理、故障傳送整個流程。各個過程需要大量的邏輯計算、并發(fā)處理、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等操作，上報系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化。調(diào)試后，完全具備承受10萬/月故障信息上報的能力。

3.2.2 故障上報準(zhǔn)確率分析

如圖4所示，故障上報準(zhǔn)確率定義為場站側(cè)的故障信息與上送給區(qū)域后存入數(shù)據(jù)庫之間的差異率，表征故障信息上報的完整性。上報系統(tǒng)技術(shù)要求故障信息上報準(zhǔn)確率不低于99.9%，場站側(cè)與區(qū)域側(cè)故障偏差率低于0.1%?，F(xiàn)統(tǒng)計分析2018年度場站側(cè)與區(qū)域側(cè)故障數(shù)量偏差。如圖4所示，單月內(nèi)故障偏差數(shù)量絕對值小于50條，偏差率小于0.05%，達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。出現(xiàn)偏差原因經(jīng)分析是：風(fēng)機(jī)故障在50ms反復(fù)出現(xiàn)故障時故障解析程序漏檢;實時數(shù)據(jù)庫因素影響;網(wǎng)絡(luò)發(fā)生短暫中斷或波動時數(shù)據(jù)丟失。

3.2.3 故障上報時效性分析

如圖5所示，故障上報時效性指故障在風(fēng)電場站側(cè)發(fā)生后，到上送到區(qū)域集控中心之間的時間偏差，表征故障上報的時效性。如果故障上報時效性低，會導(dǎo)致故障在集控中心側(cè)出現(xiàn)播報延遲，影響區(qū)域集控對場站風(fēng)機(jī)即時有效的運維監(jiān)控管理。現(xiàn)就故障上報系統(tǒng)時效性做如下測試：在1s內(nèi)先后上報從1到2000條不等的故障信息，記錄場站側(cè)與區(qū)域側(cè)的時效偏差。如圖5所示，在每秒內(nèi)故障并發(fā)數(shù)量在1000條以下是，時效偏差咋100ms左右，后隨著故障數(shù)量上升，時效偏差逐漸增長，但在不超過2000條時效偏差維持在550ms，處于次秒級水平，完全可以滿足區(qū)域側(cè)的監(jiān)控運維要求。

4? 結(jié)語

本文在研究各類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障組成及上報模式的基礎(chǔ)上，設(shè)計提出了4種故障編碼規(guī)則，用于解決風(fēng)電場站側(cè)故障信息的穩(wěn)定、低延遲、高精度的網(wǎng)絡(luò)傳輸問題，滿足區(qū)域?qū)︼L(fēng)電場的風(fēng)機(jī)故障信息進(jìn)行實時監(jiān)控與運維的需求。基于時序數(shù)據(jù)的故障信息編碼規(guī)則，建立了一套完整的風(fēng)電集控故障上報系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)區(qū)域集控中心實時、穩(wěn)定、可靠地獲取風(fēng)電場站側(cè)風(fēng)機(jī)的故障信息。4種編碼規(guī)則適用于廠家的生產(chǎn)的各類型風(fēng)機(jī)設(shè)備，故障信息上報過程中減少了數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)資源，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?、實時性和穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

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