雙碳目標(biāo)下智慧風(fēng)場(chǎng)建設(shè)的幾點(diǎn)思考

張文忠 汪 鋒 李海港

（華銳風(fēng)電科技（集團(tuán)）股份有限公司）

0 引言

隨著風(fēng)電行業(yè)的不斷發(fā)展進(jìn)步，風(fēng)電技術(shù)的不斷迭代升級(jí)，現(xiàn)有的風(fēng)電場(chǎng)管理技術(shù)和工具已經(jīng)不能滿足新型電力系統(tǒng)和規(guī)?；L(fēng)電發(fā)展的需要。雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要規(guī)?；履茉措娬镜慕ㄔO(shè)，與此同時(shí)，也催生了新一代智慧風(fēng)場(chǎng)的建設(shè)、發(fā)展和升級(jí)。

1 目標(biāo)與挑戰(zhàn)

1.1 目標(biāo)

智慧風(fēng)場(chǎng)包含多重要素，其建設(shè)需要充分考慮“風(fēng)、機(jī)、場(chǎng)、網(wǎng)、環(huán)”等方方面面的因素，主要包括以下五個(gè)方面。

1）風(fēng)能利用：通過(guò)激光測(cè)風(fēng)、功率預(yù)測(cè)、先進(jìn)控制、場(chǎng)群控制技術(shù)等技術(shù)識(shí)別不同的載荷工況，實(shí)現(xiàn)超前感知和優(yōu)化控制，提高風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量和智能化水平。

2）智能風(fēng)機(jī)：對(duì)風(fēng)機(jī)安全度、可靠度和健康度進(jìn)行評(píng)估和管理。開展缺陷識(shí)別、預(yù)警、診斷及容錯(cuò)控制，制定基于健康度的檢修輔助決策。

3）智慧風(fēng)場(chǎng)管理：通過(guò)精細(xì)化管理、信息資源共享和優(yōu)化管控實(shí)現(xiàn)降本增效。利用大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)、無(wú)人機(jī)及輔助機(jī)器人，提高風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)管理水平，實(shí)現(xiàn)少人值守。

4）電網(wǎng)友好：實(shí)現(xiàn)有功調(diào)節(jié)和調(diào)頻慣量，無(wú)功調(diào)節(jié)和電壓控制。開展構(gòu)網(wǎng)電壓源型等新型智能技術(shù)研究，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。

5）電力市場(chǎng)：通過(guò)高精度功率預(yù)測(cè)，增強(qiáng)現(xiàn)貨市場(chǎng)決策能力。研究適應(yīng)電力市場(chǎng)的風(fēng)儲(chǔ)資源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度技術(shù)；提供新型儲(chǔ)能共享及輔助服務(wù)等。

1.2 挑戰(zhàn)

智慧風(fēng)場(chǎng)建設(shè)同樣也面臨著諸多挑戰(zhàn)。風(fēng)電行業(yè)、風(fēng)機(jī)制造和風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)等不同層面上，都存在很多的問(wèn)題亟須通過(guò)技術(shù)革新、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和行業(yè)自律等逐步解決和完善。

1）風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)成本：行業(yè)的低價(jià)無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致了參與者在智慧風(fēng)場(chǎng)的建設(shè)上投入較少。

2）數(shù)據(jù)共享：風(fēng)機(jī)、風(fēng)場(chǎng)和集控的不同系統(tǒng)之間通訊協(xié)議不一致、接口開放難度大，難以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

3）配儲(chǔ)系統(tǒng)的價(jià)值：風(fēng)電項(xiàng)目強(qiáng)制配儲(chǔ)在支撐電網(wǎng)、改善出力的系統(tǒng)價(jià)值未得到充分體現(xiàn)。

4）算法和模型的有效性：各類優(yōu)化算法及診斷預(yù)警模型在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的有效性有待提高。

5）全生命周期建設(shè)：目前的智慧風(fēng)場(chǎng)建設(shè)主要集中在風(fēng)場(chǎng)項(xiàng)目的生產(chǎn)建設(shè)期，缺乏和風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)、配置環(huán)節(jié)的有效銜接。

2 總體原則和框架

2.1 總體原則

智慧風(fēng)場(chǎng)建設(shè)是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程，需要遵循科學(xué)有效的方法。圍繞智慧風(fēng)場(chǎng)建設(shè)的目標(biāo)，智慧風(fēng)場(chǎng)建設(shè)的總體原則應(yīng)包括“系統(tǒng)工程、循序漸進(jìn)、因地制宜、以人為本”四個(gè)方面，具體如下表所示。

表 智慧風(fēng)場(chǎng)建設(shè)總體原則

2.2 總體框架

智慧風(fēng)場(chǎng)建設(shè)的總體框架，包括三個(gè)協(xié)同和六個(gè)專項(xiàng)。

“三個(gè)協(xié)同”是指風(fēng)機(jī)安全要素的協(xié)同、監(jiān)測(cè)方式的協(xié)同、專項(xiàng)平臺(tái)的協(xié)同，分別從整機(jī)安全設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理、在線及離線傳感技術(shù)應(yīng)用和多層次平臺(tái)融合等維度闡述系統(tǒng)發(fā)展的價(jià)值與意義。

“六個(gè)專項(xiàng)”是指風(fēng)機(jī)智能控制技術(shù)、集控控制技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)、AI 和人工智能技術(shù)、無(wú)人化技術(shù)以及典型特征場(chǎng)景的智能運(yùn)維等。從風(fēng)機(jī)控制和風(fēng)場(chǎng)管理，再到智能運(yùn)維，全面介紹了智慧風(fēng)場(chǎng)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)和研究重點(diǎn)。

3 建設(shè)內(nèi)容

3.1 三大協(xié)同技術(shù)

（1）風(fēng)機(jī)的安全設(shè)計(jì)

如圖1 所示，安全是風(fēng)機(jī)運(yùn)行的首要條件，風(fēng)機(jī)的安全設(shè)計(jì)是風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)安全設(shè)計(jì)主要遵循高本體安全裕度的設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)裕量較大，風(fēng)機(jī)重量較高，如基于設(shè)計(jì)導(dǎo)則，設(shè)計(jì)軟件及包絡(luò)邊界開展基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，結(jié)合極限、疲勞載荷評(píng)估提高生產(chǎn)工藝裕度，提升機(jī)組在各種工況下的安全運(yùn)行能力等。

圖1

隨著智能傳感技術(shù)、信息技術(shù)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展和跨界融合，風(fēng)機(jī)安全設(shè)計(jì)正從高本體安全裕度設(shè)計(jì)向精準(zhǔn)的檢測(cè)保護(hù)設(shè)計(jì)方向發(fā)展，主要體現(xiàn)在：

1）智能傳感器：通過(guò)凈空監(jiān)測(cè)、螺栓監(jiān)測(cè)、軟傳感器技術(shù)建立智能傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)全方位安全監(jiān)測(cè)。

2）風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化：開展精細(xì)化的風(fēng)資源評(píng)估和選址、更加科學(xué)的材料特性分析、精細(xì)化載荷計(jì)算，應(yīng)用獨(dú)立變槳、激光測(cè)風(fēng)等載荷優(yōu)化控制算法。

3）安全保護(hù)控制算法：應(yīng)用基于超感知的安全保護(hù)算法，如凈空保護(hù)，結(jié)冰監(jiān)測(cè)及保護(hù)等，基于前饋測(cè)風(fēng)的極限工況避讓策略，以及風(fēng)機(jī)容錯(cuò)控制等。

（2）風(fēng)機(jī)檢測(cè)方案的選擇

風(fēng)電場(chǎng)傳感器類型較多，為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的智能控制、檢測(cè)保護(hù)等目標(biāo)，需要合理選擇傳感器，在線傳感器（見(jiàn)圖2）和離線傳感器（見(jiàn)圖3）各有應(yīng)用場(chǎng)景，隨著技術(shù)進(jìn)步、成本下降和智能化需求的增加，在線、智能傳感器的比例在不斷上升。

圖2

圖3

（3）專項(xiàng)平臺(tái)間的協(xié)同及融合

隨著對(duì)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)各類專項(xiàng)指標(biāo)的細(xì)化，不同功能的監(jiān)控平臺(tái)也應(yīng)運(yùn)而生，這些平臺(tái)多數(shù)由不同時(shí)期的不同廠商提供，雖然對(duì)專項(xiàng)信息相關(guān)內(nèi)容顯示頗多，但對(duì)其他的風(fēng)場(chǎng)關(guān)注信息顯示不足，運(yùn)維人員需操作多個(gè)平臺(tái)才能完成目標(biāo)任務(wù)，耗時(shí)費(fèi)力、操作錯(cuò)誤率高。

建立風(fēng)電場(chǎng)智慧管控平臺(tái)，可以有效地提升風(fēng)電場(chǎng)的管理效率、集約運(yùn)維人力資源、提升設(shè)備運(yùn)行水平、提高整體發(fā)電效率，主要包括：

1）將風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀態(tài)、視頻監(jiān)控信息等在統(tǒng)一的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)集中管理、監(jiān)控，幫助運(yùn)維人員對(duì)問(wèn)題進(jìn)行快速響應(yīng)。

2）輔以移動(dòng)化的作業(yè)終端等手段，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與控制中心的實(shí)時(shí)、直觀的互動(dòng)。

3.2 六個(gè)專項(xiàng)技術(shù)

（1）風(fēng)機(jī)智能控制技術(shù)

風(fēng)機(jī)智能控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)載荷優(yōu)化、風(fēng)機(jī)可靠性提升和發(fā)電性能優(yōu)化的核心方法。以風(fēng)機(jī)建模、高精度模式識(shí)別為基礎(chǔ)，結(jié)合部件設(shè)計(jì)和工藝，整機(jī)集成設(shè)計(jì)及工藝，實(shí)現(xiàn)激光前饋控制、獨(dú)立變槳等先進(jìn)控制算法。

智能控制技術(shù)由超感知技術(shù)、前饋控制技術(shù)、基于模型的控制技術(shù)以及容錯(cuò)控制技術(shù)ETS 等組成，如激光前饋技術(shù)、獨(dú)立變槳技術(shù)的應(yīng)用能夠有效降低機(jī)組的極限和疲勞載荷；容錯(cuò)控制技術(shù)及模糊控制技術(shù)等能夠有效提升風(fēng)機(jī)發(fā)電性能。

（2）集控控制技術(shù)

如圖4 所示，風(fēng)電場(chǎng)集群控制技術(shù)和風(fēng)機(jī)智能控制技術(shù)相互依存，協(xié)同發(fā)展。集群控制技術(shù)可以從風(fēng)電場(chǎng)整體布局、綜合尋優(yōu)的角度降低機(jī)組的運(yùn)行載荷和風(fēng)險(xiǎn)，提高風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)智能管理和高效運(yùn)維。

圖4

通過(guò)抗渦激策略，虛擬測(cè)風(fēng)技術(shù)和集群運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，識(shí)別安全隱患、預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)，可以降低機(jī)組極限載荷沖擊，保障機(jī)組運(yùn)行安全。

通過(guò)將風(fēng)功率預(yù)測(cè)及CFD 技術(shù)用于機(jī)組的超前控制，風(fēng)機(jī)偏航變槳誤差分析，不同風(fēng)場(chǎng)特性下的運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化等技術(shù)提升機(jī)組控制精度和發(fā)電量。

通過(guò)開展風(fēng)機(jī)健康度量化分析，并基于健康度優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)能量分配策略、風(fēng)電場(chǎng)智能運(yùn)維方式，以及基于功率預(yù)測(cè)的風(fēng)電場(chǎng)計(jì)劃進(jìn)行派單，提高風(fēng)電場(chǎng)智能管理水平，實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)維。

（3）數(shù)字孿生技術(shù)的價(jià)值挖掘

數(shù)字孿生技術(shù)是融合大數(shù)據(jù)、機(jī)理特性、信息技術(shù)于一體的新型管理優(yōu)化方法，充分挖掘數(shù)字孿生的技術(shù)的價(jià)值，可以為智慧風(fēng)場(chǎng)的建設(shè)提供新的思路和方案，數(shù)字孿生可應(yīng)用于：

1）數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)機(jī)控制過(guò)程的故障預(yù)警、建模和容錯(cuò)控制；

2）數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用風(fēng)機(jī)故障診斷和剩余壽命預(yù)測(cè)；

3）提供3D 人機(jī)交互解決方案。

（4）AI 技術(shù)賦能智能風(fēng)電場(chǎng)

人工智能技術(shù)的跨界應(yīng)用，將助力智慧風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1）提升風(fēng)機(jī)的智能感知及數(shù)據(jù)綜合利用，如圖像識(shí)別、特征提取、數(shù)據(jù)建模及功率預(yù)測(cè)等；

2）提升風(fēng)電場(chǎng)可靠性及運(yùn)維管理水平，風(fēng)電機(jī)組的故障預(yù)警、診斷及壽命管理等；

3）實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)提質(zhì)增效，模式識(shí)別、邊緣控制和風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化等。

在AI 技術(shù)的應(yīng)用較多，包括螺栓圖像識(shí)別及建設(shè)、風(fēng)機(jī)智能感知、模式識(shí)別及邊緣計(jì)算、風(fēng)機(jī)模糊控制和自適應(yīng)控制、大數(shù)據(jù)挖掘和建模、故障處理專家系統(tǒng)建設(shè)等。

（5）無(wú)人化技術(shù)的應(yīng)用

機(jī)器人輔助在風(fēng)機(jī)及升壓站維護(hù)、管理上將發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，主要體現(xiàn)在機(jī)器人巡檢、機(jī)器人維護(hù)和機(jī)器人消缺三個(gè)方面，具體來(lái)說(shuō)：

1）葉片、線路的無(wú)人機(jī)巡檢及圖像識(shí)別；

2）在風(fēng)機(jī)內(nèi)，主要采用微距或軌道機(jī)器人的方式進(jìn)行巡檢。

3）在升壓站內(nèi)，行走機(jī)器人在拍照識(shí)別、測(cè)溫、抄表等方面應(yīng)用較多。

4）在機(jī)器人維護(hù)上，對(duì)于塔筒清洗、葉片清洗、塔筒螺栓力矩維護(hù)等方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化工作。

5）在機(jī)器人消缺方面，由于消缺的難度較大，目前可以實(shí)現(xiàn)專家?guī)斓拇罱üぷ?，以專家系統(tǒng)指導(dǎo)人開展消缺工作。

（6）典型特征場(chǎng)景智慧運(yùn)維能力的強(qiáng)化

隨著產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展以及國(guó)家規(guī)劃，沙戈荒大基地及海上大基地建設(shè)是新增風(fēng)電裝機(jī)的主要組成部分，以海上風(fēng)電場(chǎng)為例，由于出海條件制約，設(shè)備維護(hù)難度大，傳統(tǒng)的故障診斷能力不足以支撐運(yùn)維成本的降低，是海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)依然面臨的主要問(wèn)題之一。主要體現(xiàn)在：

1）機(jī)組運(yùn)行、故障數(shù)據(jù)的匱乏等原因影響了遠(yuǎn)程診斷和預(yù)警水平的提高。

2）海況的不確定性常引起連續(xù)停機(jī)，而海上交通很不便利，加之惡劣條件影響，導(dǎo)致維護(hù)作業(yè)有效時(shí)間短、效率低。

通過(guò)應(yīng)用新技術(shù)和新的管理工具能夠有效強(qiáng)化海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)維能力，主要包括：

1）提高風(fēng)機(jī)的容錯(cuò)能力，降低登記運(yùn)維的頻次。

2）提高風(fēng)機(jī)的預(yù)警能力，提前規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，減少風(fēng)機(jī)故障停機(jī)時(shí)間。

3）提高風(fēng)機(jī)的故障診斷能力，配合專家?guī)焯嵘\(yùn)維效率。

4 總結(jié)和展望

雙碳目標(biāo)、能源革命和新型電力系統(tǒng)對(duì)于新能源場(chǎng)站建設(shè)提出了更多的需求，分散式風(fēng)電、沙戈荒、深遠(yuǎn)海等不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)智能運(yùn)維提出了新的挑戰(zhàn)，新型電力電子，儲(chǔ)能、氫能等新型產(chǎn)業(yè)融合對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行和電力消納提出了新的要求，因此，雙碳目標(biāo)下的智慧風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)是風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也存在諸多需要解決的挑戰(zhàn)和問(wèn)題，如高比例新能源接入電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)、大功率機(jī)組的控制、深遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)維等。

未來(lái)，隨著智能傳感、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，智慧風(fēng)電場(chǎng)將會(huì)迎來(lái)更加廣闊的發(fā)展空間和前景；通過(guò)產(chǎn)業(yè)的深度研究及跨界技術(shù)引進(jìn)和融合，未來(lái)智慧風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)將會(huì)更加智能化、數(shù)字化和可持續(xù)發(fā)展，在風(fēng)機(jī)多層智能控制、集群控制、基于大數(shù)據(jù)的應(yīng)用、機(jī)器替人和無(wú)人值守、兩個(gè)“一體化”上將取得更多的創(chuàng)新和突破。