面向智慧風電場的遠距離控制與運維管理技術研究

張 軍

（永?？h中翔能源有限公司，廣西欽州 535000）

“智慧風電場”概念已被提出多年，迄今為止，在業界并沒有形成統一的定論。5G、大數據、人工智能等新一代高新技術及風電技術的不斷發展，為智慧風電場建設提供了重要基礎條件，也為智慧風電場提供了新的發展契機。文章對智慧風電場的遠距離控制與運維管理關鍵技術進行了探討，并提出了一種風電場智慧型一體化監控系統的建設方案，以推進風電場智能化水平的進一步提升。

1 智慧風電場概述

智慧風電場是一種利用先進技術和智能系統來提高風電場運營效率，降低成本，優化能源產量的風電發電系統。其整合了現代信息技術、大數據分析、人工智能等技術，以實現對風電場各方面的實時監控、優化管理和預測性維護。

智慧風電場具有以下基本特征。

（1）學習性。智慧風電場可通過持續的數據收集和分析，不斷優化運行策略，提高發電效率和可靠性。

（2）成長性。智慧風電場具有良好的擴展性，可根據需要，靈活地增加風機數量，適應不同規模的電力需求。

（3）開放性。智慧風電場采用先進的信息技術，通常具有開放的系統架構，可與其他智能系統、電力網絡等互相連接，實現信息共享和資源整合。

（4）異構性。智慧風電場通常由多個不同型號、不同規格的風機組成，這些風機可能來自不同的制造商，系統需要具備處理這種異構性的能力。

（5）友好性。智慧風電場利用可再生風能資源，可減少對傳統化石能源的依賴，從而降低環境負荷，減緩氣候變化。

這些特征使得智慧風電場成為一種高度智能化、靈活可控、可持續發展的清潔能源解決方案，對于推動清潔能源轉型和提升電力系統的智能化水平起到了積極的推動作用。

2 智慧風電場體系架構

2.1 智慧風電場的生產管理維度

（1）風機級。具有自我調節、自我保護，對重大故障直接反應等基本功能的智能風機。

（2）場站級?；跉庀髷祿惋L場拓撲，對風電場的布局進行優化，最大程度利用風資源。對整個風電場進行實時監控，及時調度風機運行狀態，以保證場站的整體穩定性和高效性。

（3）集控級。集中監控和調度所有場站，協調風電場間的運行，保障整個風電項目的高效穩定運行。對從各場站收集的數據進行綜合分析，為決策者提供可靠的參考和建議，以優化運營策略。

（4）集團化管控級。其主要任務是實現風電場的智慧發展，要求持續學習、持續優化，分類指導風電智慧化發展。

2.2 智慧風電場的信息系統維度

智慧風電場的信息系統維度分為基礎設施級（硬件基礎）、支撐平臺級（軟件基礎架構）、應用平臺級（建設目標的各類應用）3個部分。

（1）基礎設施級。這一層次包括了構成智慧風電系統基礎的硬件設施，包括風力發電機、變流器、傳感器、控制器、通信設備等。這些組件共同構成了一個完整的物理基礎，為系統的運行提供支持。

（2）支撐平臺級。這一層次涵蓋了在硬件基礎上運行的軟件基礎架構，包括操作系統、數據庫、網絡架構、通信協議等。支撐平臺級的軟件提供了對硬件的管理、控制和數據處理功能。

（3）應用平臺級。這一層次是智慧風電系統中的最高級別，涵蓋了各種用于實現具體功能和目標的應用程序，包括數據分析、故障檢測、性能優化、遠程監控等各類應用。

總之，智慧風電系統的架構采用高效融合計算、存儲和網絡技術，基于多元異構計算構建，形成了一個結合邊緣計算和云端計算的智能架構。不同層次的計算能力和側重點各異，不同層次的體系結構引入了不同的計算能力，以實現對數據的高效、實時處理，從而使風電系統在各層級上都能實現智能化。

3 智慧風電場遠距離控制與運維管理關鍵技術

隨著風電場建設規模的不斷擴大，傳統的現場巡檢和維護方式已無法滿足日益增長的需求。智慧風電場遠距離控制技術的應用，使得運維管理人員可在辦公室，甚至在數百甚至數千公里外，通過網絡遠程訪問風電場的所有設備，實時獲取各項關鍵數據。智慧風電場遠距離控制技術，融合了先進的信息技術、通信技術及人工智能等多種高新技術，實現了對風電場的遠程監控、實時調度和故障診斷。

3.1 數據采集技術

精準地采集風機數據對于評估風機和整個風電場的性能、運行狀況、發電量預測等方面具有重要的作用。然而，通常情況下風電場在單位時間內需要采集的數據量十分龐大，數據種類呈多樣化，因此在數據質量方面難以得到有效保證。目前，絕大多數風電企業在數據采集工作方面面臨著成本高、安全性低、標準不統一、數據獲取不全面等問題，對數據采集工作造成了極大的挑戰。

為解決此類問題，并為后續場站、區域集中管控、總部生產調度等信息建設提供可靠的數據來源，迫切需要開展標準化、精準化的風電機組數據采集技術工作。其中，風機數據直接采集作為一種能夠屏蔽不同機型差異的數據采集技術，為風電機組數據采集工作帶來了新的機遇，其主要涉及數據的主動采集、通信規約的解析、數據標準化輸出及風機狀態的精準識別等多項關鍵技術。

3.2 智能優化控制技術

風電場智能優化控制技術可增強風電對電網安全穩定運行的支持能力，是保障智慧風電系統穩定、靈活運行的關鍵。建立一個統一的能量管理平臺，并適用于多種型號的風力發電機組，可保障風電機組的穩定運行，進而獲得最大的風能利用率，保證供電可靠性，實現對整個風電場場群的優化控制。同時，還可探索先進的儲能技術，實現電力的調峰和調頻，靈活控制并網電量，減小電網的波動，并研究無功功率控制方法，在風機允許的范圍內，全面響應調度對無功功率控制的要求。

3.3 網絡通信技術

通信系統需要實現對風機內部、就地監控、中央監控和遠程監控間的數據傳輸和指令傳遞。然而，現有的有線通信網絡難以滿足對風電場監控系統和通信系統可靠性和安全性的要求。應針對不同風機廠家的通信規約差異，制訂統一的通信傳輸技術標準。隨著風電場容量的不斷加大，亟需研發先進的網絡通信技術，同時，考慮到有線介質可能會遇到不可控因素遭到破壞，因此應盡可能采用無線通信技術，提升其靈活性。

3.4 多源異構數據融合技術

風電機組配備了不同類型及規格的傳感器，如振動傳感器、紅外傳感器、視頻傳感器及溫度濕度傳感器等。這些不同類型的傳感器節點產生的風電數據呈現出多維度、異構性。如何有效地將這些來自不同源頭、具有實時要求的時間序列數據進行融合處理，以保證運行系統能夠快速、準確地做出決策與控制，是目前面臨的一個重要問題。

多源異構數據融合技術，可在不同階段和目標下采取相應的融合策略。其核心問題在于選擇合適的數據融合算法，而不同層次的融合策略研究為后期智慧風電系統的決策分析提供了數據質量的保證。

3.5 系統架構信息安全技術

智慧風電系統由于技術復雜，并屬于全開放交互的架構，因此在建設方面極易出現漏洞，給智慧風電系統的安全防護工作帶來了巨大挑戰。智慧風電體系架構的安全防護需要滿足多層次的保護要求，并具有靈活性強、功能易擴展等特征，因此，需要融合邊緣計算、云計算等多種異構計算體系的智慧風電體系架構，為數據安全管理等方面提供強有力的技術支持。

3.6 智能傳感技術

風電機組、升壓站及測風塔上安裝的傳感器節點，通過有線或無線方式形成了一個傳感器網絡，能夠全面實時地感知、監測并收集覆蓋區域內的各類設備及環境等數據信息，并將這些數據實時傳輸至控制中心，進而減小設備故障率，降低維修成本，保障設備安全。智能傳感器技術是實現智慧風電精準感知的基礎硬件保障，因此，智慧風電場建設過程中，應加強智能傳感器的設計、傳感器節點的布設及能量優化策略，保證傳感器網絡高效準確運行。

4 風電場智慧型一體化監控系統的建設方案

智慧型一體化監控管理系統，涵蓋了設備狀態全面感知、無人機器巡視巡檢、設備缺陷主動預警、遠程操作一鍵順控、主輔設備智能聯動、人員設備智能管控、行為決策智慧輔助等技術特征，可實現對全場的遠程實時全景智能化監控，并進行各類數據的集中化管理，實現無人值守、少人集控的智慧化運維管理新模式。

4.1 系統基本情況

建設智慧型一體化監控管理平臺，應采用統一的標準化接口，實現每個子系統的無縫融合，進而實現風電場統一的運行控制和管理維護。通訊接口要具備安全性、實時性、可靠性、易維護性等要求，系統平臺基于網絡通訊和IEC 61850標準。該系統實現了對風電場設備、人員、物資的綜合監視與管理，以及設備狀態性能實時評估、故障實時預警、故障智能診斷及分析等功能的深度集成，有助于風電場更加及時準確掌握風機的健康狀態。

4.2 系統架構

（1）數據采集層。負責實時采集風電場各種設備的運行數據，如風力機組的發電量、溫度、風速等信息。

（2）數據傳輸層。將采集到的數據傳輸到上層的數據處理和管理層，通常采用各種通訊協議和技術。

（3）數據處理和管理層。對傳輸的數據進行處理、分析、存儲和管理，包括對風電場運行狀態的實時監控和歷史數據的存儲。

（4）應用層。提供了各種功能模塊，用于實現對風電場的運維管理、數據分析、報警處理等功能。

（5）用戶界面層。提供了直觀的用戶界面，使運維人員能夠方便地使用系統進行監控和管理。

4.3 功能模塊

（1）實時監控模塊。實時監控風電場各設備的運行狀態，包括發電量、溫度、轉速等指標。

（2）故障診斷模塊。通過分析傳感器數據和設備狀態，能夠自動識別可能存在的故障，并提供相應的處理建議。

（3）運維管理模塊。用于計劃、跟蹤和記錄維護活動，包括預防性維護和突發性維修。

（4）數據分析模塊：對歷史數據進行統計、分析，提供報表和圖表，用于優化風電場的運行策略。

（5）報警管理模塊。監控系統的警報，及時通知運維人員，幫助他們快速響應問題。

（6）遠程控制模塊。允許遠程對風電場設備進行控制和調整。

（7）能效評估模塊。評估風電場的能源利用效率，提供優化建議。

4.4 安全分區

一體化系統可分為安全1、2、3、4區。安全區1對風電機組、AGC/AVC 等子系統進行實時智能化監控；安全2區對功率預測、狀態在線監測及安防、門禁等子系統進行非實時智能化監控；安全3區為智慧化管理區；安全4區為機器人、無人機巡檢等子系統區。其中，各安全區間采用防火墻進行安全隔離，橫向通過隔離裝置，縱向通過加密認證進行隔離。

5 結束語

智慧風電是一個復雜的系統工程，智慧風電場技術的發展成為了解決可再生能源管理和利用的重要途徑。遠距離控制與運維管理技術是實現智慧風電場的關鍵。未來還應進一步融合5G 技術、大數據技術、信息技術等，推動智慧風電建設質量的進一步提升，進而推動整個風電行業的發展，提升風電行業的競爭優勢。