基于Hadoop的風電場運行實驗教學平臺開發

殷孝雎， 潘 雪， 王 剛， 關 新， 欒成寶

（1.沈陽工程學院新能源學院，沈陽 110136；2.大連市技師學院電氣自動化系，遼寧大連 116100）

0 引 言

隨著我國風電行業的迅猛發展，風電行業的技能型人才嚴重不足，在短期內上崗的學生難以適應行業的技術需求。風力發電專業屬于多學科交叉、實操性極強，需要通過實踐方法，掌握相應的專業技能。風力發電設備較為復雜，在實踐教學中大多停留在理論層面，受到風電設備成本及環境因素影響，現有的虛擬實驗室，不能實現風電機組現場工作模式。培養過程中存在理論與實踐脫節，缺乏相應的工程數據與案例、實驗教學平臺，工程實踐不足等問題。風電教學難以滿足風電場人才需求，大數據技術的發展為新工科人才培養提供了新思路［1-2］。

本文基于風電場大數據，根據行業特點利用Hadoop分布式框架平臺，提供從數據采集、數據預處理、數據分析、數據管理、模型開發、模型評估到模型部署的教學模式，通過虛擬仿真技術，為風電教學創建不同的場景應用。實現課程管理、數據管理、案例管理、考試管理4 個教學模塊，有效解決學生工程實踐不足等問題，提高風電實訓教學質量。

1 風電場運行教學平臺總體設計

風電場大數據虛擬技術實現教學平臺設計［3］，其設計理念與現場實際操作一致，是實現風電場運行實踐演練的可視化平臺。引導學生深入學習相關知識，是教學、操作、故障分析、考試一體化的學習平臺［4］。風電場運行模擬系統具有大數據分析功能，該系統由仿真接口、大數據分析處理、可視化輸出模塊構成，實現數據的采集、分析、場景模擬等風電場運行過程［5-7］。

硬件包括：風機實驗平臺、服務器、變電站、交換機、網絡接口。軟件包括：操作系統、虛擬機、虛擬操作系統、數據庫等［8］。風電場運行模擬系統的總體架構，如圖1 所示。

圖1 風電場運行模擬系統總體架構

風電場運行模擬系統需要對風電場大量運行數據及相關單位服務器中的數據進行分析處理，本文根據某一風電場的實際工作情況，設計了風電場機組分布實驗平臺，具有風機運行功能、故障停機、發電顯示湍流風運行狀況等，軟件采用基于Hadoop分布式框架實現風電場海量數據的離線分析處理［9］。以Hadoop 分布式系統HDFS為底層存儲的風電場運行模擬系統，具有分布式可擴展、高容錯、高吞吐量等優點，能提供層次化的存儲和計算服務，大大提高了風電場運行模擬系統的可擴展性和可靠性。

2 風電場虛擬平臺實現

2.1 風電場運行模擬系統數據獲取

風電場運行模擬系統，大數據分析過程包括運行數據的采集與加工、數據存儲與處理和數據分析與計算等。將分析結果傳輸給不同的用戶端，實現應用層面數據服務。以風電場數據案例為基礎，設計風電場運行模擬系統教學數據架構如圖2 所示。

圖2 風電場運行教學數據架構

風電場運行模擬系統采集分布的、異構數據源中的數據然后抽取到中間數據庫后進行清洗、轉換、集成，最后對風電場數據進行存儲［10-11］，如圖3 所示。

圖3 數據庫

考慮到需要對大量數據進行統計和分析，在建立Hadoop生態圈上的Hive進行離線分析［12］。經分析處理后提取工藝點，選用建立在Hadoop 生態圈上的Mahout進行數據挖掘，并基于K-Means算法進行風電場運行評估分析工作，建立實驗平臺，如圖4 所示。

2.2 軟件平臺的創建

為實現電力系統能量管理、功率控制、儲能電池監控、數據采集、顯示、報表、通信等功能于一體的電力自動化監控系統軟件，軟件架構如圖5 所示。

圖5 風電場模擬平臺軟件架構

軟件實現了25 臺風機模擬單元和實驗平臺進行實時通信，監控風電場運行狀態等功能，如圖6 所示。由圖可見，整個風場的實時工作狀態：單臺設備的啟停狀態、實時功率、風輪轉速等；也能實現全場有功功率、無功功率、當前風機正在運行數量、停止數量、故障數量等信息。

圖6 平臺與風機模擬通信示意圖

在頂部導航欄可以顯示單臺風機的詳細數據，可選擇單臺風機或多臺風機的啟停操作，如圖7 所示。該界面顯示了單臺風機的發電狀態的累計時長，風速0 ～3 m／s不發電、風速3 ～25 m／s可發電、風速25 m／s滿載發電、有功功率值等信息。

圖7 單機實時數據界面

此功能幫助用戶選擇歷史數據，通過風機模擬系統接口，把歷史數據轉發到實驗平臺，在數據采集與監視系統（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）中查看風場風機的運行狀態，幫助學生了解真實數據。

2.3 風電場大數據離線分析

基于K-Means算法的數據挖掘分析，在Hadoop分布式計算上的一個分布式數據挖掘框架，K-Means 算法的任務是依據實際測得不同風電機組的時間序列風速數據，按照相似性將風電機組劃分到預先設定的數據庫，應用風電機組聚類劃分的原理具體步驟闡述如下：

步驟1 隨機從風電場采集的機組運行數據中選取k臺風機的運行數據作為初始聚類中心。

步驟2 按照采集的其他風機的運行風速數據計算進行歸類。

步驟3 將分類中包含風電機組運行風速數據進行平均計算處理。

步驟4 重復步驟（2）、（3），直到風電機組各個聚類中的聚類中心不再發生變化，依據風電機組運行風速數據進行聚類劃分完成。其中，利用高斯距離對風電機組運行風速數據的相似性進行計算［13］：

式中：i＝（vi1，vi2，…，vid）、j＝（vj1，vj2，…，vjd）為任意2臺風機的d維數據對象，vi1，vi2，…，vid和vj1，vj2，…，vjd為第i臺風電機組和第j臺風電機組分別在1，2，…，d個時刻測得的風速。聚類中心是由每類所含風機數據的均值。

利用K-means 聚類算法對風電機群進行聚類劃分，求取等效風速［14］

式中：m為風電場投運機組數；k為機組聚類數；n為第n類機群；vGn為第n類機群的風速；Itzn為第tz次聚類完成后且第n類機群所含I臺風機；ωn為各類機群的典型風速在風電場等效風速中的權重系數

將veq代入P ＝f（v），即可得到整個風電場的輸出功率：

基于K-means聚類算法得到風電機組準確的風力發電機的轉矩、槳距角、風輪轉速等運行參數［15］。

根據風電場數據，按照虛擬仿真技術要求、教學實驗和仿真實訓要求，根據機械原理、機構聯動方程、物理屬性仿真算法和仿真交互要求，模擬風電發電機的動態工作過程和工作原理，虛擬教學和實驗仿真實現風力發電可視化動態工作過程。利用Hadoop 分布式框架平臺，提供從數據導入、數據預處理、特征工程、模型開發、模型訓練到模型部署的教學模式，為風電教學建立場景，形成風電行業教學積累，提供各種風電數據源、算子、模型和評估模塊組件，該系統旨在提高學生解決風電場實際問題的能力。

3 風電場運行模擬系統教學架構

風電場運行模擬系統基于風電場大數據，通過大數據分析處理技術、虛擬仿真技術、可視化技術，根據學生的學習目標在課程管理模塊中設置風電場實訓準備課程以及7 個特定的實訓課程，圖8 所示為風電場運行模擬系統教學架構。

圖8 風電場運行模擬系統教學架構

實現課程管理、數據管理、案例管理、考試管理4個教學模塊如圖9 所示。

圖9 教學模塊

圖中數據管理模塊處于連通支撐層的核心位置，管理風電場各種運行數據庫和創建與分享的教學模型。同時數據管理模塊與其他3 個模塊互通，學生在考試管理模塊的學習成績、課程管理模塊的實訓報告等記錄以及案例管理模塊的案例學習記錄等數據都可傳送至數據管理模塊。風電場運行模擬系統支撐層基于大數據聚類，分析每個學生的學習情況，做出總結并提出建議［16-17］。

4 風電場運行實驗案例

4.1 穩態風運行實驗

穩態風是一種理想的風，其風速和風向不隨時間變化。用穩態風可評估風力發電機組發電性能和載荷水平，更方便理清各因素之間的關系，分析不同因數之間的影響。在這個葉尖速比下，風能利用系數最大，可實現最大風能捕獲。風力發電機組在額定風速以上運行時，轉矩不變，可通過改變槳矩角的方式調節風輪轉速，以保持風輪轉速恒定，保持功率恒定。在最佳葉尖速比λopt時，風力發電機組空氣動力效率系數最高，此時風能利用系數Cp達到最大值Cp（max）。風速v與風力發電機的風輪轉速Ω成比例

式中：Ω為風輪轉速；R為風輪半徑；λ為葉尖速比。

風力發電機組獲得的功率Pa隨著風速或者風輪轉速增加，即

式中，ρ為空氣密度。轉矩隨著風速或者風輪轉速增加，機械轉矩為

根據式（7），在穩態時只要發電機轉速、轉矩保持以上關系就可達到最佳葉尖速比，即發電功率最大。通過編程建模繪制風機運行相關函數圖像，便于分析風機運行情況，根據穩態風在不同風速下運行的仿真結果，可繪制出穩態條件下的功率曲線、轉矩曲線、槳距角曲線和轉速曲線。通過建立可視化模型，能實現有效掌握各風機每時刻的運行數據。

通過建模分析、模型評估選擇最優模型應用于風電場實驗教學?；谀筹L電場5 MW風力發電機運行數據的風速-輸出功率、槳距角、轉矩和轉速曲線。分別如圖10 所示。這些曲線作為標準與學生實驗仿真繪制的曲線進行比對以評估學生實驗數據的準確性。

圖10 穩態風實驗

通過模擬系統學生能將理論概念形象化，并能立即為他們提供準確的實驗結果［18］。這樣既鍛煉了學生實驗操作能力，又幫助學生鞏固和運用所學的理論知識。本實驗項目主要是使學生熟悉使用軟件，在3 ～25 m／s風速內，每隔2 m／s風速計算一個穩態風工況。根據各工況輸出的平均值繪制穩態功率、穩態轉矩和穩態轉矩曲線。

4.2 湍流風運行實驗

湍流風是一種模擬自然界實際風況的風模型，將湍流風用于風力發電機組仿真，可更好地了解風力發電實際運行情況。

針對某5 MW風力發電機組，使用湍流風進行仿真。額定風速運行時風速、功率、轉矩、轉速曲線。在湍流風工況下，由于風速是變化的、機組的功率也是波動的。湍流風況下的平均功率繪制成動態功率曲線，如圖11 所示。

圖11 平均風速為5 m／s時湍流風實驗

學生理解不同風況下，風速對風力發電機組各位置載荷的影響，理解不同風況下風力發電機的輸出功率、轉矩、槳距角隨風速的變化關系。

通過模擬實驗平臺，學生掌握風力發電機主要運行參數在模擬環境下，湍流風對風力發電機效率的主要因素，開展穩態風、湍流風等風況的計算，深入了解不同風況對風力發電機組的影響。

5 結 語

基于風電場大數據，利用Hadoop 分布式框架平臺，構建內容豐富的風電場運行模擬教學平臺，實現了可視化、沉浸式的實踐教學模式。通過風電場風力發電機組的運行數據，模擬風電場場景提升了教學的趣味性，實現穩態風和湍流風等風電場運行教學實驗?；诖髷祿治龅娘L電場運行模擬系統對于學生工程實踐能力有較大的提高。保證實踐教學內容與時俱進加深學生對風電場工程知識的理解，激發學生的學習熱情，對提高教學質量具有積極的推動作用。