湘电风能曾冰：风电场智能无人值守能量管理平台

2019年10月21-24日，2019北京国际风能大会暨展览会（CWP2019）在北京隆重召开，大会主题“风电助力‘十四五’能源高质量发展：绿色、低碳、可持续”。自2008年首次在北京举办以来，已连续举办11届，成为北京金秋十月国内外风电行业争相参与的年度盛会。

10月23日下午，举办了“智慧运维论坛——风电智慧运维实践”。

湘电风能有限公司大数据中心主任曾冰发表了题为《风电场智能无人值守能量管理平台》的主旨演讲。

以下为发言内容：

曾冰：各位领导、各位专家，各位同仁大家下午好，很高兴今天下午在这里给大家汇报我的工作，我是湘电有限公司的曾冰，大家知道智慧风场是风电场提质增效的手段，因此它成为了各大业主厂家、主机厂家以及第三方力争的领域，接下来我将从能量管理平台出发，介绍我司在智慧风场方面一点小小的工作。

接下来将从如下六个方面介绍一下我们的工作，首先是介绍一下背景，结论就是风电场，特别是中国的风电场需要配备功率控制系统，以满足电网的要求，我们公司做这个平台的出发点是有如下四个方面，因为我们这个能量管理平台最开始由第三方开发的，首先第一个是无法做到全程的自动调节，很多情况下都需要手动干预，第二个方面是调节速度非常慢，第三个方面是调节精度很低，由于以上三个原因，像北方限电很多的风场，我们有的运维人员就不适用第三方的自动调节功能，干脆进行手动调节，去年我们在北方的某个风场去调研发现，在限电较多的时候，运维工程师经常将我们的风机同额定功率调整到最小设定功率，然后再从最小设定功率一下拉到额定功率，在这种频繁的调节的情况下，机组是很容易出问题的，后来这个风场的叶片基本上被换的差不多，我们的工程师经过分析认为，这种叶片的问题与运维工程师暴力的调节方式不无关系。第四个方面第三方系统容易造成机组安全问题，这个主要是针对柔塔风场，叶轮会在某个转速附近与塔组发生共振，共振情况是非常危的，去年，有个风电场业主给我们反馈，他们的风机经常发电量不达标经常把塔筒加速过高，我们工程师经过分析，第三方系统将机组经常调度，进入我们的共振转速期间，这样会与变桨控制器造成冲突，会造成很大发电量的损失，而且会造成塔筒加速过高的情况，所以基于以上四点情况，我们就打算决定进行自主诱发，首先是实现全程自动调节，无人值守，第二个是在保证安全的情况下，做到调节速度快，第三个是调节精度高，保持稳定性，第四个方面保证机组的安全。

接下来介绍一下主要研制过程，现在这个系统已经叠加到，第三个版本了第一个版本针对普通塔筒的风场进行调度，主要是保证挖掘单台风机的处理能力，保证调节速度、精度跟稳定性，第二个版本主要是针对柔塔的风电场开发的调度系统，主要是避免将机组调度进入功能转速区间，目前第三个版本就是考虑了机组的寿命，能够保证最大发电量，当然这个最大发电量只是避免能量管理平台造成发电量的损失，没有包括风机本身的质量问题。

接下来介绍一下平台系统技术架构，这个平台是与SCADA，通过后台进行计算，直接通过管网将指令直接下发到风机，没有经过其他的中转装置，这个时延是最低，整个软件系统架构有两个方面，主要是功率加速速度，一个是通讯、服务数据模块，代码有14000多行。接下来介绍一下软件界面，我们软件都是由自己工程师自主研发，不是请外面公司做的界面，所以界面比较朴素，每个矩阵代表单机参数，左边有整个风场的概况、用户的操作面板，左下角是AGC、AVC的运行参数，最底下是关键参数跟踪曲线，系统操作日志信息，同时这些界面对单机关键参数进行设置。

接下来给大家介绍一下这个平台的测试情况，这是在三北某地区一个测试情况，由于当时这个风速情况不是很好，这个风场容量是50兆瓦，测试结果如下四个方面，首先是耗时，整个调节过程在2分钟内以内完成，对比算法整个花了19分钟，因为它调不到位，后面就没有统计这个时间，我们算法是单次下调12秒钟以后到位，这是第二版系统，现在第三版系统能现在做到8秒钟到位，而第三方算法下调要2分钟以上，上调第二版系统是30秒以内到位，第三版系统能做到20秒以内到位，第三方算法要2分钟以上都不保证到位，精度当时第二版系统是能够达到负300千瓦以内，达到稳定状态以后，目前第三版能做到200千瓦以内，当时第三方有3兆瓦的误差，稳定性方向，整场功率局限很平稳，第三方抖动非常频繁，单台机组表现，我们基本上不会出现，让它上升，它实际功率下降情况，第三方算法给的定上升，实际功率会下降。左边是我们的算法，右边是第三方算法测试的结果，因为我们的算法只用了两分钟，第三方算法是40分钟，大家可以看到功率输出是非常稳定的，从15兆瓦拉到10兆瓦，再拉到5兆瓦，能达到稳定的过程中是非常平稳的，大家可以看到右边这个系统，这是第三方算法，可以看到整个抖动都是非常大的，不能达到稳定状态，大家可以看到红色的圈标出来的，右边这个图代表单台风机的出机情况，黄色是算法算出来的指令，绿色是风机的实际输出，第三方算法给定上的上升会出现很多下降的情况，我们的算法没有出现这样的情况。

下面是第三版系统测试的情况，这也是今年上半年的测试，整个测试先从35兆瓦调到2兆瓦，再从2兆瓦调到32兆瓦，再从32兆瓦调到2兆瓦，再调回35兆瓦，是两个回合的上调和下调，测试结果得到的是，这个系统主要是它能够保证转速墙下限的风机能够顺利穿越转速墙，还有下调的时候能够尽力减少风机穿越转速墙的次数，还有能够将转速墙上线跌落至转速墙的风机拉到转速墙下限，就能够避免风机发生功顿。第二个自动停机功能能够在满足功率输出的前提下，尽量减少停机数量，第三个自动启机功能能避免出现超调，第四个方面自动放开功能能够明显提升发电量，大家可以通过这个图可以看出，这个算法我们没有跟对比算法进行对比，大家可以看到白色的圈，也会出现一些抖动的情况，因为当时的风速实际上是不够，不能达到电网的要求，这个是处于转速墙的区间，也会出现一些抖动的情况，但是在非转速墙的区间是非常平稳的。这些画红色的圈就是正在穿转速墙，我们的算法让它穿它一定能穿过去，不会出现让它过去它过不去的区别。黄色的部分我们的算法能尽量调整其他风机，而不去调整在转速墙上限附近能够稳定在那里的风机，从而减少风机穿越转速墙的速度，保证风机的安全。

这个图是测试自动停机和自动启机的功能，下调的时候第一次只有两台停机，第二次下调的时候只有三台停机，这个是我们自动放开的测试，我们发现北方很多地方限电，处于当前风速实际上是不够，在这种情况下，如果我们一直限电，整个风电场的损失电量是非常非常多，我们针对这种情况，开发了一套检测算法，能够检测当前风速能否到指定要求，如果部分我们将整个风场放开，在放开的情况下，实际上可以多发3兆瓦的电量，当整场的输出达到AGC要求的时候，从而防止整个风场出现超调，同时这个自动放开还有一个好处，能够避免风机的频繁变桨，而减少一些疲劳损伤。

接下来介绍本系统的创新点，在算法层面主要有如下八个方面，首先是对整个风电场的风机进行合理优先级划分，上调7个优先级，下调9个，第二个有合理的调整策略，能够保证风机顺序并且尽可能少的穿越转速墙，第三个有自动放开策略，能力保证最大发电量，第四个自动停机和自动启机策略，保证全程可调，第五个每一台最小设定功率随风速动态设定，有效防止超速问题，并提高风速低功率时机组功率输出的稳定性。第六个方面每台风机最大设定功率随发电机绕组温度、主轴承温度等定位动态设定，能够有效延长机组寿命。第七个平台可以基于载荷进行调度，有效降低风机载荷，第八个方面，首先我们是通过机器学习算法来建立每台风机风速功率以及桨跟桨之间的关系，会建立一个调度室变桨角度最小化的模型，采用鲸鱼群的算法，计算每个台风机的分配值。软件架构层面主要有如下三个方面，采用是高性能、高可靠的数据库，它支持跨平台、容器化部署，还支持集群部署。接下来给大家介绍一下平台的知识产权成果，主要有发明专利、软件著作权各项都有三个，都正在申请。

这是行业内三个公司的一些测试情况，左上角的这个图，纵坐标看不清楚，红色的曲线代表波动的范围，整个波动超过了1兆瓦，右上图跟左下图纵坐标刻度都是非常大的，右上角最大35兆瓦，左下图有40兆瓦，可以看到整个测试过程中，功率一直在抖动的，抖动的范围超过了3兆瓦，很明显，我司这个平台的技术水平是属于行业第一梯队。

接下来给大家介绍一下这个平台的经济效益与市场前景，分为直接经济效益跟间接经济效益，当时大家都不知道能量管理平台的重要性，实际上它的价值在限电的情况下严重低估了，这个数据是我们以前的数据，这是按照一年20个新兴风场计算，每个风场可以减少80%，160万一年，对业主，根据测试结果，每个风场可以至少保证增加700万元人民币的发电量，间接效益对公司是，通过各种策略，可以有效降低轴承跟叶片的疲劳载荷，穿越转速墙的策略，可以有效降低塔筒加速过高的情况，避免发生共振倒塌事故。对业主，此系统实现了真正有功调度无人值守，业主可减少运维人员的数量。市场前景可以部署到每个新风场，用于老风场能量管理平台升级改造，可以用于快速频率响应系统，以上是我的汇报，谢谢大家。

（根据演讲速记整理，未经演讲人审核）