风电场设备标准化整体解决方案V2.0

“Smart Wind”风电场综合控制平台
一、风电场系统概述
二、“SmartWind”架构
数字化风机控制系统+NARIWIND物联网平台+国网云平台
前期RTlab仿真分析，中期预装式升压站，后期生命周期管理
三、
国家出台风电2020年平价上网的目标，进而对风电场投资提出了更高的成本要求，因此进一步提升风电场经营效益成为迫在眉睫的任务。

目前国内风电机装机容量超过10万台，仅华电集团自2018年以后每年将有1万台退出质保。

相对于较弱的运营维护队伍，五花八门的主机及配置让各大发电集团头痛不已，目前即将面临问题有：备品备件的管理、设备维修、增容或涉网改造等。

风电场的投资回报中收入来源主要取决于电价和发电量。

成本支出主要有建设成本、运维成本、改造成本和财务成本。

图1.1风电场运行利润分析架构图
目前风电场从设计规划到建成运维主要存在以下问题：
1.风场设备型号（如变流器，箱变等）及二次系统间通讯方式多种多样，致使招标至运维成本激增；目前的设备招标中，并无各部件的标准化要求，因此发电集团采购过程中不得不接受大量设备绑定行为，难以做到成本压缩。

此外，不同厂商的设备间无法通讯，备件繁杂，给二次系统设计及后期运维带来极大挑战。

2.故障监控及运行管理系统功能不完全，系统尚不智能，造成人力物力浪费，严重时甚至导致诸如火灾、倒塔等事故发生。

3.智能化风电场监控管理系统，实现无人值班、少人值守风电场，是提升风场经济效益的重要因素。

4.2017年全年弃风电量419亿度，价值200亿元。

可见，构建并网友好型风场，降低电网限电量是提升风场经济效益的重要目标。

提升并网可靠性，降低由并网技术问题造成的非计划性停运是提升风场经济效益的重要内容。

四、电气设备选型标准化
图2.1风电场电气设备分类架构
为实现设备选型标准化，将风电场电气设备划分为机组及辅机控制系统、涉网设备、其他设备。

机组及辅机控制系统包括风电机组本身的叶片、轮毂、齿轮箱、主轴、轴承、联轴器、机械刹车、刹车盘、发电机、动力电缆、变桨系统、主控系统、润滑系统、液压系统、偏航系统、刹车系统、温控系统、吊机、电源系统等，涉网设备包含了风电变流器、箱变、升压站一二次系统，其他设备主要是指输电线路。

从而形成“1+1+1”的采购招标模式架构，构建电力、信息、服务三流一体的标准化风电场。

图2.2“三流合一”标准化风电场
以涉网设备中的变流器为例，打造标准化的具备风电虚拟同步机功能的智能风电机组。

基于电力电子技术执行层的风电变流器、变桨技术，基于控制与软件技术控制层的主控系统等，其核心变流器具有虚拟同步功能，风机电网支撑性技术表现在友好型风电场能够充分利用风机的转动惯量，参与系统的一次调频；按照 分层分区、就地平衡 的原则进行无功补偿，参与一次调压；
并具备多重振荡抑制能力。

图2.3智能风电机组控制系统
电气设备选型标准化工作将围绕存量市场及新建市场进行调研，对华电安装的各种风电机组按机型进行详细的机械和电气设计比对，建立与运维相关设备的元件级详细数据库，基于电气设计思想进行归并处理，并依据最终元件库作为设备选型指导规范，确定数据库扩展和修改的管理规则。

相应的元件库由华电集团技术监督部门维护，免费提供给整机厂作为选型参考，并要求整机厂有新设计时提前与集团技术监督部门沟通。

集团依据机组分布位置进行区域备件库管理。

相应的数据库作为华电集团风电设备全生命周期信息化管理平台的一部分，在华电集团的大数据分布式平台上运行。

五、风电场一体化监控平台标准化
风电场应建立统一的监控平台，实现风电场全厂设备监控并
实现功率控制，消除当前风电厂风机监控系统、升压站监控、
AGC/AVC控制系统、风功率预测系统多套系统并存，彼此独立，接口不统一的问题。

风电场监控平台应实现设备监控功能、功率控制功能和在线监测分析功能；设备监控对象应涵盖风机、升压站、气象站数据、箱变等；功率控制功能应包括风功率预测、自动发电控制（AGC）、自动电压控制（AVC），预留电力辅助服务市场相关的调频调压功能；在线监测具有标准的展示图元和分析算法，通过智能化报警、智能化采集，以丰富的分析方法及图元展示来实现对风电机组的机组大轴、齿轮箱和发电机等关键部位振动状态在线监测与评估。

风电场通过实时状态监测和智能故障预警技术可以有效地发现事故隐患并实现快速准确的系统维护,保障机组安全运行，做到防范于未然，必能大大地降低风机的故障率，有效地减少维修费用。

风电场风机主控、保护测控设备、监控及在线监测系统应遵循应遵循IEC61400-25系列标准，建立标准化模型和信息交互接口：
1)与风机主控设备通信接口（光纤以太环网）
2)与箱变测控设备通信接口（可与风机主控共同组网）
3)与升压站保护测控设备接口（以太网）
4)与测风塔气象监测设备的接口（以太网）
5)与调度通信接口（以太网，IEC104）
6)与外部数值天气预报接口（以太网、防火墙）
7)标准化的二次开发接口服务（嵌入外系统及数据）
六、远程监控平台标准化
1.设备全生命周期管理系统
当前对设备全生命周期动态管理缺少能够提供整体解决方案的有效工具，难以将设备信息、实时数据、图纸信息等进行统一标准化管理，设备的大量状态数据分散在各个不同系统中，无法进行有效利用。

设备全生命周期管理系统，从规划设计阶段开始，到工程项目施工、项目移交、设备运行、最后到设备报废，对设备的全生命周期进行了统一的标准化闭环管理，在整个管理过程中均采用时态信息记录方式，完整的记录设备上发生的每一件事，方便以后的分析和回溯。

规范化的设备模型是整个系统的核心，从获得风电机组设备全生命周期相关标准化的状态数据信息，实时掌握设备健康状态，逐步实现由目前传统的计划检修向状态检修过渡，优化延长设备使用寿命，减少运维的人员需求和成本。

2.风电场群运行集中监控中心
通过设立风电场群运行集中监控中心，由远程集控中心进行 集中监控 ，负责所有风电场的运行监视、分析、调整与控制。

现地风电场采用 少人值守 的模式进行管理，只需留下少许人员，负责风电场的倒闸操作、事故处理、设备管理工作，并通过点检定修制的管理模式，组织实施检修维护作业和运行操作作业即可。

此外，通过数据分析以及实时数据和状态监控，可以及早检测出风机的潜在问题，根据天气及人员情况，提前进行计划性修
复，从而降低设备故障率，减少故障停机造成的经济损失，也就可以避免例行维护时不必要的停机所造成的经济损失。

风电场集控中心平台的主要功能包括：
一是实现下属全体风电场电器设备、风电机组监视和远方人工控制及功率、电压的自动调节。

二是实现数据融合与分析。

包括风电场经济性指标、可靠性指标、生产指标的统计、计算和分析；自动快速地提供各种生产信息及分析、比较，为事故分析、生产革新提供准确的依据。

三是实现设备异常分析及劣化监视报警功能。

可以为升压站及风机设备的各个参数设定劣化条件及报警条件，实时监视设备运行工况，发生异常或劣化时自动报警。

按照未来智能化发展思路，风电场集控中心平台按照分层分区的思路设计。

分为：数据采集层、支撑平台层、业务应用层、决策指挥层。

图4.1风电场集控中心平台架构
数据采集层：采集各风场的空间地理信息数据，作为风电场三维GIS的数据源；通过RFID采集各设备的设备信息，建立风电场全寿命周期基本数据库；通过一体化监控平台实现对现地设备的全部监控；按照统一标准规约IEC60870-104接入原有风场已建成的监控系统。

支撑平台层：建立IMC一体化管控平台，实现画面、报表、WEB数据、决策会商等功能的统一实现；提供统一的数据访问接口，实现对第三方软件的无缝兼容；利用私有云平台实现对下属风电场的数据存储和部署。

业务应用层：积极利用数据采集层、支撑平台层数据，实现生产运行管理、风电工程建设管理、设备状态检修、设备智能报警、经济调度运行（AGC/AVC/EDC）、设备健康管理。

决策指挥层：主要有全景监控、决策会商、应急指挥、培训演练功能。

风电场集控中心平台的全景数据，为领导层提供决策会商功能，发现风机故障或紧急事故时，提供事故预案处理流程；监控各风电场备品备件库存量、分布点，发出备件预警，为及早采购提供基础数据；为新员工提供培训和演练功能，实现风电场建设和运行管理人员的快速培养。

七、智能运维
1）基于RFID的资产管理应用
高效、准确的资产管理系统是企事业单位的工作高效率及资产保值的有力保障。

对于发电站等技术装备密集型的企业，资产的管理显得尤为重要。

传统的资产管理模式无论从质量上还是效率上，都难以适应经营管理新形式的需要。

基于RFID的资产管理应用，则基于RFID技术，通过相应的标准化电子标签（Tag）和固定或移动式读写器（Reader），利用电子标签的可重复写入、数据容量大、数据加密安全性高的特点，建立“一套设备、一个标签、一套标准”的发电站资产设备全生命周期管理体系，实现设备的生产制造、运输配送、库房管理、安装调试、运行检查、维护维修、以及报废清理等全业务链条的状态信息的跟踪管理。

对发电企业而言，则通过招投标等技术要求设备制造商提供标准化的电子标签和读写器，避免同一套设备需配置多套标签；同时为避免信息泄密，读写器支持信息加密，制造商和企业用户可以根据自定义的加密协议进行信息加密，构建私有的资产管理应用系统。

基于RFID的资产管理应用系统如图所示：
图4.1基于RFID的资产管理应用系统
如上图所示：发电企业为所有设备分配唯一的RFID编码，并与业务应用系统（包括数据中心、库房财务、资产监控等）的PMS系统设备台账进行对应。

通过手持读写器或固定式读写器实现对RFID电子标签的信息读取及写入，并根据企业的需求建设相应的资产管理业务应用系统。

该系统实现的主要功能有:常规的资产管理，主要包括资产的设备入库、出库领用、设备借还、资产盘点、备品备件、维修更换、清理报废等相关信息管理，实现资产采购、出入及调配的专业化、动态化的智能管理，并自动形成准确可靠的统计报表，以及实现对资产历史追溯；
资产的定位管理，结合定位技术，实现按时间、区域对资产的位置及移动轨迹进行实时监控，实现资产移动的全过程的动态跟踪，并结合GIS技术，对企业资产进行全景化的展示。

资产的安全管理，结合传感器技术、图像采集技术、无线传输技术等手段与资产管理系统对接，利用传感一体化、智能化的
电子标签实现对资产环境（如温度、湿度、噪音和震动等）安全的实时监控及数据采集记录，并建立专业的安全报警体系（非法带出报警、非法拆卸报警、非法移动报警、环境安全报警等），并与安防系统联动实现资产的安全管理体系。

2）基于RFID的智能巡检系统
发电站的巡检是有效保证电站及其设备安全运行的一项基本工作，通过巡检来掌握设备的运行情况发现设备的问题及存在的安全隐患，以便及时消除隐患，保证设备正常运行。

巡检直接关系到到发电站的运行、维护、事故处理、工作管理、工作考核等，是发电站运维管理的重要业务系统之一。

巡检系统一般是结合GPS等定位技术，利用手持设备PDA 获取设备信息，利用RFID技术或二维码技术来标识发电站的各种设备。

其中，RFID标签和二维码标签根据应用方式、读写设备、构建成本以及防止复制导致的巡检作弊方面各有优劣。

目前，由于二维码标签存在的易污损的问题，RFID技术具有非接触识别，能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢和二维码无法使用的恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快（大多数情况下不到100毫秒）等优点，以及RFID在设备资产管理中的广泛应用，现阶段主要是以RFID标签为主构建巡检系统。

基于RFID的智能巡检系统由标准化的电子标签（Tag）、标准化的读写器（Reader）、根据业主需求研制的巡检业务应用系统、以及相应的无线通信网络组成，系统构成如下图所示：
图4.1智能巡检系统的系统组成示意图
如上图所示，巡检人员通过智能手持读写器，通过无线网络与业务应用系统相连，获取巡检系统下发的巡检计划，并将读取电子标签获得的巡检信息实时上传给巡检系统，也可将巡检信息存储于读写器待返回办公区域再上传给巡检系统。

巡检系统则对巡检信息进行综合管理，实现各项巡检业务的规划、管理、统计、分析、考核等功能。

六、技术优势
标准化设备功能及选型、降低技改成本：
1）标准化变流器并网功能。

并网功能标准化的内涵包括如
下两部分：1.除符合现行并网标准之外（高/低穿、不对称及谐波抑制能力等），应具有系统阻尼特性，避免谐振导致的非计划性停运；2.风电场功率综合控制系统应具备参与电力辅助服务市场的功能接口，从而降低弃风电量，提升发电厂效益。

2）标准化设备选型。

改变传统的商业模式，将“保发电量”任务从源端解放，降低招标成本。

3）降低涉网技改成本。

南瑞参与制定多项并网标准制定，按照电网远景规划对涉网设备性能进行超前设计，变流器等主要涉网设备一次性满足10年内的电网技术要求，降低后期升级改造的运营成本
标准化风电场二次系统架构及信息交互：
1）标准化风电场二次系统架构，提高二次系统集成度。

深度参与风场规划建设，通过优化设计，实现数据深度融合，更利于后期管理和维护；
2）标准化风电场信息交互。

从站控层、间隔层及过程层三个层面，实现统一的基于61850/61400通讯协议，最大程度减少规约转换次数，降低组网复杂度。

建立一体化风电场控制系统，实现通信接口、软件平台统一，将当前多个系统信息汇聚，为风电场设备健康状态评估、功率预测等高级应用提供大数据基础。

标准化风电场运维管理：
1）完善从风机、箱变到升压站的状态监控，实现风场全方位数据采集及遥控。

引入设备智能告警，为运维提供便利；
2）实现风场资产的信息化管理。

采用RFID技术对风电场主要部件进行建档，实现全生命周期的管控，从而降低备品备件存量，有效节约成本。

3）实现风场操作的信息化管理。

基于已有的生产规章制度，通过信息化平台固化流程。

采用便捷完备的操作机制，提高员工操作效率。

4）通过数据传输实现风电场远端监控，引入智能化故障分析及预警机制，最终将风电场打造成为无人值班，少人值守的智能工程项目；。