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摘要】本文基于SCADA數(shù)據(jù)，設計風場環(huán)境辨識、機組模型辨識、運行狀態(tài)監(jiān)測、故障精細化處理，四個模塊獨立實現(xiàn)各自功能，同時其它三模塊向故障精細化處理模塊提供分析結果，實現(xiàn)故障診斷高級功能。

【關鍵詞】SCADA數(shù)據(jù)、模型辨識

隨著風電產業(yè)跨越式發(fā)展，風力發(fā)電占全部發(fā)電容量的比重愈來愈重。據(jù)國家能源局公布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2018年，我國風電累計并網容量18426萬千瓦、同比增長12.4%，占全部發(fā)電裝機容量的9.7%，比2017年提高0.5個百分點。全年發(fā)電量3660億千瓦時，占全部發(fā)電量的5.2%，比2017年提高0.4個百分點。

風電場數(shù)量和規(guī)模的擴大，對風電場業(yè)主運營提出更高要求，目前風電場運營存在以下痛點：一是對風電場實際環(huán)境條件和設計環(huán)境條件差異未予評估；二是對風電機組實際參數(shù)和設計參數(shù)是否符合未予評估；三是對風電機組故障率、功率曲線、可利用率缺乏準確評估手段；四是對典型故障缺乏分析手段和方法。

本文基于現(xiàn)有SCADA數(shù)據(jù)，提出一種風電場后評估系統(tǒng)，試圖對以上痛點提出總體解決方案。一是通過環(huán)境辨識確定風場實際風區(qū)等級；二是通過機組模型辨識確定風電機組實際參數(shù)是否符合設計值；三是通過運行狀態(tài)監(jiān)測評估風機運行狀態(tài)；四是通過故障精細化處理模塊分析典型故障原因。

該系統(tǒng)采用模塊化設計，以上四個模塊，每個模塊單獨運行可以實現(xiàn)獨立功能，該系統(tǒng)的獨特之處在于故障精細化處理模塊。故障診斷的基本步驟，首先是確定風場環(huán)境參數(shù)是否符合設計值，其次確定機組參數(shù)是否符合設計值，第三是對機組的運行狀態(tài)做分析統(tǒng)計，掌握上述三種數(shù)據(jù)之后，經過綜合分析即故障精細化處理，最終定位故障點。該系統(tǒng)正是通過前三個模塊向故障精細化處理模塊提供數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)故障精細化處理的高級功能。 

選購風機設備時，首先需要考慮風區(qū)等級，如50年一遇極端風速、風速為15m/s時湍流強度的期望值等等。如果實際風區(qū)等級和設計風區(qū)等級不符，對風里發(fā)電機組載荷影響較大。例如，風電場設計風區(qū)IIIB，實際風區(qū)IIIA，則導致設計載荷偏大，致使風機壽命小于設計壽命。如圖2所示，某風電機組在環(huán)境條件IIIA和IIIB分別計算疲勞載荷，比較后發(fā)現(xiàn)IIIA風區(qū)疲勞載荷最高增大42%，平均增大約11%。單個機位受地形影響存在湍流度偏大等情況，導致超速、振動等故障頻發(fā)，如果設計風區(qū)和實際風區(qū)嚴重不符甚至會因風機設計壽命不足導致嚴重安全事故。

風場環(huán)境辨識基于SCADA數(shù)據(jù)中的風速、風向記錄高頻采樣數(shù)據(jù)，評估整個風電場及單個機位的湍流強度是否和設計風區(qū)等級相符，對風機運行、故障診斷提供環(huán)境數(shù)據(jù)支持。對于后者舉例如下，如風場頻繁報振動故障，存在兩種可能性：一是該現(xiàn)場風等級高于設計等級，導致實際振動值超過設計值；二是機組本身控制參數(shù)、葉片等問題，風場環(huán)境辨識的目的正是排除第一種可能性。

制造或安裝誤差導致機組實際參數(shù)和設計參數(shù)可能存在較大偏差，如塔基剛度不夠、螺栓松動導致塔架固有頻率向下偏移。機組模型辨識即通過實測數(shù)據(jù)評估機組實際參數(shù)和設計參數(shù)偏差，意義是指導故障診斷、機組優(yōu)化設計等。

機組模型辨識包含以下幾個方面：

1）塔架固有頻率辨識：測試待機狀態(tài)下整機振動數(shù)據(jù)，頻譜分析提取塔架固有頻率，確定和理論值偏差。

2）葉片氣動特性/參考角度辨識：分析實測功率曲線，確定參考角度設置是否和該葉片理論值匹配，辨析單葉片氣動不平衡、螺栓安裝錯位等誤差源。

3）風向儀誤差辨識：根據(jù)瞬時偏航誤差將數(shù)據(jù)分組，并基于分組數(shù)據(jù)獲得不同偏航誤差下的性能曲線，根據(jù)性能曲線及其對應的分組可辨識得到每臺機組的風向儀誤差。

4）安全系統(tǒng)保護參數(shù)辨識：現(xiàn)場存在修改安全系統(tǒng)參數(shù)屏蔽故障等情況，保護參數(shù)辨識通過識別極限轉速設定值、極限功率設定值、極限振動設定值等參數(shù)是否符合設計值，避免機組運行于危險風況。

案例分析：塔架固有頻率辨識

停機工況下的振動數(shù)據(jù)如4圖所示，圖中第一行為風速和葉輪轉速信號，第二行為驅動向和非驅動向風機原有振動傳感器振動信號的頻譜圖。如圖4所示，停機工況下，驅動向和非驅動向在0～1Hz范圍內的尖峰頻率分別為0.3484Hz和0.3487Hz。由于在停機工況下受轉頻影響較小，所以在0～1Hz范圍內的尖峰頻率即可確定為塔筒固有頻率。

運行狀態(tài)監(jiān)測是通過分析故障數(shù)據(jù)、實時功率數(shù)據(jù)實現(xiàn)機組功率特性評估、機組可靠性評估等，根據(jù)現(xiàn)場風機實際情況制定最適宜的機組維護、優(yōu)化方案。運行狀態(tài)監(jiān)測包含以下方面：

1）風電機組故障統(tǒng)計分析

基于實際運行的風電場，統(tǒng)計場內風電機組全年的故障數(shù)量，結合風電場月度發(fā)電量、月平均風速和月平均氣溫，通過分析風電機組故障數(shù)量與機組運行狀況和環(huán)境溫度之間的關聯(lián)性，得到系統(tǒng)故障高發(fā)的原因。

2）實際和理論功率曲線誤差分析

根據(jù)風電場代表性風電機組運行數(shù)據(jù)進行風機實際功率曲線擬合,并且根據(jù)現(xiàn)場實測空氣密度進行功率曲線修正。

3）風場可利用率分析

風力發(fā)電機組可靠性量化指標可以通過機組的可利用率來度量，是固有可靠性和使用管理可靠性的綜合度量指標，不但是對風電場運營維護管理的考核指標，也是對生產商的風電機組制造水平的重要考核指標。

 案例分析：風場可利用率對比分析

如圖6所示，時間利用率1基于人工記錄計算，時間利用率2基于Scada計算。Scada數(shù)據(jù)和人工記錄的停機記錄相比，前者在客觀性、全面性等方面具有明顯優(yōu)勢。時間可利用率1全場平均值計算結果為88.46%。時間可利用率2全場平均值計算結果為81.15%。時間可利用率2較小，原因是人工記錄的停機記錄存在漏記等情況?？傊?，基于Scada計算的時間利用率2，綜合考慮數(shù)據(jù)可靠性、風機故障界定及非風機故障剔除等因素，最終結果可作為風場時間可利用率的依據(jù)。

案例分析：故障統(tǒng)計分析診斷振動故障

某機組多次報振動超限故障，如圖7所示，振動故障共發(fā)生了62次。統(tǒng)計這62次振動故障所伴隨的PLC狀態(tài)、偏航狀態(tài)，振動故障和偏航狀態(tài)具有明顯相關性，如圖8所示，最終將故障點定位于偏航系統(tǒng)，現(xiàn)場工作人員檢查并更換偏航墊片后故障得以解決。

故障精細化處理是建立典型故障專家?guī)欤瑢λl(fā)生故障，根據(jù)故障特征觸發(fā)相應故障模塊，對故障原因實現(xiàn)自診斷。

故障精細化處理模塊將故障分為兩大類型實時突發(fā)型和趨勢演化型，依據(jù)此兩大類型，再根據(jù)故障數(shù)據(jù)特征值將故障細分為變槳系統(tǒng)故障、變頻器故障、振動故障等，確定故障類型后，模塊自動確定數(shù)據(jù)記錄模式包括歷史故障記錄、短周期數(shù)據(jù)記錄、長周期數(shù)據(jù)記錄、故障錄波，最終通過實時診斷或歷史數(shù)據(jù)診斷分析故障原因。

案例分析：控制參數(shù)不適應風區(qū)導致超速故障診斷

某風場地形為山地，機組頻繁報轉速超限故障，如圖10所示。對風速做模型辨識后，發(fā)現(xiàn)湍流度超過設計值。對機組做模型辨識后，確認機組實際參數(shù)和設計參數(shù)一致。結合轉速和變槳角度數(shù)據(jù)，分析故障原因是控制參數(shù)不適應該湍流度。經過控制參數(shù)優(yōu)化以后，轉速超限故障得以消除。如圖11所示，紅色為優(yōu)化參數(shù)之前的轉速、變槳角度，黑色為優(yōu)化參數(shù)之前的轉速、變槳角度，可以看到，參數(shù)優(yōu)化后，轉速大幅波動現(xiàn)象消失，超速故障消除。

基于SCADA數(shù)據(jù)的風電場后評估系統(tǒng)，通過環(huán)境辨識、機組模型辨識、運行狀態(tài)監(jiān)測、故障精細化處理為風電場運營方提供故障分析診斷及風機運行狀態(tài)評估系統(tǒng)，為實現(xiàn)風電場的智能數(shù)字化管理、風機故障智能分析、備件管理檢修工作統(tǒng)籌安排提供數(shù)據(jù)支持，從而提高設備可利用率，最終實現(xiàn)風電場經濟運行。

來源：風能產業(yè)