隨著能源行業(yè)智能化的長(zhǎng)足發(fā)展和深度融合的推進(jìn)，智慧能源系統(tǒng)日益成為發(fā)展的共識(shí)。由于風(fēng)電的單機(jī)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，自動(dòng)化、信息化程度高，場(chǎng)群分散，智能遠(yuǎn)控需求強(qiáng)等特點(diǎn)，必然是智慧能源的先行者。智慧不是智能的簡(jiǎn)單升級(jí)，而是要充分展現(xiàn)“類人”的思維模式、價(jià)值判斷和相機(jī)決策。因此，智慧風(fēng)電的概念需要進(jìn)一步明晰，其體系架構(gòu)要能滿足功能的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，研究智慧風(fēng)電的實(shí)現(xiàn)不能離開當(dāng)前信息化發(fā)展水平的現(xiàn)狀，數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)、通信和安全等是必須充分考慮的因素。
國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)
在過(guò)去的10多年里，大多數(shù)成熟的工業(yè)都經(jīng)歷了一場(chǎng)數(shù)字化革命，風(fēng)電行業(yè)也不例外，從之前工業(yè)化和信息化“兩化融合”，到后來(lái)的互聯(lián)網(wǎng)化、智能化，數(shù)字化的內(nèi)核精髓已經(jīng)并將繼續(xù)影響著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的成長(zhǎng)軌跡。風(fēng)電運(yùn)營(yíng)商與周邊電網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)之間的傳感器數(shù)據(jù)收集和高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率顯著增加,這些數(shù)據(jù)將打開產(chǎn)能的新視野，讓行業(yè)充分認(rèn)識(shí)到其巨大的潛力。數(shù)字化將為風(fēng)電運(yùn)營(yíng)商創(chuàng)造新的經(jīng)濟(jì)機(jī)會(huì)，創(chuàng)新的數(shù)字智能技術(shù)還將提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)量和生產(chǎn)力，同時(shí)降低設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本，從而降低能源成本。美國(guó)通用電氣公司（GE）發(fā)電與水處理集團(tuán)總裁兼首席執(zhí)行官史蒂夫·伯茲表示：“更智慧的數(shù)字技術(shù)正在推動(dòng)各行各業(yè)的轉(zhuǎn)型，潛力最大的可以說(shuō)是能源行業(yè)。現(xiàn)在問(wèn)題的關(guān)鍵不在于是否要開始轉(zhuǎn)型，而是要如何充分發(fā)揮數(shù)字化轉(zhuǎn)型的潛力”。基于數(shù)字化轉(zhuǎn)型基礎(chǔ)上的智慧風(fēng)電已引起廣泛的關(guān)注和研究興趣。
美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）在美國(guó)能源署風(fēng)能技術(shù)辦公室的大氣與電力（A2e）應(yīng)用研究規(guī)劃的支持下，提出了“技術(shù)支撐下的大氣資源系統(tǒng)管理（system management of atmospheric resource through technology）” 戰(zhàn)略，簡(jiǎn)稱SMART戰(zhàn)略。該戰(zhàn)略以下一代智能化新技術(shù)為支撐，以在風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)更高的發(fā)電量和材料使用效率、更低的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和投資風(fēng)險(xiǎn)、更長(zhǎng)的風(fēng)電場(chǎng)壽命、更強(qiáng)的電網(wǎng)協(xié)調(diào)能力為目標(biāo)，建成實(shí)時(shí)響應(yīng)大氣變化并且提供電網(wǎng)支撐的未來(lái)集成化風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)，達(dá)成SMART戰(zhàn)略后期望能夠降低50%的度電成本。歐洲風(fēng)能學(xué)會(huì)（EAWE）聯(lián)合歐洲14國(guó)的重要風(fēng)電研究高校與機(jī)構(gòu)，在《Wind Energy Science》期刊創(chuàng)刊首篇文章中討論了未來(lái)風(fēng)電領(lǐng)域長(zhǎng)期的研究挑戰(zhàn)，從11個(gè)不同的研究領(lǐng)域闡述了當(dāng)前風(fēng)電的技術(shù)前沿以及技術(shù)局限，并進(jìn)一步提出未來(lái)風(fēng)電發(fā)展應(yīng)優(yōu)先解決的問(wèn)題。GE公司于2015年啟動(dòng)數(shù)字化風(fēng)電場(chǎng)戰(zhàn)略，是一個(gè)綜合性軟硬件解決方案，是GE擴(kuò)展服務(wù)協(xié)議的一部分。GE數(shù)字化風(fēng)電場(chǎng)的核心在于建立風(fēng)電機(jī)組數(shù)字化的模型，以自身長(zhǎng)期數(shù)據(jù)積累上的優(yōu)勢(shì)，提供更多基于數(shù)據(jù)的優(yōu)化服務(wù)，其重點(diǎn)在于基于大數(shù)據(jù)挖掘的服務(wù)應(yīng)用。
國(guó)內(nèi)的整機(jī)廠商也在一直孜孜以求，探索大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字化技術(shù)如何為風(fēng)機(jī)和風(fēng)場(chǎng)賦能。遠(yuǎn)景能源有限公司在國(guó)內(nèi)較早提出智慧風(fēng)電場(chǎng)概念，主推“智慧風(fēng)場(chǎng)全生命周期管理系統(tǒng)”，目前進(jìn)一步延伸為智慧物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。基于全球最大的能源物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)EnOS打造了“直連、安全、高精度、機(jī)器學(xué)習(xí)”的智慧電場(chǎng)軟件解決方案，幫助運(yùn)營(yíng)商打造“少人、透明、預(yù)測(cè)維護(hù)、電網(wǎng)友好”的智慧電站。新疆金風(fēng)科技股份有限公司的智慧運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)SOAMTM，整合了風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，融入故障診斷、健康狀態(tài)預(yù)警、功率精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、風(fēng)機(jī)優(yōu)化運(yùn)行等專業(yè)技術(shù)，打造了強(qiáng)大的智慧運(yùn)營(yíng)軟件平臺(tái)。中國(guó)明陽(yáng)風(fēng)電集團(tuán)有限公司在2014年完成了大數(shù)據(jù)平臺(tái)的搭建，將控制策略與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云存儲(chǔ)前沿技術(shù)融合，進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)優(yōu)化、定制化設(shè)計(jì)、資源評(píng)估、智能風(fēng)場(chǎng)管理，推進(jìn)無(wú)人值守智慧風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)。明陽(yáng)大數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn) “從氣象預(yù)測(cè)，到風(fēng)機(jī)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警，到風(fēng)電場(chǎng)優(yōu)化運(yùn)行，再到風(fēng)電場(chǎng)群的協(xié)同協(xié)調(diào)”。國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司開發(fā)的新一代智慧風(fēng)電場(chǎng)服務(wù)系統(tǒng)UP-WindEYE系統(tǒng)集成高速互聯(lián)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)通訊、卓越電網(wǎng)支撐技術(shù)、先進(jìn)的能量管理功能、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和分析功能，精準(zhǔn)的壽命評(píng)估、故障預(yù)警診斷等功能，為打造智慧風(fēng)場(chǎng)提供全面解決方案。上海電氣集團(tuán)股份有限公司的“風(fēng)云集控”系統(tǒng)在風(fēng)電行業(yè)首創(chuàng)基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式數(shù)據(jù)處理技術(shù)，基于ABC技術(shù)（artificial intelligence + big data + cloud computing）高效利用數(shù)據(jù)監(jiān)控資產(chǎn)，預(yù)測(cè)機(jī)組故障，通過(guò)預(yù)測(cè)性控制技術(shù)“預(yù)言”風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)用戶資產(chǎn)使用價(jià)值的最大化。
各風(fēng)電運(yùn)營(yíng)商也在積極構(gòu)建大數(shù)據(jù)平臺(tái)，利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)進(jìn)行智能運(yùn)維和故障預(yù)警，進(jìn)行智慧電廠方面的探索，實(shí)現(xiàn)降本增效。如中國(guó)華能集團(tuán)有限公司較早將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)運(yùn)用到電力生產(chǎn)和物料管理方面，科學(xué)指導(dǎo)檢修，有效控制成本，優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程。中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)院有限公司的智慧海上風(fēng)電項(xiàng)目，通過(guò)設(shè)計(jì)海上風(fēng)電場(chǎng)一體化監(jiān)控系統(tǒng)、海上風(fēng)電場(chǎng)智能運(yùn)維管理系統(tǒng)和海上風(fēng)電場(chǎng)智能巡檢系統(tǒng)，挖掘海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行規(guī)律和最佳運(yùn)營(yíng)模式。
當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)智慧風(fēng)電的研究，大多側(cè)重于智能算法、智能運(yùn)維等局部功能智能化，或僅關(guān)注如智慧風(fēng)電的局部控制或故障診斷，只體現(xiàn)了某一部分的數(shù)字化、智能化。智慧風(fēng)電的建設(shè)過(guò)程中雖然嘗試使用了大量新技術(shù)，但無(wú)法代表電廠具有了“智慧”，距離智慧風(fēng)電還有一定的距離，能充分利用人的智慧進(jìn)行創(chuàng)新的智慧風(fēng)電體系架構(gòu)的研究迫在眉睫。
學(xué)界對(duì)智慧電廠整體概念和體系架構(gòu)也展開了研究。在智慧電廠的基本概念方面，中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)發(fā)電自動(dòng)化專業(yè)委員會(huì)于2016年發(fā)布的《智能電廠技術(shù)發(fā)展綱要》對(duì)智能電廠作如下定義：智能電廠是指在廣泛采用現(xiàn)代數(shù)字信息處理和通信技術(shù)基礎(chǔ)上，集成智能的傳感與執(zhí)行、控制和管理等技術(shù)，達(dá)到更安全、高效、環(huán)保運(yùn)行，與智能電網(wǎng)相互協(xié)調(diào)的發(fā)電廠。現(xiàn)階段討論的智慧電廠的特點(diǎn)和架構(gòu)，多是針對(duì)相對(duì)集中的火電、燃機(jī)和水電廠，而由于風(fēng)電場(chǎng)的高度分散特性，這些智慧電廠的架構(gòu)不能完全適用于風(fēng)電，智慧風(fēng)電建設(shè)仍然處于初級(jí)階段，智慧風(fēng)電建設(shè)的道路仍然任重道遠(yuǎn)。
綜上所述，國(guó)內(nèi)外圍繞智慧電廠的理論研究和實(shí)踐工作逐步開展，許多科研單位和行業(yè)相關(guān)企業(yè)從不同層面展開了關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品的研究工作，針對(duì)智慧電廠的概念、內(nèi)涵、框架結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了廣泛的探討和分析。但總體來(lái)看，現(xiàn)階段對(duì)智慧風(fēng)電都沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確而全面的描述，建設(shè)方向不明，缺乏整體規(guī)劃和頂層思考，缺乏對(duì)發(fā)電過(guò)程智能化的整體研究，往往只是局部系統(tǒng)的智能化升級(jí)，缺乏多個(gè)子系統(tǒng)間的協(xié)同，對(duì)智慧風(fēng)電技術(shù)的系統(tǒng)性研究與應(yīng)用尚處于起步階段。本文在總結(jié)智慧風(fēng)電的概念及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，全面對(duì)智慧風(fēng)電的概念、體系架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探索和研究，為智慧風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)做一些有益的探索，讓未來(lái)的風(fēng)電場(chǎng)能更好地自我學(xué)習(xí)、適應(yīng)和運(yùn)行。
智慧風(fēng)電的概念
智慧是一個(gè)哲學(xué)范疇，是由智力系統(tǒng)、知識(shí)系統(tǒng)、方法與技能系統(tǒng)、非智力系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜體系所蘊(yùn)含的能力，該能力表現(xiàn)為及時(shí)做出正確抉擇，且具有較強(qiáng)的相對(duì)性。智慧風(fēng)電是先進(jìn)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，與數(shù)字化、信息化、智能化發(fā)展水平密切相關(guān)，具有更強(qiáng)的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力，具有更強(qiáng)的創(chuàng)新發(fā)展能力。
研究認(rèn)為：未來(lái)的智慧風(fēng)電以數(shù)字化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化為基礎(chǔ)，以管控一體化、大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)為平臺(tái)，以數(shù)字孿生技術(shù)為輔助，以計(jì)算資源的彈性配置為保障，以異構(gòu)計(jì)算（包括計(jì)算能力、計(jì)算方法和計(jì)算層次）為核心任務(wù)，高效融合計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)“人機(jī)網(wǎng)物”跨界融合，形成邊緣+云端結(jié)合的全層次開放架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同層級(jí)的智慧，追求不斷提升風(fēng)電智能化水平（包括智能感知、智能運(yùn)維、智能控制、智能決策）目標(biāo)，完成更加友好和安全、高效、可靠的能源供應(yīng)。
智慧風(fēng)電具有學(xué)習(xí)性、成長(zhǎng)性、開放性、異構(gòu)性、友好性等基本特征。智慧風(fēng)電體系從感知層到?jīng)Q策層，在數(shù)據(jù)的全生命周期過(guò)程中，一方面不同層級(jí)的計(jì)算能力和側(cè)重點(diǎn)不同，而每層隨著系統(tǒng)的演化，持續(xù)自我學(xué)習(xí)，有所側(cè)重地提升，具備自我成長(zhǎng)性。下層對(duì)上層提供該層任務(wù)內(nèi)容計(jì)算處理后的數(shù)據(jù)支撐，上層在此基礎(chǔ)上完成更加綜合的數(shù)據(jù)計(jì)算和處理，并對(duì)下層予以指導(dǎo)、指揮、協(xié)調(diào)、完善，構(gòu)成一個(gè)不斷自我成長(zhǎng)完善的生態(tài)系統(tǒng)。智慧風(fēng)電體系每層提供標(biāo)準(zhǔn)化、模型化的開放接口，避免了封閉、孤立，受特定標(biāo)準(zhǔn)的限制，通過(guò)“人機(jī)網(wǎng)物”跨界融合，實(shí)現(xiàn)架構(gòu)的全層次開放。智慧風(fēng)電需要構(gòu)建融合不同計(jì)算架構(gòu)的多元異構(gòu)智慧風(fēng)電體系架構(gòu)，研究解決新能源大數(shù)據(jù)應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)多種智能技術(shù)在風(fēng)電行業(yè)的集成應(yīng)用。同時(shí)，智慧風(fēng)電系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)與自然環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、人文環(huán)境、電網(wǎng)環(huán)境的高度融合，必須是環(huán)境友好的，其內(nèi)部的交互性也必然是友好的。
智慧風(fēng)電的體系架構(gòu)
在一定意義上，每一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)都相當(dāng)于一個(gè)小型電網(wǎng)，是地理位置較廣、具有一定規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且控制手段復(fù)雜多樣。構(gòu)建智慧風(fēng)電，離不開對(duì)廣域分布的“小型電網(wǎng)”的智能化及其與骨干電網(wǎng)智能交互的研究。智慧風(fēng)電架構(gòu)可從以下2個(gè)維度展開研究：
1、智慧風(fēng)電的生產(chǎn)管理維度。分為：①風(fēng)機(jī)級(jí)，也就是要有自我調(diào)節(jié)、自我保護(hù)，對(duì)重大故障直接反應(yīng)等基本功能的智能風(fēng)機(jī)；②場(chǎng)站級(jí)，也就是基于智能電網(wǎng)技術(shù)，能自主控制、自主優(yōu)化，具有對(duì)環(huán)境（包括風(fēng)資源、電網(wǎng)）的快速反應(yīng)能力；③集控級(jí)，要求全面分析、全面統(tǒng)籌，對(duì)所屬場(chǎng)站智能化管理，實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維；④集團(tuán)化管控級(jí)的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)智慧發(fā)展，要求持續(xù)學(xué)習(xí)、持續(xù)優(yōu)化，分類指導(dǎo)風(fēng)電智慧化發(fā)展。
2、智慧風(fēng)電的信息系統(tǒng)維度，分為基礎(chǔ)設(shè)施級(jí)（硬件基礎(chǔ)）、支撐平臺(tái)級(jí)（軟件基礎(chǔ)架構(gòu)）、應(yīng)用平臺(tái)級(jí)（建設(shè)目標(biāo)的各類應(yīng)用）3個(gè)部分。
智慧風(fēng)電體系架構(gòu)高效融合計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)，以多元異構(gòu)計(jì)算為基礎(chǔ)來(lái)構(gòu)建，形成邊緣+云端結(jié)合的智能架構(gòu)，不同層級(jí)的計(jì)算能力和側(cè)重點(diǎn)不同，整個(gè)體系結(jié)構(gòu)的不同層次引入不同計(jì)算能力使之更加高效、實(shí)時(shí)地處理數(shù)據(jù)，使風(fēng)電系統(tǒng)達(dá)到不同層級(jí)的智慧。
智慧風(fēng)電體系結(jié)構(gòu)的最高層在集團(tuán)或更高級(jí)別云平臺(tái)，所有數(shù)據(jù)處理結(jié)果匯聚到集團(tuán)云平臺(tái)，輔助決策分析。邊緣計(jì)算近設(shè)備端，云計(jì)算構(gòu)建在云平臺(tái)之上，因此各風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)在風(fēng)場(chǎng)端融合匯聚后，到集團(tuán)云平臺(tái)之前，各風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)仍需在區(qū)域級(jí)匯聚利用霧計(jì)算融合處理，減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膲毫Α?/div>
智慧風(fēng)電體系架構(gòu)應(yīng)具備計(jì)算資源彈性配置的能力，以滿足不同需求。體系架構(gòu)從場(chǎng)站側(cè)的邊緣計(jì)算到集團(tuán)云端的云計(jì)算，由于建設(shè)對(duì)象的不均衡發(fā)展，存在著計(jì)算能力提升的速度不同、計(jì)算力發(fā)展不均衡的狀況，因此需要對(duì)智慧風(fēng)電體系架構(gòu)的異構(gòu)計(jì)算資源實(shí)行彈性配置來(lái)滿足不同場(chǎng)景的需求。另一方面，由于技術(shù)發(fā)展的不均衡，區(qū)域集控的軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施條件差別較大，智慧風(fēng)電體系結(jié)構(gòu)需要根據(jù)這種不均衡現(xiàn)狀靈活配置計(jì)算資源，對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施差的風(fēng)場(chǎng)或集控，可將計(jì)算部署于集團(tuán)云平臺(tái)，對(duì)于軟硬件設(shè)施先進(jìn)的單位，可直接將計(jì)算過(guò)程部署在本地，條件好的風(fēng)場(chǎng)還可部署邊緣人工智能（artificial intelligence, AI)運(yùn)算。
智慧風(fēng)電生產(chǎn)管理體系架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)
1、智能風(fēng)機(jī)技術(shù)。
風(fēng)機(jī)作為風(fēng)電場(chǎng)中的最重要部分，是決定項(xiàng)目造價(jià)和收益率的關(guān)鍵。《智能風(fēng)機(jī)白皮書》中指出，智能風(fēng)機(jī)應(yīng)具備深度感知、自我認(rèn)知和控制、協(xié)同決策的特征。針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景和特征，智能風(fēng)機(jī)在不同層級(jí)有不同的要求，智能風(fēng)機(jī)不僅能獨(dú)立控制實(shí)現(xiàn)自身最優(yōu)，還可以協(xié)同風(fēng)電場(chǎng)其他風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)收益最優(yōu)。通過(guò)智能控制風(fēng)機(jī)做出最優(yōu)響應(yīng)動(dòng)作，提升發(fā)電量的同時(shí)，有效降低機(jī)組載荷，提升機(jī)組在惡劣工況下的穩(wěn)定性和適應(yīng)能力。
2、風(fēng)資源評(píng)估及微氣象預(yù)測(cè)技術(shù)。
風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估的準(zhǔn)確性對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行效益有重要的影響。風(fēng)能資源評(píng)估技術(shù)需要完成風(fēng)場(chǎng)高精度短期和中長(zhǎng)期氣象預(yù)測(cè)和趨勢(shì)分析。為解決測(cè)風(fēng)塔缺失或測(cè)風(fēng)塔代表性不足等客觀因素造成的氣象數(shù)據(jù)缺失，可采用虛擬測(cè)風(fēng)塔技術(shù)，模擬出風(fēng)電場(chǎng)所在區(qū)域或者所需點(diǎn)位的氣象數(shù)據(jù)。微氣象預(yù)測(cè)技術(shù)為風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行個(gè)性化控制策略研究提供精準(zhǔn)的氣象數(shù)據(jù)，為風(fēng)電場(chǎng)檢修維護(hù)提供合理的作用時(shí)間窗口預(yù)測(cè)，為風(fēng)電場(chǎng)大部件吊裝、道路維修等大型作業(yè)提供施工組織依據(jù)。
3、多尺度風(fēng)功率預(yù)測(cè)技術(shù)。
風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的波動(dòng)性和間歇性，給電力系統(tǒng)的調(diào)度運(yùn)行帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。風(fēng)電場(chǎng)輸出功率預(yù)測(cè)是緩解電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻壓力，提高風(fēng)電接納能力的有效手段。根據(jù)電場(chǎng)所處地理位置的氣候特征、地形地貌和風(fēng)電場(chǎng)歷史數(shù)據(jù)(如功率、風(fēng)速)、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)建立風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的預(yù)測(cè)模型，得到風(fēng)電場(chǎng)未來(lái)的輸出功率，為電場(chǎng)管理工作提供輔助手段，為風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)發(fā)電控制（automatic generation control, AGC）有功自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。
4、風(fēng)電場(chǎng)精細(xì)化網(wǎng)絡(luò)建模及全狀態(tài)感知。
風(fēng)電場(chǎng)可視為一個(gè)小型的輻射狀電網(wǎng)，風(fēng)場(chǎng)內(nèi)部的有功、無(wú)功、電壓分布差異較大。建立風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部的精細(xì)化網(wǎng)絡(luò)模型，并準(zhǔn)確感知風(fēng)場(chǎng)內(nèi)部的各種運(yùn)行狀態(tài)，是實(shí)現(xiàn)智慧風(fēng)電的關(guān)鍵技術(shù)。在風(fēng)電場(chǎng)精細(xì)化網(wǎng)絡(luò)模型及運(yùn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)場(chǎng)內(nèi)部進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)估計(jì)，獲得每臺(tái)風(fēng)機(jī)的機(jī)端電壓、輸出功率及每條饋線的潮流狀態(tài)，為后期的智能分析提供初始的風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)。
5、智能優(yōu)化控制技術(shù)。
建立多機(jī)型統(tǒng)一的能量管理平臺(tái)，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全可靠運(yùn)行、獲取最大風(fēng)能，并提供良好的電力保證，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的功率優(yōu)化控制和場(chǎng)群優(yōu)化控制。研究?jī)?yōu)化控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有功功率的智能管理；研究先進(jìn)的儲(chǔ)能技術(shù)，削峰填谷，實(shí)現(xiàn)電力調(diào)峰調(diào)頻，自由控制風(fēng)電場(chǎng)上網(wǎng)電量，減輕電網(wǎng)波動(dòng)；研究無(wú)功功率控制方式，在風(fēng)機(jī)允許的范圍內(nèi)，完全響應(yīng)調(diào)度對(duì)無(wú)功控制的要求；結(jié)合尾流效應(yīng)研究場(chǎng)群協(xié)調(diào)控制策略，有效提高場(chǎng)群的風(fēng)電出力、降低網(wǎng)絡(luò)損耗及增強(qiáng)電壓穩(wěn)定性，有效提高發(fā)電量。風(fēng)電場(chǎng)智能優(yōu)化控制技術(shù)可增強(qiáng)風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的支撐能力，是智慧風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)定靈活運(yùn)行的保障。
6、風(fēng)場(chǎng)智能巡檢技術(shù)。
借助振動(dòng)、聲音、圖像等多種智能傳感器，利用物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算和人工智能等技術(shù)，通過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備、人員及周圍環(huán)境的全維度信息感知，進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)智能巡檢，與運(yùn)維人員的巡視互相補(bǔ)充建立協(xié)同巡檢機(jī)制，最終實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)“無(wú)人值班、少人值守、智慧運(yùn)維”的根本目的。
智慧風(fēng)電信息系統(tǒng)體系架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)
1、智能傳感器技術(shù)。
風(fēng)電機(jī)組、升壓站、測(cè)風(fēng)塔安裝的傳感器節(jié)點(diǎn)以有線或無(wú)線的方式構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以全方位實(shí)時(shí)感知、監(jiān)測(cè)和收集覆蓋區(qū)域內(nèi)的風(fēng)、風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)場(chǎng)環(huán)境等各種信息，并實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇刂浦行模瑴p少設(shè)備故障，降低維修成本。智能傳感器本身的設(shè)計(jì)、傳感器節(jié)點(diǎn)的部署策略以及能量?jī)?yōu)化策略是傳感器網(wǎng)絡(luò)高效準(zhǔn)確工作的重要因素。智能傳感器技術(shù)是智慧風(fēng)電實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)感知的基本硬件保證。
2、數(shù)據(jù)采集技術(shù)。
精確的風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)采集是評(píng)估風(fēng)機(jī)和風(fēng)電場(chǎng)性能和運(yùn)行狀況，預(yù)測(cè)風(fēng)機(jī)和風(fēng)電場(chǎng)年發(fā)電量的基本保證。而風(fēng)電場(chǎng)單位時(shí)間數(shù)據(jù)采集量巨大，數(shù)據(jù)質(zhì)量難以把控。針對(duì)風(fēng)電大數(shù)據(jù)采集成本高、可靠性低、狀態(tài)分類少、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一和獲取數(shù)據(jù)少的現(xiàn)狀，同時(shí)為解決后續(xù)場(chǎng)站、區(qū)域集控、總部生產(chǎn)調(diào)度等信息建設(shè)的數(shù)據(jù)獲取問(wèn)題，標(biāo)準(zhǔn)化的風(fēng)電機(jī)組采集技術(shù)亟待研發(fā)。風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)直采，作為一種可以屏蔽不同機(jī)型差異的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，是風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)采集的有益嘗試，涉及數(shù)據(jù)主動(dòng)采集、通信規(guī)約破解、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)輸出和風(fēng)機(jī)狀態(tài)精準(zhǔn)識(shí)別等技術(shù)。
3、異構(gòu)資源的彈性配置技術(shù)。
智慧風(fēng)電體系架構(gòu)計(jì)算資源的彈性配置包括以下幾個(gè)方面：
① 計(jì)算邊界的彈性劃分。邊緣計(jì)算、霧計(jì)算和云計(jì)算的邊界根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際情況靈活配置。有區(qū)域集控中心的，其霧計(jì)算的邊界可以拓展到區(qū)域集控；風(fēng)場(chǎng)直連集團(tuán)數(shù)據(jù)中心的，其霧計(jì)算的邊界也可以拓展到風(fēng)場(chǎng)或者風(fēng)機(jī)層面。
② 計(jì)算方法的彈性配置。各種機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能算法可根據(jù)不同需求在不同的層配置相應(yīng)功能版本。
③ 計(jì)算力的彈性配置。計(jì)算力是算法快速運(yùn)行實(shí)現(xiàn)的保證，隨著計(jì)算軟硬件技術(shù)的發(fā)展，智慧風(fēng)電體系架構(gòu)可以根據(jù)需要將不同的計(jì)算力靈活配置到不同的功能層，例如由于計(jì)算資源的限制，之前AI算法的訓(xùn)練需要在云端完成，邊緣端只部署模型，隨著邊緣計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，可以將云計(jì)算服務(wù)部分下沉，行成邊緣云計(jì)算。異構(gòu)計(jì)算資源的彈性配置技術(shù)是智慧風(fēng)電體系架構(gòu)的核心特征，也是智慧風(fēng)電適應(yīng)不同外部環(huán)境，實(shí)現(xiàn)智慧風(fēng)電系統(tǒng)思維，構(gòu)建良好風(fēng)電生態(tài)的有力保證。
4、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)。
風(fēng)電機(jī)組裝有大量如振動(dòng)傳感器、拾音器、紅外傳感器、視頻傳感器以及溫度濕度傳感器等不同類型的傳感器，這些不同信號(hào)類型傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的大量風(fēng)電數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出多維異構(gòu)、時(shí)空關(guān)聯(lián)等物理特性。如何將這些來(lái)源不同、異構(gòu)且具有實(shí)時(shí)要求的時(shí)間序列數(shù)據(jù)融合起來(lái)處理，讓運(yùn)行系統(tǒng)快速?zèng)Q策與控制將會(huì)是一大挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)融合分為像素級(jí)、特征級(jí)和決策級(jí)融合策略，不同階段不同目標(biāo)的數(shù)據(jù)融合需要結(jié)合不同的融合策略。多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合的核心問(wèn)題是選擇合適的數(shù)據(jù)融合算法，不同層次融合策略的研究為后期的智慧風(fēng)電精準(zhǔn)系統(tǒng)的決策分析提供數(shù)據(jù)質(zhì)量保證。
5、智能診斷預(yù)警技術(shù)。
由于工作環(huán)境惡劣、載荷復(fù)雜多變，風(fēng)電機(jī)組容易發(fā)生故障。對(duì)風(fēng)電機(jī)組展開狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷預(yù)警研究，及時(shí)掌握其運(yùn)行狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)潛在故障征兆，降低故障率和減少運(yùn)行維修成本，從而加強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性，是智慧風(fēng)電系統(tǒng)需具備的最基本智慧。充分挖掘現(xiàn)有的故障診斷與預(yù)警方法，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等現(xiàn)代技術(shù)，研究智能故障診斷與預(yù)警方法。借助全開放的智慧風(fēng)電體系架構(gòu)，故障預(yù)警算法通過(guò)與外界交互隨時(shí)自我更新，為智慧風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)維和檢修提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。
6、風(fēng)場(chǎng)數(shù)字化技術(shù)。
數(shù)字孿生技術(shù)可以利用風(fēng)機(jī)的物理模型和歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，在虛擬空間中完成風(fēng)機(jī)實(shí)體的映射，以反映相對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)的全生命周期過(guò)程。風(fēng)機(jī)/風(fēng)場(chǎng)都可以有一個(gè)數(shù)字復(fù)制體，不僅能看到產(chǎn)品外部的變化，還能看到風(fēng)機(jī)內(nèi)部每一個(gè)零部件的工作狀態(tài)。借助數(shù)字孿生技術(shù)和5G通信技術(shù)，獲取風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，構(gòu)建多種主控風(fēng)機(jī)數(shù)字孿生體的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)分析風(fēng)機(jī)/風(fēng)場(chǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的功率優(yōu)化控制，使智慧風(fēng)電系統(tǒng)具備快速應(yīng)對(duì)的智慧。
7、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略。
智慧風(fēng)電系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)跟蹤風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)變化，并按照時(shí)間序列存儲(chǔ)完整的歷史數(shù)據(jù)。一方面需要支持每秒鐘上千萬(wàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的寫入，并在秒級(jí)上對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分組聚合運(yùn)算；另一方面需要考慮如何更低成本地存儲(chǔ)這些歷史數(shù)據(jù)。在場(chǎng)站側(cè)采取節(jié)點(diǎn)級(jí)計(jì)算存儲(chǔ)融合策略，節(jié)點(diǎn)級(jí)計(jì)算存儲(chǔ)融合采用新型存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存器件，將內(nèi)存與本地外存有機(jī)地融合在一起，設(shè)計(jì)成為新內(nèi)存計(jì)算體系。在集團(tuán)云端可將存儲(chǔ)中心與計(jì)算中心有機(jī)融合到一個(gè)系統(tǒng)中，有效降低網(wǎng)絡(luò)傳輸瓶頸造成的系統(tǒng)性能下降。快速有效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略是智慧風(fēng)電數(shù)據(jù)高效傳輸和快速挖掘的可靠保障。
8、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。
風(fēng)機(jī)通信系統(tǒng)需要完成風(fēng)機(jī)內(nèi)部、就地監(jiān)控、中央監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控之間數(shù)據(jù)與命令的通信。現(xiàn)有的風(fēng)電場(chǎng)有線通信網(wǎng)絡(luò)已不能完全滿足風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)對(duì)可靠性和安全性的要求。一方面針對(duì)各風(fēng)機(jī)廠家通信規(guī)約不同，風(fēng)電場(chǎng)需制定統(tǒng)一的通信傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；另一方面隨著風(fēng)電場(chǎng)容量的增大以及海上風(fēng)電場(chǎng)對(duì)監(jiān)控需求的提高，先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)迫切需要研發(fā)，考慮到有線介質(zhì)的不可預(yù)知的破壞，無(wú)線通信的靈活機(jī)動(dòng)特性使其可能成為更佳選擇。
9、系統(tǒng)架構(gòu)信息安全技術(shù)。
智慧風(fēng)電一方面本身復(fù)雜的架構(gòu)和眾多的支撐技術(shù)容易出現(xiàn)漏洞，另一方面全開放交互的架構(gòu)也為智慧風(fēng)電系統(tǒng)的安全防護(hù)帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。智慧風(fēng)電體系架構(gòu)的安全防護(hù)滿足多層次防護(hù)的同時(shí)還需能夠靈活配置和功能擴(kuò)展。因此，探索融合邊緣計(jì)算、霧計(jì)算和云計(jì)算等多種異構(gòu)計(jì)算體系的智慧風(fēng)電體系架構(gòu)的運(yùn)行安全、數(shù)據(jù)安全和安全管理等技術(shù)，是智慧風(fēng)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)感知、快速應(yīng)對(duì)、系統(tǒng)思維、全面開放智慧的安全保障。
智慧風(fēng)電體系架構(gòu)在數(shù)據(jù)的全生命周期，通過(guò)各功能層不同的計(jì)算能力、計(jì)算方法，使得風(fēng)電系統(tǒng)達(dá)到不同層級(jí)的智慧。全層次的交互開放架構(gòu)將“人機(jī)網(wǎng)物”有機(jī)融合起來(lái)，從而將人的智慧融入智慧風(fēng)電的體系架構(gòu)，使智慧風(fēng)電系統(tǒng)具有持續(xù)學(xué)習(xí)成長(zhǎng)的能力。
結(jié) 論
智慧風(fēng)電是發(fā)電過(guò)程中數(shù)字化、信息化和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的必然產(chǎn)物，是物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、數(shù)字孿生等多種技術(shù)的深度融合，具有開放性、學(xué)習(xí)性、成長(zhǎng)性、異構(gòu)性和交互性的特點(diǎn)。本文從智慧風(fēng)電體系架構(gòu)的生產(chǎn)管理和信息系統(tǒng)2個(gè)維度展開研究，以異構(gòu)計(jì)算為基礎(chǔ)，在數(shù)據(jù)的全生命周期過(guò)程中，不同層級(jí)采用不同計(jì)算方法（邊緣計(jì)算、霧計(jì)算和云計(jì)算），具有不同的計(jì)算能力，完成不同的計(jì)算層次，達(dá)到了不同的智慧層級(jí)（傳感設(shè)備的精準(zhǔn)感知、場(chǎng)站級(jí)的快速應(yīng)對(duì)、區(qū)域級(jí)的系統(tǒng)思維和整個(gè)系統(tǒng)的全面開放的智慧），構(gòu)建了良好的智慧風(fēng)電生態(tài)。
智慧風(fēng)電是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包括：與智慧風(fēng)電相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和參考體系架構(gòu)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)，硬件基礎(chǔ)設(shè)施搭建，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)和系統(tǒng)安全，計(jì)算模型的構(gòu)建，應(yīng)用模塊設(shè)計(jì)等。智慧風(fēng)電重新定義風(fēng)電場(chǎng)管理，提高風(fēng)機(jī)基于時(shí)間的可利用率，降低設(shè)備故障發(fā)生率和故障時(shí)間，提高風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量，降本增效，實(shí)現(xiàn)了“無(wú)人值守、無(wú)人值班”的目的。智慧風(fēng)電對(duì)推動(dòng)風(fēng)電行業(yè)發(fā)展，打造風(fēng)電行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，打造安全、綠色、低碳、經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)的現(xiàn)代智慧新能源產(chǎn)業(yè)體系具有重要的意義。
作者簡(jiǎn)介：吳智泉，男，工學(xué)博士、數(shù)量經(jīng)濟(jì)學(xué)博士后，高級(jí)工程師。主要從事能源戰(zhàn)略與氣候變化應(yīng)對(duì)、能源開發(fā)與利用評(píng)價(jià)、能源規(guī)劃、可再生能源技術(shù)、電力工程技術(shù)等方面的研究工作。在國(guó)內(nèi)外發(fā)發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇，其中：SCI收錄5篇，EI收錄2篇。
