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隨著能源行業(yè)智能化的長足發(fā)展和深度融合的推進，智慧能源系統(tǒng)日益成為發(fā)展的共識。由于風電的單機系統(tǒng)相對簡單，自動化、信息化程度高，場群分散，智能遠控需求強等特點，必然是智慧能源的先行者。智慧不是智能的簡單升級，而是要充分展現(xiàn)“類人”的思維模式、價值判斷和相機決策。因此，智慧風電的概念需要進一步明晰，其體系架構(gòu)要能滿足功能的實現(xiàn)。同時，研究智慧風電的實現(xiàn)不能離開當前信息化發(fā)展水平的現(xiàn)狀，數(shù)據(jù)的獲取、存儲、通信和安全等是必須充分考慮的因素。
國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)
在過去的10多年里，大多數(shù)成熟的工業(yè)都經(jīng)歷了一場數(shù)字化革命，風電行業(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)影響著風電產(chǎn)業(yè)的成長軌跡。風電運營商與周邊電網(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)充分認識到其巨大的潛力。數(shù)字化將為風電運營商創(chuàng)造新的經(jīng)濟機會，創(chuàng)新的數(shù)字智能技術(shù)還將提高風力發(fā)電機產(chǎn)量和生產(chǎn)力，同時降低設(shè)計、運營和維護成本，從而降低能源成本。美國通用電氣公司（GE）發(fā)電與水處理集團總裁兼首席執(zhí)行官史蒂夫·伯茲表示：“更智慧的數(shù)字技術(shù)正在推動各行各業(yè)的轉(zhuǎn)型，潛力最大的可以說是能源行業(yè)?，F(xiàn)在問題的關(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”?；跀?shù)字化轉(zhuǎn)型基礎(chǔ)上的智慧風電已引起廣泛的關(guān)注和研究興趣。
美國國家可再生能源實驗室（NREL）在美國能源署風能技術(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，以在風電場設(shè)計和運行中實現(xiàn)更高的發(fā)電量和材料使用效率、更低的運行維護費用和投資風險、更長的風電場壽命、更強的電網(wǎng)協(xié)調(diào)能力為目標，建成實時響應(yīng)大氣變化并且提供電網(wǎng)支撐的未來集成化風電場系統(tǒng)，達成SMART戰(zhàn)略后期望能夠降低50%的度電成本。歐洲風能學會（EAWE）聯(lián)合歐洲14國的重要風電研究高校與機構(gòu)，在《Wind Energy Science》期刊創(chuàng)刊首篇文章中討論了未來風電領(lǐng)域長期的研究挑戰(zhàn)，從11個不同的研究領(lǐng)域闡述了當前風電的技術(shù)前沿以及技術(shù)局限，并進一步提出未來風電發(fā)展應(yīng)優(yōu)先解決的問題。GE公司于2015年啟動數(shù)字化風電場戰(zhàn)略，是一個綜合性軟硬件解決方案，是GE擴展服務(wù)協(xié)議的一部分。GE數(shù)字化風電場的核心在于建立風電機組數(shù)字化的模型，以自身長期數(shù)據(jù)積累上的優(yōu)勢，提供更多基于數(shù)據(jù)的優(yōu)化服務(wù)，其重點在于基于大數(shù)據(jù)挖掘的服務(wù)應(yīng)用。
國內(nèi)的整機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)如何為風機和風場賦能。遠景能源有限公司在國內(nèi)較早提出智慧風電場概念，主推“智慧風場全生命周期管理系統(tǒng)”，目前進一步延伸為智慧物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)?；谌蜃畲蟮哪茉次锫?lián)網(wǎng)平臺EnOS打造了“直連、安全、高精度、機器學習”的智慧電場軟件解決方案，幫助運營商打造“少人、透明、預測維護、電網(wǎng)友好”的智慧電站。新疆金風科技股份有限公司的智慧運營系統(tǒng)SOAMTM，整合了風電場運維過程中各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，融入故障診斷、健康狀態(tài)預警、功率精準預測、風機優(yōu)化運行等專業(yè)技術(shù)，打造了強大的智慧運營軟件平臺。中國明陽風電集團有限公司在2014年完成了大數(shù)據(jù)平臺的搭建，將控制策略與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云存儲前沿技術(shù)融合，進行風電場優(yōu)化、定制化設(shè)計、資源評估、智能風場管理，推進無人值守智慧風電場建設(shè)。明陽大數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)“從氣象預測，到風機健康狀態(tài)監(jiān)測預警，到風電場優(yōu)化運行，再到風電場群的協(xié)同協(xié)調(diào)”。國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司開發(fā)的新一代智慧風電場服務(wù)系統(tǒng)UP-WindEYE系統(tǒng)集成高速互聯(lián)風電場實時通訊、卓越電網(wǎng)支撐技術(shù)、先進的能量管理功能、強大的數(shù)據(jù)采集和分析功能，精準的壽命評估、故障預警診斷等功能，為打造智慧風場提供全面解決方案。上海電氣集團股份有限公司的“風云集控”系統(tǒng)在風電行業(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)，預測機組故障，通過預測性控制技術(shù)“預言”風機的運行，實現(xiàn)用戶資產(chǎn)使用價值的最大化。
各風電運營商也在積極構(gòu)建大數(shù)據(jù)平臺，利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)進行智能運維和故障預警，進行智慧電廠方面的探索，實現(xiàn)降本增效。如中國華能集團有限公司較早將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)運用到電力生產(chǎn)和物料管理方面，科學指導檢修，有效控制成本，優(yōu)化生產(chǎn)過程。中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計院有限公司的智慧海上風電項目，通過設(shè)計海上風電場一體化監(jiān)控系統(tǒng)、海上風電場智能運維管理系統(tǒng)和海上風電場智能巡檢系統(tǒng)，挖掘海上風電場的運行規(guī)律和最佳運營模式。
當前國內(nèi)外對智慧風電的研究，大多側(cè)重于智能算法、智能運維等局部功能智能化，或僅關(guān)注如智慧風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。智慧風電的建設(shè)過程中雖然嘗試使用了大量新技術(shù)，但無法代表電廠具有了“智慧”，距離智慧風電還有一定的距離，能充分利用人的智慧進行創(chuàng)新的智慧風電體系架構(gòu)的研究迫在眉睫。
學界對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，中國自動化學會發(fā)電自動化專業(yè)委員會于2016年發(fā)布的《智能電廠技術(shù)發(fā)展綱要》對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)，達到更安全、高效、環(huán)保運行，與智能電網(wǎng)相互協(xié)調(diào)的發(fā)電廠?，F(xiàn)階段討論的智慧電廠的特點和架構(gòu)，多是針對相對集中的火電、燃機和水電廠，而由于風電場的高度分散特性，這些智慧電廠的架構(gòu)不能完全適用于風電，智慧風電建設(shè)仍然處于初級階段，智慧風電建設(shè)的道路仍然任重道遠。
綜上所述，國內(nèi)外圍繞智慧電廠的理論研究和實踐工作逐步開展，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，針對智慧電廠的概念、內(nèi)涵、框架結(jié)構(gòu)等進行了廣泛的探討和分析。但總體來看，現(xiàn)階段對智慧風電都沒有一個準確而全面的描述，建設(shè)方向不明，缺乏整體規(guī)劃和頂層思考，缺乏對發(fā)電過程智能化的整體研究，往往只是局部系統(tǒng)的智能化升級，缺乏多個子系統(tǒng)間的協(xié)同，對智慧風電技術(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)智慧風電的概念及特點的基礎(chǔ)上，全面對智慧風電的概念、體系架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)進行探索和研究，為智慧風電場的建設(shè)做一些有益的探索，讓未來的風電場能更好地自我學習、適應(yīng)和運行。
智慧風電的概念
智慧是一個哲學范疇，是由智力系統(tǒng)、知識系統(tǒng)、方法與技能系統(tǒng)、非智力系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)構(gòu)成的復雜體系所蘊含的能力，該能力表現(xiàn)為及時做出正確抉擇，且具有較強的相對性。智慧風電是先進風力發(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)，具有更強的發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題能力，具有更強的創(chuàng)新發(fā)展能力。
研究認為：未來的智慧風電以數(shù)字化、信息化、標準化為基礎(chǔ)，以管控一體化、大數(shù)據(jù)、云平臺、物聯(lián)網(wǎng)為平臺，以數(shù)字孿生技術(shù)為輔助，以計算資源的彈性配置為保障，以異構(gòu)計算（包括計算能力、計算方法和計算層次）為核心任務(wù)，高效融合計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)，通過“人機網(wǎng)物”跨界融合，形成邊緣+云端結(jié)合的全層次開放架構(gòu)，實現(xiàn)不同層級的智慧，追求不斷提升風電智能化水平（包括智能感知、智能運維、智能控制、智能決策）目標，完成更加友好和安全、高效、可靠的能源供應(yīng)。
智慧風電具有學習性、成長性、開放性、異構(gòu)性、友好性等基本特征。智慧風電體系從感知層到?jīng)Q策層，在數(shù)據(jù)的全生命周期過程中，一方面不同層級的計算能力和側(cè)重點不同，而每層隨著系統(tǒng)的演化，持續(xù)自我學習，有所側(cè)重地提升，具備自我成長性。下層對上層提供該層任務(wù)內(nèi)容計算處理后的數(shù)據(jù)支撐，上層在此基礎(chǔ)上完成更加綜合的數(shù)據(jù)計算和處理，并對下層予以指導、指揮、協(xié)調(diào)、完善，構(gòu)成一個不斷自我成長完善的生態(tài)系統(tǒng)。智慧風電體系每層提供標準化、模型化的開放接口，避免了封閉、孤立，受特定標準的限制，通過“人機網(wǎng)物”跨界融合，實現(xiàn)架構(gòu)的全層次開放。智慧風電需要構(gòu)建融合不同計算架構(gòu)的多元異構(gòu)智慧風電體系架構(gòu)，研究解決新能源大數(shù)據(jù)應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)多種智能技術(shù)在風電行業(yè)的集成應(yīng)用。同時，智慧風電系統(tǒng)要實現(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。
智慧風電的體系架構(gòu)
在一定意義上，每一個風電場都相當于一個小型電網(wǎng)，是地理位置較廣、具有一定規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且控制手段復雜多樣。構(gòu)建智慧風電，離不開對廣域分布的“小型電網(wǎng)”的智能化及其與骨干電網(wǎng)智能交互的研究。智慧風電架構(gòu)可從以下2個維度展開研究：
1、智慧風電的生產(chǎn)管理維度。分為：①風機級，也就是要有自我調(diào)節(jié)、自我保護，對重大故障直接反應(yīng)等基本功能的智能風機；②場站級，也就是基于智能電網(wǎng)技術(shù)，能自主控制、自主優(yōu)化，具有對環(huán)境（包括風資源、電網(wǎng)）的快速反應(yīng)能力；③集控級，要求全面分析、全面統(tǒng)籌，對所屬場站智能化管理，實現(xiàn)智能運維；④集團化管控級的任務(wù)是實現(xiàn)智慧發(fā)展，要求持續(xù)學習、持續(xù)優(yōu)化，分類指導風電智慧化發(fā)展。
2、智慧風電的信息系統(tǒng)維度，分為基礎(chǔ)設(shè)施級（硬件基礎(chǔ)）、支撐平臺級（軟件基礎(chǔ)架構(gòu)）、應(yīng)用平臺級（建設(shè)目標的各類應(yīng)用）3個部分。
智慧風電體系架構(gòu)高效融合計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)，以多元異構(gòu)計算為基礎(chǔ)來構(gòu)建，形成邊緣+云端結(jié)合的智能架構(gòu)，不同層級的計算能力和側(cè)重點不同，整個體系結(jié)構(gòu)的不同層次引入不同計算能力使之更加高效、實時地處理數(shù)據(jù)，使風電系統(tǒng)達到不同層級的智慧。
智慧風電體系結(jié)構(gòu)的最高層在集團或更高級別云平臺，所有數(shù)據(jù)處理結(jié)果匯聚到集團云平臺，輔助決策分析。邊緣計算近設(shè)備端，云計算構(gòu)建在云平臺之上，因此各風電機組數(shù)據(jù)在風場端融合匯聚后，到集團云平臺之前，各風場數(shù)據(jù)仍需在區(qū)域級匯聚利用霧計算融合處理，減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膲毫Α?br />
智慧風電體系架構(gòu)應(yīng)具備計算資源彈性配置的能力，以滿足不同需求。體系架構(gòu)從場站側(cè)的邊緣計算到集團云端的云計算，由于建設(shè)對象的不均衡發(fā)展，存在著計算能力提升的速度不同、計算力發(fā)展不均衡的狀況，因此需要對智慧風電體系架構(gòu)的異構(gòu)計算資源實行彈性配置來滿足不同場景的需求。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)狀靈活配置計算資源，對于基礎(chǔ)設(shè)施差的風場或集控，可將計算部署于集團云平臺，對于軟硬件設(shè)施先進的單位，可直接將計算過程部署在本地，條件好的風場還可部署邊緣人工智能（artificial intelligence, AI)運算。
智慧風電生產(chǎn)管理體系架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)
1、智能風機技術(shù)。
風機作為風電場中的最重要部分，是決定項目造價和收益率的關(guān)鍵?！吨悄茱L機白皮書》中指出，智能風機應(yīng)具備深度感知、自我認知和控制、協(xié)同決策的特征。針對不同應(yīng)用場景和特征，智能風機在不同層級有不同的要求，智能風機不僅能獨立控制實現(xiàn)自身最優(yōu)，還可以協(xié)同風電場其他風機實現(xiàn)風電場收益最優(yōu)。通過智能控制風機做出最優(yōu)響應(yīng)動作，提升發(fā)電量的同時，有效降低機組載荷，提升機組在惡劣工況下的穩(wěn)定性和適應(yīng)能力。
2、風資源評估及微氣象預測技術(shù)。
風電場風能資源評估的準確性對風電場的運行效益有重要的影響。風能資源評估技術(shù)需要完成風場高精度短期和中長期氣象預測和趨勢分析。為解決測風塔缺失或測風塔代表性不足等客觀因素造成的氣象數(shù)據(jù)缺失，可采用虛擬測風塔技術(shù)，模擬出風電場所在區(qū)域或者所需點位的氣象數(shù)據(jù)。微氣象預測技術(shù)為風電機組進行個性化控制策略研究提供精準的氣象數(shù)據(jù)，為風電場檢修維護提供合理的作用時間窗口預測，為風電場大部件吊裝、道路維修等大型作業(yè)提供施工組織依據(jù)。
3、多尺度風功率預測技術(shù)。
風電場輸出功率的波動性和間歇性，給電力系統(tǒng)的調(diào)度運行帶來巨大的挑戰(zhàn)。風電場輸出功率預測是緩解電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻壓力，提高風電接納能力的有效手段。根據(jù)電場所處地理位置的氣候特征、地形地貌和風電場歷史數(shù)據(jù)(如功率、風速)、數(shù)值天氣預報、風電機組運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)建立風電場輸出功率的預測模型，得到風電場未來的輸出功率，為電場管理工作提供輔助手段，為風電場自動發(fā)電控制（automatic generation control, AGC）有功自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。
4、風電場精細化網(wǎng)絡(luò)建模及全狀態(tài)感知。
風電場可視為一個小型的輻射狀電網(wǎng)，風場內(nèi)部的有功、無功、電壓分布差異較大。建立風電場內(nèi)部的精細化網(wǎng)絡(luò)模型，并準確感知風場內(nèi)部的各種運行狀態(tài)，是實現(xiàn)智慧風電的關(guān)鍵技術(shù)。在風電場精細化網(wǎng)絡(luò)模型及運行實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對風場內(nèi)部進行實時狀態(tài)估計，獲得每臺風機的機端電壓、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場運行狀態(tài)。
5、智能優(yōu)化控制技術(shù)。
建立多機型統(tǒng)一的能量管理平臺，保證風力發(fā)電機組安全可靠運行、獲取最大風能，并提供良好的電力保證，實現(xiàn)機組的功率優(yōu)化控制和場群優(yōu)化控制。研究優(yōu)化控制策略，實現(xiàn)對風電場有功功率的智能管理；研究先進的儲能技術(shù)，削峰填谷，實現(xiàn)電力調(diào)峰調(diào)頻，自由控制風電場上網(wǎng)電量，減輕電網(wǎng)波動；研究無功功率控制方式，在風機允許的范圍內(nèi)，完全響應(yīng)調(diào)度對無功控制的要求；結(jié)合尾流效應(yīng)研究場群協(xié)調(diào)控制策略，有效提高場群的風電出力、降低網(wǎng)絡(luò)損耗及增強電壓穩(wěn)定性，有效提高發(fā)電量。風電場智能優(yōu)化控制技術(shù)可增強風電對電網(wǎng)安全穩(wěn)定的支撐能力，是智慧風電系統(tǒng)穩(wěn)定靈活運行的保障。
6、風場智能巡檢技術(shù)。
借助振動、聲音、圖像等多種智能傳感器，利用物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算和人工智能等技術(shù)，通過對風電場設(shè)備、人員及周圍環(huán)境的全維度信息感知，進行風場智能巡檢，與運維人員的巡視互相補充建立協(xié)同巡檢機制，最終實現(xiàn)風電場“無人值班、少人值守、智慧運維”的根本目的。
智慧風電信息系統(tǒng)體系架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)
1、智能傳感器技術(shù)。
風電機組、升壓站、測風塔安裝的傳感器節(jié)點以有線或無線的方式構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以全方位實時感知、監(jiān)測和收集覆蓋區(qū)域內(nèi)的風、風電機組和風場環(huán)境等各種信息，并實時傳輸?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、傳感器節(jié)點的部署策略以及能量優(yōu)化策略是傳感器網(wǎng)絡(luò)高效準確工作的重要因素。智能傳感器技術(shù)是智慧風電實現(xiàn)精準感知的基本硬件保證。
2、數(shù)據(jù)采集技術(shù)。
精確的風機數(shù)據(jù)采集是評估風機和風電場性能和運行狀況，預測風機和風電場年發(fā)電量的基本保證。而風電場單位時間數(shù)據(jù)采集量巨大，數(shù)據(jù)質(zhì)量難以把控。針對風電大數(shù)據(jù)采集成本高、可靠性低、狀態(tài)分類少、標準不統(tǒng)一和獲取數(shù)據(jù)少的現(xiàn)狀，同時為解決后續(xù)場站、區(qū)域集控、總部生產(chǎn)調(diào)度等信息建設(shè)的數(shù)據(jù)獲取問題，標準化的風電機組采集技術(shù)亟待研發(fā)。風機數(shù)據(jù)直采，作為一種可以屏蔽不同機型差異的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，是風電機組數(shù)據(jù)采集的有益嘗試，涉及數(shù)據(jù)主動采集、通信規(guī)約破解、數(shù)據(jù)標準輸出和風機狀態(tài)精準識別等技術(shù)。
3、異構(gòu)資源的彈性配置技術(shù)。
智慧風電體系架構(gòu)計算資源的彈性配置包括以下幾個方面：
① 計算邊界的彈性劃分。邊緣計算、霧計算和云計算的邊界根據(jù)風電場的實際情況靈活配置。有區(qū)域集控中心的，其霧計算的邊界可以拓展到區(qū)域集控；風場直連集團數(shù)據(jù)中心的，其霧計算的邊界也可以拓展到風場或者風機層面。
② 計算方法的彈性配置。各種機器學習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 計算力的彈性配置。計算力是算法快速運行實現(xiàn)的保證，隨著計算軟硬件技術(shù)的發(fā)展，智慧風電體系架構(gòu)可以根據(jù)需要將不同的計算力靈活配置到不同的功能層，例如由于計算資源的限制，之前AI算法的訓練需要在云端完成，邊緣端只部署模型，隨著邊緣計算技術(shù)的發(fā)展，可以將云計算服務(wù)部分下沉，行成邊緣云計算。異構(gòu)計算資源的彈性配置技術(shù)是智慧風電體系架構(gòu)的核心特征，也是智慧風電適應(yīng)不同外部環(huán)境，實現(xiàn)智慧風電系統(tǒng)思維，構(gòu)建良好風電生態(tài)的有力保證。
4、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)。
風電機組裝有大量如振動傳感器、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，這些不同信號類型傳感器節(jié)點產(chǎn)生的大量風電數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出多維異構(gòu)、時空關(guān)聯(lián)等物理特性。如何將這些來源不同、異構(gòu)且具有實時要求的時間序列數(shù)據(jù)融合起來處理，讓運行系統(tǒng)快速決策與控制將會是一大挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)融合分為像素級、特征級和決策級融合策略，不同階段不同目標的數(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電精準系統(tǒng)的決策分析提供數(shù)據(jù)質(zhì)量保證。
5、智能診斷預警技術(shù)。
由于工作環(huán)境惡劣、載荷復雜多變，風電機組容易發(fā)生故障。對風電機組展開狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷預警研究，及時掌握其運行狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)潛在故障征兆，降低故障率和減少運行維修成本，從而加強風電機組運行的可靠性，是智慧風電系統(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警方法。借助全開放的智慧風電體系架構(gòu)，故障預警算法通過與外界交互隨時自我更新，為智慧風電系統(tǒng)運維和檢修提供強有力的技術(shù)支撐。
6、風場數(shù)字化技術(shù)。
數(shù)字孿生技術(shù)可以利用風機的物理模型和歷史運行數(shù)據(jù)，在虛擬空間中完成風機實體的映射，以反映相對應(yīng)的風機的全生命周期過程。風機/風場都可以有一個數(shù)字復制體，不僅能看到產(chǎn)品外部的變化，還能看到風機內(nèi)部每一個零部件的工作狀態(tài)。借助數(shù)字孿生技術(shù)和5G通信技術(shù)，獲取風機的實時運行數(shù)據(jù)，構(gòu)建多種主控風機數(shù)字孿生體的實驗平臺，通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)分析風機/風場實時狀態(tài)，實現(xiàn)機組的功率優(yōu)化控制，使智慧風電系統(tǒng)具備快速應(yīng)對的智慧。
7、數(shù)據(jù)存儲策略。
智慧風電系統(tǒng)需要實時跟蹤風機動態(tài)變化，并按照時間序列存儲完整的歷史數(shù)據(jù)。一方面需要支持每秒鐘上千萬數(shù)據(jù)點的寫入，并在秒級上對海量數(shù)據(jù)進行分組聚合運算；另一方面需要考慮如何更低成本地存儲這些歷史數(shù)據(jù)。在場站側(cè)采取節(jié)點級計算存儲融合策略，節(jié)點級計算存儲融合采用新型存儲級內(nèi)存器件，將內(nèi)存與本地外存有機地融合在一起，設(shè)計成為新內(nèi)存計算體系。在集團云端可將存儲中心與計算中心有機融合到一個系統(tǒng)中，有效降低網(wǎng)絡(luò)傳輸瓶頸造成的系統(tǒng)性能下降?？焖儆行У臄?shù)據(jù)存儲策略是智慧風電數(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)。
風機通信系統(tǒng)需要完成風機內(nèi)部、就地監(jiān)控、中央監(jiān)控和遠程監(jiān)控之間數(shù)據(jù)與命令的通信?，F(xiàn)有的風電場有線通信網(wǎng)絡(luò)已不能完全滿足風電場監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)對可靠性和安全性的要求。一方面針對各風機廠家通信規(guī)約不同，風電場需制定統(tǒng)一的通信傳輸技術(shù)標準；另一方面隨著風電場容量的增大以及海上風電場對監(jiān)控需求的提高，先進的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)迫切需要研發(fā)，考慮到有線介質(zhì)的不可預知的破壞，無線通信的靈活機動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)。
智慧風電一方面本身復雜的架構(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)也為智慧風電系統(tǒng)的安全防護帶來很大的挑戰(zhàn)。智慧風電體系架構(gòu)的安全防護滿足多層次防護的同時還需能夠靈活配置和功能擴展。因此，探索融合邊緣計算、霧計算和云計算等多種異構(gòu)計算體系的智慧風電體系架構(gòu)的運行安全、數(shù)據(jù)安全和安全管理等技術(shù)，是智慧風電系統(tǒng)實現(xiàn)精準感知、快速應(yīng)對、系統(tǒng)思維、全面開放智慧的安全保障。
智慧風電體系架構(gòu)在數(shù)據(jù)的全生命周期，通過各功能層不同的計算能力、計算方法，使得風電系統(tǒng)達到不同層級的智慧。全層次的交互開放架構(gòu)將“人機網(wǎng)物”有機融合起來，從而將人的智慧融入智慧風電的體系架構(gòu)，使智慧風電系統(tǒng)具有持續(xù)學習成長的能力。
結(jié) 論
智慧風電是發(fā)電過程中數(shù)字化、信息化和標準化發(fā)展的必然產(chǎn)物，是物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、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、學習性、成長性、異構(gòu)性和交互性的特點。本文從智慧風電體系架構(gòu)的生產(chǎn)管理和信息系統(tǒng)2個維度展開研究，以異構(gòu)計算為基礎(chǔ)，在數(shù)據(jù)的全生命周期過程中，不同層級采用不同計算方法（邊緣計算、霧計算和云計算），具有不同的計算能力，完成不同的計算層次，達到了不同的智慧層級（傳感設(shè)備的精準感知、場站級的快速應(yīng)對、區(qū)域級的系統(tǒng)思維和整個系統(tǒng)的全面開放的智慧），構(gòu)建了良好的智慧風電生態(tài)。
智慧風電是一個復雜的系統(tǒng)工程，包括：與智慧風電相關(guān)的標準和參考體系架構(gòu)的規(guī)劃、設(shè)計，硬件基礎(chǔ)設(shè)施搭建，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計，數(shù)據(jù)和系統(tǒng)安全，計算模型的構(gòu)建，應(yīng)用模塊設(shè)計等。智慧風電重新定義風電場管理，提高風機基于時間的可利用率，降低設(shè)備故障發(fā)生率和故障時間，提高風電場發(fā)電量，降本增效，實現(xiàn)了“無人值守、無人值班”的目的。智慧風電對推動風電行業(yè)發(fā)展，打造風電行業(yè)的競爭優(yōu)勢，打造安全、綠色、低碳、經(jīng)濟和可持續(xù)的現(xiàn)代智慧新能源產(chǎn)業(yè)體系具有重要的意義。
作者簡介：吳智泉，男，工學博士、數(shù)量經(jīng)濟學博士后，高級工程師。主要從事能源戰(zhàn)略與氣候變化應(yīng)對、能源開發(fā)與利用評價、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。在國內(nèi)外發(fā)發(fā)表學術(shù)論文50余篇，其中：SCI收錄5篇，EI收錄2篇。
國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)
在過去的10多年里，大多數(shù)成熟的工業(yè)都經(jīng)歷了一場數(shù)字化革命，風電行業(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)影響著風電產(chǎn)業(yè)的成長軌跡。風電運營商與周邊電網(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)充分認識到其巨大的潛力。數(shù)字化將為風電運營商創(chuàng)造新的經(jīng)濟機會，創(chuàng)新的數(shù)字智能技術(shù)還將提高風力發(fā)電機產(chǎn)量和生產(chǎn)力，同時降低設(shè)計、運營和維護成本，從而降低能源成本。美國通用電氣公司（GE）發(fā)電與水處理集團總裁兼首席執(zhí)行官史蒂夫·伯茲表示：“更智慧的數(shù)字技術(shù)正在推動各行各業(yè)的轉(zhuǎn)型，潛力最大的可以說是能源行業(yè)?，F(xiàn)在問題的關(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”?；跀?shù)字化轉(zhuǎn)型基礎(chǔ)上的智慧風電已引起廣泛的關(guān)注和研究興趣。
美國國家可再生能源實驗室（NREL）在美國能源署風能技術(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，以在風電場設(shè)計和運行中實現(xiàn)更高的發(fā)電量和材料使用效率、更低的運行維護費用和投資風險、更長的風電場壽命、更強的電網(wǎng)協(xié)調(diào)能力為目標，建成實時響應(yīng)大氣變化并且提供電網(wǎng)支撐的未來集成化風電場系統(tǒng)，達成SMART戰(zhàn)略后期望能夠降低50%的度電成本。歐洲風能學會（EAWE）聯(lián)合歐洲14國的重要風電研究高校與機構(gòu)，在《Wind Energy Science》期刊創(chuàng)刊首篇文章中討論了未來風電領(lǐng)域長期的研究挑戰(zhàn)，從11個不同的研究領(lǐng)域闡述了當前風電的技術(shù)前沿以及技術(shù)局限，并進一步提出未來風電發(fā)展應(yīng)優(yōu)先解決的問題。GE公司于2015年啟動數(shù)字化風電場戰(zhàn)略，是一個綜合性軟硬件解決方案，是GE擴展服務(wù)協(xié)議的一部分。GE數(shù)字化風電場的核心在于建立風電機組數(shù)字化的模型，以自身長期數(shù)據(jù)積累上的優(yōu)勢，提供更多基于數(shù)據(jù)的優(yōu)化服務(wù)，其重點在于基于大數(shù)據(jù)挖掘的服務(wù)應(yīng)用。
國內(nèi)的整機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)如何為風機和風場賦能。遠景能源有限公司在國內(nèi)較早提出智慧風電場概念，主推“智慧風場全生命周期管理系統(tǒng)”，目前進一步延伸為智慧物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)?；谌蜃畲蟮哪茉次锫?lián)網(wǎng)平臺EnOS打造了“直連、安全、高精度、機器學習”的智慧電場軟件解決方案，幫助運營商打造“少人、透明、預測維護、電網(wǎng)友好”的智慧電站。新疆金風科技股份有限公司的智慧運營系統(tǒng)SOAMTM，整合了風電場運維過程中各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，融入故障診斷、健康狀態(tài)預警、功率精準預測、風機優(yōu)化運行等專業(yè)技術(shù)，打造了強大的智慧運營軟件平臺。中國明陽風電集團有限公司在2014年完成了大數(shù)據(jù)平臺的搭建，將控制策略與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云存儲前沿技術(shù)融合，進行風電場優(yōu)化、定制化設(shè)計、資源評估、智能風場管理，推進無人值守智慧風電場建設(shè)。明陽大數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)“從氣象預測，到風機健康狀態(tài)監(jiān)測預警，到風電場優(yōu)化運行，再到風電場群的協(xié)同協(xié)調(diào)”。國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司開發(fā)的新一代智慧風電場服務(wù)系統(tǒng)UP-WindEYE系統(tǒng)集成高速互聯(lián)風電場實時通訊、卓越電網(wǎng)支撐技術(shù)、先進的能量管理功能、強大的數(shù)據(jù)采集和分析功能，精準的壽命評估、故障預警診斷等功能，為打造智慧風場提供全面解決方案。上海電氣集團股份有限公司的“風云集控”系統(tǒng)在風電行業(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)，預測機組故障，通過預測性控制技術(shù)“預言”風機的運行，實現(xiàn)用戶資產(chǎn)使用價值的最大化。
各風電運營商也在積極構(gòu)建大數(shù)據(jù)平臺，利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)進行智能運維和故障預警，進行智慧電廠方面的探索，實現(xiàn)降本增效。如中國華能集團有限公司較早將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)運用到電力生產(chǎn)和物料管理方面，科學指導檢修，有效控制成本，優(yōu)化生產(chǎn)過程。中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計院有限公司的智慧海上風電項目，通過設(shè)計海上風電場一體化監(jiān)控系統(tǒng)、海上風電場智能運維管理系統(tǒng)和海上風電場智能巡檢系統(tǒng)，挖掘海上風電場的運行規(guī)律和最佳運營模式。
當前國內(nèi)外對智慧風電的研究，大多側(cè)重于智能算法、智能運維等局部功能智能化，或僅關(guān)注如智慧風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。智慧風電的建設(shè)過程中雖然嘗試使用了大量新技術(shù)，但無法代表電廠具有了“智慧”，距離智慧風電還有一定的距離，能充分利用人的智慧進行創(chuàng)新的智慧風電體系架構(gòu)的研究迫在眉睫。
學界對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，中國自動化學會發(fā)電自動化專業(yè)委員會于2016年發(fā)布的《智能電廠技術(shù)發(fā)展綱要》對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)，達到更安全、高效、環(huán)保運行，與智能電網(wǎng)相互協(xié)調(diào)的發(fā)電廠?，F(xiàn)階段討論的智慧電廠的特點和架構(gòu)，多是針對相對集中的火電、燃機和水電廠，而由于風電場的高度分散特性，這些智慧電廠的架構(gòu)不能完全適用于風電，智慧風電建設(shè)仍然處于初級階段，智慧風電建設(shè)的道路仍然任重道遠。
綜上所述，國內(nèi)外圍繞智慧電廠的理論研究和實踐工作逐步開展，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，針對智慧電廠的概念、內(nèi)涵、框架結(jié)構(gòu)等進行了廣泛的探討和分析。但總體來看，現(xiàn)階段對智慧風電都沒有一個準確而全面的描述，建設(shè)方向不明，缺乏整體規(guī)劃和頂層思考，缺乏對發(fā)電過程智能化的整體研究，往往只是局部系統(tǒng)的智能化升級，缺乏多個子系統(tǒng)間的協(xié)同，對智慧風電技術(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)智慧風電的概念及特點的基礎(chǔ)上，全面對智慧風電的概念、體系架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)進行探索和研究，為智慧風電場的建設(shè)做一些有益的探索，讓未來的風電場能更好地自我學習、適應(yīng)和運行。
智慧風電的概念
智慧是一個哲學范疇，是由智力系統(tǒng)、知識系統(tǒng)、方法與技能系統(tǒng)、非智力系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)構(gòu)成的復雜體系所蘊含的能力，該能力表現(xiàn)為及時做出正確抉擇，且具有較強的相對性。智慧風電是先進風力發(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)，具有更強的發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題能力，具有更強的創(chuàng)新發(fā)展能力。
研究認為：未來的智慧風電以數(shù)字化、信息化、標準化為基礎(chǔ)，以管控一體化、大數(shù)據(jù)、云平臺、物聯(lián)網(wǎng)為平臺，以數(shù)字孿生技術(shù)為輔助，以計算資源的彈性配置為保障，以異構(gòu)計算（包括計算能力、計算方法和計算層次）為核心任務(wù)，高效融合計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)，通過“人機網(wǎng)物”跨界融合，形成邊緣+云端結(jié)合的全層次開放架構(gòu)，實現(xiàn)不同層級的智慧，追求不斷提升風電智能化水平（包括智能感知、智能運維、智能控制、智能決策）目標，完成更加友好和安全、高效、可靠的能源供應(yīng)。
智慧風電具有學習性、成長性、開放性、異構(gòu)性、友好性等基本特征。智慧風電體系從感知層到?jīng)Q策層，在數(shù)據(jù)的全生命周期過程中，一方面不同層級的計算能力和側(cè)重點不同，而每層隨著系統(tǒng)的演化，持續(xù)自我學習，有所側(cè)重地提升，具備自我成長性。下層對上層提供該層任務(wù)內(nèi)容計算處理后的數(shù)據(jù)支撐，上層在此基礎(chǔ)上完成更加綜合的數(shù)據(jù)計算和處理，并對下層予以指導、指揮、協(xié)調(diào)、完善，構(gòu)成一個不斷自我成長完善的生態(tài)系統(tǒng)。智慧風電體系每層提供標準化、模型化的開放接口，避免了封閉、孤立，受特定標準的限制，通過“人機網(wǎng)物”跨界融合，實現(xiàn)架構(gòu)的全層次開放。智慧風電需要構(gòu)建融合不同計算架構(gòu)的多元異構(gòu)智慧風電體系架構(gòu)，研究解決新能源大數(shù)據(jù)應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)多種智能技術(shù)在風電行業(yè)的集成應(yīng)用。同時，智慧風電系統(tǒng)要實現(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。
智慧風電的體系架構(gòu)
在一定意義上，每一個風電場都相當于一個小型電網(wǎng)，是地理位置較廣、具有一定規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且控制手段復雜多樣。構(gòu)建智慧風電，離不開對廣域分布的“小型電網(wǎng)”的智能化及其與骨干電網(wǎng)智能交互的研究。智慧風電架構(gòu)可從以下2個維度展開研究：
1、智慧風電的生產(chǎn)管理維度。分為：①風機級，也就是要有自我調(diào)節(jié)、自我保護，對重大故障直接反應(yīng)等基本功能的智能風機；②場站級，也就是基于智能電網(wǎng)技術(shù)，能自主控制、自主優(yōu)化，具有對環(huán)境（包括風資源、電網(wǎng)）的快速反應(yīng)能力；③集控級，要求全面分析、全面統(tǒng)籌，對所屬場站智能化管理，實現(xiàn)智能運維；④集團化管控級的任務(wù)是實現(xiàn)智慧發(fā)展，要求持續(xù)學習、持續(xù)優(yōu)化，分類指導風電智慧化發(fā)展。
2、智慧風電的信息系統(tǒng)維度，分為基礎(chǔ)設(shè)施級（硬件基礎(chǔ)）、支撐平臺級（軟件基礎(chǔ)架構(gòu)）、應(yīng)用平臺級（建設(shè)目標的各類應(yīng)用）3個部分。
智慧風電體系架構(gòu)高效融合計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)，以多元異構(gòu)計算為基礎(chǔ)來構(gòu)建，形成邊緣+云端結(jié)合的智能架構(gòu)，不同層級的計算能力和側(cè)重點不同，整個體系結(jié)構(gòu)的不同層次引入不同計算能力使之更加高效、實時地處理數(shù)據(jù)，使風電系統(tǒng)達到不同層級的智慧。
智慧風電體系結(jié)構(gòu)的最高層在集團或更高級別云平臺，所有數(shù)據(jù)處理結(jié)果匯聚到集團云平臺，輔助決策分析。邊緣計算近設(shè)備端，云計算構(gòu)建在云平臺之上，因此各風電機組數(shù)據(jù)在風場端融合匯聚后，到集團云平臺之前，各風場數(shù)據(jù)仍需在區(qū)域級匯聚利用霧計算融合處理，減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膲毫Α?br />
智慧風電體系架構(gòu)應(yīng)具備計算資源彈性配置的能力，以滿足不同需求。體系架構(gòu)從場站側(cè)的邊緣計算到集團云端的云計算，由于建設(shè)對象的不均衡發(fā)展，存在著計算能力提升的速度不同、計算力發(fā)展不均衡的狀況，因此需要對智慧風電體系架構(gòu)的異構(gòu)計算資源實行彈性配置來滿足不同場景的需求。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)狀靈活配置計算資源，對于基礎(chǔ)設(shè)施差的風場或集控，可將計算部署于集團云平臺，對于軟硬件設(shè)施先進的單位，可直接將計算過程部署在本地，條件好的風場還可部署邊緣人工智能（artificial intelligence, AI)運算。
智慧風電生產(chǎn)管理體系架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)
1、智能風機技術(shù)。
風機作為風電場中的最重要部分，是決定項目造價和收益率的關(guān)鍵?！吨悄茱L機白皮書》中指出，智能風機應(yīng)具備深度感知、自我認知和控制、協(xié)同決策的特征。針對不同應(yīng)用場景和特征，智能風機在不同層級有不同的要求，智能風機不僅能獨立控制實現(xiàn)自身最優(yōu)，還可以協(xié)同風電場其他風機實現(xiàn)風電場收益最優(yōu)。通過智能控制風機做出最優(yōu)響應(yīng)動作，提升發(fā)電量的同時，有效降低機組載荷，提升機組在惡劣工況下的穩(wěn)定性和適應(yīng)能力。
2、風資源評估及微氣象預測技術(shù)。
風電場風能資源評估的準確性對風電場的運行效益有重要的影響。風能資源評估技術(shù)需要完成風場高精度短期和中長期氣象預測和趨勢分析。為解決測風塔缺失或測風塔代表性不足等客觀因素造成的氣象數(shù)據(jù)缺失，可采用虛擬測風塔技術(shù)，模擬出風電場所在區(qū)域或者所需點位的氣象數(shù)據(jù)。微氣象預測技術(shù)為風電機組進行個性化控制策略研究提供精準的氣象數(shù)據(jù)，為風電場檢修維護提供合理的作用時間窗口預測，為風電場大部件吊裝、道路維修等大型作業(yè)提供施工組織依據(jù)。
3、多尺度風功率預測技術(shù)。
風電場輸出功率的波動性和間歇性，給電力系統(tǒng)的調(diào)度運行帶來巨大的挑戰(zhàn)。風電場輸出功率預測是緩解電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻壓力，提高風電接納能力的有效手段。根據(jù)電場所處地理位置的氣候特征、地形地貌和風電場歷史數(shù)據(jù)(如功率、風速)、數(shù)值天氣預報、風電機組運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)建立風電場輸出功率的預測模型，得到風電場未來的輸出功率，為電場管理工作提供輔助手段，為風電場自動發(fā)電控制（automatic generation control, AGC）有功自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。
4、風電場精細化網(wǎng)絡(luò)建模及全狀態(tài)感知。
風電場可視為一個小型的輻射狀電網(wǎng)，風場內(nèi)部的有功、無功、電壓分布差異較大。建立風電場內(nèi)部的精細化網(wǎng)絡(luò)模型，并準確感知風場內(nèi)部的各種運行狀態(tài)，是實現(xiàn)智慧風電的關(guān)鍵技術(shù)。在風電場精細化網(wǎng)絡(luò)模型及運行實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對風場內(nèi)部進行實時狀態(tài)估計，獲得每臺風機的機端電壓、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場運行狀態(tài)。
5、智能優(yōu)化控制技術(shù)。
建立多機型統(tǒng)一的能量管理平臺，保證風力發(fā)電機組安全可靠運行、獲取最大風能，并提供良好的電力保證，實現(xiàn)機組的功率優(yōu)化控制和場群優(yōu)化控制。研究優(yōu)化控制策略，實現(xiàn)對風電場有功功率的智能管理；研究先進的儲能技術(shù)，削峰填谷，實現(xiàn)電力調(diào)峰調(diào)頻，自由控制風電場上網(wǎng)電量，減輕電網(wǎng)波動；研究無功功率控制方式，在風機允許的范圍內(nèi)，完全響應(yīng)調(diào)度對無功控制的要求；結(jié)合尾流效應(yīng)研究場群協(xié)調(diào)控制策略，有效提高場群的風電出力、降低網(wǎng)絡(luò)損耗及增強電壓穩(wěn)定性，有效提高發(fā)電量。風電場智能優(yōu)化控制技術(shù)可增強風電對電網(wǎng)安全穩(wěn)定的支撐能力，是智慧風電系統(tǒng)穩(wěn)定靈活運行的保障。
6、風場智能巡檢技術(shù)。
借助振動、聲音、圖像等多種智能傳感器，利用物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算和人工智能等技術(shù)，通過對風電場設(shè)備、人員及周圍環(huán)境的全維度信息感知，進行風場智能巡檢，與運維人員的巡視互相補充建立協(xié)同巡檢機制，最終實現(xiàn)風電場“無人值班、少人值守、智慧運維”的根本目的。
智慧風電信息系統(tǒng)體系架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)
1、智能傳感器技術(shù)。
風電機組、升壓站、測風塔安裝的傳感器節(jié)點以有線或無線的方式構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以全方位實時感知、監(jiān)測和收集覆蓋區(qū)域內(nèi)的風、風電機組和風場環(huán)境等各種信息，并實時傳輸?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、傳感器節(jié)點的部署策略以及能量優(yōu)化策略是傳感器網(wǎng)絡(luò)高效準確工作的重要因素。智能傳感器技術(shù)是智慧風電實現(xiàn)精準感知的基本硬件保證。
2、數(shù)據(jù)采集技術(shù)。
精確的風機數(shù)據(jù)采集是評估風機和風電場性能和運行狀況，預測風機和風電場年發(fā)電量的基本保證。而風電場單位時間數(shù)據(jù)采集量巨大，數(shù)據(jù)質(zhì)量難以把控。針對風電大數(shù)據(jù)采集成本高、可靠性低、狀態(tài)分類少、標準不統(tǒng)一和獲取數(shù)據(jù)少的現(xiàn)狀，同時為解決后續(xù)場站、區(qū)域集控、總部生產(chǎn)調(diào)度等信息建設(shè)的數(shù)據(jù)獲取問題，標準化的風電機組采集技術(shù)亟待研發(fā)。風機數(shù)據(jù)直采，作為一種可以屏蔽不同機型差異的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，是風電機組數(shù)據(jù)采集的有益嘗試，涉及數(shù)據(jù)主動采集、通信規(guī)約破解、數(shù)據(jù)標準輸出和風機狀態(tài)精準識別等技術(shù)。
3、異構(gòu)資源的彈性配置技術(shù)。
智慧風電體系架構(gòu)計算資源的彈性配置包括以下幾個方面：
① 計算邊界的彈性劃分。邊緣計算、霧計算和云計算的邊界根據(jù)風電場的實際情況靈活配置。有區(qū)域集控中心的，其霧計算的邊界可以拓展到區(qū)域集控；風場直連集團數(shù)據(jù)中心的，其霧計算的邊界也可以拓展到風場或者風機層面。
② 計算方法的彈性配置。各種機器學習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 計算力的彈性配置。計算力是算法快速運行實現(xiàn)的保證，隨著計算軟硬件技術(shù)的發(fā)展，智慧風電體系架構(gòu)可以根據(jù)需要將不同的計算力靈活配置到不同的功能層，例如由于計算資源的限制，之前AI算法的訓練需要在云端完成，邊緣端只部署模型，隨著邊緣計算技術(shù)的發(fā)展，可以將云計算服務(wù)部分下沉，行成邊緣云計算。異構(gòu)計算資源的彈性配置技術(shù)是智慧風電體系架構(gòu)的核心特征，也是智慧風電適應(yīng)不同外部環(huán)境，實現(xiàn)智慧風電系統(tǒng)思維，構(gòu)建良好風電生態(tài)的有力保證。
4、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)。
風電機組裝有大量如振動傳感器、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，這些不同信號類型傳感器節(jié)點產(chǎn)生的大量風電數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出多維異構(gòu)、時空關(guān)聯(lián)等物理特性。如何將這些來源不同、異構(gòu)且具有實時要求的時間序列數(shù)據(jù)融合起來處理，讓運行系統(tǒng)快速決策與控制將會是一大挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)融合分為像素級、特征級和決策級融合策略，不同階段不同目標的數(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電精準系統(tǒng)的決策分析提供數(shù)據(jù)質(zhì)量保證。
5、智能診斷預警技術(shù)。
由于工作環(huán)境惡劣、載荷復雜多變，風電機組容易發(fā)生故障。對風電機組展開狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷預警研究，及時掌握其運行狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)潛在故障征兆，降低故障率和減少運行維修成本，從而加強風電機組運行的可靠性，是智慧風電系統(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警方法。借助全開放的智慧風電體系架構(gòu)，故障預警算法通過與外界交互隨時自我更新，為智慧風電系統(tǒng)運維和檢修提供強有力的技術(shù)支撐。
6、風場數(shù)字化技術(shù)。
數(shù)字孿生技術(shù)可以利用風機的物理模型和歷史運行數(shù)據(jù)，在虛擬空間中完成風機實體的映射，以反映相對應(yīng)的風機的全生命周期過程。風機/風場都可以有一個數(shù)字復制體，不僅能看到產(chǎn)品外部的變化，還能看到風機內(nèi)部每一個零部件的工作狀態(tài)。借助數(shù)字孿生技術(shù)和5G通信技術(shù)，獲取風機的實時運行數(shù)據(jù)，構(gòu)建多種主控風機數(shù)字孿生體的實驗平臺，通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)分析風機/風場實時狀態(tài)，實現(xiàn)機組的功率優(yōu)化控制，使智慧風電系統(tǒng)具備快速應(yīng)對的智慧。
7、數(shù)據(jù)存儲策略。
智慧風電系統(tǒng)需要實時跟蹤風機動態(tài)變化，并按照時間序列存儲完整的歷史數(shù)據(jù)。一方面需要支持每秒鐘上千萬數(shù)據(jù)點的寫入，并在秒級上對海量數(shù)據(jù)進行分組聚合運算；另一方面需要考慮如何更低成本地存儲這些歷史數(shù)據(jù)。在場站側(cè)采取節(jié)點級計算存儲融合策略，節(jié)點級計算存儲融合采用新型存儲級內(nèi)存器件，將內(nèi)存與本地外存有機地融合在一起，設(shè)計成為新內(nèi)存計算體系。在集團云端可將存儲中心與計算中心有機融合到一個系統(tǒng)中，有效降低網(wǎng)絡(luò)傳輸瓶頸造成的系統(tǒng)性能下降?？焖儆行У臄?shù)據(jù)存儲策略是智慧風電數(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)。
風機通信系統(tǒng)需要完成風機內(nèi)部、就地監(jiān)控、中央監(jiān)控和遠程監(jiān)控之間數(shù)據(jù)與命令的通信?，F(xiàn)有的風電場有線通信網(wǎng)絡(luò)已不能完全滿足風電場監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)對可靠性和安全性的要求。一方面針對各風機廠家通信規(guī)約不同，風電場需制定統(tǒng)一的通信傳輸技術(shù)標準；另一方面隨著風電場容量的增大以及海上風電場對監(jiān)控需求的提高，先進的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)迫切需要研發(fā)，考慮到有線介質(zhì)的不可預知的破壞，無線通信的靈活機動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)。
智慧風電一方面本身復雜的架構(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)也為智慧風電系統(tǒng)的安全防護帶來很大的挑戰(zhàn)。智慧風電體系架構(gòu)的安全防護滿足多層次防護的同時還需能夠靈活配置和功能擴展。因此，探索融合邊緣計算、霧計算和云計算等多種異構(gòu)計算體系的智慧風電體系架構(gòu)的運行安全、數(shù)據(jù)安全和安全管理等技術(shù)，是智慧風電系統(tǒng)實現(xiàn)精準感知、快速應(yīng)對、系統(tǒng)思維、全面開放智慧的安全保障。
智慧風電體系架構(gòu)在數(shù)據(jù)的全生命周期，通過各功能層不同的計算能力、計算方法，使得風電系統(tǒng)達到不同層級的智慧。全層次的交互開放架構(gòu)將“人機網(wǎng)物”有機融合起來，從而將人的智慧融入智慧風電的體系架構(gòu)，使智慧風電系統(tǒng)具有持續(xù)學習成長的能力。
結(jié) 論
智慧風電是發(fā)電過程中數(shù)字化、信息化和標準化發(fā)展的必然產(chǎn)物，是物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、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、學習性、成長性、異構(gòu)性和交互性的特點。本文從智慧風電體系架構(gòu)的生產(chǎn)管理和信息系統(tǒng)2個維度展開研究，以異構(gòu)計算為基礎(chǔ)，在數(shù)據(jù)的全生命周期過程中，不同層級采用不同計算方法（邊緣計算、霧計算和云計算），具有不同的計算能力，完成不同的計算層次，達到了不同的智慧層級（傳感設(shè)備的精準感知、場站級的快速應(yīng)對、區(qū)域級的系統(tǒng)思維和整個系統(tǒng)的全面開放的智慧），構(gòu)建了良好的智慧風電生態(tài)。
智慧風電是一個復雜的系統(tǒng)工程，包括：與智慧風電相關(guān)的標準和參考體系架構(gòu)的規(guī)劃、設(shè)計，硬件基礎(chǔ)設(shè)施搭建，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計，數(shù)據(jù)和系統(tǒng)安全，計算模型的構(gòu)建，應(yīng)用模塊設(shè)計等。智慧風電重新定義風電場管理，提高風機基于時間的可利用率，降低設(shè)備故障發(fā)生率和故障時間，提高風電場發(fā)電量，降本增效，實現(xiàn)了“無人值守、無人值班”的目的。智慧風電對推動風電行業(yè)發(fā)展，打造風電行業(yè)的競爭優(yōu)勢，打造安全、綠色、低碳、經(jīng)濟和可持續(xù)的現(xiàn)代智慧新能源產(chǎn)業(yè)體系具有重要的意義。
作者簡介：吳智泉，男，工學博士、數(shù)量經(jīng)濟學博士后，高級工程師。主要從事能源戰(zhàn)略與氣候變化應(yīng)對、能源開發(fā)與利用評價、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。在國內(nèi)外發(fā)發(fā)表學術(shù)論文50余篇，其中：SCI收錄5篇，EI收錄2篇。
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