梁 昆，蘇 實

（金風科技股份有限公司，北京 100176）

2018 年5 月18 日，國家能源局印發(fā)《關(guān)于2018 年度風電建設(shè)管理有關(guān)要求的通知》（簡稱《通知》），并隨文下發(fā)《風電項目競爭配置指導方案（試行）》，提出從《通知》發(fā)布之日起，尚未印發(fā)2018 年度風電建設(shè)方案的省（自治區(qū)、直轄市）新增集中式陸上風電項目和未確定投資主體的海上風電項目應(yīng)全部通過競爭方式配置和確定上網(wǎng)電價。從2019 年起，各?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）新增核準的集中式陸上風電項目和海上風電項目應(yīng)全部通過競爭方式配置和確定上網(wǎng)電價［1］。

通過競爭方式配置和確定上網(wǎng)電價帶來的直接影響是促使風電行業(yè)真正回歸到圍繞平準化度電成本（levelized cost of energy，LCOE）（簡稱度電成本）這一核心指標上來組織開發(fā)工作［2］。之所以選擇度電成本的指標，是因為它是目前國際上最通用的評價度電成本的指標，可以簡單明了地橫向比較各不同發(fā)電形式的經(jīng)濟性，也是因為它能夠縱向綜合概括風力發(fā)電的投資、運行維護、財務(wù)資金在規(guī)定生命周期內(nèi)的成本［3］。目前，業(yè)界普遍認可的平準化度電成本計算公式為

式中：LCOE為度電成本；TLCC為生命周期內(nèi)的總成本（total life-cycle cost, TLCC），它不僅包括建設(shè)成本、固定資產(chǎn)折舊、運維成本、財務(wù)費用、稅金等會計成本，還包括項目占用資本金在規(guī)定年限內(nèi)的機會成本；Ei為第i年的發(fā)電量；r為加權(quán)平均資本成本；n為計算LCOE 的年限。

度電成本不僅和風電機組選型以及其決定的初始投資和發(fā)電能力有關(guān)，在風電場生命周期的不同階段，它也受到項目前期對風資源評估的準確性、風電場實際運行調(diào)度、維護管理水平及財務(wù)成本波動等多方面的影響［3-5］。近年來，云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、人工智能等數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及在風電行業(yè)的應(yīng)用，推動了數(shù)字化風電場的研究和建設(shè)，也為降低度電成本提供了前所未有的機遇。

1 數(shù)字化風電場的定義和特征

數(shù)字化風電場中的“數(shù)字化”并不只是將許多復雜多變的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢远攘康臄?shù)字、數(shù)據(jù)，再以這些數(shù)字、數(shù)據(jù)建立起適當?shù)臄?shù)字化模型，把它們轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗卸M制代碼，存入計算機內(nèi)部，而是通過重新組合信息、資源和數(shù)字技術(shù)，從而帶來獨特價值，最終實現(xiàn)收入增長和業(yè)務(wù)成果。因此，數(shù)字化風電場可定義為在整個風電場的生命周期內(nèi)，綜合運用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、人工智能等數(shù)字化技術(shù)，提高風資源評估、微觀選址、風電機組控制策略、運行維護等全生命周期各階段業(yè)務(wù)的效率、精度和精益水平，最終實現(xiàn)度電成本最優(yōu)的風電場。

從風電場的組成要素來看，數(shù)字化風電場應(yīng)具備如下特征：

（1） 風：精準測風、優(yōu)化選址

準確的風資源評估是風電場選址和選型的第一步，其準確性有賴于長期有效的風資源測量以及不斷被校正的經(jīng)驗模型分析，尤其是應(yīng)對風資源隨季節(jié)、地理地形地貌、極端氣象等因素影響較為嚴重的區(qū)域。對風資源的深刻理解有助于在風電場投入運行后設(shè)定更合適的控制策略，準確地預測發(fā)電量，從而大大降低由發(fā)電能力預測決定項目投資回報預期所帶來的財務(wù)風險［3,6］。

微觀選址主要依賴于微觀選址模型。隨著風電場建設(shè)地形越來越復雜，人們越來越認識到微觀選址模型的重要性。目前主流的微觀選址模型已可以將地形地貌的差異性予以修正，對臺風、覆冰、高海拔等也能做出相應(yīng)的模擬，以及校驗不同機位點的載荷圖譜、尾流影響等，以期最真實地還原整個風電場的發(fā)電能力。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，微觀選址模型不僅能更接近真實場景的模擬，還能自學習并優(yōu)化選址，從而提升整場發(fā)電量，降低度電成本。

（2） 機：智能風電機組

風電場不同機位點的風資源和地理條件是有差異的，這在復雜地形風電場更為突出。如何讓一款或幾款風電機組適應(yīng)不同機位點的運行特征，除了前面提到的精準測風、優(yōu)化選址以外，風電機組本身控制策略的個性化和智能化在這里也將發(fā)揮其重要的作用［3］，而風電機組本身控制策略的個性化和智能化則主要依賴于先進的數(shù)字化技術(shù)支撐實現(xiàn)。因此，智能風電機組可定義為通過集成先進的感知、計算、通信、控制等信息技術(shù)和自動控制技術(shù)，構(gòu)建了一套信息空間與物理空間之間基于數(shù)據(jù)自動流動的狀態(tài)感知、實時分析、科學決策、精準執(zhí)行的閉環(huán)賦能體系的風電機組，具有深度感知、自我認知和控制、協(xié)同決策的顯著特征。其中深度感知、自我認知和控制是指通過傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)據(jù)采集技術(shù)，使得風電機組運行數(shù)據(jù)和外部環(huán)境數(shù)據(jù)全方位“可見”，并通過實時分析準確、直觀地體現(xiàn)風電機組當前狀態(tài)，同時借助大數(shù)據(jù)和人工智能等數(shù)字化技術(shù)，持續(xù)提高風電機組自身的學習和分析能力，實現(xiàn)對現(xiàn)實的準確評估、未來預測和多場景的自主控制，解決了風電機組運行過程中的復雜性和不確定性問題。協(xié)同決策是指在應(yīng)對未來復雜的應(yīng)用場景時，風電機組僅通過單機自身的數(shù)據(jù)進行分析決策和控制，難以在更高的層級上實現(xiàn)效率和收益的最優(yōu)，需要支撐在場站、場群乃至能源系統(tǒng)層面的協(xié)同決策，實現(xiàn)系統(tǒng)整體最優(yōu)，從而提升整場發(fā)電量，降低度電成本。

（3） 場：一體化設(shè)計，精細化工程建設(shè)管控，精益化運維

TLCC 中的風電場建設(shè)成本主要包括設(shè)備購置費用、建筑工程費用、安裝工程費用、前期開發(fā)與土地征用等費用以及項目建設(shè)期利息、在項目運營壽命期內(nèi)固定資產(chǎn)的折舊等，其中設(shè)備購置費用、建筑工程費用、安裝工程費用、前期開發(fā)與土地征用等與風電機組基礎(chǔ)設(shè)計、集電線路基礎(chǔ)設(shè)計、場內(nèi)道路設(shè)計等土建設(shè)計方案，以及集電線路路徑設(shè)計、電氣布置設(shè)計、電氣設(shè)備選型等電氣設(shè)計方案的優(yōu)劣有直接的關(guān)系。目前主流的風電場規(guī)劃設(shè)計平臺已可以初步提供基于優(yōu)化的微觀選址開展風電機組基礎(chǔ)、集電線路、場內(nèi)道路、電氣布置等一體化設(shè)計能力。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，風電規(guī)劃設(shè)計平臺將能夠提供以度電成本為優(yōu)化目標，綜合考慮土建、電氣等各個設(shè)計要素的一體化設(shè)計能能力，不僅能提高設(shè)計效率，還能自學習并優(yōu)化一體化設(shè)計方案，降低風電場建設(shè)成本，從而降低度電成本。

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，風電場工程建設(shè)管控將會由目前主流的基于二維圖紙的管控模式向基于三維數(shù)字化模型的建設(shè)管控模式演變，從施工前的制訂精準的進度計劃、精細的成本計劃和完善的質(zhì)量安全計劃等，以減少工程施工期間的各項變更，到施工階段的精細化生產(chǎn)進度管理、可視化進度校核和偏差調(diào)整、質(zhì)量和安全點預先布控與實時提醒等，以提高風電場工程建設(shè)質(zhì)量、縮短工程建設(shè)周期、降低工程建設(shè)成本，從而降低度電成本。

TLCC 中的運維成本是指在項目運營壽命期內(nèi)為保證風電機組等設(shè)備正常運行所發(fā)生的維護成本，主要包括檢修費用、備品備件購置費、保險費以及管理費用等。精益化運維主要包括三方面的內(nèi)容：一是改變現(xiàn)有運維作業(yè)的粗放式管理，嚴格按照風電機組的設(shè)計使用手冊，將運維作業(yè)標準化，同時實現(xiàn)備品備件、特殊工具等運維資源共享化；二是借助數(shù)字化技術(shù)，實現(xiàn)對更多運行數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析和利用，實現(xiàn)單機和風電場的控制最優(yōu)，實時調(diào)節(jié)適應(yīng)不同風況、監(jiān)控和診斷風電機組健康狀態(tài)；三是基于更多的運行數(shù)據(jù)更加全面地理解在微觀選址階段所不能涵蓋的信息，為適時的技術(shù)升級改造提供定制化的方案，從而實現(xiàn)在降低運維成本的同時，提升發(fā)電量，實現(xiàn)度電成本的降低。

（4） 網(wǎng)：電網(wǎng)友好

目前風電場的實際發(fā)電能力也受到整個電力體系調(diào)度模式的制約，風電場的發(fā)電能力一般采取主動預測和被動調(diào)度相結(jié)合的方式，在我國的某些區(qū)域還存在限電、限功率運行的情況［3］。電網(wǎng)友好主要是指通過應(yīng)用數(shù)字化等技術(shù)使得風電場并網(wǎng)運行能夠?qū)崿F(xiàn)可預測、可調(diào)節(jié)和維持暫態(tài)穩(wěn)定，從而成為電網(wǎng)的有利支持。在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)過程中，風電場提供良好的有功調(diào)節(jié)控制能力（AGC）和電壓無功調(diào)節(jié)能力（AVC），協(xié)助維持系統(tǒng)頻率及電壓穩(wěn)定。在電力系統(tǒng)發(fā)生擾動和故障情況下，風電場具備高/低電壓穿越能力和慣性阻尼特性，從而防止故障的擴大，降低擾動影響，協(xié)助系統(tǒng)恢復正常運行。另一方面，電網(wǎng)的運行和調(diào)度優(yōu)化大大提升了風電場的實際發(fā)電能力，從而降低了度電成本。

（5） 環(huán)：環(huán)境適應(yīng)和友好

極端的高溫、高濕、風沙等特殊環(huán)境因素在降低風電機組壽命與可用性的同時，對風電機組的發(fā)電效率也產(chǎn)生了不利影響。此外，復雜地形產(chǎn)生的復雜風況不僅對風電機組的發(fā)電量有很大影響，而且對風電機組的載荷和安全性影響較大。借助數(shù)字化技術(shù)，不僅可以根據(jù)具體的環(huán)境條件高效實現(xiàn)風電機組的深度定制，更能夠?qū)赡馨l(fā)生的環(huán)境適應(yīng)性風險進行分析預測，動態(tài)優(yōu)化控制策略，降低故障停機，從而提高風電機組環(huán)境適應(yīng)性，提高發(fā)電量，降低度電成本。

隨著風電開發(fā)規(guī)模的快速發(fā)展，風電場個別機位點距離居民區(qū)或景區(qū)較近，機組噪聲、光影現(xiàn)象等可能會引起相應(yīng)的環(huán)境問題。目前歐美等國家和地區(qū)已經(jīng)相繼出臺相關(guān)環(huán)境標準，以限制機組噪聲和光影問題，從而提高風電場環(huán)境友好程度，將對居民區(qū)或景區(qū)的環(huán)境影響降至最低。但目前大部分機組及風電場并未有相應(yīng)的控制策略以滿足環(huán)境友好要求，這增加了風電場運營風險。借助數(shù)字化技術(shù)，可以通過有效的扇區(qū)管理以及主動調(diào)整風電機組運行狀態(tài)，實現(xiàn)風電場發(fā)電量與環(huán)境友好之間的最佳平衡。

2 數(shù)字化風電場的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 風資源技術(shù)

風資源技術(shù)是風電場選址開發(fā)和機組選型的基礎(chǔ)，精確觀測、數(shù)值仿真、后評估等相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)了風況的準確描述和風參的精確評估。

高精度測風設(shè)備和高精度地表的采集數(shù)據(jù)嵌套融合，為多維度的資源圖譜提供支撐。機組運行狀態(tài)數(shù)據(jù)與測風數(shù)據(jù)、高精度資源圖譜整合構(gòu)建立體、全方位的風資源觀測-采集-分析數(shù)據(jù)庫，可為風況描述和風參評估奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

基于多前沿學科交叉、多時空尺度耦合的風資源數(shù)值仿真技術(shù)可精確、高效地解析風電場范圍內(nèi)及周邊地形和氣候數(shù)據(jù)，精確描述、呈現(xiàn)風電場乃至機組處的風況信息；合理的尾流、湍流模型可以準確描述風電場內(nèi)機組之間的相互影響，為機組的發(fā)電量預測和安全性分析提供保障。

基于多種設(shè)計分析經(jīng)驗和算法模型的后評估技術(shù)，機位點處精準的風資源參數(shù)為智能風電機組的控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)輸入，實現(xiàn)機組控制系統(tǒng)設(shè)計和功率曲線的全方位定制化，達到機組功率最優(yōu)。同時，機組運行過程中采集的各類風資源數(shù)據(jù)。為定制化控制系統(tǒng)的更新迭代優(yōu)化提供實時輸入，使其適應(yīng)場址內(nèi)點位的風資源特性，實現(xiàn)智能風電機組發(fā)電性能最優(yōu)。

在風電場層面，精確的尾流模型和附加湍流模型描述了機組之間相互影響的狀態(tài)，并對其進行精確量化，這進一步保證了場址風參的真實性；不同場景下分風速段有效湍流強度的細化分析，為風電機組的安全性分析和塔架定制化開發(fā)提供了技術(shù)保證。

風資源技術(shù)不僅能夠提供準確的全扇區(qū)風參信息，還能提供精確的分扇區(qū)風資源參數(shù)，為風電機組的塔架定制化開發(fā)提供詳細、全面的數(shù)據(jù)輸入。

2.2 大數(shù)據(jù)平臺技術(shù)

基于大數(shù)據(jù)平臺底層組件，建立風電大數(shù)據(jù)分析模型開發(fā)的軟件平臺，可為風電機組、風電場提供數(shù)據(jù)分析、模型開發(fā)、管理和運行的數(shù)據(jù)和環(huán)境。數(shù)據(jù)分析平臺能夠孵化風電場健康體檢、故障診斷、健康預警等健康管理相關(guān)服務(wù)，也能夠支撐單機、場站、場群和平臺級的控制優(yōu)化，同時提供滿足用戶個性化需求的服務(wù)，如報告中心、微服務(wù)、資產(chǎn)可視化管理等。其主要功能有：

（1） 風電行業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)：統(tǒng)一集成、存儲和管理多維度、多格式、多尺度的行業(yè)數(shù)據(jù)；打造風電場/風電機組全生命周期數(shù)據(jù)模型，并根據(jù)模型有機組織和關(guān)聯(lián)相關(guān)數(shù)據(jù)，為分析服務(wù)層提供一致、可信的數(shù)據(jù)，進而簡化數(shù)據(jù)的理解、整合和使用成本及難度。

（2） 風電機組洞察：幫助分析人員深入理解故障分布和風電場或風電機組全息視圖；指導分析問題的定義、分析數(shù)據(jù)集的選擇。幫助研發(fā)人員了解機組在現(xiàn)場的表現(xiàn)，并作為機型設(shè)計優(yōu)化的基礎(chǔ)。

（3） 健康評估模型與任務(wù)管理：利用訓練模型和數(shù)據(jù)模型兩個功能模塊，完成分析模型的試驗測試與生產(chǎn)評估。分析人員可先在“訓練模型” 中測試完善模型，再進一步將模型應(yīng)用到生產(chǎn)系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)模型中的評估結(jié)果可在系統(tǒng)其他更友好的界面中進行查看，從而方便運維業(yè)務(wù)人員使用。

（4） 并行化分析節(jié)點監(jiān)控：查看任務(wù)集群運行時節(jié)點占用情況，以確保多現(xiàn)場機組大數(shù)據(jù)并行化分析的正常完成。

（5） 模型結(jié)果輸出：模型結(jié)果具備與工單系統(tǒng)、可視化系統(tǒng)等外部系統(tǒng)的交互功能，實現(xiàn)模型至現(xiàn)場、設(shè)計分析人員的連接。

此外，數(shù)據(jù)平臺還需與風電機組單機和風電場形成聯(lián)動，依托云端的海量數(shù)據(jù)分析處理能力和端側(cè)實時分析快速響應(yīng)能力，實現(xiàn)“云+端”的智能協(xié)同。

2.3 數(shù)據(jù)分析建模技術(shù)

在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，面對海量數(shù)據(jù)的采集與統(tǒng)計，傳統(tǒng)的分析方法已無法滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)集處理，需要基于數(shù)據(jù)平臺，利用分布式存儲和并行處理機制，建立大數(shù)據(jù)環(huán)境下的數(shù)據(jù)分析模型，從海量數(shù)據(jù)中提取有用的信息特征，為風電機組、風電場的設(shè)計優(yōu)化和運維策略提供支持。

一方面，應(yīng)綜合考慮質(zhì)量成本（CoQ）、發(fā)電量損失（EL）、發(fā)電量可利用率（PBA）、停機時間（DT）、平均故障間隔時間（MTBF）、平均維修時間（MTTR）等因素，確定健康評估模型的建模和實施優(yōu)先級；另一方面，需根據(jù)業(yè)務(wù)問題完成模型建模的需求分析，并選擇基于機理規(guī)則、數(shù)據(jù)驅(qū)動或兩者相結(jié)合的方法完成建模分析。

2.4 數(shù)字孿生技術(shù)

借助數(shù)字孿生技術(shù)，在設(shè)計仿真及產(chǎn)業(yè)化運行階段，風電機組實現(xiàn)了數(shù)字世界與物理世界的閉環(huán)映射及閉環(huán)驗證。基于風資源條件、機型平臺等級、子系統(tǒng)條件等設(shè)計需求完成仿真模型建模、控制器設(shè)計、載荷及動力學仿真設(shè)計、部件校驗。通過對樣機的安全功能測試、系統(tǒng)辨識、性能測試、載荷驗證等完成設(shè)計認證，實現(xiàn)與仿真設(shè)計的閉環(huán)確認。通過產(chǎn)業(yè)化機組的安全、性能、可靠性、子部件健康、系統(tǒng)裕度等評估，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化機組表現(xiàn)與樣機的對比及與仿真設(shè)計的對比?；陂]環(huán)映射及閉環(huán)驗證，可進一步實現(xiàn)設(shè)計的優(yōu)化、現(xiàn)場故障診斷及預警預測的目標。

2.5 數(shù)據(jù)安全技術(shù)［7］

數(shù)據(jù)接入安全：通過工業(yè)防火墻技術(shù)、工業(yè)網(wǎng)閘技術(shù)、加密隧道傳輸技術(shù)，防止數(shù)據(jù)泄漏、被偵聽或篡改，保障數(shù)據(jù)在源頭和傳輸過程中的安全。

平臺安全：通過平臺入侵實時檢測、網(wǎng)絡(luò)安全防御系統(tǒng)、惡意代碼防護、網(wǎng)站威脅防護、網(wǎng)頁防篡改等技術(shù)實現(xiàn)風電大數(shù)據(jù)平臺的代碼安全、應(yīng)用安全、數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)站安全。

訪問安全：通過建立統(tǒng)一的訪問機制，限制用戶的訪問權(quán)限和所能使用的計算資源和網(wǎng)絡(luò)資源實現(xiàn)對云平臺重要資源的訪問控制和管理，防止非法訪問。