风电场生产管理移动应用系统的研发

2021-07-31胡照宇李崇晟郑延程单正涛刘凤祥

物联网技术 2021年7期

胡照宇，李崇晟，杨阳，郑延程，单正涛，刘凤祥

（1.华能国际电力股份有限公司湖南清洁能源分公司，湖南长沙 410000；2.西安西热电站信息技术有限公司，陕西西安 710065）

0 引言

近年来，我国风力发电得到迅猛发展，装机容量已位居世界第一[1]。根据国家能源局发布数据[2]，2019年我国风电新增并网装机2 574万千瓦，其中，陆上风电新增装机2 376万千瓦，海上风电新增装机198万千瓦。大规模的集中建设为风电场后期的运维带来了巨大压力。

风力发电机组容量小、数量多、占地广，与传统的火力发电厂的管理模式不同，风电场一般采用“无人值班、少人值守、远程监控、区域维护”的模式。风电分公司或区域公司与风电场的管控结构如图1所示，集控中心一般设置在分公司或区域公司所在城市，负责公司下辖所有风电场的集中监控，值长在集控中心远程监管所有风场；风电场设置值班室或中控，风电场的值班人员负责本风场的一般监控和日常管理工作，风电场仅配备很少的运维人员；维护工作主要采用外包的方式，外包队伍普遍采用区域设置，一个外包队伍负责一个片区内多个风电场的相同制造厂家风机的维护工作。随着风电机组装机数量的增加，其风场多、区域广、距离长的特点就越凸显。

图1 风电场公司或区域公司与风电场的管控结构

随着网络通信技术和智能终端的发展和成熟，生产管理移动应用已在火力发电厂成功的开展了，将“两票”管控从运行集控室拓展到生产现场，提高了生产业务的执行效率[3-5]；在风电场，也已经有“两票”的移动应用案例[6]。围绕风电管理模式，结合生产现场与远程集控中心的需求，研发适合风电管理特点的生产管理移动应用系统是技术发展和管理提升的必然趋势。

本文借助专用的移动应用网络和智能终端，将风电场生产管理从远方集控中心、风场值班室延伸到各台风机、远端升压站，实现了风电生产管理的跨区域协作、信息和数据的实时交互、工作过程远程实时监管等功能，在满足安全管控要求的前提下，降低了生产人员安全风险，提高了风电生产管理效率。

1 系统结构与功能实现

风电场生产管理移动应用系统硬件部分主要包括生产区域网络系统、智能终端、服务器、PC等；软件部分主要包括服务器侧软件、Web端软件以及移动应用APP。

1.1 生产区域网络

风电场的生产业务主要发生在风机和升压站处，生产管理向现场延伸，需要相应的通信网络支持和智能终端配合才可实现。风电场选址多为人烟稀少的偏远地区甚至海上，风力发电机组数量多、风电场整体占地广，移动公网的4G信号大多只能覆盖到风电场值班室和场侧升压站所在区域。距风电场值班室较远的风机处，尤其是山上或海上风电的远端区域，根本没有4G网络信号，生产管理的移动应用无法借助4G公网实现，需要自建生产管理无线网络。

风电场生产管理移动应用的网络架构如图2所示。风电场侧的升压站一般已经覆盖生产管理内网，仅需增加无线AP（接入点），提供无线网络接入服务。风机和远端的升压站处，利用风电场基建时敷设光缆的剩余光纤，构成风电场现场通信网络。风机之间采用光纤环网连接，经汇聚交换机接入风电场生产管理网络，实现与风电场值班室的网络连接。在各台风机处，采用无线AP提供无线网络接入服务。智能终端通过该无线网络接入生产管理网络，与风电场值班室的相关服务器实现数据交互；风电场侧部署即时通信服务器、移动应用服务器；集控中心侧部署生产管理服务器，风电场值班室通过已有的专用网络连接至远方的集控中心。

图2 风电场生产管理移动应用网络架构

此种网络结构相对稳定，为生产管理移动应用专属，其带宽、速度完全满足生产现场与风场值班室、集控中心的基本数据交互以及音视频实时交互的需求。网络安全性可控，可在网络接入方面做智能终端的MAC地址绑定、制定用户接入规则等安全控制；也可以完全由用户自行控制AP，当到达业务所在风机后自行开启该风机处AP的电源，提供无线网络接入服务，完成业务后再关闭该AP电源，停止无线网络接入服务，做到随用随开，实现完全物理控制，降低网络安全风险。

1.2 功能架构与优化

风电场生产管理移动应用系统功能架构如图3所示。风电场生产管理Web端功能主要包括设备管理、交接班管理、巡检管理、缺陷管理、工作票管理、操作票管理、维护管理等，涵盖了风电生产管理中运行、维护以及部分日常工作。工作中心、工作人员、设备KKS、人员资质、外包人员、外包队伍等数据从分公司或区域公司的主数据中直接同步，保障信息系统中数据的唯一性和准确性。

图3 风电场生产管理移动应用功能架构

移动端功能是Web端生产管理功能在智能终端上的延拓，根据移动应用的特点，增加终端管理功能以及视频会议、移动对讲等辅助功能，提高移动端功能的便利和安全性。

根据风电管理的特点，为生产管理主要业务功能做了以下优化：

（1）交接班管理

针对风电场的连上连休情况，提供了灵活的轮值配置功能，风电场值班人员可根据实际情况自由配置工作与休息的时间，制定本风场的轮值表。

（2）缺陷管理

借助移动应用网络，运维人员在现场发现缺陷或疑似缺陷时，可通过视频通信获得远方协助，及时确认缺陷并开展分析。根据缺陷严重程度和影响制定合理的消缺工作内容，开展人力资源、备品备件的调配和准备工作，根据天气、交通等因素适时安排缺陷处理计划，减少了确认和分析缺陷又奔波于现场的情况，提高了缺陷处理工作效率。

（3）工作票

工作票业务功能中，应强化各管控节点的功能。在工作开展期间，利用移动应用网络和智能终端，远方集控中心的值长、风电场值班室的值班人员可以时刻“在”现场，实时管控工作过程。

（4）操作票

集成风电场已有的视频监控系统，能够实现工作全过程的监管与记录。利用流媒体技术实现智能终端音视频直播，实现操作票及操作过程实时监控。

（5）巡检管理智慧化

常规的场侧升压站巡检，按一般的巡检方式执行；风机和远端升压站的定期巡检，归入维护管理功能，视情况适时开展。

（6）维护管理

结合工作内容、风机负荷、天气、人员、备品备件、交通工具、外包队伍等信息，将消缺、维护、巡检等工作统筹安排，制定合理可行的工作计划，使得维护工作有序开展。

2 主要技术的集成

风电场生产管理移动应用系统中，主要集成了即时视频会议、二维码识别、NFC、音视频直播等成熟技术，并集成了风电场已有的视频监控系统的数据。

2.1 即时视频会议

即时视频会议与视频通信功能目前已经发展的较为成熟，在远程教学、远程会议等方面应用较为广泛。借助生产管理移动应用专用网络，将此功能集成在智能终端的生产管理APP中，当现场业务需要获得远方确认或支持时，在业务单据中即可调用视频会议功能，并支持对通讯录中人员的会议呼叫。两人参加可作为一对一的视频通信使用，多人参加即构成视频会议。

2.2 二维码技术

二维码技术已有大量成熟应用，在生产现场，将原有的标注设备名称和编码的挂牌改造成带有设备名称、编码和二维码的挂牌，便于用户在现场使用智能终端扫描二维码快速定位设备，获取设备相应信息。在工作票、操作票业务中，借助扫描设备二维码的动作核对工作对象，防止误操作和走错间隔风险的发生；在缺陷业务中，扫描设备上的二维码，可快速、准确地定位故障设备，为后续的消缺分析、消缺准备、现场消缺工作提供准确的数据支撑。

2.3 NFC技术

近场通信（Near Filed Communication, NFC）是一项成熟的近距离无线通信技术，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输和交换数据。在每台风机塔底入口内和重要的开关上，粘贴写有该风机或设备的编码以及基本信息的NFC标签。在工作票、操作票、缺陷、维护等业务模块的移动应用中，集成NFC读卡功能。需要确认到达地点的管控环节，要求维护人员使用智能终端的NFC功能读取现场的NFC标签，以核实维护人员所在地点是否正确。发生重大操作和电气倒闸操作时，要求操作人员使用智能终端的NFC功能读取待操作开关上的NFC标签，以确认操作对象是否正确。

2.4 音视频直播技术

随着音视频编码、压缩、传输技术的不断进步以及网络带宽的增加，流媒体技术在视频实时监控、视频点播、直播教学等方面得到广泛应用[7-9]。在操作票管理中，应用流媒体技术，集成音视频直播功能，操作过程可通过生产管理移动应用网络实时直播，在网络中的任何终端都可以收看该直播，并给予一定程度的参与。

2.5 视频监控功能的集成

风电场在建设时，一般都已安装了视频监控系统，在风机、升压站处有多个不同角度的监控摄像头。在执行工作票、操作票、缺陷业务等现场工作时，根据设备上的二维码或风机上的NFC卡，确定业务发生地，并与该处摄像头的监控视频关联，在业务历史数据中记录各环节的时间戳。当生产管理业务需要追溯工作执行过程时，可根据相应业务历史记录中的时间戳在视频监控系统中获取关联摄像头的视频记录，提高现场业务的管控能力和可追溯性。