“解落三秋叶,能开二月花。过江千尺浪,入竹万竿斜。”唐代诗人李峤的诗形象表达出风的巨大威力。

风,作为自然界的一种现象,蕴含着惊人的能量,它既可以带来极大的破坏,也能作为自然界的馈赠,被人类所利用。有人估计过,地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦,几乎是全世界水力发电量的10倍,全世界每年燃烧煤所获得的能量,也只有风力在一年内所提供能量的三分之一。

一直以来,人类都没有停止过向风要能源的脚步。从古代用风车来抽水、磨面,到二十世纪初期小型风力发电机出现,再到如今一排排雄壮的风力发电机屹立在广阔的草原和海洋上,风能这种清洁无害的绿色能源正在受到越来越多国家的重视。

如今,在数字化转型的大浪潮下,风能行业再次迎来了新变革和新机遇,如何综合运用云计算、大数据、人工智能、5G等新一代数字化技术实现风能行业的新跃迁就成为当前行业最重要的趋势。

基于此,江苏未来智慧与浪潮合作,在江苏滨海H3风电项目中对集控体系、边缘计算、大数据、工业互联网平台等领域进行了一系列深入合作,为海上风力发电插上智慧的翅膀,让风能行业真正走上一条可持续发展的智慧之路。

风电运维不能承受之痛

风能虽然是一种纯绿色能源,但因为环境、气候等因素,一直存在成本较高的困扰。过去风电有相关政策的扶持,不用过多担心成本问题,随着2020年风电开启平价上网,风电价格与火电同价,风力发电降本增效就成为当下行业最为急切的需求。

在风能行业,运维水平的高低往往会对成本和效率有着最直接的重要影响。与陆地风力发电相比,海上风电的运维成本难度更大,成本通常是陆地风电的两倍以上。江苏未来智慧科技公司常务副总经理宫照海介绍:“受到海上环境、气候等因素,海上风电的运维具有窗口期,且很难执行常规化运营。如果算上设备损坏期的电量损失,成本就更高了。”

除了受制于环境与气候因素外,海上风电设备自身的数字化程度不高也是阻碍运营和运维效率进一步提升的关键因素。海上环境通常较为恶劣,对于各种设备的损耗往往比其他环境更高,设备损坏的概率也较高。

虽然很多风机设备都有 SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统,用于设备的数据采集与监视控制,但只能收集风机的局部数据,有点像“盲人摸象”,对海上风电设备运行情况、环境等情况缺乏整体了解。

宫照海直言:“传统SCADA系统本身并不具备预警和数据分析能力,只是把状态数据采集回来;另外,SCADA系统并没有其他传感器的接入,比如螺栓的检测与腐蚀、叶片的震动、塔底的倾斜等等数据一无所知。”

更加麻烦的是,当前很多海上风电运维执行的模式依然是被动运维模式。这种模式通常是出现问题之后才去出海维修,缺乏精准的资源统筹规划和安排,运维效率无法得到保障。如果遇到海上气候恶劣,只能束手无策,眼睁睁看着电量损失持续增加。被动运维模式的缺陷让海上风电一直受困于成本问题。

如何扭转这种局面?现在看风电行业加速数字化转型和智能化升级是必然之路。“海上风电需要加大云计算、大数据、人工智能等数字化技术综合应用,从被动运维转向预警式服务的主动运维。”浪潮云计算与大数据产品线首席架构师赵志祥如是说。

风能虽好,但驾驭运维困难。

过去,一个风电场站约40台风机,最多5个场站;现在发展趋势则是大规模场站,规模可能达到几千台甚至上万台风机,一个风机要完整评估超过2000个监测点,每个监测点每时每刻都在产生数据,如果达到上万台风机规模,每天数据量将会是PB级增长,传统集控运维管理模式和方法举步维艰。

因此江苏未来智慧与浪潮一起探索海上风电数字化转型和智能化升级的过程中,深刻认识到建立基于工业互联网大数据平台的三层数字化集控体系的重要性。

根据风电运维云边协同典型场景,三层集控体系犹如人的“眼、手、脑”:

端侧设备恰似一双智慧的眼睛

通过不断采集各种数据,做到对设备运行状态的全面监控;

边缘侧站点则是一双勤劳的手

运行算法和模型,实现降级自治,确保场站侧各种设备的正常运行,同时进行脏数据清洗,有效降低传输带宽;

集控中心就是一颗智慧的大脑

不断训练和迭代各种算法与模型,并且下发给边缘侧,实现云边协同,进而全面实现海上风电的智能运维监控以及高效精准运营。

首先,江苏未来智慧与浪潮的思路是在感知层全面走向数字化,除了海上风机等各种设备进行全面数字化之外,还通过收集像空气、温度、环境监控等多个维度的数据,进一步提升感知层的数据丰富程度,为集控中心体系建立构筑坚实的数据基础。

比如在传统SCADA系统基础上,江苏未来智慧增加了五类传感器,包括海上升压站视频监控、高清AI算法摄像头、机器人等,然后通过SCADA系统和五类传感器将海上风电所有数据集采起来,传输到到工业大数据平台上,持续为各种运维预警模型提供数据养料。

在感知层具备强大的数据采集能力的基础上,场站侧集控中心的建立在整个集控中心体系中就至关重要。因为光每个风机就超过2000个监测点,随着场站侧风机规模的不断提升,对场站侧集控中心的能力要求也越来越高,不仅需要在硬件平台上满足海上恶劣环境的需求,还需要在工业互联网大数据平台上具备强大的数据处理和分析能力。

“浪潮为我们提供了很大的帮助,包括硬件设计、方案构建等方面。”宫照海如是说。在双方的联合解决方中,江苏未来智慧与浪潮根据海上复杂环境情况,共同打造了边缘超融合“盒子”,在场站侧集控中心的硬件层面起到了关键支撑作用。

除了硬件之外,浪潮的大数据平台软件为场站侧构筑了强大的数据处理和分析能力,由于场站侧各种监测点数据都是秒级产生,数据量极大,需要及时处理海量数据。因此采用工业互联网分布式大数据平台,构建强大的数据分析能力十分关键。宫照海介绍:“很多监测点数据都会在边缘侧计算节点进行处理,而不会实时上传。”

赵志祥则认为:“海上风电场站侧集控中心实际上要求边缘站点提供整体的云数智能力,融合云计算、大数据、人工智能多种能力,与过去传统的小虚拟化平台有很大区别,其实是边缘侧的一次大变革,代表着未来边缘侧场景的应用趋势。”

在打造完智能化场站集控中心之后,下一步就是在陆地上建立区域的集控中心。区域集控中心犹如智慧的大脑,可以将三级集控中心在资源、算法、模型等层面进行联动,让智慧应用快速分发、迭代。“未来智慧已经研发了30多个预警模型,包括风机装填、设备状态、风机运行平台、可用率计算等。在整个集控体系中,采用云边协同的方式,算法模型在云平台上构建、迭代与分发。”宫照海透露道。整个集控中心平台本质上是一个集成的平台,采取了开放的策略,可以持续吸纳各种合作伙伴的设备与算法,让平台拥有持续进化的能力。

在建立完三级集控中心体系之后,让运维和运营工作走向智能化。例如,根据设备健康诊断模型的判断,对排查任务进行智能调度,对出海船只、次数、维修优先级等进行智能优化,进而降低检修成本,提高整体运用的可用度和风场的可利用率。

“未来,场站侧集控中心占比会越来越大,并且智能化程度也将持续提高。”宫照海最后表示。

数据计算产生“从云到边缘”的变革

里夫金曾在《第三次工业革命》中预言,新能源技术和信息技术结合,将会产生新的能源体系,即能源互联网,如今预言正在逐渐成为现实。

在大数据、AI、物联网、5G这些数字化技术的加持下,以风电为代表的能源开发正在加速走向数字化、网络化和智能化,未来定会从风机运维、场站运营到区域管理等环节出发,通过云边协同的方式来完成全栈式智能进化历程。

分析当下数据爆炸的时代,75%的数据将来自边缘,50%以上的数据需要在边缘处理。例如用智能应用代替人工监管,防止危险的生产行为实现安全生产;用边缘算力辅助驾驶,果断提升出行效率;凭借边到边的数据共享来提高使用效率等。就像如今风能行业的发展,正充分印证了这个观点。网络去中心化,计算和存储下沉,贴近数据就近生产果断成为未来趋势,可以发现数据计算从云到边缘正在深刻改变我们的IT建设模式。

具体来说,以“如何做到数据的安全可靠,怎样依靠本地设施进行降级自治,缩短关键反应时延,同时有效降低传输带宽成本等“为代表的复杂业务诉求,自然衍生了多样化的IT基础设施与之匹配。但归咎一点,低成本、低耗能、高可靠的平台成为了重中之重,解放人力、简化运维、资源协同成为数据计算从云到边的共性需求,也是未来企业助力行业发展所要积极努力的方向。

有人直言,所有行业在数字化时代都值得重新做一遍。正如江苏未来智慧与浪潮合作,为风力发展综合运用云、大数据、人工智能等数字化技术,让行业获得新动能,加速实现自身的升级与再造。

毋庸置疑,未来像江苏滨海这样的智慧风机有望更多地出现在广阔的海洋上。