新能源多场景智慧运营下的设备健康状态预警与诊断关键技术应用

发布时间：

2023-05-19

科技进步奖推荐号：120-437

项目名称			新能源多场景智慧运营下的设备健康状态预警与诊断关键技术应用
提名单位			河北省教育厅
项目简介			在我国碳达峰、碳中和战略目标以及“新基建”的推动下，在发电侧新能源成为新型电力系统的重要组成部分，未来将成为能源供给侧的主力；在用能侧新能源电动汽车和充电设施的快速发展，助力碳减排成为常态。一方面，规模化新能源接入新型电力系统后，由于设备运行工况复杂、故障特征参量与故障演化过程耦合关联，多场景下的源-荷协同需求不确定等特点，面临运营效率低、数据资产利用率低、设备健康状态预警难、诊断难等问题；另一方面，电动汽车充电火灾事故越来越多，随着车桩使用寿命的衰退，安全预警边界难以准确预测，面临着充电安全实时精准检测难、车桩协同预警难、诊断难和主动安全防护难等问题。在国家自然科学基金、国网天津市电力公司、国能思达科技有限公司及石家庄通合电子科技股份有限公司等产学研用科技项目联合攻关下，本项目开展了风电、光伏、储能、车桩等构成的新能源网络控制系统研究，通过对复杂网络系统运行稳定性理论分析，从“系统理论-关键技术-示范应用”三个维度开展产学研用联合攻关。历时8年，发展并完善了新能源网络切换控制系统，提出了新能源多场景下设备机理模型与多源数据驱动相结合的建模方法，开发了适用于多场景下的系统与设备数字孪生模型，研制了基于云平台的新能源运行优化与故障预警诊断系统、充电安全智能化监控诊断装备及大数据安全防护平台，解决了充电故障实时监控及智能预警难、诊断难的问题，形成了整套数字化解决方案，提升运维效率，并获推广应用。主要创新点如下：（1）提出了含风电、光伏、储能、车桩等节点的新能源网络切换控制系统，阐述了网络切换控制系统的事件触发控制机理，基于安全保护需求设计了零障碍函数，分析了网络切换系统多Lyapunov理论框架下系统的稳定性。（2）提出了多场景下设备机理模型与多源数据驱动相结合的建模方法，建立了多场景下设备数字孪生系统模型，增强了模型态势感知能力，提升了新能源设备的模型精度，通过不同速率加速实现了设备的全周期运行预演。（3）构建了面向风电、光伏、车桩等多场景的设备全生命周期健康评估预警及诊断体系，提出了改进粒子群算法优化深度置信网络的新能源设备全周期健康评估及诊断方法，精准刻画了设备的本征信息与故障演化机理，提升了设备健康评估预警及诊断体系的实用性。（4）提出了改进RNN神经网络的充电桩故障监测和诊断技术，形成了自更新能力的智能预警库；构建了改进灰色关联度模糊评价的车-桩一体化安全状态评价模型，形成了云边协同主动安全防护体系。项目获授权发明专利18件，实用新型专利15件，软件著作权23件；发表论文88篇，其中SCI检索论文43篇，EI/中文核心文章35篇；培养博士10人、硕士45人。项目产生直接经济效益约30亿元，新增利润约5亿元。新能源发电侧，项目成果在全国21个省区、9个发电集团的120余座风电场、20余座光伏电站推广应用；配用电侧，项目成果从天津示范应用，并推广至山东、河北等全国21个省级行政区的150余座大型充电站。项目成果近三年累计提升发电量2.9亿千瓦时，减少碳排放约25.02万吨，节约标准煤约9.27万吨。项目促进新能源产业和“新基建”持续发展，为国家“碳达峰、碳中和”战略目标提供了支撑。
主要完成单位及创新推广贡献			主要完成单位有：河北大学，国网天津市电力公司，国能思达科技有限公司，石家庄通合电子科技股份有限公司（1）河北大学为项目牵头单位，开展了能全面描述含有诸多新能源发电、储能、充电桩等的新能源网络，并将节点并网、故障隔离等状态变换建立统一的网络控制系统切换理论；基于安全保护需求设计零障碍函数，在切换系统的多Lyapunov理论框架下分析了系统的稳定性；提出新能源多场景下设备机理模型与多源数据驱动相结合的建模方法，建立了新能源多场景下的系统与设备数字孪生系统模型，关键参数误差控制在±1%，其他参数不会超过±2%；构建了面向风电、光伏、储能、车桩等多场景的设备全周期健康评估预警及诊断体系；提出了改进RNN神经网络的充电桩故障监测和诊断技术，形成了自更新能力的智能预警库，首创了改进灰色关联度模糊评价的车-桩一体化安全状态评价模型，形成了云边协同主动安全防护体系。对创新点1、2、3、4做出了重要贡献。（2）国网天津市电力公司通过产学研用合作，协助开展新能源多场景下系统与设备数字孪生系统建模研究，参与完成储能、车桩等设备全生命周期健康评估预警及诊断体系，基于充电桩故障诊断技术、车-站-路-网多体信息交互的充电引导策略技术，联合开发了充电安全智能化监控诊断装备及大数据安全防护平台。对创新点2、3、4做出了重要贡献，并负责推广项目成果应用到公司负责运营的天津津门湖新能源车综合服务中心、天津站、海泰综合充电站等754大型充电站，为电动汽车产业发展和“双碳”战略落地提供坚实保障。（3）国能思达科技有限公司通过产学研用合作，在思达学院建立了风电场、光伏电站等新能源场站的数字孪生系统模型，参与构建了面向风电、光伏、储能等场景下的设备健康评估预警及诊断体系；协助参与了新能源发电设备健康评估预警及诊断体系技术研究，联合开发了基于云平台的新能源运行优化与故障预警及诊断系统。对创新点2、3做出了重要贡献，并负责推广项目成果应用到公司负责运维的120余个风电场和2余座光伏电站，提高了新能源场站运行效率，有效提升了运行小时数及发电量，为业主单位创造了可观的经济效率；同时显著增强了公司新能源发电的数字化、信息化、智慧化，促进了新能源产业的持续发展。（4）石家庄通合电子科技股份有限公司主要负责将项目成果进行工程实用化的研究以及配合现场示范应用，参与了充电桩故障诊断技术、车-站-路-网多体信息交互的充电引导策略技术工程化应用。对创新点3、4做出重要贡献。
推广应用及经济社会效益情况			推广应用：在新能源发电侧，项目成果应用到国家能源集团龙源电力、国家能源集团国电电力、华能新能源股份有限公司辽宁分公司等发电企业上百个风电场、光伏电站，已实现项目的大规模、高质量应用；在配用侧，项目成果率先在天津开展应用，并推广至山东、河北等全国21个省级行政区的150余座大型充电站，实现了城市大型充电站的友好运行、安全防护，保障了居民绿色出行，有力支撑了我国新能源产业发展，助力“双碳”目标稳步推进。（1）大规模、高质量应用。项目研发的新能源运行优化与故障预警及诊断系统等成果于2019年1月开始陆续在博望（张北）新能源有限公司海子洼风电电场、国宏新能源发电有限公司的骆驼台子风电场、内蒙古霍煤鸿骏铝电有限责任公司扎哈淖尔分公司夏营地风电场，华能新能源股份有限公司辽宁分公司旗下的阜新、锦州、盘锦、铁岭、营口等等上百个风电场大规模应用；国电投河北曲阳光伏电站、涞源光伏电站等二十余个光伏电站广泛应用。项目成果的应用有效提升了新能源场站的整体效率和运行稳定性，降低了新能源发电设备的故障次数，提高了新能源发电场站可利用小时数，提升了场站的发电效益。（2）大幅提升了我国新能源数字化、信息化、智慧化水平。项目成果由国能思达科技有限公司、石家庄通合电子科技股份有限公司推广应用，应用于中广核新能源公司、明阳智慧能源集团以及国家能源集团等旗下的多个新能源场站。依托项目成果，由北京庚顿、保定慢牛信息科技有限公司提供技术支持建成的风电场智慧化管理系统，系统目前已经接入全球约2万台风电机组数据，后续将持续接入更多的机组数据。项目成果在满足电力系统稳定安全约束条件下，为新能源场站的集中监控、信息共享、故障诊断及维护提供了完整的系统平台，提升了国内新能源场站的智能化、数字化水平，实现了无人值班少人值守的运营模式，同时保证了整个新能源场站的安全、可靠、经济运行。（3）提升了我国新能源场站的运营服务技术，完善了运营服务体系，增强新能源运营人员技能。项目成果在国能思达科技有限公司实施应用，建立了智慧化新能源运营服务体系，提升了精细化运维水平，拓展了公司全方位新能源运营服务能力，同时有效推进新能源场站在运行、巡检、检修和培训工作的科技创新力度，提升运行、巡检、检修、管理人员的技术素养、技术水平和管理能力，为后新能源时代提供高素养、强技能的新能源运维技术人员，整体提高我国新能源场站运营水平。（4）在配用侧，依托项目成果建成天津津门湖新能源车综合服务中心，充电桩63台，在线率95.2%，充电需求预测精度提升6.3%，用户排队等待时间缩短10%，年服务超20万车次，充电站综合利用率达到70%，为全国平均值的2倍，为城市大型充电站安全高效低碳运营提供了示范，有力促进了电动汽车产业发展与技术进步。项目成果已在山东、河北等21个省级电网公司推广应用，有效提升了城市大型充电站安全运行水平；提高了充电站的精益管理水平与运营效率，进一步提升了用户充电体验和用户黏性。项目成果大规模、高质量的应用，有效提升了新能源场站的整体效率和运行稳定性，降低了新能源场站关键部件的故障次数，提高了场站的可利用小时数，增加了场站的发电量和效益；促进了智慧化新能源运营服务体系的建立，提升了精细化运维水平，实现了新能源场站的“精细化、智能化、数字化”水平。在配用侧，有效提升了城市大型充电站安全运行水平；提高了充电站的精益管理水平与运营效率，进一步提升了用户充电体验和用户黏性，为实现国家“碳达峰、碳中和”的双碳目标夯实基础。经济效益：截止2022年底，本项目大规模应用实现近三年新增销售收入（包括新增发电量收入、节支）共计约30亿元，累计新增利润约5亿元，经济效益显著。社会效益：项目成果提升新能源场站数字化、信息化、智能化运营服务体系：提升了新能源场站运营的“精益化、智能化”水平，实现了新能源场站运营工作的“有序、高效”开展，促进了智能算法、数据挖掘、云计算等新技术与新能源行业的深度融合，起到了示范引领作用，进一步促进我省绿色能源快速发展，为“绿色河北”建设提供重要技术支撑。项目成果提升人才培养、助力运维人员技能素养：项目研究期间，共培养博士生10名，硕士生45名；为新能源运维公司或运营公司培训人员数十批次，推进了新能源运维培训工作的科技创新力度，提升了人员技术素养，为实现国家“碳达峰、碳中和”的双碳目标储备人才。项目成果降低了碳排放，增加了新能源的消纳比：截止2022年底，项目大规模应用实现近三年累计提升发电量约2.9亿千瓦时，减少碳排放约25.02万吨，节约标准煤约9.27万吨，为我国绿色发展、创建节约型社会奠定了基础。项目成果提升了我国风电智能运营及数字化风电场能力：项目成果保障居民绿色便捷出行，提升国网充电保障能力：实现了城市大型充电站的友好运行、安全防护及智慧运营，以电力新技术保障了居民绿色出行，有力支撑了我国新能源产业发展，助力“双碳”目标稳步推进。
代表性论文专著目录
1. Zhaoyan Zhang, Peiguang Wang, Ping Jiang, Zhiheng Liu, Lei Fu. Energy management of ultra-short-term optimal scheduling of integrated energy system considering the characteristics of heating network[J]. Energy, 2021, 240: 122790. 2. Xia Wang, Jun Zhao. Autonomous Switched Control of Load Shifting Robot Manipulators[J]. IEEE Transactions on INDUSTRIAL Industrial Electronics, 2017,64(9): 7161-7170. 3. Zhaoyan Zhang, Yong Zhuang, Xianbao Zha, Kun Zhang, Peiguang Wang, Shaoke Wang, Shuai Liu. Stability analysis of doubly-fed wind generation systems under weak power grid based on virtual synchronous control combined with adaptive robust control. Energy Reports, 2022, 8: 46-56. 4. Zhibin Liu, Feng Guo, Jiaqi Liu, Xinyan Lin, Ao LI, Zhaoyan Zhang, Zhiheng Liu. A compound coordinated optimal operation strategy of day-ahead-rolling-realtime in Integrated Energy system[J], Energies, 2023, 16, 500. 5. Lei Li, Jian Zhang, Jing Zhang, Taoyong Li, Weidong Liu, Dan Li, Zhibin Liu*. Research on Coordinated Charging and Discharging Operation Mode of Electric Vehicle Based on Time-Space Double-layer Optimization[C]. IOP Conference Series Earth and Environmental Science, 2020, DOI: 10.1088/1755-1315/510/6/062031. 6. 姜萍, 栾艳军, 张伟, 田静, 代金超. 局部遮阴下基于改进PSO的多峰值MPPT研究[J]. 太阳能学报, 2021, 42(8): 140-145.
主要知识产权证明目录
1. 一种基于大数据的风电机组故障预警诊断系统. 发明专利，202010027269.4，发明人：张照彦；王培光；郝雷；张彬；高春霞，发明单位：河北大学 2. 一种风电机组齿轮箱的故障预警方法. 发明专利，202110078440.9，发明人：张照彦；王少科；王培光；田亚茹；付磊；姜萍；发明单位：河北大学 3. 一种风电机组发电机的故障预警方法. 发明专利，202111290483.X；发明人：张照彦；王少科；王培光；姜萍；田华；田亚茹；刘志恒；付磊；王霞；发明单位：河北大学 4. 一种新能源汽车充电预警防护系统. 发明专利，202210947849.4，发明人：刘志宾；张连成；任思源，发明单位：河北大学 5. 一种基于大数据的充电安全预警方法和充电桩. 发明专利，202011037318.9，发明人：刘志宾；赵逸智；刘亚晶；马骏骅，发明单位：河北大学 6. 一种多元信息融合的车-路-网负荷控制方法和系统. 发明专利，202011037714.1，发明人：刘志宾；刘亚晶；刘波迁，发明单位：河北大学 7. 一种满足多场景的电动汽车有序充电方法和系统. 发明专利，202010941378.7，发明人：刘志宾；刘亚晶；彭子航；韩玙璠，发明单位：河北大学 8. 光伏阵列无人机航拍图像的阴影去除算法. 发明专利，202010397671.1，发明人：姜萍；栾艳军；田静；代金超，发明单位：河北大学 9. 用于纯电动汽车动力电池监控电源的低功耗待机电路方法. 发明专利，202011127253.7，发明人：张龙；吴彦，发明单位：石家庄通合电子科技股份有限公司
主要完成人情况表（排名、姓名、技术职称、工作单位、对本项目技术创造性贡献、曾获奖励情况）
排名	姓名	技术职称			工作单位	完成单位		贡献		曾获奖情况
1	张照彦	教授			河北大学	河北大学		全面负责新能源多场景智慧运营下的设备健康状态预警与诊断关键技术研究，提出了基于切换控制理论与新能源专业相结合的新能源网络切换控制理论体系，制定了技术路线和实时方案，夯实了新能源稳定运行的理论基石，牵头开发了数字孪生系统模型，研制了基于云平台的新能源运行优化与故障预警及诊断系统，对创新点1、2、3、4作出了创造性贡献。		曾获河北省科技进步二等奖1项
2	刘志宾	高级工程师			河北大学	河北大学		负责了项目研究的总体方案制定，参与开发了新能源数字孪生系统模型，深入参与了基于云平台的新能源运行优化与故障预警及诊断系统、充电安全智能化监控诊断装备及大数据安全防护平台的研究，对本项目创新点2、3、4做出了重要贡献。		曾获得中国发明二等奖1项、国网天津市电力公司科学技术一等奖2项
3	李磊	高级工程师			国网天津市电力公司	国网天津市电力公司		负责了项目示范应用及推广的方案制及实施，协助开展了新能源多场景下系统与设备数字孪生系统建模研究，参与完成储能、车桩等设备全生命周期健康评估预警及诊断体系的研究工作，牵头组织了多个大型充电站的示范应用，对本项目创新点2、3、4做出了贡献。		曾获得天津市科技进步一等奖1项、二等奖1项，国网天津市电力公司科技进步一等奖5项、二等奖2项、三等奖1项
4	庄勇	工程师			国能思达科技有限公司	国能思达科技有限公司		负责了新能源场站数字孪生系统的工程实施，参与构建了面向风电、光伏、储能等场景下的设备健康评估预警及诊断体系；参与了新能源发电设备健康评估预警及诊断体系技术研究，对本项目创新点2、3做出贡献。		曾获河北省科技进步二等奖1项
5	董江	高级工程师			石家庄通合电子科技股份有限公司	石家庄通合电子科技股份有限公司		参与了基于模拟响应与实时状态信息的充电异常主动辨识方法研究，开展了边缘侧秒级充电安全实时精准监测研究和工程化应用，开展了故障诊断算法与硬件产品结合的研究工作，协助进行了示范应用和项目成果推广，对本项目创新点3、4做出了贡献。
6	查显宝	高级工程师			国能思达科技有限公司	国能思达科技有限公司		协助建立了风电场、光伏电站等新能源场站的数字孪生系统模型，参与了新能源发电设备健康评估预警及诊断体系技术研究，联合开发了基于云平台的新能源运行优化与故障预警及诊断系统，对本项目创新点2、3做出贡献。
7	王霞	教授			河北大学	河北大学		负责开展了全面描述含有诸多新能源发电、储电节点、充电桩等的新能源网络，建立了新能源的网络控制系统切换理论，开展了切换系统多Lyapunov理论框架下分析系统稳定性和性能的研究，参与了新能源多场景下的系统与设备数字孪生系统模型，对本项目创新点1、2做出了贡献。
8	刘伟东	工程师			国网天津市电力公司	国网天津市电力公司		深度参与了项目的实施工作，参与了充电桩故障诊断技术、车-站-路-网多体信息交互的充电引导策略技术研究，配合了充电安全智能化监控诊断装备及大数据安全防护平台研制，现场实施了项目成果的推广应用，对本项目创新点3、4做出了贡献。		曾获国网天津市电力公司科技进步一等奖3项
9	姜萍	副教授			河北大学	河北大学		开展了基于安全保护需求设计零障碍函数以及采用优化算法修正常规控制器输出的研究，参与了新能源多场景下系统与设备数字孪生系统模型的开发，并协助进行示范应用，对本项目创新点1、2做出了贡献。
10	张龙	高级工程师			石家庄通合电子科技股份有限公司	石家庄通合电子科技股份有限公司		负责将项目成果进行工程实用化的研究以及配合现场示范应用，参与了充电桩故障诊断技术、车-站-路-网多体信息交互的充电引导策略技术的工程化应用，实施了项目的推广应用，对本项目创新点3、4做出了贡献。
完成人合作关系说明
项目建立了产学研用协同攻关团队，团队由河北大学，国网天津市电力公司，国能思达科技有限公司，石家庄通合电子科技股份有限公司共4家单位的科研人员组成。以张照彦为项目第一完成人，项目团队共同合作、攻坚克难，有力保障了项目高效推进和高质量完成。根据项目研发需要，项目团队在新能源领域的网络切换系统理论和运行稳定优化、新能源多场景下设备机理模型与多源数据驱动相结合的数字孪生技术、面向风电、光伏、储能、车桩等多场景的设备全生命周期健康评估诊断体系以及充电安全智能化监控诊断技术等方面组织开展工作，各完成人在项目中按照研究内容及产业优势，合理分工，协同合作，通过产业合作、共同知识产权、共同论著等方式，对项目研发作出重要贡献。（1）第一完成人张照彦和第二完成人刘志宾任职于河北大学，长期合作从事项目研究工作，二人合作完成了新能源电站稳定运行及优化控制、设备故障预警、充电优化等工作，二人共同完成项目《含风电的分布式发电协调优化控制算法研究与调控算法包开发整合》、《光储充用仿真平台模块加工与测试服务》；合作发表论文《A compound coordinated optimal operation strategy of day-ahead-rolling-realtime in integrated energy system》论文。（2）第一完成人张照彦、第四完成人庄勇、第六完成人查显宝共同完成并发表论文《Stability Analysis of Doubly-fed Wind Generation Systems under Weak Power Grid based on Virtual Synchronous Control combined with Adaptive Robust Control》。（3）第一完成人张照彦、第七完成人王霞、第九完成人姜萍就职于河北大学，共同完成中央引导地方科技发展资金项目《基于云架构的风电机组全生命周期在线预警系统及示范应用》，共同发明专利《一种风电机组发电机的故障预警方法》。（4）第一完成人张照彦、第九完成人姜萍就职于河北大学，合作发表论文《Energy management of ultra-short-term optimal scheduling of integrated energy system considering the characteristics of heating network》，共同发明专利《一种风电机组齿轮箱的故障预警方法》。（5）第二完成人刘志宾在北华航天工业学院工作期间，与第五完成人董江和第十完成人张龙，共同完成了项目《电动汽车充电预警防护系统开发》。（6）第二完成人刘志宾、第三完成人李磊、第八完成人刘伟东，合作发表论文《Research on Coordinated Charging and Discharging Operation Mode of Electric Vehicle Based on Time-Space Double-layer Optimization》。（7）第三完成人李磊、第八完成人刘伟东任职于国网天津市电力公司，长期合作从事充电桩故障诊断技术、车-站-路-网多体信息交互的充电引导策略技术研究，共同完成并发表论文《Research on Coordinated Charging and Discharging Operation Mode of Electric Vehicle Based on Time-Space Double-layer Optimization》等论文；共同完成了天津市重点研发计划项目《智能电网与多元信息融合调控关键技术研究与应用》。（8）第七完成人王霞、第九完成人姜萍，共同完成国家自然科学基金项目《面向航空发动机受限问题的切换系统自适应控制》。
完成人合作关系情况汇总表
序号	合作方式			合作者/项目排名			合作时间		合作成果		备注
1	论文合著			张照彦/1，刘志宾/2			2018-2022		A compound coordinated optimal operation strategy of day-ahead-rolling-realtime in integrated energy system
2	项目			张照彦/1，刘志宾/2			2018-2022		含风电的分布式发电协调优化控制算法研究与调控算法包开发整合
3	项目			张照彦/1，刘志宾/2			2018-2022		光储充用仿真平台模块加工与测试服务
3	论文合著			张照彦/1，庄勇/4，查显宝/6			2017-2022		Stability Analysis of Doubly-fed Wind Generation Systems under Weak Power Grid based on Virtual Synchronous Control combined with Adaptive Robust Control
4	共同立项			张照彦/1，王霞/7，姜萍/9			2017-2022		基于云架构的风电机组全生命周期在线预警系统及示范应用
5	共同知识产权			张照彦/1，王霞/7，姜萍/9			2017-2022		一种风电机组发电机的故障预警方法
6	论文合著			张照彦/1，姜萍/9			2017-2022		Energy management of ultra-short-term optimal scheduling of integrated energy system considering the characteristics of heating network
7	共同知识产权			张照彦/1，姜萍/9			2017-2022		一种风电机组齿轮箱的故障预警方法
8	项目			刘志宾/2，董江/5，张龙/10			2019-2022		电动汽车充电预警防护系统开发
9	论文合著			刘志宾/2，李磊/3，刘伟东/8			2019-2022		Research on Coordinated Charging and Discharging Operation Mode of Electric Vehicle Based on Time-Space Double-layer Optimization
10	共同立项			李磊/3，刘伟东/8			2019-2022		智能电网与多元信息融合调控关键技术研究与应用
11	共同立项			王霞/7，姜萍/9			2015-2022		面向航空发动机受限问题的切换系统自适应控制

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