海洋能海上試驗場運行管理分析研究

吳 迪，王 芳，黃 翠，王 萌，張 多

（1.中國海洋大學，山東 青島 266100；2.國家海洋技術中心，天津 300112）

海洋能海上試驗場運行管理分析研究

吳 迪1,2，王 芳1,2，黃 翠2，王 萌1,2，張 多1,2

（1.中國海洋大學，山東 青島 266100；2.國家海洋技術中心，天津 300112）

建設公益性的海洋能海上試驗場是解決海洋能發電裝置實海況試驗成本高、周期長的最有效途徑。我國海洋能海上試驗場的建設工作正在穩步推進，而試驗場的高效運行需要建立科學的運行管理體制機制。文中對國外典型的海洋能海上試驗場和國內風電和太陽能光伏兩種新能源領域試驗場的運行管理模式進行了概述，分析了國內外相關試驗場在運行管理模式上的特點，并提出我國海洋能海上試驗場運行管理制度建立相關建議。

海洋能；海上試驗場；運行管理

隨著海洋能戰略地位的日益顯現，世界各國都在力爭占據海洋能開發利用的技術高地。我國作為世界第二大能源消費國，面臨著巨大的減排壓力，對海洋能開發利用提出了更緊迫的要求。我國擁有長達18 000 km大陸海岸線和大約300萬km2的專屬經濟區，因而開發和利用以波浪能、潮流能為主的海洋能將成為緩解我國能源緊缺問題的重要途徑。

在海洋能開發利用技術的研發過程中，實海況試驗是促進海洋能技術研究與開發，使海洋能裝置從工程樣機走向規模產業化應用的關鍵環節。海洋能發電裝置常規實海況試驗的前期，需對試驗海域進行全面調查，并開展裝置海底基礎建設、海底電纜鋪設以及電網接入等多項海上工程，這將耗費大量的人力物力，從而大大增加了海洋能裝置實海況試驗的實驗成本與試驗周期。建設公益性的海洋能海上試驗場是解決這一問題最有效途徑。我國已出臺了多項涉及海洋能海上試驗場建設的政策和規劃，其建設目的是在于規范和滿足我國海洋能發電技術發展和試驗需求。建立科學有效的海洋能海上試驗場業務化運行管理體制機制，是保證海洋能海上試驗場可持續、公開應用，加快我國海洋能開發利用技術發展的有力保障。由于國內尚無可參考的前例，而國外海洋能試驗場的建設經驗也不能照搬到國內，需要在對國內外相關試驗場運行管理模式的掌握和借鑒下，逐步建立適用于我國的海洋能海上試驗場運行管理體制機制。

1 國外典型海洋能試驗場運行管理模式概述

1.1 歐洲海洋能中心（EMEC）海洋能海上試驗場

成立于 2003年的歐洲海洋能源中心（The European Marin Energy Center Ltd，EMEC）位于蘇格蘭，是歐洲首批建成并能夠接入電網的海洋能測試場，也是目前世界上最大的波浪能和潮流能原型裝置測試場，可為海洋可再生能源的研發機構提供一系列的測試與認證服務，包括提供與國家電網連接的主要測試設施，遠程實時數據監控與分析，監測與性能評價流程的校驗以及在設備檢驗批準過程中所需的全部指導和協助等。發展至今，該中心已經擁有6個波浪能測試泊位、8個潮流能測試泊位和2個小比例樣機測試站。技術團隊也從最初的4人團隊，10年間發展為現今的24人。EMEC的最大投資方來自蘇格蘭高地與島嶼委員會、蘇格蘭企業、蘇格蘭和英國政府，奧克尼島嶼委員會，歐盟及英國碳基金，總共籌資3000萬英鎊的公共基金。EMEC擁有獨立的數據管理與控制中心以及完善的設備系統，針對不同研發機構，試驗場提供專用光纖通訊網絡用以訪問其發電設備所歸屬的數據庫，實時查看裝置的運行狀態。2009年EMEC發布了其用于試驗、測試、評價和運行管理等方面的共計12份指南和標準化文件，包括：

（1）波浪能發電系統性能評價方法*；

（2）潮流能發電系統性能評價方法*；

（3）波浪能資源評估方法*；

（4）潮流能資源評估方法*；

（5）海洋能產業領域健康與安全指南；

（6）海洋可再生能源認證體系指南*；

（7）海洋能發電系統設計準則*；

（8）海洋能發電系統可靠性、可維護性和生存性測試指南；

（9）海洋能發電系統電網接入指南；

（10）波浪能發電裝置水槽測試指南；

（11）海洋可再生能源產業發展指南；

（12）海洋能發電系統制造、組裝和測試指南。

其中，*標識的6份文件已經納入國際電工委員會 IEC-TC114技術委員會（The International Electrotechnical Commission，IEC；Technical Committee 114，TC114）海洋能領域國際標準制定的工作框架。這12份文件，與歐盟EQUIMAR項目的計劃和報告一起作為TC114相關標準出版前的指導性文件。

EMEC的發展經驗指出測試場的選定具有相當的條件制約，概括來說，可歸納為具有代表性的海洋條件、完整的海域地貌與水文資料、高品質的即時監控資料傳輸、適當的電力纜線鋪設、完善的測試平臺結構、充足的專業人力，完備的作業船舶及基地，以及便利的交通設施等8個條件。從其業務量的蓬勃發展，愈來愈多創新的海洋能源轉換系統進駐該中心進行測試，就可看出測試中心的認證對產品的商業利益有多大的影響。

1.2 西班牙畢麥博波浪能海上試驗場（Bimep）

西班牙畢麥博波浪能試驗場（Biscay Marine Energy Platform，Bimep）為巴斯克自治區EVE能源機構支持的公海測試平臺，位于比斯開灣（Biscay）海域的Armintza Bizkaia海岸。測試場占地面積約5.3萬m2，除了航行和海上交通外，占據了顯著的地理位置，其位于離岸最小1 700 m處，可快速到達布放設備處。該場區現有4個測試泊位，每個泊位的測試能力為5 MW，為用戶提供電壓等級為13.2 kV的海底線纜，海底線纜的末端與水密連接器相連放置在海底。

目前，Bimep試驗場每個泊位的水密連接器只能與一臺發電裝置相連，并與Ingeinnova公司合作開發一種全新概念的水下HUB，具備5個相互獨立的接口，可同時與5條臍帶纜（13.2 kV）相連進行發電陣列測試或者與其他低電壓電纜、光纜連接。同時該HUB可具備保護、控制和電氣參數測量功能，可獨立測試與之相連的多臺發電設備。同時也在與另一家公司ditrel合作研究一種易于插拔、簡單可靠、少于維護的臍帶纜與漂浮式發電裝置連接的解決方案，使得每次拆卸和重新連接發電裝置時不必重復打撈、沉放水密連接器，可大大降低海上作業要求、縮短海上作業時間。另外需注意的是，用戶的發電裝置須自行完成電力變換滿足海底線纜電力傳輸要求，并負責發電裝置的布放安裝及拆卸等作業，Bimep只提供必要的協助。Bimep試驗場的岸基中心主要監視監測三方面內容：CCTV系統主要對小范圍區域進行視頻監視；雷達系統監視半徑為48 n mile的區域，并可為場區內船舶提供通航服務；SCADA系統包含報警系統，歷史數據庫和事件管理系統等。

1.3 英國WaveHub波浪能海上試驗場

WaveHub波浪能海上試驗場位于英格蘭西南部的康沃爾郡。試驗場計劃作為英國第一個波浪能發電陣列的示范運行海域。試驗場離岸16 km，試驗海域面積為2 km×4 km，擁有4個4～5 MW的試驗泊位，并建設一個12 t重的試驗泊位，于2010年安裝。這個泊位在電網連接狀況下能夠試驗4種不同的波浪能發電裝置，同時每個開發商能夠租用1 kmx2 km的海域進行為期5年或更長時間的樣機試驗。該試驗場最初將在11 kV下運行，逐步升級到33 kV，一旦開發了在33 kV下運行電纜的合適部件，未來可以升級到50 MW的發電能力。WaveHub本身收集有關輸入波浪的強度數據，通過鎧裝海底電纜與岸上相連的，該電纜由兩個300 mm2的電三元體和光纖電纜組成，其中一個用于每個泊位，以11 kV運行，由三芯120 mm2的33 kV電纜制成。該變電站包括一個11 kV/33 kV變壓器以及相關的開關裝置和功率因數連接設備，以確保在規定范圍內向電網進行輸送。客戶都通過臍帶電纜與波浪中心相連，該臍帶電纜從每個陣列的導引裝置走線至11 kV干配合連接器，連接器的一半安裝在電纜尾部，另一半交給波浪中心的客戶。連接器提供了電氣及光纖連接。波浪能裝置的控制和監視是通過在主電纜內的光纖電纜遠程進行的。電力計量是在每個陣列的引導裝置上以及在變電站出口斷路器處進行的。波浪中心系統最初將在11 kV下運行，能夠輸送16～20 MW的電力。一旦工業開發出在33 kV下運行的海底部件，便可以在33 kV下運行該系統，從而使波浪中心能夠容納高達50 MW的裝置。WaveHub試驗場與地方合作伙伴緊密合作，以更好地發展試驗場和爭取更多的資金支持，確定行業需求。2015年12月，WaveHub試驗場已經與MarineSpace公司簽約，提供項目管理支撐以協助開發該示范站點。

2 國內相關新能源試驗場管理模式

2.1 國家能源大型風電并網系統研發（實驗）中心

國家能源大型風電并網研發（實驗）中心（以下簡稱“風電實驗中心”）位于河北省張北縣，是國家能源局首批16個國家能源研發（實驗）中心之一，概算總投資約3.5億元，包含30個試驗機位及風電與儲能研究和試驗設施，總占地面積24.8 km2，已于2011年1月正式建成并投入運行。在機構設置方面，風電實驗中心隸屬于國家電網公司中國電力科學研究院（以下簡稱“電科院”）。風電實驗中心主要由電科院下屬的新能源研究所負責管理運行，并主要依托新能源所現有部門開展業務工作。新能源研究所特成立了一個基地檢修部，由此部分專門負責風電實驗中心基礎設施維護、試驗測試和后勤保障等運行管理工作。在試驗檢測業務方面，新能源所業務部負責風電實驗中心的業務聯絡；新能源所技術部負責對張北基地檢測項目的評價工作。中心制定了運行管理辦法和管理手冊，主要包括綜合管理、運行管理、安全管理和測試服務四項基本工作。綜合管理，主要是場區的正常運轉的管理；運行管理，主要包括并網、調度等工作；安全管理，主要包括信息安全、風機吊裝、風機/風塔檢修、場區內電力設施維護和草原防火等多方面內容；測試服務，主要是針對風電機組的檢測服務。這四部分工作，由新能源研究所的不同部門和風電機組設備制造企業共同完成。中心的綜合管理、運行管理和安全管理主要以新能源研究所基地檢修部為主負責，為測試工作準備好所有條件，測試服務由該所專設部門負責，測試數據和測試報告屬于商業機密。

2.2 國家能源太陽能發電研發（實驗）中心

國家能源太陽能發電研發（實驗）中心（以下簡稱“光伏實驗中心”）位于江蘇省南京市浦口高新技術開發區，由國家能源局于2009年9月批復設立，2010年7月正式建成運營，是已建成國內外容量最大的光伏逆變器并網檢測平臺，在太陽能發電并網綜合研究與檢測能力位居國際領先水平。在機構設置方面，光伏實驗中心在建設初期由國家能源局會同有關部門管理，依托國家電網公司，并由國網電力科學研究院負責具體建設和日常管理。2012年3月，按照國家電網公司科研產業重組整合精神，國家能源太陽能發電研發（實驗）中心相關資質及人員整體劃入中國電力科學研究院。與風電實驗中心一樣，光伏實驗中心也是現由中國電力科學研究院新能源研究所來分管。與風電中心不同的是，由于與北京距離相隔較遠，且在重組前已有部分機構和硬件設施，所以目前光伏實驗中心實驗室和辦公室仍在南京電科院辦公樓中，設有實驗檢測部、規劃設計部、系統技術研究部等五個部門構成。在試驗檢測業務方面，目前也是電科院業務科室負責業務辦理與聯絡。光伏實驗中心同樣制定了運行管理條款和安全操作條款等管理文件。光伏實驗中心的太陽能發電技術實驗室配合研究工作建設有完善的基礎研究環境和試驗驗證條件，產品檢測分部以實驗室試驗檢測能力為依托，對外開展相關產品的檢測認證服務，現場檢測分部則配置了多輛大型和小型移動檢測車，用于開展光伏電站現場檢測、數據對比分析和研究工作。

3 國內外相關試驗場運行管理模式分析

歐美等國外海洋能技術發展較快的國家均將海洋能試驗場作為海洋能發電裝置綜合測試、定型、評估和示范的重要平臺，是產業化前最重要的“關卡”。從幾個典型的海洋能試驗場的建設、運行與管理經驗看，可以看出國外運行管理模式主要是企業運行管理模式，以市場為導向，其作為第三方檢測機構，為發電裝置廠商提供真實有效的檢測數據和評估結果，為用戶提供穩定、可靠的海洋能發電裝置檢測服務。在試驗場建設運行初期通常需要政府資金和政策扶持，在建成運行后均為自負盈虧；制定和參照測試評價標準，如發電裝置設計規范，技術成熟度評價體系，發電和穩定性等檢測和評估方法；健全高效的的運行管理體系能使試驗場持續健康發展，并為發電裝置提供真實有效的測試數據。具體的運行工作組主要職能概括來講包括試驗場基礎設施的維護，通信、信息技術、監控和數據采集系統維護，測試環境維護，健康與安全保障等。另一運行保障即是豐富的海洋能產業供應鏈。

以EMEC為例，英國對海洋可再生能源的重視和EMEC試驗場的運行產生了明顯的產業聚集效應，吸引了大量企業和科研單位在奧克尼落地。這些單位的業務范圍幾乎涵蓋了海洋能產業發展及EMEC運行管理所需的各個方面，當地以企業為技術創新主體、以高等院校與科研機構為支撐的產、學、研相結合的成果轉化機制和完整且高質量的海洋能產業供應鏈已經形成，為EMEC和當地經濟的發展提供了有力的支撐。繼英國率先建立了歐洲海洋能中心之后，愛爾蘭、丹麥、美國等也都相繼建設了類似的公共實海況并網試驗平臺"國際能源署海洋能執委會 (IEA OES)正計劃對這些海上試驗場的試驗能力進行全面的評估，并編制相關指南，為世界各海洋能研發機構與企業在選擇海上試驗場進行實海況實驗方面提供參考。

我國國內的風電試驗場和太陽能光伏試驗場是伴隨著國內風電和太陽能產業化快速發展而生的，以規范產業和技術有序、良性發展為目的的。兩個試驗場的技術標準與自身的發展定位結合緊密，即以試驗認證為主題開展工作，因此其架構是建立在全球統一的實驗室工作體系基礎之上的，充分保證了其工作的合法性和認可程度。兩個試驗場運行管理模式主要是公益事業運行模式，是國家認定的權威第三方檢測認證機構，均由國家能源局的總體規劃建設，試驗場機構、人員設置，及業務資金均以主管的企事業單位為主體來配置和保障；試驗場運管機構也主導和牽頭制定了多項檢測評價的國家及行業標準，出臺多項運行管理條款。

4 結語

在專項資金的支持下，我國海洋能海上試驗場經歷了建設論證、需求分析、場址選擇、海域確權、工程設計等階段，正在啟動相關研建工作。試驗場的建設在于提供和滿足我國海洋能發電技術發展和裝置試驗需求，為廠商和技術研發人員提供真實有效的檢測數據和評估結果，為達到這個目的，試驗場需要建立一套完善的海洋能發電裝置實海況試驗測試方法和技術成熟度評價等方面的規范和標準體系，配備一批專業的技術和保障人員團隊，使試驗場真正成為國家認定的第三方、公益性的權威檢測和認證機構。在運行管理體制機制上，需從組織機構、共享平臺管理、試驗測試、數據管理與保密、運行維護、場區安全、應急保障、人員管理等方面深入研究，細化管理流程，逐步建立適用于我國的海洋能海上試驗場的運行管理模式，實現對試驗場科學化、規范化與信息化管理，為我國海洋能的產業化發展奠定堅實的技術基礎與支撐保障。

[1]夏登文，康健.海洋能開發利用詞典[M].北京：海洋出版社，2014.

[2]國家海洋技術中心.中國海洋能技術進展2016[M].北京：海洋出版社，2016.

[3]Assessment ofPerformance ofWave Energy Conversion Systems—Marine Renewable Energy Guides[S].UK:European Marine Energy Centre,2009.

[4]Assessment of Performance of Tidal Energy Conversion Systems—Marine Renewable Energy Guides[S].UK:European Marine Energy Centre,2009.

[5]Assessment ofWave EnergyResource—Marine Renewable EnergyGuides[S].UK:European Marine EnergyCentre,2009.

[6]Assessment ofTidal EnergyResource—Assessment ofTidal EnergyResource[S].UK:European Marine EnergyCentre,2009.

[7]Guidelines for Health and Safetyin the Marine EnergyIndustry[S].UK:European Marine EnergyCentre,2008.

[8]Guidelines for Marine Energy Converter Certification Schemes—Marine Renewable Energy Guides[S].UK:European Marine Energy Centre,2009.

[9]Guidelines for Design Basis ofMarine EnergyConversion Systems—Marine Renewable EnergyGuides[S].UK:European Marine Energy Centre,2009.

[10]Guidelines for Reliability,Maintainabilityand SurvivabilityofMarine EnergyConversion Systems—Marine Renewable EnergyGuides [S].UK:European Marine EnergyCentre,2009.

[11]Guidelines for Grid Connection of Marine Energy Conversion Systems—Marine Renewable Energy Guides[S].UK:European Marine EnergyCentre,2009.

[12]EMEChttp://www.emec.org.uk.

[13]IEA-OEShttp://www.ocean-energy-systems.org/index.php.

[14]王仲穎.中國戰略性新興產業研究與發展——風能[M].北京：機械工業出版社,2013.

[15]李俊峰.中國戰略性新興產業研究與發展——太陽能[M].北京：機械工業出版社,2013.

Analysis and Research on the Operational Management of the Offshore Piloting Sea Area for Developing Marine Energies

WU Di1,2,WANG Fang1,2,HUANG Cui2,WANG Meng1,2,ZHANG Duo1,2
1.Ocean University of China,Qingdao 266100,Shandong Province,China;
2.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China

To develop an offshore piloting sea area for exploiting marine energies for public welfare is the most effective way to address the problems of high costs and long duration in the real-sea state experiments conducted for marine power generation devices.In China,the construction of the offshore piloting sea area is making steady progress.The efficient operation of the piloting sea area,however,requires the establishment of a scientific mechanism for operational management.This paper summarizes the mode of operational management for overseas typical piloting sea areas for marine energies,and for two types of new energy piloting grounds:wind farm and photovoltaic power generation.The characteristics of operational management are analyzed for piloting grounds at home and abroad,before proposing the recommendations related to the management system for China's offshore piloting sea area for developing marine energies.

marine energies;offshore piloting sea area;operational management

P743

A

1003-2029（2017）04-0100-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.04.018

2017-04-10

世行基金項目資助

吳迪（1981-），博士研究生，工程師，主要研究方向為海洋技術戰略研究。E-mail：34735892@qq.com