海上風電場智慧運維管理系統(tǒng)

楊源，汪少勇，譚江平，陳亮

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州510663）

大規(guī)模的海上風電投產(chǎn)后，如何解決海上風電的運維問題，成為當前迫切的問題。當前，海上風電項目的建設、運維過程面臨以下痛點問題：（1）海陸之間通信困難；（2）無法掌握海上作業(yè)船舶和人員的實時畫面情況，也無法進行視頻回放和信息查詢等功能；（3）建設、運維船靠人工調(diào)度，沒有結合AIS、氣象預測等情況，導致建設、運維檢修的計劃性不強，運維成本高；（4）建設、運維過程中，沒有對船舶和人員進行資源管理和定位，無法保障船舶和人員管理安全；（5）對于風電場基礎設施沒有進行統(tǒng)一的管理，無法及時獲取當前設施實時情況。

因此，需要建立海上風電場智慧運維管理系統(tǒng)，實現(xiàn)海上風電場人、船、風機的全面管理，提高運維效率和質量。

1 海上風電場智慧運維管理系統(tǒng)概述

通過海上風電智慧調(diào)度系統(tǒng)、海上風電雷達多源跟蹤及邊界警示系統(tǒng)、海上風電場風機平臺作業(yè)監(jiān)管系統(tǒng)，搭建出海上風電場智慧運維管理系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1 海上風電場智慧運維管理系統(tǒng)示意圖Fig.1 The schematic diagram of intelligent operation and maintenance management system for offshore wind farms

1）通過陸上集控中心的海上風電智慧調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)人員的安全管理以及船舶調(diào)度。

2）通過海上風電雷達多源跟蹤及邊界警示系統(tǒng)，實現(xiàn)海域船只全范圍跟蹤，并確保海上風電場的風機及海纜安全。

3）通過風機平臺的海上風電場風機平臺作業(yè)監(jiān)管系統(tǒng)，實現(xiàn)風機作業(yè)人員在風機平臺的全面管理。

2 海上風電智慧調(diào)度系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)架構

海上風電場智慧調(diào)度管理系統(tǒng)作為一套海洋工程領域的管理系統(tǒng)，圍繞決策管理、人員管理、視頻監(jiān)控、海洋氣象服務、工單管理、船舶管理、后臺設備等7 方面進行具體要求。通過可視化管理，實現(xiàn)智慧調(diào)度。具體框架，如圖2 所示。

圖2 海上風電場智慧調(diào)度管理系統(tǒng)框架圖Fig.2 The schematic diagram of smart dispatching management system of offshore wind farm

2.2 決策管理

可根據(jù)工單類型查看可作業(yè)窗口期，可作業(yè)窗口期根據(jù)工單類型、策略配置及風力和浪高進行計算而得相的作業(yè)建議。

可通過日期查看當天實時的作業(yè)窗口期，以及實時風力和浪高信息，并可查看作業(yè)窗口期的具體依據(jù)說明。

2.3 人員管理

2.3.1 人員跟蹤定位管理

人員跟蹤管理系統(tǒng)通過出勤人員管理APP實現(xiàn)風電場人員信息管理，實現(xiàn)出海任務、出海人員的全過程跟蹤，建立有效的跟蹤管理機制，增強人員防范對安全風險和避險急的能力，達到人員安全管理的目的。

2.3.2 人員急管理

1）落水預警

救生衣AIS MOB 設備（個人示位標），落水后可向AIS 基站、衛(wèi)星發(fā)送求救信號，系統(tǒng)收到求救信號后自動標記處落水人員在電子海圖中的位置，并發(fā)出聲光報警通知監(jiān)控人員。

2）視頻聯(lián)動

當出現(xiàn)落水預警時，通過光電設備聯(lián)動功能，將攝像頭自動對準落水位置，鎖定落水人員的落水區(qū)域，輔助救援工作。

2.4 視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括具備透霧功能的遠紅外熱成像攝像機，用于觀測整個海上風電場區(qū)域的海域船只情況。視頻監(jiān)控系統(tǒng)與人員急管理系統(tǒng)、船舶管理調(diào)度系統(tǒng)有機結合，自動實現(xiàn)動態(tài)目標捕捉、坐標捕捉。

一旦人員落水，通過個人急示位標的發(fā)送位置，海域視頻監(jiān)控系統(tǒng)自動鎖定其位置，并進行視頻實時觀測。

系統(tǒng)通過AIS 系統(tǒng)的接口，能夠在海圖上設置電子圍欄區(qū)域。當船舶靠近、闖入?yún)^(qū)域或非法錨泊時，系統(tǒng)發(fā)出告警提示，以聲光方式通知值班用戶，并記錄報警信息。同時通過光電聯(lián)動跟蹤功能，通過攝像頭實時跟蹤危害船舶，并進行視頻錄像保存。

2.5 海洋氣象服務系統(tǒng)

系統(tǒng)集氣象數(shù)據(jù)采集、預報、分析為一體，實時測量風、溫、濕、氣壓等多項氣象要素，為船舶、直升機的調(diào)度提供基本的氣象信息。提供氣象預報和氣象服務，接收和顯示海洋天氣預報部門定時發(fā)布的氣象預報及大風大浪預警信息。

系統(tǒng)接入的氣象數(shù)據(jù)包括溫度、降水、風力風向、氣壓、能見度和臺風等。系統(tǒng)通過接口從氣象部門獲取氣象數(shù)據(jù)并實時更新顯示在電子海圖上，并能夠根據(jù)風電場區(qū)域的氣象情況給出是否適合出勤指導意見。

2.6 工單管理系統(tǒng)

主要實現(xiàn)以下兩個功能：

1）任務申請：由任務負責人使用人員跟蹤系統(tǒng)新建并提交任務申請，登記任務人員，并將任務分配給相關工作人員。

2）報表管理：包括任務報表及工作人員完成情況等。

2.7 船舶管理

2.7.1 船舶管理系統(tǒng)

船舶管理系統(tǒng)，通過獲取項目海域的船舶AIS信息，在海圖上以符號的方式，顯示船舶的實時位置和動態(tài)，并疊加風電設施的位置符號；海圖顯示區(qū)域可以放大縮小和移動顯示窗口，點擊船舶符號可以查看船名、呼號、MMSI、IMO、航速、航向、轉向、經(jīng)緯度和船只信息；通過船名、呼號、MMSI、IMO 或通過選擇，對特定的船只如項目的海上作業(yè)平臺、駁船和運維船等進行關注（采用區(qū)別性的符號進行顯示）。通過海圖上圈定電子圍欄，對船只進入或離開指定海域進行提醒。

2.7.2 船舶調(diào)度通信

為了能夠與施工船只進行溝通，對威脅設施和施工船只安全的社會船舶進行聯(lián)絡和監(jiān)聽海面船舶的呼叫，建立覆蓋項目部、風電場海域的VHF通信系統(tǒng)，實現(xiàn)陸上項目管理部與人、船通信的對講平臺。

3 雷達多源跟蹤及邊界警示系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)架構

主要功能是以電子海圖為管理界面，實現(xiàn)對船只的全面監(jiān)測和警示。系統(tǒng)對風電場內(nèi)部船舶和其他重點關注船舶運行狀態(tài)實時監(jiān)控，對所有到過風電場的船只，均能實現(xiàn)歷史“軌跡記錄”。系統(tǒng)還提供其他監(jiān)控設備的聯(lián)動接口，對進入虛擬警戒區(qū)域的船只，可實現(xiàn)“聯(lián)動跟蹤”。作為雷達多源跟蹤系統(tǒng)的補充，為減少船只誤入風電場區(qū)域，在保護區(qū)域的邊界風機上，安裝邊界警示系統(tǒng)。具體框架，如圖3所示。

采用智慧調(diào)度管理系統(tǒng)的高精度遠距離遠程光電前端、小目標探測雷達（X波段）、AIS三種手段相結合，構建雷達探測目標、光電聯(lián)動確認跟蹤目標、AIS 獲知目標信息的復合監(jiān)控體系，實現(xiàn)近海動態(tài)目標信息管理自動化、智能化。

同時，在風電場的邊界風機基礎平臺上，采取聲音、燈光、無線電等警示措施。安裝射程2 海里左右的警示用航標燈，用來提示風機的位置；安裝霧情探測設備（能見度檢測儀）和霧號（號笛）；安裝雷達答器和AIS 航標專用答器，通過無線電提醒過往船只。

圖3 雷達多源跟蹤及邊界警示系統(tǒng)示意圖Fig.3 The schematic diagram of radar multi-source tracking and boundary warning system

3.2 主要技術

3.2.1 總體技術特點要求

以雷達為主要傳感器，能夠在無人值守、惡劣天氣（雨、霧）情況下主動探測目標，并持續(xù)自動跟蹤、報警、記錄。

雷達同時探測多個目標（系統(tǒng)可跟蹤、顯示最大目標數(shù)：≥20 000 批次），系統(tǒng)接收周邊船只AIS信號，并與雷達信號智能融合，光電系統(tǒng)與雷達聯(lián)動后實現(xiàn)單個目標自動跟蹤，對風電場周邊目標實現(xiàn)全面監(jiān)控，在雷達信號覆蓋范圍內(nèi)可設置海纜保護區(qū)域，凡進入?yún)^(qū)域的船只一律自動跟蹤拍攝錄像，可通過人工方式在第一時間發(fā)現(xiàn)電纜拖網(wǎng)、拋錨的目標，識別其特征、舷號，事前發(fā)出警告，事后保存證據(jù)。系統(tǒng)還可以設定數(shù)據(jù)保存時間，可追溯回放某一條船或者某個區(qū)域在一定時間內(nèi)所有船只（可達1個月或更長）的運行軌跡。

3.2.2 軟件系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)能夠實時、全景顯示雷達視頻信號、光電視頻圖像、海圖等多類型信息，在統(tǒng)一平臺下便于準確的進行態(tài)勢分析。系統(tǒng)具備區(qū)域控制和事件控制的控制、報警功能。具有對覆蓋范圍內(nèi)的海上目標進行全自動跟蹤探測功能，提供目標的位置、航向、航速等參數(shù)。

3.2.3 邊界警示系統(tǒng)

邊界警示系統(tǒng)是雷達多源跟蹤系統(tǒng)的補充，用于主動警示風電場附近的船只。主要有以下功能：

1）在風電場邊界風機基礎上，安裝射程2 海里以上的警示用航標燈，夜間警示燈自動打開，向經(jīng)過風電場附近的船只提示風機的位置。

2）安裝霧情探測設備（能見度檢測儀）和霧號（號笛），以及邊界警示系統(tǒng)的控制器。當能見度嚴重不良時，系統(tǒng)按規(guī)定自動施放霧號。

警示系統(tǒng)與雷達多源跟蹤系統(tǒng)連接，現(xiàn)場的能見度數(shù)據(jù)和霧號控制信號接入網(wǎng)絡，陸上集控中心的工作站可采集到風機現(xiàn)場的能見度數(shù)據(jù)，可在后端控制霧號的施放。

在陸上集控中心設置麥克風，雷達發(fā)現(xiàn)可疑船只靠近風機時，操作人員可通過號笛（帶喇叭功能），對邊界風機現(xiàn)場進行喊話。考慮到霧號的指向性，每臺邊界風機基礎上，安裝兩臺霧號，對準風電場外側不同的方向。

3）雷達答器和AIS 航標專用答器，通過無線電提醒過往船只。航標燈和雷達、AIS答器常開。

4 風機平臺作業(yè)監(jiān)管系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)架構

海上風電場風機平臺作業(yè)監(jiān)管系統(tǒng)是基于海上風電運維、人臉識別、網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫和可視化等技術的海上人員作業(yè)管理系統(tǒng)。具體框架，如圖4所示。

4.2 風機平臺作業(yè)監(jiān)管系統(tǒng)配置要求

風機平臺作業(yè)監(jiān)管系統(tǒng)實現(xiàn)以下功能：

1）作業(yè)任務的遠程申請、審核

風機維護廠家通過APP對作業(yè)任務進行遠程填報申請，三角島的運行人員通過APP收到網(wǎng)絡申請后，進行審核確認后形成風機作業(yè)任務。該作業(yè)任務將自動包含所涉及的風機的門禁鎖開鎖權限及警示裝置撤防權限。

圖4 風機平臺作業(yè)監(jiān)管系統(tǒng)示意圖Fig.4 The schematic diagram of operation supervision system of wind turbine platform

2）無關人員登臺驅離

風機上設置微波人體感警示及高音喇叭裝置，若非工作人員登上風機平臺，該裝置將自動報警，報警完畢后提示人員離開風機平臺，否則將在設定時間后啟動高音喇叭對人員進行驅離。工作人員登上平臺使用APP連接報警裝置進行撤防，單次撤防時間可設。

3）智能門禁管理

風機塔筒的門鎖設置為智能門鎖，通過APP來控制開啟，APP 操作記錄等網(wǎng)絡恢復后將自動上送到后臺系統(tǒng)，運行人員對操作記錄進行檢查統(tǒng)計。

4）人臉識別及可視化頭盔

通過在塔筒門的人臉識別攝像頭，對登上風機平臺作業(yè)的人員進行身份認證。同時，通過配置可視化頭盔，為管理人員及專家進行遠程指導和監(jiān)督。

4.3 風機配置要求

每臺風機配置：一套人臉識別系統(tǒng)、一套智能門禁鎖具、一套微波感警示及高音喇叭裝置等。同時，對于進入風機的作業(yè)人員，配置可視化頭盔。

1）人臉識別攝像頭：通過在塔筒門的人臉識別攝像頭，對登上風機平臺作業(yè)的人員進行身份認證以及實現(xiàn)人臉開鎖功能。同時，通過配置可視化頭盔，不但可保護作業(yè)人員安全，并將風機現(xiàn)場維修、檢修的設備畫面實時傳輸至陸上集控中心，為管理人員及專家進行遠程指導和監(jiān)督。

2）智能門禁鎖具：對各風機塔筒門禁進行閉鎖。實現(xiàn)手機藍牙控制開鎖、遠程開鎖，配置急開鎖鎖芯，可通過機械鑰匙開鎖。

通過管理平臺授權發(fā)放門禁管理卡，現(xiàn)場刷臉方可開門；亦可實現(xiàn)手機短信、藍牙、APP 軟件和網(wǎng)管遠程操作等方式開門。如若發(fā)生門被非法開啟，控制器立刻將信息上報陸上集控中心；并同時啟動聲光報警模塊、攝像頭抓拍模塊，抓拍圖像立即上傳至陸上集控中心存儲備案。

3）微波感警示裝置：實現(xiàn)對登上平臺人員進行監(jiān)測，提示風險，并控制高音設備的通斷。

微波感警示及高音喇叭裝置采用雷達波感技術，在偵測到物體經(jīng)過時，能迅速響警燈閃爍和發(fā)出語音提示功能，實現(xiàn)對登上風機平臺人員進行監(jiān)測，提示風險。

4.4 手機移動APP要求

通過對作業(yè)工作票的電子化和移動化實現(xiàn)整個作業(yè)流程的管理控制。移動APP實現(xiàn)工作票的申請和審核以及風機平臺上鎖具及報警裝置的布防撤防。系統(tǒng)按工作票管理系統(tǒng)層次結構進行設計，具備兩票管理功能。

1）工作票管理

移動APP可進行工作票的操作。工作票是在設備及系統(tǒng)檢修作業(yè)時，落實安全技術措施、組織措施及有關人員安全責任，進行檢修作業(yè)的書面依據(jù)，是保證檢修作業(yè)過程中人身安全和設備安全的重要措施。常見的有電氣類檢修工作、機械類檢修工作，如：變壓器、電動機等電氣設備的檢修；軸承、齒輪箱等機械設備的檢修。

2）操作票管理

移動APP可進行操作票的操作。操作票是運行人員改變設備、系統(tǒng)運行方式的指令及操作步驟。其作用是：（1）操作人員根據(jù)值班調(diào)度或值班負責人的命令來完成指定的操作任務；（2）作為準許操作設備的憑證；（3）執(zhí)行具體操作步驟，以防止人為誤操作事故的發(fā)生。常見的操作票有電氣倒閘操作票。

3）兩票抽查

移動APP通過預先設置好班組、部門和企業(yè)層對工作票和操作票抽查人員以及每月必須抽查的次數(shù)，系統(tǒng)會自動下達不合格票抽查任務給相的人員。這些人員接收任務后，錄入抽查結果，從而為不合格票統(tǒng)計提供了數(shù)據(jù)來源。

4）兩票統(tǒng)計

移動APP 可按部門、按專業(yè)、按個人對工作票、操作票進行統(tǒng)計。同時統(tǒng)計工作票、操作票的合格率、標準票使用率。

5）兩票基礎設置

移動APP 實現(xiàn)兩票三種人設置、三種人導入、運行人員設置、基礎數(shù)據(jù)設置、危險點分類維護、危險點維護。

5 結 論

本文通過海上風電智慧調(diào)度系統(tǒng)、海上風電雷達多源跟蹤及邊界警示系統(tǒng)、海上風電場風機平臺作業(yè)監(jiān)管系統(tǒng)，搭建出海上風電場智慧運維管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)實現(xiàn)人員的安全管理以及船舶調(diào)度。同時，實現(xiàn)海域船只全范圍跟蹤，并確保海上風電場的風機及海纜安全。最終，實現(xiàn)風機作業(yè)人員在風機平臺的全面管理。

本文的方案，實現(xiàn)了實時掌握海上作業(yè)船舶和人員的實時畫面情況，進行視頻回放和信息查詢等功能。同時，結合AIS、氣象預測等情況，對船舶和人員進行資源管理和定位，實現(xiàn)了建設、運維檢修的計劃性，保障船舶和人員管理安全。