基于5G無線專網的海上風電場智慧運維方案探討

李丕范，劉中國，曹童杰（中訊郵電咨詢設計院有限公司，北京 100048）

1 概述

過去10 年，我國風電市場迅速擴容，催生了越來越多的風電運維需求。相較本就不易運維的陸上風電場，海上風電場的運維工作還存在難到達、長作業、高危險等難點。同時，由于過分暴露在鹽霧、潮濕等環境中，海上風電場的故障率也要高于陸上風電場。在這種背景下，我國華南沿海的某海上風電場提出進行智慧運維技術探索，該風電場位于某海島南部海域，距離大陸大約25 km，其運維工作依賴人工現場進行，運維方式較為傳統。當前5G、北斗、人工智能等技術日趨成熟，本文結合該電場在日常巡檢、人員培訓、運維船安全輔助、現場作業輔助等多方面需求，研究海上風電場的智慧運維方案。

2 風場專網

所謂專網是為特定用戶提供網絡通信服務的專用網絡，而專網是海上風電場實踐智慧運維的基礎。和其他行業應用類似，海上風電場的智慧運維對專網的覆蓋場景多樣化、網絡部署局域化、網元資源定制化、網絡性能可配置、網絡運維可管可控等方面的支持能力都有要求，而5G專網可以給企業定制化提供一定的自由度，可以根據使用場所、工作類型提供不同的配置，在隱私和安全方面都有明顯優勢，因此組建以5G 網絡為主、4G 網絡為輔的專網可滿足海上風電場智慧運維的相關要求。

本次預規劃7 個站點，其中規劃部署1 個站點用于運維航道覆蓋，6 個站點用于海上風場覆蓋，為海上風電場智慧運維提供高效可靠的網絡保障。

3 智慧運維

本文依托規劃建設的5G+4G 混合專網，按無人風場巡檢、離岸現場維護2 個維度對海上風電場的智慧運維應用進行探討。

3.1 無人風場巡檢

海上風電場由于環境特殊，運維人員無法長期駐守，需借助視頻和傳感器實現日常的遠程運行監控；海上風電場的風機分布較為離散不易達到、且水下情況難以監測，也需要無人機和無人艇來輔助巡檢；加之風機內部構造復雜，一些區域人工到達不易甚至難以到達，這時可以通過特種作業機器人代替人工完成相關作業任務。

3.1.1 風電機組及升壓站智慧監控

風電機組及升壓站智慧監控是基于4K 視頻監控設備、傳感器數據采集等手段實現的，是最基礎的海上風場智慧運維手段，主要滿足風電場遠程巡檢場景下“能看”“可感”的直接需求。具體實現上，4K攝像頭可部署在風電機組及升壓站等區域，通過導軌移動，實現對部署區域的全面監控，視頻數據通過5G網絡實時回傳；同時數據采集主機收集回傳風機的相關運行數據，具體如圖1所示。

圖1 風電機組及升壓站智慧監控方案

3.1.2 風場無人機巡檢

風場巡檢無人機系統是一套軟硬件結合的全自動飛行系統，利用該系統用戶可以在海上風電場的升壓站部署自動機庫和無人機，連接風電場專網即可遠程控制無人機全自動起降、自動更換電池、連續執行任務，實現全自動化和真正“無人化”。

風場無人機巡檢流程主要包括3 個步驟：一是無人機任務路徑規劃，二是無人機巡檢任務執行，三是巡檢任務報表生成。整體方案如圖2所示。

圖2 無人機風場巡檢方案組成

3.1.3 海上風電場特種作業機器人

3.1.3.1 風機葉片檢測機器人

風機葉片是風機的重要組成部分，也是風機巡檢的盲點之一，風機葉片巡檢包括葉片內腔和表面檢測2 個方面。依靠人員爬進內腔觀察、判斷，是葉片內腔檢測的傳統方式，這種方式既存在高空作業風險，又因葉腔內部空間有限導致部分區域難以到達；風機葉片表面的檢測雖然已經出現了無人機檢測的方式，但大部分仍以人工為主，在海上環境中存在更大的高空作業安全隱患。

針對風機葉片內腔檢測已經有專用的內窺檢測機器人出現。機器人采用雙電機、六輪驅動、搭載200萬像素高清攝像頭，工作時由爬行器攜帶攝像頭進入風電葉片內部，在葉片的前緣、后緣、大梁腹板之間的空間內行進，可深入葉片內腔達葉片長度的85%以上，對前梁、后梁與殼體之間的粘接膠及腹板內補強膠的空膠、裂紋、開裂，腹板內側蒙皮及中間主梁帽的裂紋、泛白、褶皺等缺陷進行檢測。

針對風機葉片表面的檢測，日前在蘇格蘭某海上風電場的一臺7 兆瓦海上風機葉片上，一只專門為維護和檢查海上風機葉片而設計的智慧運維六足履帶式爬行機器人，完成了全球首次行走測試。研發人員將真空粘合裝置安裝在機器人的每只足末端，用于完成在風機葉片表面的吸附和靈活爬行；同時通過搭載的傳感器對表面的裂縫和變形進行掃描，地面技術人員通過現場專網接收掃描數據和實時視頻流，從而完成海上風機的全自動檢查和維修。

3.1.3.2 風機塔筒清洗機器人

塔筒是風機的主要支撐部件，表面會粘附灰塵和酸腐物質，嚴重時甚至會威脅風機整體結構的穩定性，因此經多年運行后需要清洗維護。而目前的運維作業仍然采用傳統的人工方式清洗和維護塔筒，隱患大、強度高、周期長、成本高，亟需進行改造提升。

塔筒清洗機器人由左右履帶和中間連接結構組成。履帶由多個強磁鐵排列而成，通過強磁吸附在金屬塔筒表面。通過網絡控制遙控器操作人員可控制左右履帶進行上下移動或是拐彎，配合機器清洗工具，完成塔筒表面的清洗作業。

3.1.3.3 海上升壓站巡檢機器人

作為海上風電場的電能匯集中心，海上升壓站是其輸變電的關鍵設施。海上升壓站電氣設備如果出現問題，小則一條回路上的風力機停運，嚴重時整個風電場將面臨癱瘓。由于運維人員到達升壓站現場的次數有限，因此通過視頻和傳感器對升壓站進行監測被認為是一種有效的手段，但是由于這些終端都是固定安裝或者只能通過導軌覆蓋升壓站的小范圍場所，存在監測盲區。而活動的巡檢機器人則可以有效增大巡檢覆蓋范圍，進一步降低海上升壓站發生故障的風險。

海上升壓站的巡檢機器人主要有輪式和四足式2種。輪式巡檢機器人可實現升壓站內全自動智能巡檢，支持搭載智能圖像云處理系統精準識別各類儀表，支持異常情況自動預警、歷史數據分析、遠程視頻聯動等。而四足式巡檢機器人，又稱“機器狗”絞輪式巡檢機器人則具備更出色的運動能力和環境適應能力，可在陡坡、階梯、狹小管道等輪式巡檢機器人無法進入的區域完成巡檢任務，進一步擴大機器人在海上升壓站的巡檢范圍。

3.1.4 風場水下無人艇監測

位于海洋環境中的海上風電場，其水下環境的監測是運維工作的重要內容。傳統的水下環境監測一般只包括海底線纜排查，而且需要依靠人工探摸，風險高、周期長。搭載高精度實時三維聲吶和淺地層剖面儀等儀器的無人艇能夠避開人工巡檢的弊端，自動對風電機組周邊水下區域進行探測，檢測風電機組樁基沖刷情況、風電機組周邊水下地形地貌、風電海底電纜沖刷與掩埋狀況、海上升壓站基礎沖刷情況等，根據調查結果評估樁基與線纜安全性和可靠性，為海上風場后續的檢測作業和維護性施工提供依據，為海上風電日常運維提供可靠支撐。

作業時，無人艇可從碼頭出航或隨母船（運維船）作業，可通過公網、5G專網、衛通或借助升壓站與陸地部分通信鏈路實現實時數據傳輸，工作人員在岸端或母船上即能實現海上風電檢測運維工作。流程如圖3所示。

圖3 海上風電場無人艇水下監測作業流程

3.2 離岸現場維護

海上風電場智慧運維的最終目標是要實現風電場“無人化”運行，但是在目前技術條件下，仍然需要人工離岸到達風電場進行現場維護。這就需要對整個人工維護作業流程進行全鏈條的智慧運維技術賦能，包括離岸前的人員培訓和作業模擬、航行中的安全保障和作業中的智能輔助等。

3.2.1 風電VR實訓系統

運維作業前的培訓質量會直接影響海上風電場運維的成效。目前，風電行業的人才培訓及教育，主要采取圖文、視頻、參觀、實訓等方式，圖文視頻略為枯燥，參觀只是走馬觀花，很多場所無法進入，而實訓又無法在正常運行的設備上進行操作，限制眾多，培訓效果大打折扣。VR 虛擬現實技術可以還原現實場景，模擬實際操作，體驗者可以置身虛擬環境中，進行高仿真的虛擬培訓，運維人員不離岸即可模擬海上風電場環境，從而提高每次現場運維的效果。

3.2.2 運維船舶安全輔助駕駛系統

運維人員需搭乘運維船舶前往海上風電場進行作業。海上航行環境復雜，運維船舶駕駛員對船舶自身狀態、周圍航行環境、碰撞風險預警等有天然需求，引入船舶安全輔助駕駛系統可以使駕駛員更好地感知船舶自身狀態，了解周圍航行態勢，消除駕駛員的感知不足，補充駕駛員的判斷不足，避免因視野盲區或者能見度較低出現船舶碰撞風機基礎的情況。一套船舶安全駕駛輔助系統一般包括監控測距模塊、遠距離監控聲光模塊、紅外在線測溫模塊和控制系統，監控測距模塊設置在船舶的船身四周，遠距離監控聲光模塊設置在船舶的船頂位置，紅外在線測溫模塊設置在船舶的船艙內部，監控測距模塊、遠距離監控聲光模塊和紅外在線測溫模塊均與控制系統連接。

3.2.3 北斗海上人員落水安全救援系統

為進一步保障運維傳輸人員安全，可通過部署北斗海上人員落水安全救援系統，確保人員落水后能得到及時救援。系統可實時獲取船舶位置和落水人員位置，船上人員一旦落水，北斗個人救生示位標立即自動開始向監控中心上報人員位置，保證及時救援。本系統使用快速穩定的5G網絡和寬帶衛星通信鏈路，保證數據互聯互通的及時性和可靠性。

3.2.4 運維人員智能穿戴設備

海上風電場作業環境較為艱險，許多運維工作需要雙手操作，在進行復雜作業時，作業人員無法隨時查閱作業手冊，影響運維作業效果。智能安全帽、AR眼鏡等智能穿戴可以通過內置語音助手解放作業人員雙手，調閱作業手冊輔助作業人員按規定流程完成相關運維作業，甚至可以發起遠程求助，請求未到達現場的專家協助，有效解決運維過程中的難點。

4 結束語

當前，伴隨著5G、人工智能、機器人等技術的逐漸成熟，部分產品已經在海上風電場的日常運維工作中得到應用，使海上風電場日常運維工作實現“少人化”甚至在部分工作中已經能夠達到“無人化”。但是要全面實現真正的“無人化”還需要相關領域技術的不斷發展，并針對海上風電場的場景進行優化，比如，5G專網組建能否更便捷，能否搭建一個綜合位置服務平臺對這些智慧運維裝置進行統一管理以及各類作業機器人能否再進行針對性的定制等，這些都是后續工作中需要考慮的。筆者相信隨著相關技術的不斷迭代升級，在不遠的將來，一定能夠實現海上風電場運維“無人化”。