海上風電場運維一體化平臺的開發應用研究

黃永堤，吳占友，郝斌

（中海石油（中國）有限公司北京新能源分公司，北京 102209）

海上風力資源豐富，有風力發電的良好條件。在當下國家能源戰略調整的過程中，海上風電項目逐步增多，在長期的項目中行業內陸續形成了相對完善的技術體系。但當下海上風電項目中，人們對運維提出了新要求，有關部門應摒棄原先的運維觀念及方法，科學引進信息技術等構建運維一體化平臺。部分海上風電場運維一體化平臺建設取得了一定的成就，但依舊存在諸多問題，未來海上風電場項目中，有關人員還需持續更新運維技術，構建功能更全面的運維一體化平臺。

1 海上風電場運維難點

海上風電場不同于陸地風電項目，其特殊性主要表現在環境上。因為海上風電場建在海上，海洋環境相對復雜和多變，給風電機組的運行帶來了負面影響。因此，海上風電場運維工作面臨難度大、時間長、安全風險大的特征。針對目前海上風電場的運維情況，主要存在以下難題：（1）風電場通達困難。海上天氣相對多變，經常面臨惡劣天氣，在此天氣條件下，運維人員無法像陸上風電場一樣及時達到風電場進行日常巡檢與維護，如風電機組面臨故障，有關人員需考慮天氣等情況制定最佳的維修計劃，增大了運維難度。（2）大部件出現故障的情況下，動用大型工程船進行吊裝與運輸的成本較高。

2 海上風電場運維平臺概念及架構

2.1 平臺概念

海上風電場一體化運維平臺，就是要以信息技術、人工智能等新技術建立運維大數據基礎平臺，在海上風電機組運行過程中，該平臺自動采、存儲各種設備信息，其內部集成了不同來源及類型的數據。大數據、云計算等新技術促進了海上風電場各個部分的集成，使每個部分能獨立開展工作，又能協調方式完成各方面任務。平臺不僅能在海上風電場運行期間采集各種狀態、參數信息，還能自動分析信息，識別異常并啟動預警。在當前技術發展的今天，運維一體化平臺中可采用的技術類型相對較多，在平臺自帶功能支持下，由運維人員統一負責設備運行與維護，達到設備、人、數據、安全、環境的高度統一，即使部分設備在運行中存在問題，也能快速整合信息確定故障類型及原因，制定最佳的解決措施，恢復設備的正常運行。因此，與傳統的運維方式相比，運維一體化平臺可為相關工作提供便捷，用自動化取代人工作業，減少在運維方面的人工投入，創造更大的經濟與社會效益。

2.2 平臺架構

為凸顯運維一體化平臺在海上風電場項目中的作用，相關人員在具體的工作中應合理設計平臺架構，此架構應包含運維數據中心、風電機組生產運行監管系統、資產管理系統、運維評價系統等，能在平臺運行時自動采集、智能分析，替代原先的人工運維模式。運維一體化平臺投入使用后，風電機組的各類數據均能在平臺內集中管理，使平臺數據模塊自動處理各類信息，以信息為基準制定最佳的運營策略。

2.3 運維數據中心

運維一體化平臺中運維數據中心為關鍵構成，承擔著數據采集、存儲、集成等關鍵任務。以數據采集為例，主要由運維數據中心來實現，該中心可收集到不同來源與不同類型的數據，再將數據分類存儲于對應的數據庫內，在需要時調取。數據中心采集到的數據有實時監控類；運行計劃管控指標類；技術支撐類，如設備運行、試驗、檢修等數據；運行管理類，主要為各種生產報表、設備運行臺賬。這些數據的來源廣，數量龐大，且數據格式不一，運維一體化平臺的數據中心應整合各類數據，并進行數據篩選、分析，從中提取出更有價值的數據，在此過程中數據處理效率高，能在后續的運維工作中發揮數據價值。

3 海上風電場運維一體化平臺的開發應用

3.1 關鍵技術

3.1.1 運維全過程管理

海上風電場包含了多種設備，這些設備的種類繁多，每個設備都有其各自的運行特點。在運維過程中為降低設備故障概率，應利用運維一體化平臺實現全過程管理，由系統自動監控風電場SCADA、CMS 系統，一旦在風電場運行中設備發生了故障，平臺中的設備健康管理模塊能自動對比異常數據與正常數據的偏差，如偏差超出標準時反饋信號，提醒相關模塊注意處理異常部分，當相應模塊接收到反饋后，全面分析故障預警特征值、知識庫，以確定故障類型、位置及原因。因為海上風電場環境的特殊性，出海維護時的難度系數較大，系統可綜合諸多信息，自動計算維護此故障時的成本消耗、資源投入，通過確定故障對海上風電場其他部分造成的危害程度、維修期間需投入的人力、物力等資源，再綜合分析設備安全情況，判定是否需實施出海維護，如必須出海維護，則需制定工作計劃，選擇備品備件、工具等查詢天氣情況，得到完整且準確的風、浪等基本信息，選擇恰當的出海時機，避免出海時受異常氣象的干擾；不需要出海維護時，系統自動結合已有信息生成維護任務包。

運維過程中考慮到海洋環境的特殊性，相關人員也需要合理選擇運維工具，但在此過程中需綜合分析故障零部件、備件備品、工具特征。如海上天氣條件相對穩定，無異常風、浪等情況，需立即生成出海維護計劃；如氣象條件異常，應維持原狀，等待最佳的出海維護時機，實施暫時性維護。出海維護船應按既定路線抵達故障區域，立即開始運維工作，在此期間，應完整、準確地記錄工作期間的過程、結果等；有關人員按既定計劃實施了一系列維護操作后，由系統根據其內部記錄，計算本次維護工作下的人力、物力消耗情況，得到總成本，構成維護成本數據庫，該數據庫中的信息在后續可直接調用，指導有關的故障處理。

3.1.2 設備管理

海上風電場包含多種專業化設備，不同設備之間存在一定的關聯性，在各項運維工作中相關人員需理清不同設備之間的關系。由于海上風電場中的設備類型多樣，具體的工作中相關人員需制定分類標準，在將設備分類后選擇恰當的管理方式。設備臺賬中記錄的信息相對較多，如每臺風電機組、主要部件的生產廠家、型號等基本參數，在實際的工作中相關人員需定期更新臺賬中的設備故障、維護等信息。

海上風電項目的各項管理、維護工作中，交通條件的限制性較大，確定維護和管理方案之前有關人員需著力分析可達性，這一分析結果與工具檢修船舶的出行息息相關，需通過氣象等因素制定出行計劃。如遇淺灘等特殊條件，通道十分困難，海上維護作業中面臨諸多風險。根據海上風電場的運維經驗，海上船只成本占運維總成本的比重較高，海上風電場的運維任務艱巨，對不同部件、不同故障的維護，所需用到的工具、船只、人員等有明顯區別，為合理安排運維工作，相關人員必須合理安排調度任務。船舶調度的難度較大，需由海圖GIS 來實現，借助其實時定位等功能，實現精準調度，在整個工作期間可統計、管理船舶編號、作業類型、船舶類型、狀態、噸位等基本信息。

3.1.3 數據分析及優化運維

運維數據中心可集成、存儲、分析、調用數據，以數據為參考確定運維策略，符合風電場智能化運維的要求。在實際的工作中相關人員可引入多樣化數學方法，對各類數據展開橫向與縱向比對，借助專業工具開展線性和相關性分析、總結規律等，生成分析報告。大數據系統能對挖掘歷史數據，計算實時數據，從而綜合這些數據信息統計風電機組的運行情況。

風電機組運行過程中，風速為影響機組運行效率的直接因素，不同的風速條件下機組運行效率等各有不同。在設備狀態監測、故障預警時相關人員應考慮工況情況，分析不同工況條件下的設備運行情況。如在實際的工作中以風機出廠性能曲線劃分工況的方式來全面分析機組的運行情況，顯然難以與當下的實際情況相一致。為此，實際的工作中應基于大量運行歷史數據從空間分布角度劃分工況簇，這一劃分方式具有智能化特點，參考目標指標為評價基準，從不同工況簇工況中尋優，并綜合運行邊界條件、運行狀態、設備特性等基本情況，完成機組能效評價、故障檢測與分析。

運維一體化平臺中風功率特性功能模塊為其中的關鍵部分，在實時/歷史數據庫中集成了風機運行、運維等完成信息，平臺有關模塊能自動統計、篩選信息，得到風機機組風速與電功率之間存在的聯系，以曲線圖呈現，再由系統自動分析在線離散度偏差情況，以數據結果判定風電機組的運行狀態等基本情況，采取一系列調整與控制措施，保持機組良好的運行狀態。由于運維一體化平臺中采用了大數據與人工智能等技術，在實際的工作中能綜合歷史和現有數據，準確預測風功率，并評※※估風資源分布和使用情況，從而以這些情況為前提優化機組相關參數，提升風電機組的運行水平。

3.1.4 設備故障預警及專家診斷

海上風電場在運行過程中可能面臨諸多不確定因素，引發突發故障，這類型故障的維修難度大、費用高，引發的經濟損失較大。為了有效解決這一問題，運維一體化平臺中的故障預測與健康管理系統可自動建立故障預測模型，該模型在后續的工作中能自動挖掘、整合與篩選數據，從數據中分析故障信息。設備狀態預警指當系統監測到機組數據有異常時，將立即反饋信息，并同步發送預警，展開分類統計、狀態跟蹤、精準挖掘、專項分析。設備狀態預警主要依托相似性原理的閾值自建模技術，該技術支持下幾乎不會出現誤報、漏報問題。

設備健康度管理EME 選用深度學習框架，通過對SCADA、CMS、音視頻圖像等數據進行建模并分析，經由相應模型，在線監測風機的狀態健康度，一旦健康度不達標，需立即發送預警信號，提醒相關人員進行故障處理。

3.2 平臺應用

3.2.1 運維過程業務管理

運維一體化平臺兼具多重功能，即使在海洋復雜多變的環境，該平臺也能克服諸多限制，集成各種機組信息，以數據為基準開展相應的工作。如在機組運行動態信息的監測方面，平臺能自動監測風機的停機/運行、故障、檢修、報警等情況。在統計機組信息方面，平臺內強大的數據存儲與處理能力決定了其在這一方面存在明顯優勢，如機組的啟停機次數及時間、風能利用情況、風機推力系數、扭力曲線、功率曲線、溫度數據、風速、風向等數據都能在該平臺內被應用起來。

總之，在運維一體化平臺中的運維過程業務管理方面，平臺可發揮其功能優勢，嚴格按照機組維護的有關要求，由專業技術人員、管理人員協商制定檢修維護方案，為實際工作指導。結合實際的工作需求，維護計劃內應包含完整的信息，如維護機組編號、維護設備編號、維護時間、維護人員、維護內容、所需設備類型等，只有保障內容的完整性，并確保其中方法、技術等的合理性，才能使后續相關人員嚴格執行該計劃，提高設備維護整體水平。在相關部門批準了維護計劃后，維護人員需立即在系統內打印維護過程記錄表，該表格中包含維護結果、維護人員、維護所用時間、費用等基本信息。

3.2.2 移動電子兩票

在完善的移動通信網絡中，可保持工作票與操作票的電子簽名確認、簽發與許可，這一方面的管理功能為海上風電場的運維工作創造了較大便捷。風電場負責電子工作票的填寫與簽發，前期所制定的安全隔離措施需由現場運維人員來實施，當其按照相應規定完成了任務后再將相應結果拍照上傳到審核平臺，由集中控制中心完成最終審核。

4 結語

風電事業現代化發展趨勢下，海上風電場應采用全新的運維模式，相關人員需借助現代信息技術構建科學且合理的運維一體化平臺，保障該平臺功能的多樣性。未來相關人員針對海上風電場項目，必須持續注重運維工作，克服原來運維模式的限制，引進新技術開發全新的運維一體化平臺。