海上风电场升压站无人值守关键技术应用研究

张峰

摘 要：近年来，海上风电发展迅速。由于海上运行维护条件艰苦，因此，一般按照无人值守理念设计海上风电场，通过陆上集控中心或者远程集控中心，实现风电场的集中管理。本文对设备选择、组网方案、设备状态监测等方面进行研究，以保证海上升压站设备的实时监测，提高运行可靠性，提升自动化水平。

关键词：海上风电升压站;无人值守;关键技术

中图分类号：TM614文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）31-0017-04

Application Research on Unattended Key Technology of Offshore

Wind Power Substation

ZHANG Feng

（State Nuclear Electric Power Planning Design Research Institute Co.， Ltd.，Beijing 100095）

Abstract： In recent years， offshore wind power has developed rapidly. Due to the difficult operation and maintenance conditions on the sea， the offshore wind farm is generally designed according to the unattended concept， and the centralized management of the wind farm can be realized through the land centralized control center or remote centralized control center. In this paper， the equipment selection， networking scheme， equipment status monitoring and other aspects were studied to ensure the real-time monitoring of offshore booster station equipment， improve the operation reliability and enhance the automation level.

Keywords： offshore wind farm substation;unattended;key technology

海上風电场升压站通常在陆地上实现集中控制。由于海上升压站距离岸边一般都很遥远，运行维护非常不便，因此，在选择海上升压站的设备时，可以按照无人值班方案进行设计。在设计方案中提升设备的在线监测水平，应用各种先进的传感测量、计算机和网络通信技术，为海上风电场提供全面丰富的数据资源，并将这些数据采集接入故障诊断专家系统，通过相应的分析诊断软件进行诊断分析[1]。

1 海上升压站监测设备的配置

1.1 海上升压站电气设备在线监测

在线监测装置配置选点和设备选型时，应按资产全生命周期考虑投入的经济性，在满足使用功能的前提下，应尽量选用简洁、有效、可靠和维护少的产品。

在海上升压站配置地理信息系统（Geographic Information System，GIS）和变压器局部放电监测装置，便于运行人员对变压器进行远程监测诊断。局部放电监测装置采用超高频检测法（Ultra High Frequency，UHF）。超高频检测法（UHF法）是通过超高频信号传感器接收局部放电过程辐射的超高频电磁波，实现局部放电的检测。在变压器油及油/纸绝缘和GIS中发生的局部放电，其信号的频谱很宽，放电过程可以激发出数百甚至数千兆赫兹的超高频电磁波信号，而变电站现场的干扰信号频谱范围一般在150 MHz以下，且在传播过程中衰减很大。因此通过高频天线检测变压器或GIS的超高频放电信号，可在线监测它们的局部放电。

在海上升压站配置变压器油中气体监测系统便于运行人员对变压器的运行状态进行远程监测诊断。常规的油中气体监测系统中气相色谱分析仪器要定期更换消耗品（如载气等），考虑到海上升压站的运行维护不便，油中气体监测系统选择采用先进的光声光谱监测系统，采用“动态顶空平衡”法进行脱气以及光声光谱法进行气样检测。由光声光谱测量部件特性而知，较传统的气相色谱（GC）分析仪器而言，光声光谱分析仪所需的校验工作将大为减少;光声光谱监测技术无须气相色谱分析仪器中所需的消耗品，如载气等;采用光声光谱技术的仪器内光声室（一般为2～3 mL）容积较小，意味着仅需少量样品即可进行测试，且便于迅速清理光声室以满足快速、连续测量的要求。

变压器配置局部放电监测装置和油中气体监测系统全部配置远传接口，数据上送到陆上集控中心故障诊断专家系统，便于对数据进行分析诊断。

1.2 海上风电设备腐蚀监测

海上风电设备腐蚀监测主要考虑对升压站风机设备、风机塔筒设备和风机基础等进行腐蚀监测。陆上集控中心和海上升压站二次设备间及风机塔筒内安装有大量精密电子设备，包括保护装置、变频器、整流器、变压器等设备的安全运行对风电机组至关重要。然而，由于盐雾、二氧化硫（SO2）、臭氧（O3）、二氧化氮（NO2）及其他氯化物（氯[Cl2]和氯化氢[HCl]）、乙酸（CH3COOH）和甲醛（HCHO）等物质的渗入，可能会造成电路板或电子元器件腐蚀问题。此外，导电盐溶液在高压绝缘设备上的反复浓缩，不仅会产生严重腐蚀问题，还会导致聚氨酯护套的绝缘性能下降，导致高压击穿并烧毁关键电气设备，这将给风电机组的安全运行带来严重隐患。

海上风电设备的腐蚀源有氧气、海水、氯离子、紫外线。腐蚀类型多属于金属的电化学腐蚀。腐蚀特点：飞溅区和潮差区干湿交替、浪花冲击，腐蚀速度最大。腐蚀原理：微电池和宏电池的共同作用，潮湿环境下的金属表面形成无数个腐蚀微电池，阳极区金属溶解、腐蚀，处于海水环境的风机基础和海上升压站基础，潮差区附近又形成一个宏电池，加速腐蚀。

我们的监测依据是根据设置在监测点附近的电路板的腐蚀情况进行监测（见图1）。《过程测量和控制系统的环境条件：大气污染物》（ANSI/ISA-71.04-2013）是美国国家标准协会（ANSI）和国际自动化学会（ISA）出台的一个空气腐蚀评定标准，以此标准规范工业、电子等行业数据中心、中央控制室等的环境等级。此标准是在一个常态的周围环境里，30 d内铜箔和银箔产生的腐蚀增量和腐蚀累积。其对空气腐蚀严重分为四个等级，如表1所示。

腐蚀监测仪通过两个石英晶体微天平传感器，一个镀铜、一个镀银监测电子电器设备安装所在环境的腐蚀膜厚度。高度灵敏的测量方法可指示污染物含量为十亿分之一或更低的污染水平。

温度、湿度、压力（可选）等环境参数和腐蚀数据同步采集和显示，我们选择海上升压站和陆上集控中心二次设备间内各4面机柜作为监测对象，在每面机柜安装1只空气腐蚀监测探头，选择6台风机塔筒内机舱和塔基各1面机柜作为监测对象，在每面机柜安装1只空气腐蚀监测探头。选取6台风机进行腐蚀监测，每台风机钢管桩选取4个部位进行阴极保护电位监测，即风机基础桩泥面、极端低潮位、设计低潮位、设计高潮位之间阴极保护电位;对于海上升压站导管架的4根主腿进行阴极保护电位监测。阴极保护一般用于水下，采用测试探头对单桩基础上阴极保护进行监测[2-3]。

所有监测数据上传到陆上集控中心的腐蚀监测服务器，由运行人员统一进行管理，当数据异常时便于维护人员采取相应的处理措施。

1.3 海上风电设备监测系统的配置

海上风电设备长期在恶劣环境下运行，运行人员定期去现场查看和维护又非常不便，所以在海上风电设备配置一些必要的监测设备，以保证海上风机设备的长期稳定运行。

1.3.1 塔筒和基础沉降监测。风机基础监测主要是使用固定倾斜仪测量风机塔底基础面X、Y轴的倾斜量。安装成功后，读取测斜仪的原始值作为监测塔基的初始状态。在长期监测过程中，读取测斜仪的值与初始值进行比较，从而反映出塔基的不均匀沉降程度，当倾角超出门限时报警。

对于高塔筒风机，还宜开展塔筒振动监测，在风机塔筒轴向方向、水平正交方向安装2个低频加速度传感器。塔筒和基础沉降监测如图2所示。

1.3.2 桨叶监测。在每个叶片内表面监测挥舞和摆振方向结构动力学特征，采集一段时间（3～6个月）的正常运行数据，通过人工智能预学习建立叶片正常运行时的振动模型。叶片振动模型建立后，桨叶监测系统实时采集、计算、分析叶片振动数据，并实时与正常模型数据对比，以此在故障早期定位桨叶的裂纹、雷击、结冰、不平衡、断裂等异常[4]。

1.3.3 传动链监测。在主轴承、齿轮箱、发电机、机舱弯头处布置振动加速度传感器，对机组的传动链进行全面的振动监测，如图3所示。

1.3.4 螺栓载荷监测。对每个重要法兰处选择4个螺栓。螺栓监测系统发射和接收超声波脉冲电信号、测量并计算发射和回波电信号之间时间差，从而计算螺栓的长度，根据螺栓的长度变化，换算出螺栓的预紧力，实现螺栓载荷在线监测。螺栓监测系统测量原理如图4所示。

1.4 海上升压站结构安全监测

海上升压站和风机基础结构安全监测，提供应力应变、结构振动、倾斜和地基不均匀沉降共4类功能监测模块，通过在线连续测量并存储主要结构件的关键安全参数，评估并判断海上升压站和风机基础的结构响应是否在安全限值内，发现早期安全隐患，避免倒塌等灾难性事故及恶性的不可逆结构问题的出现，实现结构安全保护。

海上升压站基础监测系统的传感器类型、安装位置、型号、数量及采集装置如图5所示。

1.5 海缆监测系统

根据《海上风力发电场设计标准》（GB/T 51308—2019），海上风力发电厂可配置海底电缆状态监测系统。海底电缆状态监测系统的监测内容包含海底电缆的扰动、应力和温度监测。

海底电缆用于电能电力和信息传输，对海上风电场的电力和信息传输起到至关重要的作用，一旦发生故障，将造成十分严重的经济损失和社会影响。为保证海底电缆安全可靠运行，本工程配置海底电缆故障监测系统。

海底电缆故障监测系统的主要对象为连接海上升压站与陆上升压站的220 kV海缆，海底电缆故障监测系统应基于先进的分布式光纤传感技术，系统功能包括：实时在线的温度和应力分布式监测;实时在线的扰动监测;清楚指示过热点或锚害的位置信息;提供海缆异常的早期探测;对岩石定点摩擦海缆等不可见事件进行数据积累，为海缆日常维护提供磨损事件数据库;通过集成海事的AIS系统及其他已有监控装置，搭建海缆立体监测平台，为突发事件的事后赔偿追索提供事件证据链事实依据。海底电缆监测系统屏一般布置在陆上集控中心，也可以布置在海上升压站。

2 海上升压站设备无人监测輔助设备

2.1 自动巡检机器人

在海上风电场GIS室、主要配电室区域，构建机器人巡检系统，针对不同区域的地形特点及监控对象，制定不同的巡检路线与巡检方案。

智能巡检机器人携带可见光相机、红外相机、局放传感器、拾音器等设备（见图6），实时监测区域内的电气设备，实现设备状态的智能感知、带电监测和环境监测，有效降低高危区域人员作业强度，保障人员生命安全;有效防止设备“过维护”和“欠维护”，提高设备巡检的覆盖率、准确率及工作效率，减少设备的故障发生率，提高设备可靠性[5]。机器人运行方式如图7所示。