海上风电场运维一体化平台的开发应用研究

2024-03-16黄永堤吴占友郝斌

中国设备工程 2024年3期

黄永堤，吴占友，郝斌

（中海石油（中国）有限公司北京新能源分公司，北京 102209）

海上风力资源丰富，有风力发电的良好条件。在当下国家能源战略调整的过程中，海上风电项目逐步增多，在长期的项目中行业内陆续形成了相对完善的技术体系。但当下海上风电项目中，人们对运维提出了新要求，有关部门应摒弃原先的运维观念及方法，科学引进信息技术等构建运维一体化平台。部分海上风电场运维一体化平台建设取得了一定的成就，但依旧存在诸多问题，未来海上风电场项目中，有关人员还需持续更新运维技术，构建功能更全面的运维一体化平台。

1 海上风电场运维难点

海上风电场不同于陆地风电项目，其特殊性主要表现在环境上。因为海上风电场建在海上，海洋环境相对复杂和多变，给风电机组的运行带来了负面影响。因此，海上风电场运维工作面临难度大、时间长、安全风险大的特征。针对目前海上风电场的运维情况，主要存在以下难题：（1）风电场通达困难。海上天气相对多变，经常面临恶劣天气，在此天气条件下，运维人员无法像陆上风电场一样及时达到风电场进行日常巡检与维护，如风电机组面临故障，有关人员需考虑天气等情况制定最佳的维修计划，增大了运维难度。（2）大部件出现故障的情况下，动用大型工程船进行吊装与运输的成本较高。

2 海上风电场运维平台概念及架构

2.1 平台概念

海上风电场一体化运维平台，就是要以信息技术、人工智能等新技术建立运维大数据基础平台，在海上风电机组运行过程中，该平台自动采、存储各种设备信息，其内部集成了不同来源及类型的数据。大数据、云计算等新技术促进了海上风电场各个部分的集成，使每个部分能独立开展工作，又能协调方式完成各方面任务。平台不仅能在海上风电场运行期间采集各种状态、参数信息，还能自动分析信息，识别异常并启动预警。在当前技术发展的今天，运维一体化平台中可采用的技术类型相对较多，在平台自带功能支持下，由运维人员统一负责设备运行与维护，达到设备、人、数据、安全、环境的高度统一，即使部分设备在运行中存在问题，也能快速整合信息确定故障类型及原因，制定最佳的解决措施，恢复设备的正常运行。因此，与传统的运维方式相比，运维一体化平台可为相关工作提供便捷，用自动化取代人工作业，减少在运维方面的人工投入，创造更大的经济与社会效益。

2.2 平台架构

为凸显运维一体化平台在海上风电场项目中的作用，相关人员在具体的工作中应合理设计平台架构，此架构应包含运维数据中心、风电机组生产运行监管系统、资产管理系统、运维评价系统等，能在平台运行时自动采集、智能分析，替代原先的人工运维模式。运维一体化平台投入使用后，风电机组的各类数据均能在平台内集中管理，使平台数据模块自动处理各类信息，以信息为基准制定最佳的运营策略。

2.3 运维数据中心

运维一体化平台中运维数据中心为关键构成，承担着数据采集、存储、集成等关键任务。以数据采集为例，主要由运维数据中心来实现，该中心可收集到不同来源与不同类型的数据，再将数据分类存储于对应的数据库内，在需要时调取。数据中心采集到的数据有实时监控类；运行计划管控指标类；技术支撑类，如设备运行、试验、检修等数据；运行管理类，主要为各种生产报表、设备运行台账。这些数据的来源广，数量庞大，且数据格式不一，运维一体化平台的数据中心应整合各类数据，并进行数据筛选、分析，从中提取出更有价值的数据，在此过程中数据处理效率高，能在后续的运维工作中发挥数据价值。

3 海上风电场运维一体化平台的开发应用

3.1 关键技术

3.1.1 运维全过程管理

海上风电场包含了多种设备，这些设备的种类繁多，每个设备都有其各自的运行特点。在运维过程中为降低设备故障概率，应利用运维一体化平台实现全过程管理，由系统自动监控风电场SCADA、CMS 系统，一旦在风电场运行中设备发生了故障，平台中的设备健康管理模块能自动对比异常数据与正常数据的偏差，如偏差超出标准时反馈信号，提醒相关模块注意处理异常部分，当相应模块接收到反馈后，全面分析故障预警特征值、知识库，以确定故障类型、位置及原因。因为海上风电场环境的特殊性，出海维护时的难度系数较大，系统可综合诸多信息，自动计算维护此故障时的成本消耗、资源投入，通过确定故障对海上风电场其他部分造成的危害程度、维修期间需投入的人力、物力等资源，再综合分析设备安全情况，判定是否需实施出海维护，如必须出海维护，则需制定工作计划，选择备品备件、工具等查询天气情况，得到完整且准确的风、浪等基本信息，选择恰当的出海时机，避免出海时受异常气象的干扰；不需要出海维护时，系统自动结合已有信息生成维护任务包。

运维过程中考虑到海洋环境的特殊性，相关人员也需要合理选择运维工具，但在此过程中需综合分析故障零部件、备件备品、工具特征。如海上天气条件相对稳定，无异常风、浪等情况，需立即生成出海维护计划；如气象条件异常，应维持原状，等待最佳的出海维护时机，实施暂时性维护。出海维护船应按既定路线抵达故障区域，立即开始运维工作，在此期间，应完整、准确地记录工作期间的过程、结果等；有关人员按既定计划实施了一系列维护操作后，由系统根据其内部记录，计算本次维护工作下的人力、物力消耗情况，得到总成本，构成维护成本数据库，该数据库中的信息在后续可直接调用，指导有关的故障处理。

3.1.2 设备管理

海上风电场包含多种专业化设备，不同设备之间存在一定的关联性，在各项运维工作中相关人员需理清不同设备之间的关系。由于海上风电场中的设备类型多样，具体的工作中相关人员需制定分类标准，在将设备分类后选择恰当的管理方式。设备台账中记录的信息相对较多，如每台风电机组、主要部件的生产厂家、型号等基本参数，在实际的工作中相关人员需定期更新台账中的设备故障、维护等信息。

海上风电项目的各项管理、维护工作中，交通条件的限制性较大，确定维护和管理方案之前有关人员需着力分析可达性，这一分析结果与工具检修船舶的出行息息相关，需通过气象等因素制定出行计划。如遇浅滩等特殊条件，通道十分困难，海上维护作业中面临诸多风险。根据海上风电场的运维经验，海上船只成本占运维总成本的比重较高，海上风电场的运维任务艰巨，对不同部件、不同故障的维护，所需用到的工具、船只、人员等有明显区别，为合理安排运维工作，相关人员必须合理安排调度任务。船舶调度的难度较大，需由海图GIS 来实现，借助其实时定位等功能，实现精准调度，在整个工作期间可统计、管理船舶编号、作业类型、船舶类型、状态、吨位等基本信息。

3.1.3 数据分析及优化运维

运维数据中心可集成、存储、分析、调用数据，以数据为参考确定运维策略，符合风电场智能化运维的要求。在实际的工作中相关人员可引入多样化数学方法，对各类数据展开横向与纵向比对，借助专业工具开展线性和相关性分析、总结规律等，生成分析报告。大数据系统能对挖掘历史数据，计算实时数据，从而综合这些数据信息统计风电机组的运行情况。

风电机组运行过程中，风速为影响机组运行效率的直接因素，不同的风速条件下机组运行效率等各有不同。在设备状态监测、故障预警时相关人员应考虑工况情况，分析不同工况条件下的设备运行情况。如在实际的工作中以风机出厂性能曲线划分工况的方式来全面分析机组的运行情况，显然难以与当下的实际情况相一致。为此，实际的工作中应基于大量运行历史数据从空间分布角度划分工况簇，这一划分方式具有智能化特点，参考目标指标为评价基准，从不同工况簇工况中寻优，并综合运行边界条件、运行状态、设备特性等基本情况，完成机组能效评价、故障检测与分析。

运维一体化平台中风功率特性功能模块为其中的关键部分，在实时/历史数据库中集成了风机运行、运维等完成信息，平台有关模块能自动统计、筛选信息，得到风机机组风速与电功率之间存在的联系，以曲线图呈现，再由系统自动分析在线离散度偏差情况，以数据结果判定风电机组的运行状态等基本情况，采取一系列调整与控制措施，保持机组良好的运行状态。由于运维一体化平台中采用了大数据与人工智能等技术，在实际的工作中能综合历史和现有数据，准确预测风功率，并评※※估风资源分布和使用情况，从而以这些情况为前提优化机组相关参数，提升风电机组的运行水平。

3.1.4 设备故障预警及专家诊断

海上风电场在运行过程中可能面临诸多不确定因素，引发突发故障，这类型故障的维修难度大、费用高，引发的经济损失较大。为了有效解决这一问题，运维一体化平台中的故障预测与健康管理系统可自动建立故障预测模型，该模型在后续的工作中能自动挖掘、整合与筛选数据，从数据中分析故障信息。设备状态预警指当系统监测到机组数据有异常时，将立即反馈信息，并同步发送预警，展开分类统计、状态跟踪、精准挖掘、专项分析。设备状态预警主要依托相似性原理的阈值自建模技术，该技术支持下几乎不会出现误报、漏报问题。

设备健康度管理EME 选用深度学习框架，通过对SCADA、CMS、音视频图像等数据进行建模并分析，经由相应模型，在线监测风机的状态健康度，一旦健康度不达标，需立即发送预警信号，提醒相关人员进行故障处理。

3.2 平台应用

3.2.1 运维过程业务管理

运维一体化平台兼具多重功能，即使在海洋复杂多变的环境，该平台也能克服诸多限制，集成各种机组信息，以数据为基准开展相应的工作。如在机组运行动态信息的监测方面，平台能自动监测风机的停机/运行、故障、检修、报警等情况。在统计机组信息方面，平台内强大的数据存储与处理能力决定了其在这一方面存在明显优势，如机组的启停机次数及时间、风能利用情况、风机推力系数、扭力曲线、功率曲线、温度数据、风速、风向等数据都能在该平台内被应用起来。

总之，在运维一体化平台中的运维过程业务管理方面，平台可发挥其功能优势，严格按照机组维护的有关要求，由专业技术人员、管理人员协商制定检修维护方案，为实际工作指导。结合实际的工作需求，维护计划内应包含完整的信息，如维护机组编号、维护设备编号、维护时间、维护人员、维护内容、所需设备类型等，只有保障内容的完整性，并确保其中方法、技术等的合理性，才能使后续相关人员严格执行该计划，提高设备维护整体水平。在相关部门批准了维护计划后，维护人员需立即在系统内打印维护过程记录表，该表格中包含维护结果、维护人员、维护所用时间、费用等基本信息。

3.2.2 移动电子两票

在完善的移动通信网络中，可保持工作票与操作票的电子签名确认、签发与许可，这一方面的管理功能为海上风电场的运维工作创造了较大便捷。风电场负责电子工作票的填写与签发，前期所制定的安全隔离措施需由现场运维人员来实施，当其按照相应规定完成了任务后再将相应结果拍照上传到审核平台，由集中控制中心完成最终审核。