基于多智能終端的海上風電升壓站巡檢方案設計

魯 浩，鄭 帥，王 穎

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013）

0 引言

海上風電風速穩定、利用小時數高，是當前風電發展的重要領域。海上風機與升壓站設備均遠離陸地，且海上鹽霧腐蝕造成的設備故障率偏高，出海巡檢極易受天氣環境影響，設備維護工作亟待系統化和規范化。

現階段關于海上風電場維護研究大都針對單一目標的優化，多研究風電機組的可靠性、可用性以及風電場全生命周期的經濟性；同時風機廠配套的風電機組數據采集與監視控制 （Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系統，給巡檢工作提供了大量的運行參數和故障記錄數據［1］。2019 年福建南日海上風電已實現利用無人機進行風機葉片巡檢，這一無人化巡檢模式的實現，與智能化設備的投運和大數據共享平臺的使用是密不可分。而對于海上升壓站部分，設備、管道、構架在升壓站平臺上的室內和室外均有布置，風機本體的巡檢模式不可復制［2］。因此現階段的監控多涵蓋各個設備的自有監測系統，完成日常運行記錄并上傳陸上集控中心作為運維人員的監控依據。如何把升壓站當作一個集成設備，為其配置巡檢裝置，將監控系統兼作巡檢數據平臺的研究并不多。目前，智能設備與巡檢機器人在陸地風電場和變壓站已普遍應用，借助這些設備作為巡檢終端，再利用升壓站內的網絡監控系統作為數據媒介，即可完成從巡檢點數據采集、通信傳輸到后臺實時顯示的一體化智能巡檢方案。

通過分析海上風電升壓站巡檢的具體需要，針對性地提出3 種巡檢終端設備的配置方案，同時從升壓站一體化供電的角度，滿足各設備用電需求，沿用電氣監控系統的集中監控理念，形成一套基于多智能終端的海上風電升壓站巡檢系統，降低無人值守海上升壓站的運維成本，并自動記錄設備運行情況，有利于積攢巡檢經驗。

1 海上風電升壓站巡檢現狀

1.1 既有經驗下巡檢現狀

我國海上風電起步晚、發展快，運維能力建設遠滯后于設備制造和項目建設，因此海上風電升壓站的巡檢工作學習陸地風電場與變電站巡檢經驗，以常規巡檢、故障消缺、定期維護為主。但海上風電升壓站遠離陸地，如按經驗制定巡檢頻率和人工投入，其成本遠高于陸地風電場，其巡檢成本投入最高可占整個工程成本投入的五分之一。

此外，海上風電升壓站設備在高鹽霧、大濕度的海洋環境下，外形特性參數已有修正，維護方式也應修正以滿足其故障特性。現階段海上風電設備的維修計劃針對性不強，往往導致維修不足或過修。

1.2 去人工化巡檢需求

海上風電人工巡檢工作需要運維人員登陸平臺，往返海陸用的運輸設備（如運維船、直升機等）受天氣影響很大，造成巡檢頻率不穩定；另受平臺環境限制，單次巡檢作業時長短，巡檢深度有待考證。據統計，以現有的技術水平每年能夠巡檢平臺設備時間200 天左右［2-3］，有效時長更是有限，且隨著天氣惡化或有減少。因此為解決上述問題，有必要將部分人工巡檢項目用智能終端代替。海上風電升壓站部分巡檢項見表1。

根據表1 可看出，隨著巡檢頻率的增加，巡檢項目的人工操作被智能巡檢設備取代的可行性增加。這樣不僅不會降低巡檢頻率，反而能增加參數采集的范圍，增加巡檢經濟性，進而制訂更有效率的人工巡檢計劃。

本文從智能巡檢終端的合理配置、電源支持以及監控平臺3 個方面探討巡檢去人工方案的設計。

2 智能巡檢終端

2.1 巡檢機器人

近年，集自主巡檢、智能監控、數據采集、狀態報警等功能于一體的巡檢機器人在電力、廠礦、石化、市政、安防等領域得到廣泛應用。機器人可代替人工完成設備外形巡檢、基本環境溫度監測等基礎工作［4-6］。

表1 海上風電升壓站巡檢項

但是，若作為海上風電升壓站用巡檢機器人，必須能夠適應升壓站巡檢空間的特殊環境。為保證升壓站平臺的空間利用率，通常各專業設備的布置較為緊湊。為保證設備在海上惡劣環境下的使用壽命，防腐能力強、結構整裝的構架、管道、高壓電器等在室外布置，同時，加強防護的開關柜、保護裝置、通風和空調設備應在室內布置，電纜則利用平臺夾層布置。因此，多樣化的巡檢區域是選型的首要考量對象。

2.1.1 室外巡檢用輪式巡檢機器人

室外巡檢用輪式巡檢機器人外形如圖1 所示。文獻［7］提出一種基于磁導航（路面磁軌跡結合射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID） 標簽定位）的巡檢機器人，可適應升壓站強電磁環境、其導航定位精度在2 cm 以內。與GPS 坐標式導航定位機器人不同，采用磁導航時，機器人沿一條閉合路徑單向行走，就設備已固定安裝的海上風電升壓站平臺而言，實現巡檢功能完全可行。另外通過遙控或順序控制的位置校核，機器人可從當前位置沿最優路徑迅速移動至目標巡檢位置。

圖1 輪式巡檢機器人

2.1.2 室內巡檢用吊軌式機器人

室內巡檢用吊軌式機器人外形如圖2 所示。配電室巡檢通道狹小、輪式機器人行走空間受限，為有效利用室內上部空間，采用吊軌式機器人以軌道倒掛式行走方式完成巡檢。吊軌式機器人可搭載多傳感器和高清攝像頭，實現長距離、全方位的開關柜紅外測溫、局放檢測、柜面及保護裝置信號狀態指示、保護屏柜壓板狀態、空開位置、電流端子狀態、裝置信號燈指示全自動識別以及數顯儀表的讀數。

另外，軌道安裝便于實現導軌滑觸式供電方式，巡檢機器人可24 h 不間斷巡視。

2.1.3 其他巡檢功能

可定制巡航功能： 系統根據巡檢工作安排修正巡檢計劃和方案，實現完全自動化運行，實現每天多次對設備工作狀態的巡檢、自動預警、自動輸出報表等功能。

圖2 吊軌式機器人

防誤報識別功能：測量應基于有效的設備識別（設備編碼或設備圖像識別），對于未錄入巡檢目標的干擾源自動剔除，有效防止誤報警的產生。

巡檢頻率自適應調節功能： 根據巡檢結果調整個別設備的巡檢頻率。如：某連接處溫度異常但未超過報警值時，系統自動增加該點的測量次數，提高故障報警及時性。

多傳感元件集成功能：加裝流量、溫度、濕度、煙霧、光照以及噪聲監測傳感器，全面監測室內外環境信息。

2.2 視頻監控

視頻監控隸屬于由攝像頭監控點、周界報警系統、門禁對講系統構成的安防監控系統內，以固定視角的視頻畫面回傳至集控中心的后臺顯示。為補充固定視頻畫面的死區，可在巡檢機器人上裝載360°連續轉動球形攝像頭，實現全方位視頻監控，另可增設高亮紅外探照燈補光，消除無照明死區。

2.3 在線監測系統

目前發電行業普遍應用全壽命周期管理，在線監測裝置能夠在不停電的情況下準確提供設備的各項技術參數，分析設備實時的運行狀態，判斷設備存在的異常情況和隱患［8］，并且幫助運維人員合理制定設備巡檢計劃。針對海上風電升壓站設備，常見的在線監測配置方案如表2 所示。

表2 在線監測系統配置方案

電氣設備的各類在線監測單元均不設置獨立后臺系統及系統服務器，可配置滿足待接入監控后臺通信要求的接口類型和傳輸規約，即可實現設備狀態匯總及診斷分析。

3 交直流一體化電源

海上風電升壓站對電源的需求，除三相交流工作電源、保安電源外，還需要直流電源、UPS 電源（交流不停電電源）以及通信電源（DC／DC 轉換）。常規的電源方案中，各電源系統獨立配置、通信通道互無聯系，分散管理的電源協調性差、跨屏接線多，巡檢內容增加。

選用交直流一體化電源系統，將直流電源、UPS電源、通信電源（DC／DC 轉換）統一組屏、統一監控，如圖3 和圖4 所示，能夠克服功能分散的缺陷。此外監控模塊多合一，配置串行通信、以太網通信等接口，兼容IEC61850 等多種傳輸規約，能夠做到集中供電、集中監控。

圖3 交直流一體化電源系統組屏方案

圖4 交直流一體化電源系統組網方案

4 一體化監控平臺

網絡微機監控系統作為升壓站電氣監控系統的常規設計方案，下設站控層、間隔層與過程層：站控層由操作員站、遠動裝置以及交換機和網絡接口設備等搭建監控后臺，實現整體的監控功能；間隔層由一體化監控平臺下各個子系統，如保護測控裝置、風機機組控制系統和巡檢終端等組成，各個子系統可完成獨立的監控功能。過程層由電流互感器、電壓互感器、測溫裝置、風機數據采集等就地裝置，完成電氣量的實時采集、設備運行狀態的監測和控制命令的執行。

所述巡檢裝置集中在巡檢機器人、在線監測裝置、視頻終端以及一體化電源這4 種類型，均可接入間隔層，海上風電升壓站配置的網絡微機監控系統可升級為一體化監控平臺［4－11］，巡檢數據納入網絡監控數據中，由海底光電復合纜一并遠傳至陸上集控中心，實現對海上風電升壓站無人值守、少人巡檢、陸上集控中心實時遠程監控的去人工的巡檢方案。

海上風電升壓站一體化監控平臺設計方案如圖5 所示。

圖5 海上風電升壓站一體化監控平臺設計方案

5 結語

海上風電是當今電力產業突破發展瓶頸的一個重要領域和方向，因此其升壓站設計方案不能脫節于后期的巡檢需求。分析巡檢需求后，針對性配置巡檢設備、推廣邊采集邊學習邊修正的自適應功能，減少巡檢成本、提高巡檢質量、提升海上風電運維能力建設水平。

主要針對部分巡檢工作的去人工化配置，對于年檢以及大修等巡檢項目，現階段去人工化的可行性較弱，如何將日檢月檢累計的數據篩選和利用，便于人工檢修能短時高效完成，這一課題也需要巡檢裝置配合解決。尋找最優的監測點和檢測項，避免數據繁多、可讀性差將是后續工作的關注點。