海上風電智慧安全調度平臺的建構與分析

鄧勝忠

（中廣核新能源控股有限公司，廣東 深圳 518045）

1 目的及意義

根據(jù)國家能源發(fā)展規(guī)劃，國內海上風電將迎來快速發(fā)展期，各投資機構均開始重兵布局海上風電的開發(fā)建設。海上風電場的建設和運維受海洋氣候條件的影響較大，存在可到達性差、海上交通安全風險高以及有效作業(yè)時間短的問題。合理利用有效窗口期完成建設和運維任務、保證風電機組的有效發(fā)電小時數(shù)是風電場安全高效運營的關鍵。在海洋環(huán)境下，海上施工運維人員的安全、通信聯(lián)絡以及離岸海上風電資產(chǎn)安全都面臨巨大的挑戰(zhàn)，因此實現(xiàn)海上風電場的數(shù)字化，建設海上風電智慧調度平臺有現(xiàn)實的緊迫性和必要性[1]。

2 國內外有關技術發(fā)展的概況

國外海上風電建設運維和調度的相關技術已經(jīng)相對成熟，各發(fā)電公司和大型海上風電場均建設有自己的智慧管理調度系統(tǒng)[2]，例如瑞典電力公司Vattenfall針對海上風電場的管理和調度打造了新一代的數(shù)字運維資跟蹤管理系統(tǒng)。該解決方案提供了針對所有作業(yè)人員和船只的全局統(tǒng)籌管理，以提高海上風電場作業(yè)工作的安全性和效率；西門子引入了丹麥ConWX公司的精細化氣象海洋預報系統(tǒng)，為風電場提供精細化氣象海洋預報；英國Galloper風電場建設了一套先進的管理調度系統(tǒng)，通過系統(tǒng)可以管理整個海上作業(yè)業(yè)務，還可以對每位人員、每條船舶以及天氣監(jiān)測與預測進行綜合分析，對施工運維計劃進行管理和微調，從而避免或減少損失。

國內海上風電建設的起步較晚，在運行維護、智慧調度上正處于探索階段[3]。龍源最先開始在南通建設智慧調度中心，國電投江蘇公司在濱海風電場建設氣象海洋預報平臺，保障施工運營安全；三峽也建設了自己的氣象海洋預報平臺。目前，國內各大發(fā)電集團均未形成完整的體系，氣象海洋預報多依賴于氣象局，精細化程度不高，人員追蹤管理也不健全，資產(chǎn)數(shù)據(jù)化程度也有待提高[4]。

3 海上風電調度存在的問題

海上風電調度存在的問題主要包括：1）海上風電數(shù)字化應用程度低。2）風場海洋氣象監(jiān)測預報精確度不夠。3）海上作業(yè)人員安全監(jiān)控不到位。4）惡劣氣象海洋環(huán)境導致機組故障頻發(fā)。5）受海洋氣象影響，現(xiàn)場可達性差、故障待修時間長且電量損失大。6）專業(yè)裝備缺乏、運維效率低且安全風險大。7）海上維修困難，尤其是對大部件的更換。8）在線監(jiān)測診斷技術不完善、預防性維護少。9）運維調度管理經(jīng)驗欠缺。

4 平臺建設主要內容

海上風電場智慧調度運維系統(tǒng)將實現(xiàn)海上風電場各類控制系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡集成與綜合管理，使管理層能及時準確地了解生產(chǎn)情況、發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中的問題，從而實現(xiàn)辦公室和生產(chǎn)現(xiàn)場的信息溝通。

平臺建構包括氣象海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)實時匯聚、精準預報模型建立、船只監(jiān)控、人員監(jiān)控、無線通信技術選型以及人員落水報警設備選型等。需要解決3個關鍵技術:1）海上風電場氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)收集。氣象局提供的預報多為區(qū)縣級預報，各風電場需要針對公司每一個海上風電場建立適合的監(jiān)測手段和預報模型，從而支撐施工運行維護，選擇最佳窗口期。2）人員精準定位技術。業(yè)主單位需要知道每一個人員實時的位置信息，保障人員安全，一旦出現(xiàn)緊急情況，立即啟動救援機制。3）海上可靠通信聯(lián)絡。由于海上信號差，采用衛(wèi)星電話費用高昂，需要針對海上特殊的環(huán)境構建一套海上風電場內部的無線通信系統(tǒng)。

分析海上風電平臺建設存在的問題及實際運行需求，研究和開發(fā)一套海上風電場智慧安全調度運維系統(tǒng)，對組成海上風電場的幾個重點要素進行綜合的監(jiān)控和科學的運維管理，有利于保證海上風電場的安全運營[5]。風機、基礎設施、升壓變電站、海纜、工作船舶以及離岸工作人員等各類監(jiān)測狀態(tài)信息的一體化綜合顯示與管理設計，為風電場業(yè)主單位提供了必要的信息分析與統(tǒng)計，為建立安全管理體系和在線監(jiān)測提供了數(shù)據(jù)基礎。為此，該文提出平臺建設技術路線與建構內容。

4.1 技術路線

離岸系統(tǒng)架構圖如圖1所示。

圖1 海上風電智慧安全調度平臺離岸系統(tǒng)架構圖

在數(shù)據(jù)存儲層主要采用分布式數(shù)據(jù)庫；在預報預警模塊主要采用中尺度氣象海洋模型結合人工智慧預報模型來實現(xiàn)精細化預報；在船舶定位上主要采用AIS船舶定位；通信技術主要采用VHF無線電通信或者5G技術；系統(tǒng)集成主要基于J2EE的開發(fā)框架，采用以 B/S架構為主的總體技術結構進行組件化的軟件開發(fā)。

4.1.1 數(shù)值預報技術路線

利用中尺度氣象模式快速同化模擬區(qū)域的觀測數(shù)據(jù)（氣象雷達、觀測站點以及風電場電場內部觀測數(shù)據(jù)），輸出模擬區(qū)域未來72 h的預報結果；輸出的預報結果作為動力降尺度的輸入，配置運行動力降尺度模式，最后輸出空間分辨＜100 m（例如50 m）的風速預報結果，實現(xiàn)精細化預報。中尺度數(shù)氣象模式一般采用WRF（the Weather Research and Forecasting model）模式，WRF模式是由美國國家大氣研究中心（NCAR）、國家環(huán)境預報中心（NCEP）等聯(lián)合研究開發(fā)的新一代中尺度數(shù)值模式和數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)。WRF模式設計理念先進，具有靈活、易維護以及可擴展等特點。WRF模式具有先進的數(shù)據(jù)同化技術、功能強大的嵌套能力和先進的物理過程，特別是在對流和中尺度降水處理能力方面有明顯的優(yōu)勢。WRF模式適用范圍很廣，能廣泛應用于中小尺度到全尺度的數(shù)值預報和模擬，既可以用于業(yè)務數(shù)值天氣預報領域，也可以用于大氣數(shù)值模擬研究領域，包括數(shù)據(jù)同化的研究、物理過程參數(shù)化研究、區(qū)域氣候模擬、空氣質量模擬、海氣耦合及理想試驗模擬等[6]。

4.1.2 AIS系統(tǒng)

船舶自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS系統(tǒng)）由岸基（基站）設施和船載設備共同組成，是一種新型的集網(wǎng)絡技術、現(xiàn)代通信技術、計算機技術以及電子信息顯示技術為一體的數(shù)字助航系統(tǒng)和設備。船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）由艦船飛機的敵我識別器發(fā)展而成，配合全球定位系統(tǒng)（GPS）將船舶實際位置、船速、改變航向率及航向等船舶動態(tài)資料結合船名、呼號、吃水、船舶尺度及危險貨物等船舶靜態(tài)資料由甚高頻（VHF）頻道向附近水域船舶及岸臺廣播，也可以由海事部門通過信息服務平臺向公眾開放 。

4.1.3 存儲管理

數(shù)據(jù)存儲管理模塊采用合理、先進且高效的數(shù)據(jù)存儲管理模式，引入大數(shù)據(jù)方案，通過融合NoSQL數(shù)據(jù)庫與分布式文件系統(tǒng)，為智慧調度平臺的數(shù)據(jù)獲取、加工及應用等提供基礎支撐和保障。以數(shù)據(jù)采集模塊輸出的資料為主要數(shù)據(jù)源，新建交互數(shù)據(jù)庫，結合文件存儲系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)庫元數(shù)據(jù)技術將新建數(shù)據(jù)庫和已有的資料庫進行連接和應用。另外，采用數(shù)據(jù)庫分區(qū)技術，實現(xiàn)對長時間序列資料的存儲管理。建立用于數(shù)據(jù)庫管理、連接以及資料抽取所需要的元數(shù)據(jù)信息，滿足智慧調度平臺各級用戶資料查詢、抽取的需要。

4.1.4 WebGIS技術數(shù)字化

海上風電場數(shù)據(jù)種類繁多、數(shù)據(jù)量大，需要以直觀的方式展現(xiàn)多種多樣的信息，同時實現(xiàn)對多源監(jiān)測預報數(shù)據(jù)的疊加顯示和時空融合，使風電場相關人員能夠清晰地理解各類數(shù)據(jù)。WebGIS可以實現(xiàn)在瀏覽器端直接顯示和瀏覽GIS數(shù)據(jù)，WebGIS是對傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)功能的擴展及升級。

4.2 平臺建設主要內容

結合存在的問題和主要技術路線，智慧安全調度平臺的建設包括以下7個方面。

4.2.1 海上風場各監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與整理平臺

風場原有監(jiān)測系統(tǒng)各自分離，數(shù)據(jù)不能被統(tǒng)一使用，因此要建立一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺，將海纜監(jiān)測系統(tǒng)、海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、風場消防監(jiān)測系統(tǒng)、風機CMS系統(tǒng)以及維護記錄數(shù)據(jù)等與運維有關的監(jiān)測數(shù)據(jù)整合到一個平臺。并且要預留接口給新建系統(tǒng)。

4.2.2 海上風場運行態(tài)勢監(jiān)測系統(tǒng)

風場運行態(tài)勢是指將風場生產(chǎn)、安全、交通、人員、工具以及資源等動態(tài)變化疊加在風場電子海圖上，顯示各項事件、人以及物隨時間變化的變遷情況。其核心是借用雷達、AIS以及工作流將電子海圖與相關事、人和物結合起來。通過雷達可以看到海上所有目標的變化；與AIS等設備結合，可以實時監(jiān)控有效目標的變化。

4.2.3 智慧運維管理平臺

在掌握風場運營維護數(shù)據(jù)及風場運行態(tài)勢的基礎上，更加科學、合理且高效地對風場的運維進行調度。運維任務可以通過軟件進行動態(tài)調度，提供合理的巡檢班組配置與船只調度路線。可以根據(jù)風機廠家、故障狀態(tài)、當前人員安排、船只安排以及天氣狀況配置出運維時間、人員、船只和運行路徑。

海上風電場日常檢修作業(yè)均需要乘坐運維船舶出海，執(zhí)行某風機檢修作業(yè)時，運維船運送一定數(shù)量的人員登陸該風機平臺，運維船可以停泊持續(xù)支持該作業(yè)（例如吊裝工具至平臺、潛水檢修作業(yè)），也可以離開繼續(xù)運送剩余人員、物資至其他風機執(zhí)行其他檢修任務。開展維修調度核心模型功能要求的梳理，聚焦其出海運維調度制肘難點，設計出海智能運維調度模型，固化模型的輸入信息、約束條件以及輸出信息，對特殊應用場景與各數(shù)據(jù)接口的可行性進行說明等，用于構建出海維修調度的數(shù)字化基礎、實現(xiàn)任務智能化排布，輸出既定條件下全局最優(yōu)排布方案，并將排布結果提供給出海管理人員進行審查與決策。

深入現(xiàn)場理清維修調度所安排任務的類型、特征、影響任務執(zhí)行的因素、對調度任務的優(yōu)化評價目標以及任務安排人員需要的理想的排布模式等，并以此為目標梳理清楚完成模型所需要的數(shù)字化信息基礎條件，包括維修任務的自動接入或錄入?yún)?shù)信息化基礎、影響任務執(zhí)行的人員、船舶、氣象數(shù)據(jù)信息化建設情況以及優(yōu)化評價目標與相關管理平臺間的信息化目標對接等。通過深入分析維修運維需求，充分考慮運維人員的操作習慣，以實際信息化程度為基礎，形成調度智能化模型設計的輸入與輸出資料。

4.2.4 海上風場監(jiān)控與巡檢

融合運維過程與開票過程緊密相關，運維平臺根據(jù)監(jiān)控結果對巡檢班組和船只進行有效調度，調動的過程是動態(tài)開票過程。電子開票與紙質開票相結合，應急事務可以通過遠程完成開票和授權工作，管理者可以隨時進行遠程審批。

4.2.5 海上風場安全動態(tài)評估

風場的電氣設備、風機、塔筒、基礎以及海纜等與安全有關的監(jiān)測與巡檢、定檢情況綜合表征了風場的安全動態(tài)情況[7]，上述數(shù)據(jù)可以形成一個百分制指標。所有數(shù)字背后都有一個具體與安全相關的因素，根據(jù)風場的實際情況設定權重。例如100分表示風場絕對安全，90分表示風場相對安全，80分表示風場存在安全隱患，不屬于致命隱患，需要安排處理，低于80分表示風場有需要立即處理的事宜。

4.2.6 人員定位及通信聯(lián)絡

通過雷達或者5G技術實現(xiàn)對離岸資產(chǎn)安全、人員安全和海纜安全的定位監(jiān)測，這些目標定位平時不會開啟AIS，因此不會被AIS探測到。雷達可以提前監(jiān)測到這些目標，預防不明目標對塔筒和海纜的傷害。人員定位主要借助于AIS系統(tǒng)（如圖2所示），在無移動、聯(lián)通或者電信信號的區(qū)域可以有效傳輸人員安全數(shù)據(jù)及位置數(shù)據(jù)，提高態(tài)勢圖的完整性，為保障人的安全提供了極大的幫助。

圖2 AIS人員位置監(jiān)測系統(tǒng)組成

4.2.7 應急指揮綜合調度平臺

當發(fā)生重大突發(fā)事項時，能夠與周邊海事、醫(yī)療、消防環(huán)保以及安監(jiān)等相關單位形成應急體系，為風場及周邊提供安全應急服務。相關資源數(shù)據(jù)匯集到中央控制系統(tǒng)，協(xié)同聯(lián)動，并及時反饋到各相關部門。

5 結語

該文通過對國內外智慧運維現(xiàn)狀的調研，結合海上風電場存在的問題，提出了海上風電場運行態(tài)勢監(jiān)測、智慧運維管理、安全動態(tài)評估和應急指揮綜合調度平臺構建的思路與方法。建立符合國內海上風電場運維邏輯的架構，有助于強化我國海上風電場核心運維能力的建設[8]；提升在線監(jiān)測與預報預警效能，減少海上風電非計劃停運，提升海上風機的發(fā)電量，保證設備安全穩(wěn)定地運行；對海上風電場區(qū)域性集中調度具有借鑒意義。