海上風(fēng)電場(chǎng)綜合監(jiān)管平臺(tái)的應(yīng)用與分析

陳云江， 張亞鵬

（1.江蘇云杉清潔能源投資控股有限公司，南京 210019；2.浙江華東工程咨詢有限公司，杭州 311100）

0 引 言

風(fēng)力資源在我國(guó)能源供應(yīng)戰(zhàn)略中的地位日益凸顯［1-3］。根據(jù)江蘇省可再生能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃研究，海上風(fēng)電等重大工程的開(kāi)發(fā)建設(shè)工作將進(jìn)入快速發(fā)展期，同時(shí)學(xué)者們也在海上風(fēng)電領(lǐng)域開(kāi)展了眾多有益研究［4-6］。江蘇省所轄海上風(fēng)電工程眾多，目前在建的風(fēng)電場(chǎng)有25個(gè)，由于場(chǎng)區(qū)自然環(huán)境復(fù)雜多變，亟需規(guī)范海上風(fēng)電施工及運(yùn)維期的安全管理。因此，建設(shè)海上風(fēng)電場(chǎng)施工環(huán)境綜合監(jiān)管平臺(tái)對(duì)海上風(fēng)電發(fā)展意義深遠(yuǎn)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的海上風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)管理技術(shù)正快速發(fā)展［7-10］。劉永前等［11］考慮復(fù)雜的海上風(fēng)電場(chǎng)氣象環(huán)境，從維護(hù)策略、優(yōu)化路徑和維護(hù)調(diào)度決策三個(gè)方面綜合分析了海上風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)管理技術(shù)。鄧勝忠［12］分析海上風(fēng)電場(chǎng)智慧調(diào)度平臺(tái)的主要架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警。王林等［13］在風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)中，利用LabVIEW建立監(jiān)測(cè)設(shè)備之間的通信程序。王燕等［14］提出將5G技術(shù)應(yīng)用到海上風(fēng)電場(chǎng)智能管理平臺(tái)的研究中，提高管理水平和效率。楊源等［15］搭建海上風(fēng)電場(chǎng)智慧運(yùn)維管理系統(tǒng)，包括調(diào)度、跟蹤、示警和作業(yè)監(jiān)管等功能，實(shí)現(xiàn)了人、船、機(jī)的綜合管理。崔凱［16］針對(duì)船舶隨意拋錨、施工環(huán)境等問(wèn)題，提出虛擬電子圍欄技術(shù)來(lái)監(jiān)控來(lái)往船舶。

本文以南通某海上風(fēng)電工程為背景，通過(guò)對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)各船舶位置定位、作業(yè)人員信息識(shí)別、海洋氣象信息采集、施工環(huán)境監(jiān)控、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)燃夹g(shù)進(jìn)行研究，建立一套安全、完善的綜合監(jiān)管系統(tǒng)。在同一數(shù)據(jù)交換平臺(tái)上，進(jìn)行海上風(fēng)電場(chǎng)各類安全監(jiān)管數(shù)據(jù)的無(wú)障礙整合，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)“統(tǒng)一運(yùn)行監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度指揮，統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理，統(tǒng)一通航狀態(tài)監(jiān)控”，以達(dá)最優(yōu)管控模式，搭建海上風(fēng)電場(chǎng)數(shù)字化綜合監(jiān)管平臺(tái)。

1 工程概況

南通某海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目位于黃海海域，工程場(chǎng)區(qū)中心離岸距離約48 km，水深在10～18 m之間，海底地形有一定起伏。風(fēng)電場(chǎng)形狀呈矩形，東西方向長(zhǎng)約為12 km，南北方向?qū)捈s為4.4 km，規(guī)劃海域面積48 km2，規(guī)劃總裝機(jī)容量300 MW，擬安裝75臺(tái)單機(jī)容量4 MW的風(fēng)電機(jī)組。

工程風(fēng)電場(chǎng)區(qū)離岸線較遠(yuǎn)，所有施工、運(yùn)輸船舶在外海敞開(kāi)海域作業(yè)，受大風(fēng)、霧等自然環(huán)境影響大，臺(tái)風(fēng)和冬季季風(fēng)期異常氣象條件的影響顯著。存在海洋環(huán)境惡劣、天氣狀況復(fù)雜、人員出海受約因素多等問(wèn)題，給風(fēng)電場(chǎng)的施工作業(yè)、運(yùn)行管理、安全通航、并網(wǎng)控制以及海事監(jiān)管等方面帶來(lái)很多技術(shù)和管理困難。

因此，獲得準(zhǔn)確詳細(xì)的海洋氣象資料和海上通航信息是充分利用好施工窗口期的前提條件，合理利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警是安全施工的重要保障。本文從基礎(chǔ)監(jiān)控設(shè)施建設(shè)和監(jiān)管平臺(tái)搭建兩方面著手，建立了一套海上風(fēng)電場(chǎng)綜合監(jiān)管技術(shù)。

2 基礎(chǔ)硬件設(shè)施建設(shè)

2.1 船舶AIS基站

如圖1所示，在沿岸或海上升壓站制高點(diǎn)架設(shè)AIS基站，能夠接收、識(shí)別場(chǎng)區(qū)內(nèi)及周圍的船舶AIS信息，經(jīng)數(shù)據(jù)解析后將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控中心。結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)的構(gòu)筑物位置信息，構(gòu)建風(fēng)場(chǎng)電子圍欄，實(shí)現(xiàn)對(duì)轄區(qū)船舶的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和管理。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)海域內(nèi)船舶AIS系統(tǒng)

2.2 VHF通信基站

風(fēng)電場(chǎng)海域內(nèi)VHF通信系統(tǒng)見(jiàn)圖2，在沿岸或海上升壓站制高點(diǎn)架設(shè)VHF基站，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)區(qū)內(nèi)及周圍內(nèi)船舶的VHF語(yǔ)音調(diào)度。當(dāng)外部船只闖入風(fēng)場(chǎng)預(yù)警區(qū)域，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)遠(yuǎn)程喊話，同時(shí)支持在后方監(jiān)管中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程VHF語(yǔ)音呼叫功能。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)海域內(nèi)VHF通信系統(tǒng)

2.3 氣象信息采集點(diǎn)

水文氣象相對(duì)比較綜合，基礎(chǔ)硬件設(shè)施包括風(fēng)速儀、風(fēng)向儀、溫濕度儀和水位儀等，實(shí)時(shí)采集風(fēng)電場(chǎng)區(qū)的風(fēng)速、風(fēng)向、能見(jiàn)度、浪高和潮位等信息，并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控中心展示。同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)未來(lái)7 d各小時(shí)內(nèi)的氣象預(yù)報(bào)，提前規(guī)劃出海工作，保障出海作業(yè)安全。

施工期間，由于海上無(wú)可靠電源及通信的固定安裝點(diǎn)，在某一條主要施工船上部署水文氣象系統(tǒng)，如圖3所示，借助微波通信設(shè)備將信息傳輸至海事局主站。

圖3 水文氣象系統(tǒng)

2.4 視頻監(jiān)控站

對(duì)重點(diǎn)水域及施工現(xiàn)場(chǎng)、施工關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全天候動(dòng)態(tài)監(jiān)控，實(shí)時(shí)了解海上作業(yè)進(jìn)度和環(huán)境狀況。如圖4所示，目前已實(shí)現(xiàn)了部分風(fēng)場(chǎng)的視頻信息通過(guò)專線接入南通海事監(jiān)管平臺(tái)。

圖4 視頻監(jiān)控站

2.5 網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

如圖5所示，通過(guò)微波等無(wú)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)海上視頻和數(shù)據(jù)信息回傳，達(dá)到船上人員實(shí)時(shí)與陸地人員利用手機(jī)軟件實(shí)時(shí)視頻及語(yǔ)音交流的目的。系統(tǒng)可覆蓋海面約60 km距離，達(dá)到30 Mb／s的傳輸速率。

圖5 網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

2.6 人員安全系統(tǒng)

通過(guò)北斗終端、人臉識(shí)別和定位手環(huán)等方式，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所有作業(yè)人員實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行管控，建立圖6所示的施工作業(yè)人員安全監(jiān)控系統(tǒng)，人員一旦落水后，系統(tǒng)立即收到報(bào)警，實(shí)時(shí)跟蹤落水人員位置，給出輔助救援路徑，切實(shí)保障出海人員的安全。

圖6 作業(yè)人員安全監(jiān)控系統(tǒng)

3 海上風(fēng)電綜合監(jiān)管平臺(tái)

海上風(fēng)電綜合監(jiān)管平臺(tái)是集成運(yùn)用位置感知、氣象監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控、移動(dòng)互聯(lián)、智能分析等手段，實(shí)時(shí)掌握風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)運(yùn)維相關(guān)信息及環(huán)境狀況，對(duì)風(fēng)電施工船舶、運(yùn)維船舶實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)控預(yù)警以及對(duì)施工、運(yùn)維作業(yè)綜合管控的應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)。包括視頻、VHF、船舶管理、人員管理、信息上報(bào)、風(fēng)場(chǎng)安全等。

3.1 功能架構(gòu)

監(jiān)管平臺(tái)已搭建圖7所示的8大板塊，分別是首頁(yè)、作業(yè)管理、安全統(tǒng)計(jì)、人員定位、基礎(chǔ)信息、系統(tǒng)管理、視頻監(jiān)控和監(jiān)控預(yù)警。

圖7 海上風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控平臺(tái)板塊

通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)的8大板塊，系統(tǒng)中可清晰展示圖8所示的風(fēng)電場(chǎng)范圍，周圍船只實(shí)時(shí)位置，并對(duì)電子圍欄范圍做了明顯標(biāo)注，可對(duì)接近的船只進(jìn)行預(yù)警，而且可以清晰地查看往來(lái)船只的基本信息、運(yùn)行軌跡等。

圖8 監(jiān)控平臺(tái)功能示意圖

系統(tǒng)每日統(tǒng)計(jì)出海人員和船舶，用以了解出海情況。為了更好地管理現(xiàn)場(chǎng)，第一時(shí)間了解現(xiàn)場(chǎng)情況，系統(tǒng)集成了視頻監(jiān)控功能，同時(shí)，作業(yè)管理和基礎(chǔ)信息模塊支持人員、船只錄入與施工作業(yè)申請(qǐng)。

3.2 系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

圖9是系統(tǒng)鏈路的抽象表達(dá)，設(shè)備層面的數(shù)據(jù)通過(guò)不同的接入服務(wù)模塊傳輸至系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理層，應(yīng)用則架設(shè)在數(shù)據(jù)處理服務(wù)上。其中，通信主要由HTTP接口進(jìn)行通信，前后端則根據(jù)情況使用HTTP或Websocket進(jìn)行傳輸，與外部系統(tǒng)集成。

圖9 系統(tǒng)拓?fù)?/p>

3.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路

為便于視頻等大容量數(shù)據(jù)傳輸，施工期間采用微波通信的傳輸方案。在沿岸制高點(diǎn)架設(shè)微波基站，同時(shí)在主要施工船上設(shè)置微波船載站和無(wú)線WiFi等設(shè)備，滿足海上通信的要求。

在海面施工船上配置攝像機(jī)，借助微波傳輸設(shè)備將視頻傳輸?shù)桨哆吇尽ｉ_(kāi)通岸邊基站至海事局的專線通道，通過(guò)硬盤(pán)錄像機(jī)將船上視頻圖像轉(zhuǎn)發(fā)。

在岸邊基站部署AIS接收基站，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)通道傳輸至海事局主站。在岸邊基站部署VHF基站，通過(guò)語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)注冊(cè)到海事局主站。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)管平臺(tái)的搭建，可以掌握風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)與運(yùn)維期間船舶、人員、通航環(huán)境等信息和安全管理資源，實(shí)現(xiàn)信息資源的集中存儲(chǔ)、統(tǒng)一管理和統(tǒng)計(jì)分析，并按照統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口推送相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)參建單位、監(jiān)管部門(mén)、地方政府之間數(shù)據(jù)共享。

隨著該監(jiān)管平臺(tái)的投入使用，將規(guī)范風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維船舶、施工船舶航行作業(yè)行為，實(shí)現(xiàn)船舶、人員、通航環(huán)境等實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警，有效防范水上交通安全，提升風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)單位風(fēng)險(xiǎn)管控能力和施工單位的安全作業(yè)水平。