健康管理 智慧運維“健康風電場”探索之路

國華巴彥淖爾（烏拉特中旗）風電有限公司 呂 多 敖 樂 孫 晨 陳宏同 喬 偉

縱觀中國風力發電行業的發展歷史，從早期風力發電機組設計制造水平有限、風電場建設規模小、配套設施不完善，到中期經歷幾個大發展過程后，眾多行業領域參與到風電板塊，相關行業設備選型多、質量良莠不齊，導致風電機組各設備配套雜亂，加之行業缺乏統一的設計選址要求、技術規范、產品標準、設備運維標準等，種種因素導致風電設備運維難度大、安全穩定性較差、整體健康水平不高，風電場眾多設備相互制約，設備整體“健康”這一概念得到廣泛認同，“健康風電場”的需求應運而生。

隨著我國工業化飛速發展，風電機設備設計、制造技術愈發成熟，設備運行可靠性得到極大提升，伴隨著智能化、信息化程度越來越高，風電場設備與設備之間聯系愈發緊密，任何設備的故障均會影響風電場整體運營效益，企業對風電場健康度需求日益明顯。

一、第1階段：設備穩定性提升階段

全面梳理總結正式投產以來風機設備的故障與缺陷，經過綜合分析，針對性開展“缺陷清零行動”，設備可靠性獲得大幅提升，為后續項目開展建立扎實基礎。

（一）設備代表性缺陷消除內容

機組程序優化升級，提高機組吸收風能效率，增加發電量；解決小風停機后不能自啟動的問題；故障保護邏輯優化，提升故障報出準確率；優化自動潤滑加脂策略、機組全功率輸出更加穩定；替換帶防腐涂層的變流控制板，同時在機組變流系統柜內放置除濕盒，有效除去變流柜內濕氣，降低環境濕度，減少元器件受潮腐蝕；經過不斷摸索比較，調整液壓站溢流閥壓力值，使其適合當地冬季低溫運行環境，有效降低偏航壓力異常故障發生率；開展集電線路防鳥害改造，在線路塔架上安裝防鳥刺、驅鳥器等，同時采用絕緣材料將電纜頭終端及引線、跌落保險觸頭位置完全包裹覆蓋，將線路鳥害事故完全杜絕，有效降低線路故障引起的非停事件；在設備缺陷治理完成的基礎上，采取季節性排查、壽命性更換等預防措施，通過檢修工藝優化、日常監控、異常狀態識別、預警報告的方式，超前行動，阻擊故障發生。充分利用定檢和巡檢窗口機會，全方位排查和提前處理減少隱患，促進機組運行穩定。

（二）已實行的季節性、壽命性預防措施

雷雨季前風機接地電阻導通測試，及時發現并排查電阻不合格機組，降低雷擊風險；冬季來臨前水冷系統預防性補水，有效防止冬季水冷系統故障；葉片排查、維修，及時發現葉片存在的裂紋、褶皺、泛白等引起斷裂的隱患，提前進行修復加固，杜絕葉片事故；結合風機半年、全年周期檢修，圍繞檢修清單執行消缺、檢查項目，對接觸器觸點、風扇濾網等易損耗器件進行預防性更換，保障風機處于最佳健康度運行工況。

在大量獲取數據的前提下，依托控制系統生成的日報、月報等報表，運維人員可以借助機器對數據進行分類，形成匯總表、機組列表、警告列表、故障列表、預警列表等表單。通過對警告、故障和預警的匯總，使運維人員對風電場的設備隱患了如指掌，實現全過程動態跟蹤。發生故障時，能夠進行全面的數據分析，結合監控預警臺賬和維護指導手冊，確保一次性處理識別出的全部隱患。

二、第2階段：設備性能達優保障階段

經過設備穩定性提升實施，風電場機組得到初步治理，實現性能“達標”，在達標的基礎上，進一步擴大設備穩定性提升取得的成果，實現性能“達優”。

（一）單機核算系統

故障處理完成后生產信息系統將回填的檢修情況及備件消耗、健康水平、是否存在隱患、人工工時等情況推送至集控系統中，進行單機核算。從備品備件消耗情況方面著手，充分挖掘生產潛能。將備件成本、維修成本、故障次數自動關聯，每臺風機實現單機成本核算。通過單機核算，推送給能量管理平臺，通過優化控制策略，實現成本低的風機優先發電，實現精準運營。經過計算篩選出單機成本低的風機，對健康水平較差的分析原因，進行消峰處理，辦理消缺單。對排名排名靠后的風機進行技改及消缺，從而提升提高設備健康水平。

（二）采用“28法則”

以運行穩定性為指標，在穩定性較高的機組選取前20%，在穩定性相對低的機組選取后20%，形成對比組，分析前排機組性能好的經驗，推廣到后排機組，進行定制化問題處理模式，不斷進化、優化處置方案及措施。

（三）配合各類輔助系統與理論支撐依據

風電場通過調研行業先進技術、裝備制造業最新成果等，在場內進行探索嘗試，為設備性能達優、健康風電場建立提供便利條件。

風機發電機、變槳軸承自動加脂裝置，提升軸承潤滑系統效率，使潤滑加脂周期更加均勻，軸承能在最佳潤滑方式下運行；持續觀測記錄風電場輸出功率與當地風速、天氣、地形等存在影響因素的數據，與風電機組運行狀態形成對比，建立風電場負荷輸出模型，不斷修正參數精準度，增加發電功預測準確性，提高風電場與電力系統協調運行能力。

三、第3階段：風機大部件安全感知診斷與健康監測階段

我國新能源行業發展迅速，各場站建設規模逐步擴大，設備單體容量、集成性、智能化都得到大幅提升，場站對設備長期連續安全可靠運行的需求也日益增長。在此背景下，對設備運行狀態的實時監測成為有效手段，可利用監測裝置獲取設備運行數據從而進行健康程度分析，高效且連續，與傳統停電巡檢方式相比優勢顯著。以各類型傳感器為基礎，實現實時動態數據監測，多種監測共同構建起完整的異常狀態識別，預警系統，可以主動對風機設備健康隱患提前報警，產生預警信息，經數據接口在智慧運營系統上生成預警缺陷工單，指導作業人員進一步核查缺陷預警情況。

風電場設備健康度動態跟蹤預警系統主要由以下檢測監測環節支撐：

健康度概覽。支持從集控到場站再到單臺風機，實時查看預警的關鍵數據，密切關注資產健康狀況。

大部件預警。基于風機普遍安裝的SCADA 系統采集的秒級數據，利用機器學習工具綜合分析全場站風機歷史運行數據，自動計算不同工況下的設備健康溫度。同時，監控風機發電機軸承、齒輪箱軸承、主軸承、葉片等關鍵部件和設備的溫度狀態，識別風電機組主要傳動設備的運行和磨損狀況，發現軸承類、旋轉部件故障征兆，對故障發生位置、故障所屬類別、后果嚴重程度、進一步趨勢作出早期預警。

控制系統預警采用風機歷史運行數據，基于機器學習以及累計異常檢測算法，針對影響風機功率曲線性能的偏航設備、變槳系統以及轉矩系統，實現因風機設備性能不佳導致的發電性能跌落告警。

功率曲線監測。支持通過對比風機機型設計功率曲線和運行數據散點曲線，分析風機的發電性能，進而結合預警信息，判斷預警的準確性。

冷卻系統預警。根據變流器系統在不同工況下的溫度變化趨勢，和水冷壓力變化，分析其散熱效果，當特定工況的散熱效果不佳，產生報警，保證其穩定可靠工作。

主控系統預警。對風速儀、風向標不同工況下的工作狀態變化進行數據監測，保證風機可以測風和切入和切出，時刻捕獲最大風能，為風機功率曲線和控制策略優化提供真實準確數據。

絕緣監測系統。在線實時監測設備絕緣水平，反映發電機的絕緣狀態，運維人員根據運行趨勢管控發電機運行狀態。

振動監測系統。在機組內裝有風機轉速傳感器及振動傳感器共計7個，采集風機運行時的振動數據，經數據處理系統分析后，生成各時域波形、振動頻譜、轉速數據等圖譜數據，匯總形成振動數據報告，通過網絡自動上傳采集數據，后臺監控實時顯示數據狀態，提前發現機組振動異常，及時排查，為機組安全可靠運行既定了良好的基礎。

自動消防在線監測。在風機重點防火部位，機艙、發電機柜、變流柜、機艙柜、變流柜、主控柜內均安裝不同形式氣溶膠或干粉滅火器，并經消防控制系統實現自動，發生火災可發出告警并自動釋放滅火物質，有效防范火災事故。

各監測系統協調作用，構建起場內設備健康監測體系，實現預警、故障智能感知與診斷。針對機組異常的指標數據、機組振動、功率曲線和器件溫度等提前進行預警提示，通過預警信息云端發布平臺，將預警信息推送至現場。現場處置人員根據平臺植入的預警處理方案進行精準排查，實現合理安排檢查消除機組異常，可以及時有效發現事故隱患并開展快速準確的機組維護工作。

主要支持環節：

變壓器油色譜在線分析系統：可實現對油浸電力變壓器絕緣油中故障特征氣體的在線監測，能夠快速檢測甲烷、一氧化碳、氫氣等氣體濃度及發展趨勢，為油浸電力變壓器穩定運行提供保障。

變壓器局部放電檢測系統：不僅能持續監測變壓器套管的工作狀態，還能檢測變壓器主油箱中的局部放電活動發展。在故障的初級階段發出預警，并提供套管和變壓器運行過程中至關重要的信息。也可作為一個單獨的系統來監測套管絕緣情況和局部放電活動，或作為一個集成方案，對油中多組分氣體分析設備和分析軟件一起，提供更深入的變壓器狀態信息及故障診斷。

35kV 開關柜無線測溫系統：基于無線技術，實現對開關柜內觸頭溫度實時監測，發生溫度異常時立即發出警告，方便監控中心值班人員對眾多開關柜溫度的實時監控。

四、第4階段：風機性能全面提升階段

經過前期各階段項目的實施，健康風電場的運行機制已初步建立，繼續深入挖掘硬件系統與軟件系統潛力，在全面檢測的基礎上，延展運行邊界，增加發電量。通過不斷對比運行數據，對細節性問題進行逐一排查，使設備的控制與管理更加精細，有效實現降本增效。

經過驗證總結，“健康”風電場的項目實施獲得五大優勢：

全面掌控設備健康水平：通過健康風電場項目的實施，能夠實現對設備狀態全面準確評估，管理更加精準，有利于風電場設備整體健康程度提升。

有效增強檢修針對性：利用在線監測、數據分析等覆蓋廣、功能多的各系統聯動，可準確判斷故障位置、缺陷發展趨勢等，明確設備檢修的必要程度，為檢修計劃制定提供有力參考。

顯著提升生產效益：得益于設備性能穩定提升、檢修計劃性增強、檢修質量提高，促進設備“非停”減少，人員缺員的矛盾得到一定緩解，從而實現生產效益的顯著提升。

有效鍛煉人員素質：經過系統分析并判斷故障信息，使工作人員對設備故障掌握更加透徹，使檢修作業由“嘗試型”轉變為“直接型”。配合行業制度、檢修規程、作業標準等的專題培訓學習，使工作人員專業素質得到有效鍛煉，提升發現問題、解決問題的能力。

提高生產管理水平：通過利用設備健康系統的智能診斷、綜合評價，實現科學決策，充分兼顧安全和效能，統籌協調生產計劃，由過去粗獷型管理轉變為精細化管理，生產管理水平進一步提高。

充分發揮優勢，利用各類數據模型、統計分析、信號分析、機器學習、深度學習及人工智能等數據分析和挖掘方法建立的算法，識別部件單元或系統的亞健康狀態。對機組故障停機統計分析，識別異常頻發的故障。通過將預警的結果直接加入定期維護計劃或計劃性停機檢查，預警監控從目前被動的運維模式轉變為主動的預防性維修。通過機組運行狀態的實時監測預警和大數據分析，制定最優運維策略，提高機組各項指標，性能全面提升，備件消耗切實降低，機組運行更穩定，風電場健康度更進一步。

五、遠景規劃、長期目標

風電行業發展迅速，仍有很多技術難點研究尚淺，對設備狀態趨勢判斷不夠精確、長久，設備動態監測及診斷評估仍是健康風電場建設的重要課題。持續維持設備健康狀態，進一步提升設備管控水平，以最大可能完成降本增效仍將是企業本身及行業發展所追求的目標，還需在以下方面進行探索與創新。

引用監測傳感器新技術，擴大監測范圍，提高抗干擾性能，提升監測定位精度；改進設備集成化水平，提升風電場健康運行系統經濟性，降低系統本身的維護成本；增加健康診斷系統容錯機制，主動發現并處置系統自身運行下的錯誤，在一定程度上能從錯誤狀態自動恢復到正常狀態；與其他運行系統相互有機融合，如安全管控系統、環保監測系統等，兼顧安全生產、環境保護、經濟效益等各方面協調發展；隨著技術發展、設備迭代，健康診斷系統提出的預警判斷將更加準確，極大緩解人力勞動強度，但是部分時機下仍需人工對系統出具的診斷結果加以二次診斷，此時對人員素質提出較高需求，對系統運行機制的掌握程度，以及人員綜合問題判斷處理能力，對健康風電場良性發展起到至關重要的作用，人員綜合素質需與時俱進。

在當前風電場運行數據積累有限、狀態監測不夠深入、跟蹤反饋體系不完善的背景下，該公司在“健康風電場”建設中先行一步，通過對行業內新型技術、先進經驗的學習與研究，初步完成既定目標，設備運行水平切實得到提高，從經濟效益方面可以得到良好反饋。隨著今后研究探索的不斷深入，相信可以將積累的經驗和研究成果向行業內進行推廣借鑒。