海上風電場運維一體化平臺的開發(fā)運用探究

林杰

(福建海電運維科技有限責任公司 福建福州 350001)

在我國社會不斷發(fā)展的當下，社會對于電能的需求量日漸增多。在節(jié)能環(huán)保的社會背景之下，海上風電場在我國大規(guī)模發(fā)展，切實為我國電力領域發(fā)展建設奠定了良好的基礎保障。相比陸地風電場來說，海上風電場設備運維難度更大，一方面是海上風電場特定的工作環(huán)境影響，另一方面是海上風電場當中新機組應用之后，各項性能未得到驗證，缺乏專業(yè)的檢修維護團隊，遠程故障診斷、處理效率相對較低。根據(jù)《第三屆中國海上風電智能運維高峰論壇》數(shù)據(jù)統(tǒng)計，截至2019 年中國海上風電運維市場規(guī)模達到4.9 億，2024年整體規(guī)模將達到31億左右，年復合增長率達到45%左右[1]。智能海上風電場運維一體化平臺建設，可以借助先進的科學技術和互聯(lián)網(wǎng)技術，有效解決海上風電場運維難題，在降低檢修運維成本的基礎上，促進我國海上風電事業(yè)穩(wěn)定發(fā)展。該文將針對海上風電場運維一體化平臺的開發(fā)運用相關內容開展詳細分析。

1 海上風電場運維現(xiàn)狀

我國當前海上風電場發(fā)展速度非常快，海上風電場的規(guī)模也在不斷擴展。但是相比陸地來說，海上的氣候自然環(huán)境非常惡劣，很容易造成海上風電場設備損壞、故障、銹蝕等諸多問題，給海上風電場整體機組帶來不良影響。為此，海上風電場運維工作必須要定期開展，以便滿足海上風電場發(fā)電標準，提升海上風電場各個機組的應用效率。從客觀角度上來看，風電是當前世界上發(fā)電速度最快、最具備競爭力的可再生能源，因為風電場是依靠風力發(fā)電，海上的風能資源更多，風湍流度更低、風向更穩(wěn)定。一般情況下，海上風電場一般會靠近一些對電能需求相對較大的沿海發(fā)達城市，借助寬闊的海風資源進行發(fā)電，并且不會占用較大的土地。在我國海上風電領域不斷發(fā)展的當下，未來海上風電運用范圍廣闊。當前我國積極踐行生態(tài)環(huán)保戰(zhàn)略，2018 年5月，國家發(fā)改委發(fā)布《關于2018 年度風電建設有關要求的通知》《風電項目競爭配置指導方案》；2019年5月，國家發(fā)改委發(fā)布《關于完善風電上網(wǎng)電價政策的通知》，為我國海上風電領域發(fā)展奠定良好制度保障。

在海上風電場運行的過程中，由于海上自然環(huán)境非常惡劣，在抄襲、海霧、臺風、氣流等諸多因素影響之下，促使海上風電場的設備很容易出現(xiàn)銹蝕、損壞、故障，若故障無法排除，不僅影響了海上風電場正常生產與運行，甚至會出現(xiàn)嚴重的安全風險[2]。但是相比陸地風電來說，海上風電場的設備運維難度高、費用高，尤其是在海況惡劣的環(huán)境下，如果海上風電場運維人員缺乏專業(yè)經(jīng)驗，很容易造成附加運維成本，甚至會造成更為嚴重的設備故障。因此，海上風電場設備運維檢修是影響海上風電場發(fā)展的重要因素之一。

2 海上風電場運維特點

2.1 技術標準嚴格

海上風電場運維最為主要的特點之一便是技術標準嚴格特點，相比陸地風電廠來說，海上風電場運維對技術要求非常高，并且對高技術具備一定依賴性，其標準也相比較嚴格。尤其是針對距離陸地相對較遠的海上風電場來說，海上的水文條件、設備安裝、技件運輸、日常管理、海水侵入等諸多問題，都會對海上風電場運維帶來非常嚴重的要求。

2.2 自然環(huán)境干擾顯著

海上風電場設備在日常運行的過程中，因為海面上獨特的氣候條件，所以很容易導致海上風電場設備受到外界自然環(huán)境干擾。海上風電場機組存在管理多層面、分布范圍廣、維護難度大等諸多特點，涉及海洋的管理措施存在較大的實施難度。海洋氣候環(huán)境非常復雜，很容易受到臺風、季風、氣候交替等諸多因素干擾，在一定程度上縮短了電場的維護時間，導致海上風電場運維時間緊任務重[3]。

2.3 海上風電場運維成本高

從客觀角度上來看，海上風電場運維難度比陸地電場運維難度高，并且成本費用也相對比較高。因為海上風電場屬于高端制造設備，這些高端制造設備在我國并未掌握核心研發(fā)和制造技術，所以技術層面上存在一定的局限性。為了確保海上風電場經(jīng)濟效益最大化，需要對海上風電場各個設備進行動態(tài)化的更新增設，促使海上風電場機組設備數(shù)量日漸增多，為后續(xù)的日常檢修維護工作帶來了嚴重影響。此外，在進行海上風電場運維時，一般需要耗費諸多的運輸船舶設備，專業(yè)人才的雇傭價格也相對較高，據(jù)調查海上風電場運維相比陸地電場運維來說，一般會消耗4 倍左右的成本。

3 海上風電場運維一體化平臺的開發(fā)運用策略

3.1 海上風電場運維一體化平臺概述

海上風電場運維一體化平臺的是按照智慧化、自動化的要求進行構建的，致力于打造出即使無人值守，也可以自主開展設備運維的系統(tǒng)平臺。在海上風電場運維一體化平臺當中，可以結合海上風電場自身實際情況，動態(tài)捕捉海上風電場各項運行數(shù)據(jù)信息，借助大數(shù)據(jù)信息分析技術手段，采集、存儲、使用海上風電場設備機組運行數(shù)據(jù)情況。借助大數(shù)據(jù)和人工智能技術，將海上風電場運營各個環(huán)節(jié)打通，實施集中統(tǒng)一設備監(jiān)測、故障預警分析、狀態(tài)分析。備件調度、運維決策。在海上風電場運維一體化平臺建設的過程中，必須要實現(xiàn)“設備、人、環(huán)境、數(shù)據(jù)、安全”融為一體，這樣便可以第一時間對海上風電場設備運行情況進行細致化分析，不僅可以縮短響應故障的時間，而且還可以強化運營工作效率，真正實現(xiàn)生產和人力資源管理集約化，構建出統(tǒng)一調控、統(tǒng)一檢修的智能化運維平臺系統(tǒng)，切實強化海上風電場運維效率[4]。

3.2 海上風電場運維一體化平臺功能

3.2.1 運維全程跟蹤管理

在海上風電場運維一體化平臺運行的過程中，非常注重數(shù)據(jù)驅動，以數(shù)據(jù)驅動海上風電場運維一體化平臺運行。借助動態(tài)化、全天候的數(shù)據(jù)信息檢測，若發(fā)現(xiàn)了設備出現(xiàn)異常、設備出現(xiàn)故障等現(xiàn)象，便可以發(fā)布預警，系統(tǒng)地結合預警特征值和故障知識庫，對故障實際產生的情況進行分析。由于出海成本相對較高，因此要系統(tǒng)計算該次維護所需運維船、燃料等費用，系統(tǒng)性開展運維管控，在滿足運維效率的基礎上，將運維成本降至最低。

針對故障情況，科學設置零部件、備品備件、工具等諸多內容，選擇科學故障處理方式，制訂成本最優(yōu)化的運輸策略與檢修方案。如果天氣不滿足檢修運維要求，就只能等待，確保天氣滿足檢修維護需求之后才能夠進行檢修處理。在數(shù)據(jù)驅動海上風電場運維一體化平臺當中，可以精準地獲取數(shù)據(jù)信息，在維護任務成功之后，計算出該次海上運維工作方式和內容，從而構建出完善的數(shù)據(jù)庫，為海上風電場運維工作奠定扎實的基礎保障。在設備維護任務全部完畢之后，便可以對該次設備檢修維護的情況進行分析，動態(tài)化實現(xiàn)運維過閉環(huán)總結管控，并對該次運維工作進行評分，為后續(xù)運維工作改進奠定基礎，實現(xiàn)海上風電場運維整個過程閉環(huán)[5]。

3.2.2 設備管理

海上風電場運維一體化平臺的設備管理功能，是能夠對海上風電場當中的各個設備運行情況和狀態(tài)進行分析管控。一般海上風電場的規(guī)模較大，涉及的設備種類、設備數(shù)量也相對較多，為了實現(xiàn)全面動態(tài)化的設備把控，在海上風電場運維一體化平臺當中設置了設備樹的部件父子級聯(lián)關系，這樣便可以為后期設備狀態(tài)檢測、設備運維等諸多工作奠定基礎。海上風電場設備管理工作當中涵蓋了對風機、船舶設備、工器具設備等的管理[6]。在海上風電場運維一體化平臺系統(tǒng)當中，設備臺賬記載了每臺設備的機組、主要部件生產廠家、型號參數(shù)、設備期缺陷隱患、設備運維記錄等諸多內容。相比陸地電場來說，海上風電場運維需要考慮的因素相對較多，需要對海上潮汐變化、臺風、團霧、季風氣流、雷雨天氣等諸多內容進行分析。另外，海上風電場運維總成本相對較高，對船只、人員、配置維護的時間差別較大，所以必須要做好海上風電場運維設備統(tǒng)籌管控。

3.2.3 數(shù)據(jù)分析與運維優(yōu)化

海上風電場運維一體化平臺當中建設的運維數(shù)據(jù)中心，以便于為后續(xù)機組長期穩(wěn)定運行奠定良好的基礎。結合當前海上風電場智能化發(fā)展趨勢來看，運維數(shù)據(jù)庫搭建成為了智慧統(tǒng)一化運維系統(tǒng)建設的主要趨勢[7]。借助多種數(shù)據(jù)信息挖掘技術手段，對數(shù)據(jù)信息開展綜合性挖掘對比，做好線性分析，將各個特定趨勢進行分析，最終得出海上風電場運維檢修的數(shù)據(jù)分析報告。借助大數(shù)據(jù)信息挖掘系統(tǒng)，對海上風電場運維歷史數(shù)據(jù)進行分析和計算，對不同風電機組的相同部件運行功能與指標進行分析。由于海上風電場機組的差異性與功能相差較大，在進行設備狀態(tài)檢測的過程中，應該結合數(shù)據(jù)信息分析結果，有針對性地分析動態(tài)監(jiān)測設備、機組運行當中潛在的問題。在大數(shù)據(jù)風電機組歷史運行數(shù)據(jù)情況當中開展分析，從多個角度上分析歷史機組運行工況。以目標指標作為評價基準，借助歷史數(shù)據(jù)尋優(yōu)方式，采用歷史數(shù)據(jù)來優(yōu)化邊界條件、運行狀態(tài)、設備特點、工況特點，滿足機組運行情況評價、故障預警等需求。在開展海上風電場運維數(shù)據(jù)分析的過程中，可以通過大數(shù)據(jù)、人工智能技術等手段，開展動態(tài)化風功率預測，對風資源評估，動態(tài)優(yōu)化機組運行參數(shù)，以便于最大程度上提升海上風電場機組運行效率。此外，可以對運維全過程進行檢測跟蹤，分析出不同部件在不同海上風電機組當中的運行特點。充分展現(xiàn)出海上風電場運維一體化平臺構建價值，做好運維數(shù)據(jù)庫更新、設計、裝配、運輸安裝等。

3.2.4 故障預警與專家診斷

結合當前海上風電場運行故障來看，種類較多并且設備種類復雜。在大數(shù)據(jù)信息技術的支撐下，可以構建出機器學習算法，對海上風電場運行各個機組情況記性分析，對海量運行數(shù)據(jù)進行診斷分析。針對設備狀態(tài)預警，便是動態(tài)把控設備數(shù)據(jù)信息，對其進行分類跟蹤、精準挖掘和轉型分析，對設備應用原理數(shù)據(jù)信息把控，提升設備故障警報效率。此外，還應可以實現(xiàn)設備健康安全管理，借助訓練好的模型，在線檢測風機的健康狀態(tài)。故障診斷是借助風機設備運行數(shù)據(jù)，引入相互比較法和最小二乘法開展數(shù)據(jù)分析，將特征提取之后的數(shù)據(jù)庫帶入故障診斷信息當中。

借助視屏圖像、數(shù)據(jù)信息等諸多內容建模，實現(xiàn)在線監(jiān)測風機狀態(tài)。此前，在機電設備故障診斷的過程中，故障診斷最早是通過在線獲取風機設備運行數(shù)據(jù)，借助最小二乘法開展數(shù)據(jù)清洗，結合不同設備部件的特點標庫，將特征提取之后的數(shù)據(jù)[8]。積極帶入被誤診模型，能夠建立專業(yè)遠程診斷模式，讓具備專業(yè)技術的專家參與遠程故障預警沖突當中，為設備故障提供輔助決策。

3.2.5 運維策略評估

運維策略評估也是海上風電場運維一體化平臺的重要功能，主要是對海上風電場運維之后的情況進行分析。運維評估結合海上風電場實際情況，制定出海上風電場運維策略，并且統(tǒng)籌人力物力財力資源，確保運維工作穩(wěn)定、高質量開展。在運維活動結束之后，對運維情況進行科學評估。在進行運維評估的過程中，還可以對運維工作可達性、安全性、經(jīng)濟型等內容進行評估，及時發(fā)現(xiàn)運維工作現(xiàn)存問題，并有效對存在的問題進行優(yōu)化，最大程度上保障海上風電場運維高質量實施。

3.3 海上風電場運維一體化平臺的開發(fā)策略

3.3.1 平臺構架

海上風電場運維一體化平臺搭建的過程中，便是將運維管理和智慧風電場運營體系緊密結合，打造智能化風電機組，切實滿足“智能化故障診斷、智能化故障預測”等功能實現(xiàn)。這樣即使在無人值守、少人值守的情況之下，可以保障海上風電場運行穩(wěn)定和安全。在搭建海上風電場運維一體化平臺的過程中，主要由風電機組生產集中運行監(jiān)管系統(tǒng)、運維應用一體化業(yè)務平臺以及相關聯(lián)運維數(shù)據(jù)中心、運維評價中心、設備資產管理系統(tǒng)等組成[9]。

3.3.2 智慧運維管理系統(tǒng)搭建

智慧運維系統(tǒng)是海上風電場運維一體化平臺當中最為核心的系統(tǒng)，主要是分析海上風電場運維各個要素，構建出智慧化管理模型，結合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能技術等內容，進行海上風電場智慧運維系統(tǒng)構建。在智慧化運維系統(tǒng)當中，主要涵蓋了用戶層、應用層、平臺層、組件層、數(shù)據(jù)層、基礎層等諸多模塊，基礎層負責數(shù)據(jù)信息存儲和處理；用戶層實現(xiàn)用戶系統(tǒng)應用、功能處理交互；平臺層、組件層、數(shù)據(jù)層等，主要是對核心功能進行處理，制定出優(yōu)化的運維策略。

3.3.3 運維數(shù)據(jù)中心構建

海上風電場運維一體化平臺當中數(shù)據(jù)中心的意義重大，尤其是在當前大數(shù)據(jù)時代當中，借助數(shù)據(jù)中心處理，可以有效地對海上風電場機組設備開展動態(tài)化數(shù)據(jù)信息整合管控，實時監(jiān)控風電系統(tǒng)、振動檢測系統(tǒng)、升壓站綜合自動化系統(tǒng)、海洋氣象風功率檢測系統(tǒng)、海纜檢測系統(tǒng)、運維船舶定位管理系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)等諸多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息動向，對各類系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息進行管控，生成數(shù)據(jù)信息報表臺賬。引入大數(shù)據(jù)信息挖掘技術手段，對復雜數(shù)據(jù)信息背后有價值的數(shù)據(jù)信息進行挖掘，基于時間序列數(shù)據(jù)混合型數(shù)據(jù)構架，靈活對接實時數(shù)據(jù)，提升數(shù)據(jù)信息獲取效率。在海上風電場運維一體化平臺數(shù)據(jù)中心中，結合人工智能與計算智能技術手段，引入數(shù)理統(tǒng)計技術，實現(xiàn)動態(tài)化的數(shù)據(jù)信息分析，對潛在具備安全隱患的系統(tǒng)和設備進行分析，做好風資源評估、機組效能評價、可靠性統(tǒng)計、歷史工況運維優(yōu)化策略制定等，確保故障診斷和故障運維策略制定的科學性。