全自主漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)架構(gòu)探討

鄭彥春　時(shí)旭航

摘要： 風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，對(duì)于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)以及低碳能源體系轉(zhuǎn)型至關(guān)重要。分析和研究了漂浮式海上風(fēng)電發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和潛在的技術(shù)，特別是重點(diǎn)探討了信息與通信技術(shù)（Information andCommunication Technology， ICT）和機(jī)器人技術(shù)在漂浮式海上風(fēng)電運(yùn)維中的潛在應(yīng)用，進(jìn)而設(shè)計(jì)了漂浮式海上風(fēng)電運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)，旨在降低運(yùn)維成本和提高運(yùn)營(yíng)安全性。所提出的解決方案涵蓋了浮式平臺(tái)設(shè)計(jì)、數(shù)字孿生形式的遠(yuǎn)程操作、自主水下機(jī)器人等多個(gè)方面。

關(guān)鍵詞： 漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng) 自主系統(tǒng) 數(shù)字孿生 工業(yè)4.0 運(yùn)行與維護(hù)

中圖分類號(hào)： TP311.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1672-3791（2023）24-0066-04

為了實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》宣布的到2050 年二氧化碳凈零排放目標(biāo)，中國(guó)提出了2030 年前“碳達(dá)峰”及2060年前“碳中和”的目標(biāo)。風(fēng)能作為清潔能源，已成為當(dāng)前最有前景的可持續(xù)能源解決方案之一，對(duì)于加快構(gòu)建我國(guó)新型能源體系起到了關(guān)鍵作用。截止到2022年底，我國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到36 544 萬(wàn)kW，其中海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)3 046 萬(wàn)kW，同比增長(zhǎng)15.4%，呈持續(xù)增長(zhǎng)狀態(tài)。現(xiàn)今，我國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)規(guī)模已躍居世界第一［1］。與此同時(shí)，世界各國(guó)也相繼制定了不同的海上風(fēng)電目標(biāo)：美國(guó)制定了到2030 年部署3 000 萬(wàn)kW 海上風(fēng)電的目標(biāo)；德國(guó)、丹麥、比利時(shí)和荷蘭制定了一個(gè)聯(lián)合目標(biāo)，即到2050 年四國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到15 000 萬(wàn)kW；挪威政府設(shè)定了到2040 年達(dá)到3 000 萬(wàn)kW 的新海上風(fēng)電目標(biāo)。所有這些計(jì)劃都表明，海上風(fēng)電作為新能源發(fā)電的重要組成部分，處在快速上升發(fā)展期，是未來(lái)高增長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)之一。海上風(fēng)電的規(guī)模化建設(shè)和并網(wǎng)發(fā)電，將對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)提出更多的要求和挑戰(zhàn)。

隨著近海風(fēng)力資源開發(fā)的日趨飽和，深遠(yuǎn)海風(fēng)電將成為海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)下一階段開發(fā)的重點(diǎn)。一般而言，離海岸的距離與水深成正比，水深的增加將導(dǎo)致固定式海上風(fēng)電基礎(chǔ)的成本更高，投資將更大［2］。因此，漂浮式海上風(fēng)電被視為深遠(yuǎn)海風(fēng)電的解決方案，即每個(gè)風(fēng)電機(jī)組都安裝在浮動(dòng)結(jié)構(gòu)上，并連接到系泊系統(tǒng)，通過(guò)錨固裝置與海床連接以起到固定作用。雖然漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)能夠在固定式風(fēng)電機(jī)組不適用的水深中發(fā)電，但其運(yùn)行和維護(hù)是比較難以解決的問(wèn)題。

與陸上風(fēng)電相比，漂浮式海上風(fēng)電的安裝和運(yùn)維成本相對(duì)較高，主要包括用于安裝的服務(wù)車輛、用于檢查的潛水員、遠(yuǎn)程操作車輛（ROV）以及用于配電的附加設(shè)備等。為了提升運(yùn)維的質(zhì)量和安全性，同時(shí)降低運(yùn)維成本，漂浮式海上風(fēng)電有必要采用與海上風(fēng)電行業(yè)發(fā)展相關(guān)的先進(jìn)技術(shù)［3］。基于此，本文分析了開發(fā)漂浮式海上風(fēng)電面臨的挑戰(zhàn)以及潛在的運(yùn)維技術(shù)。特別是探討了信息與通信技術(shù)（Information and CommunicationsTechnology，ICT）和機(jī)器人技術(shù)在漂浮式海上風(fēng)電運(yùn)維中的潛在應(yīng)用。

1 漂浮式海上風(fēng)電運(yùn)維面臨的挑戰(zhàn)

漂浮式海上風(fēng)電的運(yùn)營(yíng)與維護(hù)是一個(gè)重要的成本驅(qū)動(dòng)因素，占海上風(fēng)電設(shè)施總生命周期成本的很大一部分。造成其運(yùn)行維護(hù)成本高、難度大的原因主要有：（1）海上較難預(yù)測(cè)的天氣條件和惡劣的環(huán)境條件對(duì)維護(hù)和維修構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)，同時(shí)漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)離海岸進(jìn)一步增加了維護(hù)和維修的難度和成本；（2）漂浮式風(fēng)電機(jī)組、系泊系統(tǒng)及其他組件的維護(hù)需要專業(yè)設(shè)備和技術(shù)才能有效地進(jìn)行［4］。運(yùn)維面臨的挑戰(zhàn)如圖1 所示。

2 漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維賦能技術(shù)

鑒于上述挑戰(zhàn)，亟須開發(fā)新的策略和技術(shù)以降低漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行和維護(hù)成本，這包括探索提高風(fēng)電機(jī)組和其他部件可靠性和耐久性的新技術(shù)，制定更高效、更具成本效益的維護(hù)和維修策略。本文分析和研究了可應(yīng)用于漂浮式海上風(fēng)電的具有高潛力的賦能技術(shù)［5］。如圖2 所示，使用自動(dòng)飛行器和水下機(jī)器人等賦能技術(shù)，將有助于推動(dòng)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)自主操作和自動(dòng)維護(hù)，這也代表了未來(lái)海上風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)方向。

2.1 漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)

隨著海上風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展，漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)也在不斷發(fā)展，尤其是在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)方面。圖2左側(cè)所示的單樁式類型是經(jīng)驗(yàn)證的漂浮式海上風(fēng)電基礎(chǔ)的一個(gè)技術(shù)路線，其是一種壓載穩(wěn)定的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，具有良好的水動(dòng)力性能和高穩(wěn)定性［6］。

圖2 中部所示的駁船類型是從半潛式模型擴(kuò)展而來(lái)的浮動(dòng)概念。它利用水平面區(qū)域和連接到海床的懸鏈線系泊系統(tǒng)，通過(guò)分布式浮力進(jìn)行穩(wěn)定。駁船平臺(tái)的設(shè)計(jì)能吸收波浪荷載并減少浮子運(yùn)動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以減少總重量和施工、維護(hù)成本。

2.2 遠(yuǎn)程操作

漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程運(yùn)維迫在眉睫，其既關(guān)系到運(yùn)維成本的降低，也關(guān)系到維護(hù)期間的運(yùn)行安全。海上風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)程運(yùn)維主要是指通過(guò)接收并分析來(lái)自傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，構(gòu)建與物理設(shè)備進(jìn)行交換信息的數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行有計(jì)劃的預(yù)防性維護(hù)和疲勞診斷的運(yùn)維技術(shù)。下面探討可應(yīng)用于遠(yuǎn)程控制和操作海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組的幾種賦能技術(shù)。

2.2.1 數(shù)字孿生

數(shù)字孿生是物理資產(chǎn)或系統(tǒng)的數(shù)字副本，其功能是反映其相應(yīng)孿生系統(tǒng)的鏡像。數(shù)字孿生反映物理資產(chǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以預(yù)測(cè)資產(chǎn)或系統(tǒng)的未來(lái)行為。數(shù)字資產(chǎn)與實(shí)物資產(chǎn)的雙向通信為風(fēng)電場(chǎng)管理提供了可靠的解決方案。它可用于跟蹤設(shè)備從建模到處置的全生命周期，以估計(jì)風(fēng)電機(jī)組的剩余使用壽命［7］。

數(shù)字孿生技術(shù)已在其他行業(yè)中廣泛應(yīng)用，特別是在制造業(yè)中。在漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)中，數(shù)字孿生技術(shù)可用于遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控風(fēng)電機(jī)組，以進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)及檢查間隔優(yōu)化。圖3 顯示了數(shù)字風(fēng)電機(jī)組（右側(cè)）的設(shè)計(jì)如何盡可能類似于實(shí)際的風(fēng)電機(jī)組（左側(cè)），它代表海上風(fēng)電場(chǎng)的物理資產(chǎn)，可用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和決策改進(jìn)。

2.2.2 傳感器系統(tǒng)

數(shù)字孿生的實(shí)施依賴于傳感器系統(tǒng)。近年來(lái)，傳感器系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)量顯著增加。而風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行和性能由用于特定用途的各種傳感器進(jìn)行監(jiān)控。例如：渦流傳感器用于觀察軸的潤(rùn)滑間隙；位移傳感器用于監(jiān)測(cè)風(fēng)塔和風(fēng)艙的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；基于激光雷達(dá)的風(fēng)速傳感器用于風(fēng)速觀測(cè)以預(yù)測(cè)發(fā)電量；加速度計(jì)用于監(jiān)測(cè)風(fēng)塔搖擺、風(fēng)艙旋轉(zhuǎn)和齒輪箱振動(dòng)；振動(dòng)信號(hào)和溫度傳感器的歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可用于預(yù)測(cè)潛在齒輪箱故障。

綜上，傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)字孿生具有重要的作用，基于它，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、發(fā)電功率預(yù)測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)等功能。因此，為了優(yōu)化生產(chǎn)效率，漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)必須配備能夠現(xiàn)場(chǎng)處理數(shù)據(jù)的智能傳感器，并且從傳感器接收到的數(shù)據(jù)需要自動(dòng)集成到通信系統(tǒng)的數(shù)字框架中，以用于提供決策支持。

2.2.3 物聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)4.0 是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，或者在工業(yè)環(huán)境中使用互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)和協(xié)議實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互聯(lián)的。在第四次工業(yè)革命中使用的許多技術(shù)，例如機(jī)器人，已經(jīng)存在很長(zhǎng)時(shí)間了。現(xiàn)今，“處處通萬(wàn)物”的可能性使工業(yè)自動(dòng)化達(dá)到了一個(gè)新的水平。這些通信技術(shù)通常被稱為物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things， IoT），而用于工業(yè)用途的則稱為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet of Things，IIoT）。

工業(yè)4.0 框架內(nèi)的通信系統(tǒng)在促進(jìn)所有資產(chǎn)之間的互連方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)須人工干預(yù)的自動(dòng)集成。此外，數(shù)字孿生平臺(tái)中的通信系統(tǒng)必須在所有相關(guān)利益相關(guān)者之間執(zhí)行互操作性，其中特定數(shù)據(jù)可以跨部門進(jìn)行交換。AAS 語(yǔ)境下的溝通模式有3 種：（1）被動(dòng)型，采用XML 和JSON 等統(tǒng)一文件格式的文件交換模式；（2）被動(dòng)型，采用MQTT 和OPC-UA 等API 的服務(wù)器-客戶機(jī)通信模式；（3）主動(dòng)型，通過(guò)具有共享語(yǔ)法和語(yǔ)義基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)化接口進(jìn)行對(duì)等交互。根據(jù)工業(yè)4.0 標(biāo)準(zhǔn)，主動(dòng)式AAS 對(duì)于集成組件和利益相關(guān)者之間的自主通信至關(guān)重要。基于物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)和運(yùn)維的互聯(lián)互通，對(duì)于提高風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維效率和降低成本具有重要作用。

2.3 海上機(jī)器人

幾十年來(lái)，海上機(jī)器人一直是海上作業(yè)的主力。相較于潛水員，在支援船上配備有訓(xùn)練有素的操作員的海上機(jī)器人可以更便宜、更有效地執(zhí)行更深的水下任務(wù)。對(duì)于漂浮式海上風(fēng)電的運(yùn)行與維護(hù)而言，由于海上機(jī)器人不僅可以降低漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行與維護(hù)成本，而且還可以提高生產(chǎn)效率，因此海上機(jī)器人技術(shù)在漂浮式海上風(fēng)電中將具有重要的意義。

2.3.1 水下自主機(jī)器人

目前正在開發(fā)用于水下檢查、維護(hù)和維修的水下自主機(jī)器人。水下機(jī)器人由機(jī)械臂組成，可以永久停留在海床上，其完全自主或由操作員遠(yuǎn)程進(jìn)行控制。它的整個(gè)身體包含電池、燈、傳感器和工具模塊，并通過(guò)配備的傳感器對(duì)水下結(jié)構(gòu)物進(jìn)行環(huán)境調(diào)查。水下自主機(jī)器人為海底的維護(hù)提供了可靠的技術(shù)和方法，即可以為海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商提供替換潛水員進(jìn)行水下檢查、維護(hù)和維修的能力，從而以最小化的風(fēng)險(xiǎn)、時(shí)間和費(fèi)用完成運(yùn)維工作。除此之外，還有一種被稱為“藍(lán)眼”的水下無(wú)人船，具有燈光、聲吶、攝像頭、定位系統(tǒng)和水下檢查傳感器等功能，也可用于漂浮式海上風(fēng)電的運(yùn)維。

2.3.2 自主水面船舶

自主水面船舶是指在使用方面實(shí)現(xiàn)一定程度自主的船舶，一般會(huì)與水下機(jī)器人協(xié)同執(zhí)行海上風(fēng)電運(yùn)維任務(wù)，其是一種更為安全、效益更高的海洋監(jiān)測(cè)運(yùn)維技術(shù)。除了用于記錄海洋學(xué)數(shù)據(jù)、導(dǎo)航珊瑚礁和采集水樣外，該技術(shù)還可用于檢查漂浮式海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)和監(jiān)測(cè)水面系泊纜，執(zhí)行海上風(fēng)電場(chǎng)資產(chǎn)完整性檢查，收集和實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，提供運(yùn)維分析報(bào)告等。整體而言，該技術(shù)用于進(jìn)一步改進(jìn)運(yùn)維技術(shù)方案和維護(hù)計(jì)劃，不斷提升決策分析能力具有重要作用。

2.4 海上儲(chǔ)能

不斷變化的海上天氣條件導(dǎo)致海上風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量具有大幅波動(dòng)的特點(diǎn)，從而造成電網(wǎng)的不穩(wěn)定。采用電池等儲(chǔ)能系統(tǒng)有助于緩解風(fēng)力發(fā)電的間歇性。儲(chǔ)能系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)供需的最佳協(xié)調(diào)，從而減少電力輸出的可變性并穩(wěn)定電網(wǎng)。用于海上風(fēng)電場(chǎng)的儲(chǔ)能解決方案包括：電池、超級(jí)電容器、飛輪儲(chǔ)能、油氣儲(chǔ)能、氫氣儲(chǔ)能、氨基儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能。根據(jù)研究，鋰離子電池和壓縮空氣儲(chǔ)能是最有前景的儲(chǔ)能技術(shù)，可以滿足海上能源解決方案的需要。

此外，解決電力振動(dòng)的另一個(gè)潛在的解決方案是實(shí)施電網(wǎng)形成變流器。這些先進(jìn)的電力電子設(shè)備主動(dòng)控制產(chǎn)生的輸出功率的電壓和頻率，有助于電網(wǎng)的穩(wěn)定。隨著先進(jìn)控制策略的發(fā)展，如預(yù)測(cè)風(fēng)速變化和實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行以保持穩(wěn)定功率輸出的預(yù)測(cè)控制算法，也可以有效地將功率波動(dòng)和相關(guān)振動(dòng)降至最低。

3 全自主海上風(fēng)電運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)

全自主海上風(fēng)電運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)包括感知層、通信層、應(yīng)用軟件層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層，如圖4 所示。

3.1 感知層面

無(wú)人值守?zé)o人機(jī)和自主水面船舶系統(tǒng)遠(yuǎn)程部署到海上，搭載高清相機(jī)、多波束等多種載荷按預(yù)先設(shè)定的任務(wù)開展作業(yè)。任務(wù)完成后返回自動(dòng)充電，無(wú)須人工搬運(yùn)和干預(yù)，實(shí)現(xiàn)真正的自動(dòng)化作業(yè)。

3.2 通信層面

遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)根據(jù)離岸距離和數(shù)據(jù)傳輸量等需求，靈活配置 4G/5G、衛(wèi)星通信、北斗、微波等通信手段。無(wú)人機(jī)與自主水面船舶作業(yè)獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)其自帶的無(wú)線通信模塊實(shí)時(shí)回傳至智能機(jī)場(chǎng)和智能船塢，并由遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中繼轉(zhuǎn)發(fā)至遠(yuǎn)方的指揮中心，解決了數(shù)據(jù)時(shí)效性問(wèn)題。

3.3 應(yīng)用軟件層面

指揮中心可遠(yuǎn)程設(shè)定巡檢任務(wù)及航線，實(shí)時(shí)監(jiān)控遠(yuǎn)程設(shè)備的位置、行動(dòng)軌跡、周邊狀態(tài)等信息；并采用邊云協(xié)同的方式，基于邊云數(shù)據(jù)庫(kù)和目標(biāo)庫(kù)，利用 AI智能算法自動(dòng)開展缺陷目標(biāo)識(shí)別，輔助人工篩查，所有數(shù)據(jù)最終匯入數(shù)據(jù)處理與管理平臺(tái)。

3.4 業(yè)務(wù)應(yīng)用層面

由數(shù)據(jù)處理與管理平臺(tái)向海上風(fēng)電管理部門的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)推送數(shù)據(jù)，輔助海上風(fēng)電的日常運(yùn)維和管理。

4 結(jié)語(yǔ)

本文列出了漂浮式海上風(fēng)電運(yùn)行和維護(hù)面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，而這些問(wèn)題和挑戰(zhàn)將推動(dòng)海上風(fēng)電行業(yè)朝著完全自主的運(yùn)維方向發(fā)展，從而降低運(yùn)維成本和最大可能提高運(yùn)維的安全性。此外，為了充分展示漂浮式海上風(fēng)電運(yùn)維自主性的潛力，本文提出了一系列已在其他行業(yè)成熟應(yīng)用的支持技術(shù)，并在研究其在海上風(fēng)電行業(yè)改進(jìn)和應(yīng)用時(shí)，提出了未來(lái)努力的方向和建議，包括技術(shù)路線、操作和維護(hù)的各個(gè)方面，如新穎的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程操作和船舶維護(hù)。在工業(yè)4.0 背景下，借助ICT、大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)以及云計(jì)算等互聯(lián)技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)運(yùn)維的自主性、智能化，提升漂浮式海上風(fēng)電的運(yùn)維決策水平，進(jìn)而提高海上風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行的性能、效率和安全可靠性，從而推動(dòng)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速穩(wěn)健高質(zhì)量發(fā)展。

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