海上風電基礎結構自動化監測系統關鍵技術與應用研究

王智超 馬靜 洪澤林 劉偉誠

摘 ?要：為及時排除風電設備安全隱患，保障設備運行效率，實現風電設備整體結構安全預警及精準維修，需對風電設備實行合理有效的安全監測。針對海上升壓站及重點風電機組結構安全，分析健康監測的必要性及可行性，對結構健康監測原理、傳感器選擇原則、布設方法進行了闡述。考慮海上環境的復雜性與突變性，海上風電相關結構需要實時監測、及時預警，文章詳細介紹了自動化監測系統的框架組成、網絡拓撲，并對自動化監測系統的實時監控、數據分析等功能進行了應用展示。

關鍵詞：海上風電；升壓站；風電機組；結構健康監測

中圖分類號：TP274；TM614；P752 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）16-0166-06

Research on Key Technologies and Applications of Automated Monitoring System for Offshore Wind Power Infrastructure

WANG Zhichao1， MA Jing2， HONG Zelin1， LIU Weicheng1

（1.Guangdong Tianxin Electric Power Engineering Testing Co.， Ltd.， Guangzhou ?510611， China;

2.Scientific Institute of Pearl River Water Resources Protection， Guangzhou ?510611， China）

Abstract： In order to timely eliminate safety hazards of wind power equipment， ensure equipment operation efficiency， achieve overall structural safety early warning and precise maintenance of wind power equipment， it is necessary to implement reasonable and effective safety monitoring of wind power equipment. In view of the structural safety of offshore booster stations and key wind turbines， the necessity and feasibility of health monitoring are analyzed， and the principles of structural health monitoring， sensor selection principles， and deployment methods are described. Considering the complexity and variability of the offshore environment， the structures related to offshore wind power require real-time monitoring and timely warning. This paper provides a detailed introduction to the framework composition and network topology of the automated monitoring system， and demonstrates its functions such as real-time monitoring and data analysis.

Keywords： offshore wind power; booster station; wind turbine; structural health monitoring

0 ?引 ?言

在國家“30 · 60目標”的大背景下，我國能源使用對外仍存在一定的依存度，同時不可再生資源利用空間降低，能源升級轉換是目前國家面臨的核心問題，未來新能源占比逐步提高是大勢所趨，其中海上風電建設是當前新舊動能轉換的重要支撐[1]。我國海域面積約300萬平方千米，約1.8萬千米的大陸海岸線，近海風能資源儲量較大，具有海上風電建設的天然優勢，海上風能具有較大潛力成為未來沿海城市主要能源之一。考慮我國能源分布呈逆向狀態，東部負荷高，西電東送壓力大，通過沿東部南部海岸線逐步分區建設風電場，就近入網陸上電網，就地消納，降低輸電距離，提高輸電效率，平衡能源分布[2]。大力發展海上風電在改善能源結構的同時也為國家能源安全提供了強有力的保障。截至2022年，數據顯示我國海上風電累計裝機容量預計達3 250萬千瓦，持續保持海上風電裝機容量全球第一。由此說明，現階段我國海上風電處于高速發展期，在國家“十四五”規劃中，從國家層面到地方省市層面對海上風電發展做出了積極規劃，未來海上風電仍是大力推進、全面發展趨勢[3]。

隨著海上風電安裝和生產技術不斷推進，海上風電大面積迅速開展，我國風機和升壓站數量逐漸增多，由于海域環境復雜多變，海底勘察準確度低、海水腐蝕性較高等原因易造成主機基礎、風機塔筒、升壓站基礎等發生結構變形、腐蝕等健康問題[4]，嚴重時會造成風機斷裂倒塌等情況，因此需要對海上風電相關設備結構進行實時安全健康監測。目前海上風電監測處于起步階段，相關行規標準尚未健全，大部分監測方法來源傳統建筑行業，但此類方法直接用于離岸監測又存在一系列區別，為解決該問題，本文詳細闡述了海上風電監測原理、監測方法、設備安裝方法，對指導工程實踐具有重要的參考意義。

1 ?海上風電結構健康監測

1.1 ?海上風電結構健康監測的必要性

由于海上風電場維護較為困難，對于海上風電各組成結構來說，及時發現問題，避免造成連鎖反應尤為重要。合理的結構健康監測，能夠在損害初期發現結構問題，可通過聯合分析，降低復合損害，避免造成嚴重后果，同時結構健康監測系統可實時進行數據分析反饋，針對性較強，維護指導效果明顯，而且節約維護成本[5]。

對于風電場海上升壓站基礎、風機塔筒以及風機基礎進行安全監測工作，確保風機、海上升壓站正常發電，出現問題可及時預警，變形監測確保及時發現風力發電設施、設備是否超過設計限值；通過應力應變監測及時掌握在各種工況下，主要受力構件應力應變特性，為可能產生的損傷發現主要原因，為進一步加固設計提供依據；結構振動監測，通過振動監測確定其振型，振幅和頻率，以確定其惡劣工況下，對設備的實時影響；通過腐蝕監測，確定相應構件腐蝕程度，為設施維護提供依據。通過實施在線監測，保證數據的及時性、準確性和高效性，為應急搶險和維護提供依據[6]。

1.2 ?結構健康監測原理

結構健康監測主要是將多種傳感器布設在風機和升壓站各位置，如圖1 所示，實時監測各組成構件的應力應變情況、結構振動情況、整體傾斜與沉降情況、海水腐蝕情況。

振動響應是在風、浪、地震等動態載荷作用下自身結構特效的反映，風機塔筒、風機基礎、升壓站基礎通常需承受多種荷載，在風荷載、控制系統荷載、葉片機艙設備重量等荷載壓力下，塔筒和基礎會產生振動，振動會引起不同程度的結構附加應力，加之風荷載的不確定性，多重作用影響下，易引起共振，繼而影響系統的整體穩定性。通過監測受力結構的振動響應，可分析結構是否存在振動超限，并采取控制措施。同時通過分析不同類型振動頻譜，可實現結構安全特性分析，檢測結構是否發生損害。一般通過安裝在塔筒和基礎結構不同位置的加速度傳感器，監測受力結構各位置振動情況，并通過多點分析，結合振動頻譜，監測是否存在頻譜異常，分析固有頻率與外界振動頻率關系，推斷振動原因。

應力反映了物體某點受力程度，在某外力的作用下，物體內會產生相應的內力用于抑制外力造成的物體形變，使其恢復原有形狀。應力隨外力的增加而變大，但任何材料應力都存在一個極限應力，超過其極限應力，材料就會發生損壞。當物體在自然狀態下無任何外力干預時，其具有的形狀值可視為固定量，當物體在受外力作用下會產生相應的形變，其形變量與物體固有量的比值可表示為伸長率或壓縮率，該伸長率或壓縮率可表示為應變。根據胡克定律，在一定的比例極限范圍內應力與應變成線性比例關系。不同材料的應力應變具有不同的關系，一般可通過實驗進行測定。通常以應變計或應變花作為敏感元件，焊接在受力結構表面，進行應力應變監測。一般應力計是基于導體的“電阻-應變效應”實現應力測量，即當受力構件發生應力，引發導體電阻變化，反算出受力構件應力應變情況。

2 ?結構健康監測關鍵技術

2.1 ?監測原則

2.1.1 ?傳感器選型原則

傳感器的選擇應滿足相應設計要求；選擇原則如下：

1）先進性原則，在滿足設計要求的前提下，傳感器的性能應具備一定的先進程度，技術應具備一定的成熟程度，具備自動化采集功能。

2）適用性原則，根據監測類別選擇傳感器，傳感器應能準確反映被監測結構變化情況。

3）可靠性、耐久性原則，傳感器具備復雜環境耐用性，在海洋環境下能夠穩定長期工作，要滿足設計要求的使用年限。具備防水、防腐性能。

4）可更新、可維護原則，選擇具備維護條件的傳感器，若存在傳感器故障，可進行設備維護或更換。

5）精度要求，傳感器精度應滿足監測精度要求，同時應考慮經濟適用性，在不降低精度性能的情況下，節約成本。

6）一致性原則，為便于數據集成處理與數據可視化，不同監測項目傳感器數據形式應盡量保持一致，或具有相應的轉化條件。

2.1.2 ?監測點設置測試原則

1）以監測風機基礎、塔筒和升壓站安全為主，驗證設計和科學研究為輔。

2）監測項目力求少而精，能較全面反映和預測風機基礎、塔筒和升壓站的運行狀態，特別是關鍵部位和關鍵施工階段的情況，且各觀測項目測值能相互驗證。

3）觀測點的布置重點布置在影響風機機組運行的關鍵部位或結構潛在薄弱部位。

4）監測方法以自動監測為主，自動監測與人工監測相結合。

5）安全監測自動化系統應滿足實時性、可靠性、實用性、先進性和可拓展性等要求。

2.2 ?監測布點

2.2.1 ?基礎結構應力應變監測

利用鋼板應力計、應變計、鋼筋計等自動化監測設備，監測升壓站基礎運行過程中各關鍵位置應力變化情況。

監測點布設位置：單樁基礎按照主風向沿環向對稱布置，布設在泥面附近、變徑段及基礎頂法蘭下部；導管架基礎布設在斜撐桿與主簡體及套管連接處、水平撐桿與主簡體及套管連接處，鋼管樁與樁套通常采用灌漿連接，通常采用單向應變計或五應力計對連接灌漿位置進行實時監測；高樁承臺基礎的監測內容與單樁基礎類似。應變計安裝過程時應保證一條對徑點的連線為主導風向，另外一條對徑點的連線與主導風向垂直。

2.2.2 ?基礎結構振動監測

考慮各基礎結構振動頻率應在一定的設計范圍內，為了解實時振動頻率、振動幅值，及時采取相應措施，避免引起共振隱患，使用振動加速度計、振動位移計對單樁基礎頂部與塔筒頂部、升壓站底層和頂層的主立柱的振動位移和振動速度進行監測。

監測點布設位置：升壓站上振動傳感器應布設在底層和頂層的主立柱上，風機基礎上振動傳感器應布設在單樁基礎頂部與塔筒頂部，振動位移計的一個水平方向指向主導風方向，另外一個水平方向垂直于主導風向。

2.2.3 ?不均沉降及傾斜監測

為監控基礎沉降及傾斜變化情況，采用動態傾角儀、靜力水準等進行監測，對海上升壓站進行單獨的不均勻沉降觀測，基礎施工時，在海上升壓站一層平臺主立柱上設置4個靜力水準測點，測量4根鋼管樁相對高度差。同時，在各靜力水準點旁布置1個幾何水準測點，便于監測資料進行相互驗證。幾何水準測點為焊接不銹鋼成品觀測頭，需在施工期采取保護措施，確保不被破壞。

監測點布設位置：在海上升壓站底層及頂層的主立柱上各布設1套雙軸傾角儀，其中一個水平方向為主浪向，進行海上升壓站運行期傾斜（水平X＼Y方向）監測，共計布置8套雙軸傾角儀。

在風機基礎上在過渡段頂面、風機塔筒中部和頂部各布置1套雙向傾角儀，每臺基礎共3套。傾角儀的一個水平方向指向主導風方向，另外一個水平方向垂直于主導風向。

2.3 ?監測儀表的維護保護技術措施

2.3.1 ?監測儀器設備保管

儀器設備出場后需進行精度與質量核驗，由特定倉儲中心存儲。對不同材料分區管理，并根據應用存儲管理要求，采取防潮、防曬、溫度控制等相關措施。

2.3.2 ?監測電纜的連接和保護

電纜線應避免接觸油類，需保持干燥，以免引起腐蝕破壞。在電纜線安裝過程中，應避免過度牽引，減少與焊接工作同時作業時間。部分電纜線需埋設到混凝土中，無法使用外加保護罩，需將電纜線進行挖槽埋。

3 ?結構健康監測系統

每個風機和升壓站均配置合適類型和數量的數據采集裝置，將所有的監測儀器接入其中，實現自動化監測。海上升壓站和風機，所采用的傾角儀、振動位移計、動態應變計和加速度計是動態傳感器，鋼板應力計和靜力水準儀為靜態傳感器，則分別采用相應的動態采集系統和靜態采集系統。

3.1 ?動態采集系統

動態采集裝置的主要功能如下：

1）動態采集系統主要是進行強振動（加速度計）信息及動態傾斜信息的采集，記錄被監測結構在臺風、海浪、地震作用下的強振動響應，及強振動響應下的振動及傾斜數據。

2）實時分析、統計和保存被監測結構物的強振動響應烈度、主頻率、加速度振幅、烈度報警情況等參數及傾斜度情況。

3）可遠程訪問和操作監測系統；監測結果實時遠程傳輸到總服務器。

4）監測到的動態響應原始數據實時保存在數據采集儀的SD卡里的同時，通過指定的網口實時傳輸到岸上監控室的服務器內。

5）保存在服務器內的原始數據文件可通過遠程提取或以FTP傳輸的形式自動傳輸到總服務器。

6）在服務器內可查看到各測點的振動、動態傾斜實時波形和分析結果，定期自動生成監測結果統計報告。

3.2 ?靜態采集系統

靜態采集裝置的主要功能如下。

1）展示各類傳感器位置分布情況與觀測斷面結構輪廓。顯示超預警信息與設備實時狀態，繪制各監測類型過程曲線圖，編輯各類監控圖。

2）數據傳輸與實時監控。

3）信息分析管理，具有日常工程安全監控和管理的全部功能。

4）設置調整各類監測項目預警值，對于重要監測項目根據設計最大變形及應力設置監控指標，設置預警范圍。

3.3 ?海上風電結構健康自動化監測平臺

海上風電結構健康自動化監測平臺，整體思路是通過安裝在各類基礎上的自動化傳感器設備，進行數據實時采集，并通過數據傳輸系統進行數據傳輸，在集中控制系統獲取到數據后，可對監測數據進行實時處理，分析是否存在超預警情況，并進行數據展示和發布，實現遠程自動化監控，監測平臺網絡拓撲如圖2所示。

如圖3所示，海上風電基礎結構健康自動化監測平臺由設備層、接入層、數據層和應用層組成：

1）設備層其主要作用是完成對現場監測對象的數據采集以及對狀態信息的數據化處理；主要包括各類應力應變傳感器、靜力傳感器、各類鋼筋計、加速度計、傾斜傳感器。

2）接入層主要用于按照統一的接口信息進行協議轉換；主要包括各類傳輸協議、串口服務器、網絡交換機、通信光纖等。

3）數據層主要用于對信息數據進行接受、存儲、分析、控制、管理等數據處理，并提供分發、聯動等數據服務。

4）應用層主要包括了用于組態設計、節點配置、報警配置、權限配置的設計組件庫；用于組態運行、實時報警、事件查詢、聯動執行的運行組件庫；用于報表展示、視頻展示、圖像展示、曲線展示的客戶端以及信息提醒模塊等，多種模塊實現對現場監控信息的交互。

3.4 ?平臺應用

對升壓站和全部組網風電機組的運行狀態進行實時動態監測。包括實時數據和狀態統計兩個部分，如圖4所示。

對升壓站和全部組網風電機組的故障信息進行管理。包括故障告警、故障處理和故障記錄三個部分。

對升壓站和全部組網風電機組的歷史運行狀態數據進行存儲和挖掘分析。包括歷史趨勢、振動分析、統計分析三個部分，如圖5所示。

對升壓站和全部組網風電機組的維保信息進行管理。包括保養提醒、保養處理、保養記錄、維修處理和維修記錄五個部分。

對升壓站和全部組網風電機組的質檢信息進行管理。包括質檢提醒、質檢處理和質檢記錄三個部分。

對系統的運行維護進行管理。包括歷史數據導出、原始數據管理、采集器管理、系統日志四個部分。

對系統的一些基本組成信息進行管理。包括用戶管理、角色管理、外協機構、菜單管理、系統公告五個部分。

4 ?結 ?論

海上風電安全監測是運營維護、日常檢修的關鍵一環，及時準確的監測數據，可精準反饋結構健康安全情況，是海上風電場長期運行、穩定生產的重要保障，主要內容如下：

1）文章論述了海上風電結構健康安全監測的必要性，對監測原理進行了詳細闡述，對不同的監測項目進行了分析，針對關鍵項目振動監測和應力應變監測的產生原因、傳感器監測原理進行了闡述和總結。

2）在技術應用環節，分析了各監測項目的具體作用，并對傳感器安裝技術進行了討論。對海上風電基礎結構健康自動化監測平臺的框架結構、平臺構成以及部分功能進行了詳細論述。

3）由于海上升壓站平臺與風機機組立于海面上，其結構的振動響應、應力應變、傾斜及不均勻沉降等監測數據的趨勢變化與海洋的洋流、波浪載荷、風載荷、風向等外界環境載荷密切相關，后期考慮結合環境監測數據進一步做關聯分析。

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作者簡介：王智超（1994－），男，漢族，山東棗莊人，助理工程師，碩士研究生，研究方向：電力工程監測。