海上風(fēng)電場運維一體化平臺的開發(fā)應(yīng)用研究

黃永堤，吳占友，郝斌

（中海石油（中國）有限公司北京新能源分公司，北京 102209）

海上風(fēng)力資源豐富，有風(fēng)力發(fā)電的良好條件。在當(dāng)下國家能源戰(zhàn)略調(diào)整的過程中，海上風(fēng)電項目逐步增多，在長期的項目中行業(yè)內(nèi)陸續(xù)形成了相對完善的技術(shù)體系。但當(dāng)下海上風(fēng)電項目中，人們對運維提出了新要求，有關(guān)部門應(yīng)摒棄原先的運維觀念及方法，科學(xué)引進(jìn)信息技術(shù)等構(gòu)建運維一體化平臺。部分海上風(fēng)電場運維一體化平臺建設(shè)取得了一定的成就，但依舊存在諸多問題，未來海上風(fēng)電場項目中，有關(guān)人員還需持續(xù)更新運維技術(shù)，構(gòu)建功能更全面的運維一體化平臺。

1 海上風(fēng)電場運維難點

海上風(fēng)電場不同于陸地風(fēng)電項目，其特殊性主要表現(xiàn)在環(huán)境上。因為海上風(fēng)電場建在海上，海洋環(huán)境相對復(fù)雜和多變，給風(fēng)電機(jī)組的運行帶來了負(fù)面影響。因此，海上風(fēng)電場運維工作面臨難度大、時間長、安全風(fēng)險大的特征。針對目前海上風(fēng)電場的運維情況，主要存在以下難題：（1）風(fēng)電場通達(dá)困難。海上天氣相對多變，經(jīng)常面臨惡劣天氣，在此天氣條件下，運維人員無法像陸上風(fēng)電場一樣及時達(dá)到風(fēng)電場進(jìn)行日常巡檢與維護(hù)，如風(fēng)電機(jī)組面臨故障，有關(guān)人員需考慮天氣等情況制定最佳的維修計劃，增大了運維難度。（2）大部件出現(xiàn)故障的情況下，動用大型工程船進(jìn)行吊裝與運輸?shù)某杀据^高。

2 海上風(fēng)電場運維平臺概念及架構(gòu)

2.1 平臺概念

海上風(fēng)電場一體化運維平臺，就是要以信息技術(shù)、人工智能等新技術(shù)建立運維大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)平臺，在海上風(fēng)電機(jī)組運行過程中，該平臺自動采、存儲各種設(shè)備信息，其內(nèi)部集成了不同來源及類型的數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)、云計算等新技術(shù)促進(jìn)了海上風(fēng)電場各個部分的集成，使每個部分能獨立開展工作，又能協(xié)調(diào)方式完成各方面任務(wù)。平臺不僅能在海上風(fēng)電場運行期間采集各種狀態(tài)、參數(shù)信息，還能自動分析信息，識別異常并啟動預(yù)警。在當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的今天，運維一體化平臺中可采用的技術(shù)類型相對較多，在平臺自帶功能支持下，由運維人員統(tǒng)一負(fù)責(zé)設(shè)備運行與維護(hù)，達(dá)到設(shè)備、人、數(shù)據(jù)、安全、環(huán)境的高度統(tǒng)一，即使部分設(shè)備在運行中存在問題，也能快速整合信息確定故障類型及原因，制定最佳的解決措施，恢復(fù)設(shè)備的正常運行。因此，與傳統(tǒng)的運維方式相比，運維一體化平臺可為相關(guān)工作提供便捷，用自動化取代人工作業(yè)，減少在運維方面的人工投入，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)與社會效益。

2.2 平臺架構(gòu)

為凸顯運維一體化平臺在海上風(fēng)電場項目中的作用，相關(guān)人員在具體的工作中應(yīng)合理設(shè)計平臺架構(gòu)，此架構(gòu)應(yīng)包含運維數(shù)據(jù)中心、風(fēng)電機(jī)組生產(chǎn)運行監(jiān)管系統(tǒng)、資產(chǎn)管理系統(tǒng)、運維評價系統(tǒng)等，能在平臺運行時自動采集、智能分析，替代原先的人工運維模式。運維一體化平臺投入使用后，風(fēng)電機(jī)組的各類數(shù)據(jù)均能在平臺內(nèi)集中管理，使平臺數(shù)據(jù)模塊自動處理各類信息，以信息為基準(zhǔn)制定最佳的運營策略。

2.3 運維數(shù)據(jù)中心

運維一體化平臺中運維數(shù)據(jù)中心為關(guān)鍵構(gòu)成，承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集、存儲、集成等關(guān)鍵任務(wù)。以數(shù)據(jù)采集為例，主要由運維數(shù)據(jù)中心來實現(xiàn)，該中心可收集到不同來源與不同類型的數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)分類存儲于對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫內(nèi)，在需要時調(diào)取。數(shù)據(jù)中心采集到的數(shù)據(jù)有實時監(jiān)控類；運行計劃管控指標(biāo)類；技術(shù)支撐類，如設(shè)備運行、試驗、檢修等數(shù)據(jù)；運行管理類，主要為各種生產(chǎn)報表、設(shè)備運行臺賬。這些數(shù)據(jù)的來源廣，數(shù)量龐大，且數(shù)據(jù)格式不一，運維一體化平臺的數(shù)據(jù)中心應(yīng)整合各類數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選、分析，從中提取出更有價值的數(shù)據(jù)，在此過程中數(shù)據(jù)處理效率高，能在后續(xù)的運維工作中發(fā)揮數(shù)據(jù)價值。

3 海上風(fēng)電場運維一體化平臺的開發(fā)應(yīng)用

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 運維全過程管理

海上風(fēng)電場包含了多種設(shè)備，這些設(shè)備的種類繁多，每個設(shè)備都有其各自的運行特點。在運維過程中為降低設(shè)備故障概率，應(yīng)利用運維一體化平臺實現(xiàn)全過程管理，由系統(tǒng)自動監(jiān)控風(fēng)電場SCADA、CMS 系統(tǒng)，一旦在風(fēng)電場運行中設(shè)備發(fā)生了故障，平臺中的設(shè)備健康管理模塊能自動對比異常數(shù)據(jù)與正常數(shù)據(jù)的偏差，如偏差超出標(biāo)準(zhǔn)時反饋信號，提醒相關(guān)模塊注意處理異常部分，當(dāng)相應(yīng)模塊接收到反饋后，全面分析故障預(yù)警特征值、知識庫，以確定故障類型、位置及原因。因為海上風(fēng)電場環(huán)境的特殊性，出海維護(hù)時的難度系數(shù)較大，系統(tǒng)可綜合諸多信息，自動計算維護(hù)此故障時的成本消耗、資源投入，通過確定故障對海上風(fēng)電場其他部分造成的危害程度、維修期間需投入的人力、物力等資源，再綜合分析設(shè)備安全情況，判定是否需實施出海維護(hù)，如必須出海維護(hù)，則需制定工作計劃，選擇備品備件、工具等查詢天氣情況，得到完整且準(zhǔn)確的風(fēng)、浪等基本信息，選擇恰當(dāng)?shù)某龊r機(jī)，避免出海時受異常氣象的干擾；不需要出海維護(hù)時，系統(tǒng)自動結(jié)合已有信息生成維護(hù)任務(wù)包。

運維過程中考慮到海洋環(huán)境的特殊性，相關(guān)人員也需要合理選擇運維工具，但在此過程中需綜合分析故障零部件、備件備品、工具特征。如海上天氣條件相對穩(wěn)定，無異常風(fēng)、浪等情況，需立即生成出海維護(hù)計劃；如氣象條件異常，應(yīng)維持原狀，等待最佳的出海維護(hù)時機(jī)，實施暫時性維護(hù)。出海維護(hù)船應(yīng)按既定路線抵達(dá)故障區(qū)域，立即開始運維工作，在此期間，應(yīng)完整、準(zhǔn)確地記錄工作期間的過程、結(jié)果等；有關(guān)人員按既定計劃實施了一系列維護(hù)操作后，由系統(tǒng)根據(jù)其內(nèi)部記錄，計算本次維護(hù)工作下的人力、物力消耗情況，得到總成本，構(gòu)成維護(hù)成本數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫中的信息在后續(xù)可直接調(diào)用，指導(dǎo)有關(guān)的故障處理。

3.1.2 設(shè)備管理

海上風(fēng)電場包含多種專業(yè)化設(shè)備，不同設(shè)備之間存在一定的關(guān)聯(lián)性，在各項運維工作中相關(guān)人員需理清不同設(shè)備之間的關(guān)系。由于海上風(fēng)電場中的設(shè)備類型多樣，具體的工作中相關(guān)人員需制定分類標(biāo)準(zhǔn)，在將設(shè)備分類后選擇恰當(dāng)?shù)墓芾矸绞健ＴO(shè)備臺賬中記錄的信息相對較多，如每臺風(fēng)電機(jī)組、主要部件的生產(chǎn)廠家、型號等基本參數(shù)，在實際的工作中相關(guān)人員需定期更新臺賬中的設(shè)備故障、維護(hù)等信息。

海上風(fēng)電項目的各項管理、維護(hù)工作中，交通條件的限制性較大，確定維護(hù)和管理方案之前有關(guān)人員需著力分析可達(dá)性，這一分析結(jié)果與工具檢修船舶的出行息息相關(guān)，需通過氣象等因素制定出行計劃。如遇淺灘等特殊條件，通道十分困難，海上維護(hù)作業(yè)中面臨諸多風(fēng)險。根據(jù)海上風(fēng)電場的運維經(jīng)驗，海上船只成本占運維總成本的比重較高，海上風(fēng)電場的運維任務(wù)艱巨，對不同部件、不同故障的維護(hù)，所需用到的工具、船只、人員等有明顯區(qū)別，為合理安排運維工作，相關(guān)人員必須合理安排調(diào)度任務(wù)。船舶調(diào)度的難度較大，需由海圖GIS 來實現(xiàn)，借助其實時定位等功能，實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)度，在整個工作期間可統(tǒng)計、管理船舶編號、作業(yè)類型、船舶類型、狀態(tài)、噸位等基本信息。

3.1.3 數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化運維

運維數(shù)據(jù)中心可集成、存儲、分析、調(diào)用數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)為參考確定運維策略，符合風(fēng)電場智能化運維的要求。在實際的工作中相關(guān)人員可引入多樣化數(shù)學(xué)方法，對各類數(shù)據(jù)展開橫向與縱向比對，借助專業(yè)工具開展線性和相關(guān)性分析、總結(jié)規(guī)律等，生成分析報告。大數(shù)據(jù)系統(tǒng)能對挖掘歷史數(shù)據(jù)，計算實時數(shù)據(jù)，從而綜合這些數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計風(fēng)電機(jī)組的運行情況。

風(fēng)電機(jī)組運行過程中，風(fēng)速為影響機(jī)組運行效率的直接因素，不同的風(fēng)速條件下機(jī)組運行效率等各有不同。在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)警時相關(guān)人員應(yīng)考慮工況情況，分析不同工況條件下的設(shè)備運行情況。如在實際的工作中以風(fēng)機(jī)出廠性能曲線劃分工況的方式來全面分析機(jī)組的運行情況，顯然難以與當(dāng)下的實際情況相一致。為此，實際的工作中應(yīng)基于大量運行歷史數(shù)據(jù)從空間分布角度劃分工況簇，這一劃分方式具有智能化特點，參考目標(biāo)指標(biāo)為評價基準(zhǔn)，從不同工況簇工況中尋優(yōu)，并綜合運行邊界條件、運行狀態(tài)、設(shè)備特性等基本情況，完成機(jī)組能效評價、故障檢測與分析。

運維一體化平臺中風(fēng)功率特性功能模塊為其中的關(guān)鍵部分，在實時/歷史數(shù)據(jù)庫中集成了風(fēng)機(jī)運行、運維等完成信息，平臺有關(guān)模塊能自動統(tǒng)計、篩選信息，得到風(fēng)機(jī)機(jī)組風(fēng)速與電功率之間存在的聯(lián)系，以曲線圖呈現(xiàn)，再由系統(tǒng)自動分析在線離散度偏差情況，以數(shù)據(jù)結(jié)果判定風(fēng)電機(jī)組的運行狀態(tài)等基本情況，采取一系列調(diào)整與控制措施，保持機(jī)組良好的運行狀態(tài)。由于運維一體化平臺中采用了大數(shù)據(jù)與人工智能等技術(shù)，在實際的工作中能綜合歷史和現(xiàn)有數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確預(yù)測風(fēng)功率，并評※※估風(fēng)資源分布和使用情況，從而以這些情況為前提優(yōu)化機(jī)組相關(guān)參數(shù)，提升風(fēng)電機(jī)組的運行水平。

3.1.4 設(shè)備故障預(yù)警及專家診斷

海上風(fēng)電場在運行過程中可能面臨諸多不確定因素，引發(fā)突發(fā)故障，這類型故障的維修難度大、費用高，引發(fā)的經(jīng)濟(jì)損失較大。為了有效解決這一問題，運維一體化平臺中的故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)可自動建立故障預(yù)測模型，該模型在后續(xù)的工作中能自動挖掘、整合與篩選數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中分析故障信息。設(shè)備狀態(tài)預(yù)警指當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到機(jī)組數(shù)據(jù)有異常時，將立即反饋信息，并同步發(fā)送預(yù)警，展開分類統(tǒng)計、狀態(tài)跟蹤、精準(zhǔn)挖掘、專項分析。設(shè)備狀態(tài)預(yù)警主要依托相似性原理的閾值自建模技術(shù)，該技術(shù)支持下幾乎不會出現(xiàn)誤報、漏報問題。

設(shè)備健康度管理EME 選用深度學(xué)習(xí)框架，通過對SCADA、CMS、音視頻圖像等數(shù)據(jù)進(jìn)行建模并分析，經(jīng)由相應(yīng)模型，在線監(jiān)測風(fēng)機(jī)的狀態(tài)健康度，一旦健康度不達(dá)標(biāo)，需立即發(fā)送預(yù)警信號，提醒相關(guān)人員進(jìn)行故障處理。

3.2 平臺應(yīng)用

3.2.1 運維過程業(yè)務(wù)管理

運維一體化平臺兼具多重功能，即使在海洋復(fù)雜多變的環(huán)境，該平臺也能克服諸多限制，集成各種機(jī)組信息，以數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)開展相應(yīng)的工作。如在機(jī)組運行動態(tài)信息的監(jiān)測方面，平臺能自動監(jiān)測風(fēng)機(jī)的停機(jī)/運行、故障、檢修、報警等情況。在統(tǒng)計機(jī)組信息方面，平臺內(nèi)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲與處理能力決定了其在這一方面存在明顯優(yōu)勢，如機(jī)組的啟停機(jī)次數(shù)及時間、風(fēng)能利用情況、風(fēng)機(jī)推力系數(shù)、扭力曲線、功率曲線、溫度數(shù)據(jù)、風(fēng)速、風(fēng)向等數(shù)據(jù)都能在該平臺內(nèi)被應(yīng)用起來。

總之，在運維一體化平臺中的運維過程業(yè)務(wù)管理方面，平臺可發(fā)揮其功能優(yōu)勢，嚴(yán)格按照機(jī)組維護(hù)的有關(guān)要求，由專業(yè)技術(shù)人員、管理人員協(xié)商制定檢修維護(hù)方案，為實際工作指導(dǎo)。結(jié)合實際的工作需求，維護(hù)計劃內(nèi)應(yīng)包含完整的信息，如維護(hù)機(jī)組編號、維護(hù)設(shè)備編號、維護(hù)時間、維護(hù)人員、維護(hù)內(nèi)容、所需設(shè)備類型等，只有保障內(nèi)容的完整性，并確保其中方法、技術(shù)等的合理性，才能使后續(xù)相關(guān)人員嚴(yán)格執(zhí)行該計劃，提高設(shè)備維護(hù)整體水平。在相關(guān)部門批準(zhǔn)了維護(hù)計劃后，維護(hù)人員需立即在系統(tǒng)內(nèi)打印維護(hù)過程記錄表，該表格中包含維護(hù)結(jié)果、維護(hù)人員、維護(hù)所用時間、費用等基本信息。

3.2.2 移動電子兩票

在完善的移動通信網(wǎng)絡(luò)中，可保持工作票與操作票的電子簽名確認(rèn)、簽發(fā)與許可，這一方面的管理功能為海上風(fēng)電場的運維工作創(chuàng)造了較大便捷。風(fēng)電場負(fù)責(zé)電子工作票的填寫與簽發(fā)，前期所制定的安全隔離措施需由現(xiàn)場運維人員來實施，當(dāng)其按照相應(yīng)規(guī)定完成了任務(wù)后再將相應(yīng)結(jié)果拍照上傳到審核平臺，由集中控制中心完成最終審核。

4 結(jié)語

風(fēng)電事業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展趨勢下，海上風(fēng)電場應(yīng)采用全新的運維模式，相關(guān)人員需借助現(xiàn)代信息技術(shù)構(gòu)建科學(xué)且合理的運維一體化平臺，保障該平臺功能的多樣性。未來相關(guān)人員針對海上風(fēng)電場項目，必須持續(xù)注重運維工作，克服原來運維模式的限制，引進(jìn)新技術(shù)開發(fā)全新的運維一體化平臺。