郭慧斌 包文峰 王九華

我國《風電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出，到2020年海上風電裝機容量達到500萬千瓦以上。根據(jù)最新的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2018年12月，我國海上風電累計裝機容量已超過450萬千瓦。目前國內(nèi)主要的海上風電大省均已推出明確的海上風電發(fā)展指導建議，并且擁有明確的海上風電建設規(guī)劃。各整機廠商也開始積極開展海上風電項目建設，海上風電發(fā)展不斷加速。

隨著裝機容量的增加，海上風電機組的運行維護越來越重要。海上風電由于其特殊的地理條件，鹽霧濃度高、濕度大，對設備運行的可靠性方面有較高的要求。與陸上風電場相比，海上風電場的運行維護更加困難，風、浪、潮汐等海洋氣候環(huán)境，增加了海上運維窗口期的不確定性，使得運維可達性差、海上作業(yè)耗時長、作業(yè)難度大，因此，海上風電場的運維成本遠高于陸上風電場。

目前海上風電機組的維修模式主要有定期維護、故障維護、預防性維護。隨著海上風電機組運維經(jīng)驗積累，以預防性維護、預警性維護為主導的精益運維管理系統(tǒng)解決方案將會有更大的發(fā)展空間，其中需要用到先進的傳感、機組狀態(tài)監(jiān)控、大數(shù)據(jù)及云平臺等技術，最終通過精益運維管理，實現(xiàn)海上風電場度電運維成本的有效降低。

海上風電機組精益運維管理要素

海上風電運維成本在海上風電場全生命周期成本中占25%～30%，而海上風電機組的運維成本占海上風電場運維成本的55%以上，因此借助大數(shù)據(jù)、云平臺等信息化手段，提高海上機組的精益運維管理水平，可降低海上風電機組運維成本的5%～10%。海上風電機組的精益運維管理理念貫穿于海上風電機組設計、交付到運維整個鏈條，主要因素包括：海上機組環(huán)境適應性設計、海上機組可靠性設計、海上風電場專用運維基地、海上風電機組可達性策略、海上機組精益運維策略。

一、海上風電機組適應性設計

海上風電場精益運維管理的目的是實現(xiàn)海上風電機組高可靠運行，從而保障發(fā)電收益。不同海域海洋環(huán)境差異較大，因此，在設計前期，需要針對不同海域的風能資源特性進行詳細分析，根據(jù)風區(qū)特點選取適宜的機型。

針對特殊環(huán)境對海上機組的影響（表1），在海上機組設計時，除了需要考慮高溫、高鹽、高濕環(huán)境的適應性設計，還需要針對不同海域的風能資源特性，選取發(fā)電性能最優(yōu)的機組，以及尾流影響最小的機位排布方式。中國近海風能資源分布情況如圖1所示，由圖可知，不同海域的風能資源特性也有較大差異：

（1）長江口以北海域：年平均風速6.4～8m/s，最大風速<42.5m/s，地質條件較好，局部海域受冬季浮冰、基巖、地震等影響。

（2）上海、浙江及廣東以南海域：年平均風速7～8.5m/s，50年一遇最大風速≥50m/s，地質條件一般，受臺風、基巖等影響。

（3）臺灣海峽海域：年平均風速8.5～10+m/s，最大風速>50m/s，地質條件復雜，受臺風、基巖等影響。

二、海上風電機組可靠性設計

可靠性工程（Reliability、Availability、Maintainability、Safety，簡稱RAMS）是包括設備可用性及其影響因素（可靠性、維修性、保障性以及安全性）的綜合表述。在海上風電機組的設計過程中，應積極逐步地采用當前先進、成熟、高效實用的可靠性工程技術，以最快的速度、最低的成本實現(xiàn)風電產(chǎn)品可靠性、維修性、測試性水平的提升，大幅度減少停機維修時間和度電成本。將高效實用的可靠性工程技術與集成產(chǎn)品開發(fā)流程充分融合，可以在機組實際的研發(fā)各階段，根據(jù)需要選擇適用的方法。

RAMS工作的總體框架如圖2所示：在故障信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的支持下結合風電機組運營經(jīng)驗開展風險分析工作，確定排名前N位的（TOP N）故障模式/關鍵部件，并將其作為后續(xù)可靠性工作的重點對象：針對重點對象通過開展常規(guī)RAMS設計、測試性設計等工作，使風電機組具有較高的可靠性，降低故障影響及維修難度，最終達到降低度電成本的目標。

在實際設計應用過程中，主要是通過對設備的大量運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并將其與設計值進行比對，找出兩者之間差異，為機組優(yōu)化設計提供詳細輸入數(shù)據(jù);另外根據(jù)現(xiàn)場運維過程中記錄的維護數(shù)據(jù)，分析故障發(fā)生前后機組運行表現(xiàn)情況，從而在后續(xù)優(yōu)化設計過程中，充分考慮環(huán)境、機組部件可靠性、運維便捷性等因素。即通過大數(shù)據(jù)分析，促進海上機組可靠性設計向工程化、定制化、信息化方向發(fā)展。

三、海上風電場專用運維基地

運維基地顧名思義是運維人員、物資、交通工具等的集合地，既可以?？亢Ｉ巷L電專用運維船舶，運送人員和貨物到機位，又可以在后方陸域場地堆放風電機組及其附屬設備，同時其作為設備維修車間、備品備件倉庫、集中辦公場所和培訓基地等，對保障海上機組的可利用率起著至關重要的作用。

在運維基地選址的過程中，需要重點考慮運維基地碼頭的水文氣象條件，因為這些水文氣象要素對大部件更換船舶、運維母船、運維交通船等安全進出港有較大的影響，從而影響運維基地的運營收益。因此，歐洲國家大多把海上風電運維基地設在主要港口附近，其中比較典型的有比利時Oostend港口（如圖3）、荷蘭Eemshaven港口、丹麥Esbierg港口等。該類港口的主要功能是作為海上風電運維人員的生活基地，海上機組大部件及備品備件倉儲及維修基地，海上人員安全及風電機組維護技能培訓基地，大部件更換船與運維母船、運維交通船等?？考把a給基地，海上風電場運維直升機起降及維護保養(yǎng)基地。從而實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)運維交通、備件、人員等資源共享，整體降低區(qū)域內(nèi)運維成本。

相較于國外成熟的海上風電運維基地，目前國內(nèi)因海上風電的規(guī)模尚處于集中化、區(qū)域化的起步階段，還未形成類似于國外的區(qū)域化運維基地。當前國內(nèi)運維碼頭大部分為內(nèi)河碼頭，少部分為海邊漁民專用碼頭或港口大型碼頭，但該類碼頭基本只能允許臨時?？?，長期停泊或避風仍需到內(nèi)河碼頭。由于內(nèi)河碼頭受閘口開關時間限制，對于航行距離超過25km的風電場而言，人員及設備上船效率以及風電場的可達性都將受到影響，并且也存在一定的安全風險（如圖4）。隨著江蘇、廣東、福建等海域大批項目完成建設并進入運維階段，產(chǎn)生的集聚效應將有效促進區(qū)域化海上風電場運維基地的形成與應用。

四、海上風電機組可達性

目前海上風電場出海主要交通工具包括專用運維船舶、直升機、大型SOV（即運維母船）等，不同交通工具滿足不同的出海作業(yè)工況要求（如圖5），而選擇的交通工具不同，海上風電機組年度有效出海作業(yè)時間也就不同。

為了滿足海上風電機組年度有效作業(yè)時間，對于離岸距離較遠的海上風電場，行業(yè)內(nèi)開發(fā)商、整機商、第三方運維公司也正積極思考解決方案。目前對于離岸距離超過50km的海上風電場，開發(fā)商擬在海上建立運維基地，同時在年度檢修時，同區(qū)域幾個風電場聯(lián)合租賃大型運維母船SOV，從而整體降低運維交通成本。以下以一個離岸距離100km的風電場為例，對比分析不同運維基地的有效運維工作時長和運維成本：

（1）從岸上進行服務支持：直升機場在服務基地附近：備件在岸上。

（2）從海上進行服務支持：無人值守海上平臺：帶直升機平臺和備件倉儲。

（3）從海上進行服務支持：有人值守海上平臺或可住宿船（全年24h/7d），帶直升機平臺和備件倉儲。

由圖6可知，該項目的有效作業(yè)工時最長的為基于有人值守的海上生活平臺，為11.4h/d;運維交通租賃成本最低的為海上基地直升機+運維船，為3.2歐分/千瓦時。

五、精益化運維策略

海上風電場精益化運維策略力求為海上風電場開發(fā)商各級管理者及生產(chǎn)運行人員提供一個全方位、多視角的信息平臺，為海上風電場運維人員的高效、安全運維作業(yè)保駕護航（如圖7）。

以海上風電場精益化運維策略為核心的海上風電場智能運維管理系統(tǒng)是以生產(chǎn)設備管理為目標，以生產(chǎn)運行人員、設備維護人員為主要服務對象，將生產(chǎn)管理的主要工作流程與人力、物資、技術、安全、成本等信息關聯(lián)起來，有效提高出海作業(yè)人員作業(yè)效率，降低風電機組故障停機時間，以達到降低海上風電場運維成本、提高風電場發(fā)電效益的目的。

通過在風電機組不同部件上布置相應的傳感器，再由海底光纖將獲取的實時運行數(shù)據(jù)回傳至陸上集控中心，在該中心建立云平臺，并開發(fā)機組遠程診斷及控制模型，從而實現(xiàn)對風電機組的實時監(jiān)測及運行控制。另外結合專業(yè)的水文氣象預報數(shù)據(jù)，擬開發(fā)的海上風電機組智能預警系統(tǒng)、故障專家?guī)?、運維基礎資源數(shù)據(jù)庫等功能，為海上風電場的運行和管理提供一套信息管理系統(tǒng)。

精益化運維策略的核心輸入是水文氣象數(shù)據(jù)，海上風電場相較于陸上風電場機組的可利用率差異就在于機組的可達性。目前國內(nèi)已有一些專門應用于海上風電場日常管理的水文氣象預報預警系統(tǒng)（如圖8），該類系統(tǒng)主要功能如下=

（1）歷史數(shù)據(jù)下載與統(tǒng)計分析功能：通過該系統(tǒng)保存的過去10～30年歷史模擬水文氣象數(shù)據(jù)，用戶可在獲得權限或購買相應服務后，自行下載任意機位點的歷史水文氣象數(shù)據(jù)。利用該數(shù)據(jù)，可有效分析出施工及運維有效作業(yè)時間窗口，從而為工程交付計劃及運維計戈0制定提供數(shù)據(jù)輸入。

（2）未來1～10天的精細化水文氣象信息預報功能：系統(tǒng)可實現(xiàn)1km～lkm.逐小時的水文氣象信息預報，包括不同高度的風速、風向、浪高、浪向、海流、水深等要素，利用該數(shù)據(jù)，可輔助制定短期（3～5天）施工及運維作業(yè)計劃。

（3）災害性天氣預警功能臺風、雷暴、海霧、強降雨等。海1-風電機組精益運維管理實踐

海上風電機組運維分為故障維護、年度檢修、技改、消缺等作業(yè)任務。由于海上機組相較于陸上機組存在交通可達性較差、運維作業(yè)時長有限等缺點，因此，需要將精益管理的理念融入機組日常維護作業(yè)過程中，精益運維理念旨在通過利用現(xiàn)代化傳感技術、大數(shù)據(jù)分析技術、物聯(lián)網(wǎng)技術等，變海上機組運維工作“被動式維護”為“預防性維護”。

目前市場上主流的海上風電機組設計及生產(chǎn)廠家基本上都在建立各自的精益運維管理體系，基本思路為從設計階段引入精益運維管理理念，增加機組智能控制技術;通過已運行大量機組運行數(shù)據(jù)，進行反向FEMA分析，開發(fā)關鍵部件的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)將與海上機組運維相關的天氣、人員、交通、備件、工具等要素實現(xiàn)平臺化、信息化管理，基于風功率預測，以發(fā)電量及出海成本最優(yōu)為目標，將運維作業(yè)任務分解，從而實現(xiàn)預防性維護與故障維護相結合的精益化管理模式，最終促進海上風電度電運維成本下降。

一、海上機組智能控制

智能控制基本分為三層：單機層、場級層及云端層，分別針對智能感知、協(xié)同決策及大數(shù)據(jù)分析等智能需求而設計，并設有三級安全區(qū)即安全I區(qū)、安全II區(qū)、安全III區(qū)，由相應的防火墻及正反向隔離設備確保風電場信息安全，在實現(xiàn)智能數(shù)據(jù)交互控制的同時保證信息的絕對安全（如圖9）。

智能控制系統(tǒng)利用場端、云端雙重優(yōu)勢，依據(jù)自我認知的結果以及外部環(huán)境特點等因素，將自主完成狀態(tài)評估、性能回歸、性能提升以及行為預測等功能，如圖10所示。

（1）自主狀態(tài)評估：風電機組精確感知自我狀態(tài)及環(huán)境條件，完成性能狀態(tài)評估，主要包括風電機組自主系統(tǒng)辨識（變槳系統(tǒng)、轉矩系統(tǒng)、葉片系統(tǒng)、塔架系統(tǒng)等）、自主行為安全評估、自主功率曲線評估、自主風況評估（平均風速、湍流強度、極端陣風）等：

（2）自主性能回歸：風電機組根據(jù)狀態(tài)評估結果，完成自主性能優(yōu)化，以達到風電機組設計性能指標，包含最優(yōu)槳距角智能控制、智能偏航控制、最優(yōu)增益自主尋優(yōu)控制等：

（3）自主性能提升：風電機組根據(jù)狀態(tài)評估及載荷輸入，完成基于載荷的性能提升，創(chuàng)造更大用戶價值，包括基于葉根的載荷控制包及基于模型的載荷估計器等：

（4）自主行為預測：在風電機組控制策略中加入自學習功能，即風電機組本身可根據(jù)歷史運行數(shù)據(jù)，對比原始設計值，自主判斷運行的效果，并通過環(huán)境的實時觀測數(shù)據(jù)，預測未來一段時間內(nèi)。風電機組的發(fā)電性能、各部件運行情況，從而可有效控制機組各部件的協(xié)同運行，起到自我保護功能。主要技術包括基于葉根載荷的風速估計、基于激光雷達的智能控制、基于模型風速預測的優(yōu)化控制等。

二、海上機組狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

海上機組狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)由于是對不同機組部件建立不同的監(jiān)控模型，因此，監(jiān)控輸入數(shù)據(jù)源不同，所采用的輸入數(shù)據(jù)辨識方法、控制算法也有較大區(qū)別。采用不同分析和控制算法是為了更具體、更精準認知被監(jiān)控部件的實際運行情況，以及預判未來一段時間內(nèi)，在不同外界環(huán)境條件下機組的運行情況，從而保證機組整個生命周期的安全及運行性能（如圖11）。

隨著國內(nèi)海上風電場開發(fā)規(guī)模擴大，福建、廣東等受臺風影響較多的海域也逐漸有海上風電機組并網(wǎng)發(fā)電，因此。在關注機組正常天氣條件下的運行狀態(tài)監(jiān)控外，臺風區(qū)域機組需要更加注重臺風工況下的運行狀態(tài)監(jiān)控。目前各整機廠商都在研究臺風工況下的控制策略，將海上機組狀態(tài)監(jiān)控與臺風期間的水文氣象預報預警系統(tǒng)相結合，從而實現(xiàn)臺風過境前、中、后期間，根據(jù)臺風中心與風電場之間的距離，有效利用臺風外圍進行發(fā)電，提高發(fā)電收益。具體控制策略（以某風電整機廠商為例）如圖12所示。

臺風過境前：水文氣象預警平臺實時發(fā)布臺風路徑、與風電場距離、風電場水文氣象信息。臺風過境時：根據(jù)臺風預報及預警機制，啟動臺風控制策略，切出風速前有效利用臺風外圍滿發(fā)或超發(fā)：達到切出風速后，根據(jù)風速大小逐漸降功率運行，保障機組發(fā)電;根據(jù)極限工況設計值及實際風速情況，采取停機和主動背風等控制策略，保障機組安全。

三、基于云平臺及大數(shù)據(jù)的故障診斷及預警模型

故障診斷及預警模型，是先對故障進行診斷，并建立預警模型，當達到運行預警臨界值，風電機組控制系統(tǒng)將發(fā)出預警信息。主要工作思路是將海上機組歷史故障數(shù)據(jù)進行整理分析，同時將發(fā)生故障時的外界環(huán)境條件、相關聯(lián)部件的運行情況等數(shù)據(jù)進行綜合分析，從而建立海上機組不同部件的故障預警模型。該過程將會用到云平臺、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術。故障診斷及預警模型，可為現(xiàn)場運維人員提供一套快速、高效、智能的檢索故障及查詢故障處理方案。

該模型通過對已經(jīng)發(fā)生的故障、狀態(tài)、信號和事件等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和比較，發(fā)現(xiàn)潛在的問題和規(guī)律性的運行特征，評價設備的運轉情況及預測系統(tǒng)可能發(fā)生的故障，并進行相應設備狀態(tài)、故障建模，從而可形成一系列故障專家模型庫，最終將實現(xiàn)對海上機組的智能化綜合故障預警。如圖13為某廠家海上機組專家診斷系統(tǒng)設計示意圖。

四、海上風電場精益運維計劃管理平臺

海上機組出海作業(yè)運維計劃排布需要考慮的因素包括人員、設備、備件、交通、天氣窗口等。精益運維計劃管理平臺旨在將與海上風電機組運維相關的基礎信息，如：海洋水文氣象預報、出海維護作業(yè)內(nèi)容、故障及所攜帶備件、未來海上機組發(fā)電性能等進行集成開發(fā)，并通過狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷與預警模型，分析出海上機組未來短期（5～7天）需要完成的出海作業(yè)任務，同時基于發(fā)電量和運維成本最優(yōu)，利用計算機自動生成出海作業(yè)任務計劃，并根據(jù)運維情況進行優(yōu)化（如圖14）。

（一）基于發(fā)電量最優(yōu)的精益運維計劃自動排布設計

精益運維計劃管理是通過系統(tǒng)中各模塊提取風電場特征、水文氣象、人員、物資、船舶等數(shù)據(jù)，然后導入待辦任務，并參照標準定義業(yè)務需求，將導入的任務轉入運維計劃自動優(yōu)化排布系統(tǒng)。系統(tǒng)將自動安排給出未來一個運維周期內(nèi)（例如一個月）的多種出海運維方案、每種方案出海成本（含經(jīng)濟成本和時間成本）及預期發(fā)電收益。按照預期發(fā)電收益從高到低排名，用戶從中選取排名靠前（如前3名）的一套方案作為第二天出海計劃，安排任務派發(fā)。在計劃執(zhí)行階段，用戶通過平臺的氣象預報、通信調度、船舶監(jiān)控等功能來保障運維計劃的完成。

如圖15所示，系統(tǒng)自動從運維計劃中以時間軸為依據(jù)，從大量運維計劃樣本中選取短期內(nèi)（3～5天）必須完成的工作計劃，并通過發(fā)電量以及成本核算模型，自動排布出前5個運維計劃，若計算結果不能收斂，系統(tǒng)將會自動調整樣本數(shù)據(jù)，再進行迭代計算。最終得出推薦的前3種運維計劃排布策略。

（二）基于出海成本最優(yōu)的精益運維計劃自動排布設計

對于國內(nèi)風電場，由于近海岸區(qū)域存在很多需要在航行時避開的區(qū)域，再考慮潮間帶因素，僅依靠現(xiàn)有算法模型不能滿足需求?；诤DGIS，采用柵格最優(yōu)路徑求解方法可以有效評估船舶最優(yōu)航行路徑和出海成本。

基于柵格求解最優(yōu)路徑的方法為：

（1）將出海范圍區(qū)域的海圖劃分網(wǎng)格，綜合評估氣象預報網(wǎng)格精度、海圖每個網(wǎng)格所包含的要素，來決定網(wǎng)格尺寸。

（2）從出發(fā)地到目的地（圖16），基于時間序列考慮，采用A*算法來求解網(wǎng)格最優(yōu)路徑，并評估路徑成本。海上風電機組精益運維管理總結與展望

海上風電機組精益運維管理是一個系統(tǒng)工程，需要機組在設計階段就考慮可維護性、遠程監(jiān)控等軟硬件開發(fā)，同時在日常運維管理中引入大數(shù)據(jù)、云平臺、物聯(lián)網(wǎng)等技術，在此基礎上形成一套科學的、具備可行性的海上精益運維管理系統(tǒng)方法。該方法從理論到實踐，將會根據(jù)國內(nèi)海上風電場發(fā)展的不同階段不斷發(fā)展完善。

一、單個海上風電場精益運維管理方向

隨著大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來，海上運維管理由經(jīng)驗化、紙質化正逐步向信息化、無紙化、平臺化、精益化、智能化發(fā)展。目前國內(nèi)各大整機廠商也在積極探索利用智能傳感技術與互聯(lián)網(wǎng)，形成海上風電場運行數(shù)據(jù)庫，同時利用大數(shù)據(jù)分析技術將以上數(shù)據(jù)進行整合分類;通過建立人工智能故障診斷及專家?guī)炷Ｐ?，實現(xiàn)海上風電機組運維的智能化控制，有利于及時發(fā)現(xiàn)并排除機組可能出現(xiàn)的故障，并采取有效的應對策略，從而降低風電運維成本，提升海上風電的運維效率。

二、區(qū)域化海上風電場精益運維管理方向

未來隨著區(qū)域海上風電大數(shù)據(jù)中心、區(qū)域海上風電場運維產(chǎn)業(yè)鏈、區(qū)域運維基地等資源與技術的逐步發(fā)展和應用，區(qū)域內(nèi)海上風電場運維資源將實現(xiàn)共享。從而降低整個區(qū)域內(nèi)海上風電場的度電運維成本。