徐 進(jìn)，孫 靜，牛 倩

(1.內(nèi)蒙古察哈爾新能源有限公司，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 028000；2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

近些年來(lái)風(fēng)力發(fā)電在中國(guó)全部發(fā)電裝機(jī)容量的比重穩(wěn)步提升，但龐大的裝機(jī)規(guī)模、巨大的成本壓力以及暴露出來(lái)的安全問(wèn)題使得風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行維護(hù)管理技術(shù)的難度也同時(shí)提升[1]。因此，如何實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)大型風(fēng)電基地運(yùn)營(yíng)管理模式向現(xiàn)代智能運(yùn)營(yíng)管理模式的轉(zhuǎn)變，是電站業(yè)主和投資者們保障風(fēng)電基地智能高效運(yùn)行的重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題[2]。

本文提出了一種基于主動(dòng)預(yù)防策略的風(fēng)電場(chǎng)智能運(yùn)維管理解決方案。該方案以主動(dòng)預(yù)防策略為基準(zhǔn)，結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)先進(jìn)運(yùn)維技術(shù)手段，解決了風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維成本高、發(fā)電量低的難題，有助于提高風(fēng)電場(chǎng)、變電站巡視檢修質(zhì)量，優(yōu)化工作流程，及時(shí)消除風(fēng)電場(chǎng)、變電站在一、二次設(shè)備、通訊網(wǎng)絡(luò)及在線監(jiān)測(cè)裝置中存在的隱患和缺陷等，實(shí)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)運(yùn)維從被動(dòng)性運(yùn)維模式向預(yù)判性運(yùn)維模式的轉(zhuǎn)變。

1 風(fēng)電場(chǎng)傳統(tǒng)運(yùn)維系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題

風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維管理主要包括日常運(yùn)行、維護(hù)、故障檢修等生產(chǎn)類操作管理以及人力資源、材料物資等與生產(chǎn)緊密相關(guān)的辦公類輔助管理等。運(yùn)維管理模式為被動(dòng)型運(yùn)維模式，即當(dāng)問(wèn)題發(fā)生以后采取解決措施[3]。

1.1 風(fēng)電場(chǎng)傳統(tǒng)運(yùn)維成本高

(1)運(yùn)維分散，人員冗余。隨著風(fēng)電場(chǎng)數(shù)量的迅速膨脹，每增加一個(gè)5萬(wàn)千瓦風(fēng)電場(chǎng)至少需要增加 12 名運(yùn)行人員及4名檢修人員，人員成本逐年增高[4]。各風(fēng)場(chǎng)作為獨(dú)立的責(zé)任部門(mén)，技術(shù)骨干、備品備件、試驗(yàn)設(shè)備等檢修資源難以有效最大化發(fā)揮作用，公共資源大量浪費(fèi)，增加了潛在經(jīng)濟(jì)損失。

(2)運(yùn)維手段落后。風(fēng)電場(chǎng)與升壓站日常巡檢、定期運(yùn)行維護(hù)工作、故障檢修、預(yù)防性試驗(yàn)，以及大量運(yùn)行維護(hù)信息查詢、錄用、分析等工作只能依靠人工完成，運(yùn)維效率低且工作量大[5]。

1.2 發(fā)電量低

(1)設(shè)備智能化程度低。傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)具備風(fēng)機(jī)本體的現(xiàn)地與遠(yuǎn)程監(jiān)控，接收電網(wǎng)下達(dá)指標(biāo)進(jìn)行功率控制與調(diào)節(jié)。在智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面普遍僅具備機(jī)組在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，無(wú)法評(píng)估風(fēng)機(jī)整體健康狀態(tài)，風(fēng)機(jī)可利用率和發(fā)電量難以提升。

(2)運(yùn)維檢修模式落后。傳統(tǒng)運(yùn)維檢修模式以事后檢修與定期檢修為主，以狀態(tài)檢修為輔，無(wú)法快速準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)故障根源并修復(fù)，風(fēng)機(jī)大部件更換導(dǎo)致非計(jì)劃停機(jī)，造成發(fā)電損失大大增加[6]。

(3)運(yùn)維技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不完善。缺少完整的運(yùn)維技術(shù)質(zhì)量管理與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，質(zhì)保期風(fēng)電運(yùn)維主要依靠設(shè)備廠商，質(zhì)保期后由于檢修維護(hù)人員的能力水平不一且缺乏對(duì)運(yùn)維人員的考核與激勵(lì)機(jī)制，導(dǎo)致運(yùn)維質(zhì)量良莠不齊[7]。

(4)責(zé)任劃分不明確。風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)基本只有電量是準(zhǔn)確的，每個(gè)風(fēng)場(chǎng)應(yīng)該發(fā)多少電量，損失了多少電量，損失的責(zé)任與原因都不清楚，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的責(zé)任歸位與績(jī)效考評(píng)，缺乏智能分析導(dǎo)致發(fā)電量低的責(zé)任原因[8]。

2 主動(dòng)預(yù)防策略

針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)傳統(tǒng)運(yùn)維管理存在的上述問(wèn)題，提出降低運(yùn)維成本，提升發(fā)電量為核心指導(dǎo)思想的主動(dòng)預(yù)防策略。所謂主動(dòng)預(yù)防策略，即針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)可能出現(xiàn)的事故問(wèn)題提前采取預(yù)防措施，強(qiáng)調(diào)運(yùn)維計(jì)劃的預(yù)防性和前瞻性。其“主動(dòng)性”體現(xiàn)在全生命周期不安排定期預(yù)防性維護(hù)(大、小修)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可導(dǎo)致設(shè)備失效的系統(tǒng)根源性參數(shù)并及時(shí)糾正根源性異常工況， 以保持重要設(shè)備健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)全壽命周期主動(dòng)預(yù)防與狀態(tài)檢修。

圖1 智能運(yùn)維主動(dòng)預(yù)防策略示意

主動(dòng)預(yù)防策略具體可分為以下兩個(gè)部分：

(1)以智能健康管理系統(tǒng)模塊為核心，通過(guò)智能運(yùn)營(yíng)平臺(tái)智能生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理、設(shè)備健康評(píng)估以及智能指標(biāo)分析等高級(jí)業(yè)務(wù)功能，把生產(chǎn)運(yùn)行、人力資源、材料物資、備品備件、安全安防等系統(tǒng)充分利用、銜接起來(lái)，確保風(fēng)電場(chǎng)高效、安全的運(yùn)轉(zhuǎn)。

(2)采用先進(jìn)智能設(shè)備與智能巡檢先進(jìn)手段，代替人工運(yùn)維或減少人工運(yùn)維次數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)各場(chǎng)站無(wú)人值班、區(qū)域運(yùn)維的目標(biāo)。

3 智能健康管理系統(tǒng)

主動(dòng)預(yù)防的核心在于創(chuàng)建風(fēng)電場(chǎng)的智能健康管理系統(tǒng)。智能健康管理系統(tǒng)利用智能運(yùn)維平臺(tái)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)及變電站設(shè)備正常運(yùn)行、告警、故障等各種狀態(tài)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、挖掘、分析，建立預(yù)警算法，預(yù)測(cè)未來(lái)設(shè)備狀態(tài)發(fā)展態(tài)勢(shì)，及早發(fā)現(xiàn)亞健康狀態(tài)，提出健康管理報(bào)表，結(jié)合生產(chǎn)管理系統(tǒng)人力資源情況、資產(chǎn)物料情況生成運(yùn)行檢修方案，提交審核后告知運(yùn)維人員，由運(yùn)維人員根據(jù)運(yùn)檢方案及時(shí)消除隱患并反饋健康管理系統(tǒng)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化算法完成閉環(huán)管理，從而降低故障停機(jī)率，延長(zhǎng)平均故障間隔時(shí)間，減少人工工作量。智能健康管理系統(tǒng)功能如圖2所示。

圖2 智能健康管理系統(tǒng)功能示意

(1)故障預(yù)警模型。對(duì)于風(fēng)電機(jī)組應(yīng)考慮不同機(jī)型的問(wèn)題類型和差異性，建立通用的模型，便于不同機(jī)型之間擴(kuò)展使用，提升系統(tǒng)的適應(yīng)性和兼容性，實(shí)現(xiàn)智能故障預(yù)警。

(2)智能故障診斷。通過(guò)早期故障診斷，能夠及時(shí)對(duì)機(jī)組進(jìn)行維護(hù)，避免發(fā)生運(yùn)行事故和發(fā)展成更嚴(yán)重的破壞，延長(zhǎng)部件使用壽命，降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行維修成本具有重要意義?？刹捎霉收蠘?shù)診斷方法、專家系統(tǒng)、模糊數(shù)學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能診斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)健康狀態(tài)的診斷。

(3) 智能狀態(tài)評(píng)估。通過(guò)提取風(fēng)電機(jī)組屬于各個(gè)空間的健康數(shù)據(jù)，利用各個(gè)參數(shù)的業(yè)務(wù)意義與數(shù)據(jù)挖掘算法等進(jìn)行各個(gè)參數(shù)在該多維環(huán)境分組下的特征值的計(jì)算，包括值域范圍、平均值、聚類后的范圍、權(quán)值等，代表該多維環(huán)境的各個(gè)參數(shù)的特征值。而將各個(gè)參數(shù)有屬于自己的權(quán)重，利用各個(gè)參數(shù)的權(quán)重以及自身的特征值，計(jì)算出該空間風(fēng)電機(jī)組健康狀態(tài)的健康值。

4 風(fēng)電場(chǎng)先進(jìn)運(yùn)維設(shè)備

4.1 智能風(fēng)機(jī)

智能風(fēng)機(jī)是利用綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過(guò)先進(jìn)的測(cè)量和傳感技術(shù)、建模分析技術(shù)、控制方法以及協(xié)同決策技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)、高效、可靠、安全，以及環(huán)境與電網(wǎng)友好的目標(biāo)。

智能風(fēng)機(jī)的“智能”之處在于其主軸、葉片、塔架、基礎(chǔ)以及螺栓均配置狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。風(fēng)機(jī)主軸采用振動(dòng)加速度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主軸承、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、機(jī)艙等部件的振動(dòng)頻譜、振動(dòng)幅度。風(fēng)機(jī)葉片通過(guò)風(fēng)機(jī)葉片上的應(yīng)變片感應(yīng)電壓變化量識(shí)別葉片載荷、疲勞損傷和振動(dòng)頻率變化，通過(guò)安裝在塔架外壁的智能聲音傳感器/振動(dòng)加速度傳感器，識(shí)別異常頻和譜固有頻率，識(shí)別雷擊、前緣腐蝕、前/后緣開(kāi)裂、主梁損傷發(fā)出的異常聲音/頻率。風(fēng)機(jī)塔架主要通過(guò)分別安裝在每節(jié)法蘭及機(jī)艙平臺(tái)振動(dòng)加速度傳感器、晃度儀，對(duì)塔架?chē)?yán)重的結(jié)構(gòu)損傷、基礎(chǔ)松動(dòng)、塔架的焊縫開(kāi)焊、螺栓松動(dòng)等進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)加速度信號(hào)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控塔架的運(yùn)行情況等等。在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維技術(shù)方面表現(xiàn)出以下幾個(gè)功能特點(diǎn)。

4.1.1深度感知

智能風(fēng)機(jī)深度感知能力來(lái)源于智能傳感器。對(duì)風(fēng)機(jī)所處環(huán)境、狀態(tài)、行為的全方位、深層次的感知，通過(guò)精準(zhǔn)定位，為智能風(fēng)機(jī)的管理和控制，提供準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)輸入。

4.1.2自我認(rèn)知和控制

基于深度感知的多維數(shù)據(jù)，智能風(fēng)機(jī)針對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析，對(duì)事件的先后邏輯、因果關(guān)系進(jìn)行挖掘；面向場(chǎng)景，建立更細(xì)分維度的分析模型和控制策略，實(shí)現(xiàn)機(jī)組從自我識(shí)別、自我學(xué)習(xí)、自主控制到自主適應(yīng)的過(guò)程。

4.1.3協(xié)同決策

風(fēng)機(jī)僅通過(guò)單機(jī)自身的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析決策和控制，難以在更高的層級(jí)上實(shí)現(xiàn)效率和收益的最優(yōu)。因此需要在更高層級(jí)進(jìn)行協(xié)同決策，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計(jì)。如場(chǎng)站層級(jí)、場(chǎng)群層級(jí)和能源系統(tǒng)層級(jí)。

4.2 智能箱式變電站

智能箱式變電站內(nèi)安裝傳感器、數(shù)據(jù)采集器。將電氣設(shè)備狀態(tài)的信息參數(shù)并上送智能運(yùn)營(yíng)平臺(tái)，通過(guò)平臺(tái)對(duì)智能箱變各部件進(jìn)行統(tǒng)一編碼，建立各部件相應(yīng)臺(tái)賬，實(shí)現(xiàn)對(duì)其全生命周期管理功能；通過(guò)增加智能鎖具，在平臺(tái)實(shí)現(xiàn)誤入帶電間隔、融入電氣五防隔離、錯(cuò)誤報(bào)警提示和使用信息追溯等功能；通過(guò)增加相應(yīng)二維碼，在平臺(tái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)維檢修工作是否到位的校驗(yàn)功能等。智能箱變?cè)陲L(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維管理系統(tǒng)中具備以下功能特點(diǎn)：

(1)實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜溫度、箱變內(nèi)環(huán)境溫度、避雷器的放電次數(shù)、箱變內(nèi)煙霧、變壓器溫度、變壓器氣體等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

(2)將電氣設(shè)備狀態(tài)的信息參數(shù)并上送智能運(yùn)營(yíng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解析，信號(hào)存儲(chǔ)等。

4.3 智能輸電線路

輸電線路智能化主要由狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)裝置以及無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)組成。

輸電線路狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)裝置是利用太陽(yáng)能+蓄電池供電，通過(guò)無(wú)線公網(wǎng)、WIFI、OPGW光纖、無(wú)線網(wǎng)橋等通信方式對(duì)輸電線路通道、微氣象、桿塔傾斜、覆冰、導(dǎo)線溫度、弧垂等線路情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)并上傳至監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心不僅可以看到現(xiàn)場(chǎng)圖像，還可以對(duì)各項(xiàng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、診斷，預(yù)測(cè)線路運(yùn)行狀態(tài)，采取適當(dāng)?shù)拇胧┮韵?、減輕險(xiǎn)情，保證輸電線路的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

電力線路巡檢無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可采用無(wú)人機(jī)搭載數(shù)碼攝像機(jī)、紅外熱像儀、紫外成像儀、激光掃描儀等傳感器進(jìn)行低空飛行和故障巡視。以無(wú)人機(jī)為載體，通過(guò)集成高分辨率數(shù)碼相機(jī)，紅外熱像儀、紫外成像儀、激光掃描儀、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以及全球定位系統(tǒng)，形成一個(gè)一體化多傳感器電力線路巡檢平臺(tái)，獲取的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像，可實(shí)現(xiàn)輸電線路自動(dòng)識(shí)別，并實(shí)現(xiàn)輸電通道和安全距離的量測(cè)、分析、判斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路走廊超高樹(shù)木、交叉跨越、違章建筑、水土流失等多種隱患。

圖3 智能巡檢機(jī)器人工作流程

5 風(fēng)電場(chǎng)先進(jìn)運(yùn)維手段

5.1 智能巡檢機(jī)器人

在無(wú)人值守變電站通過(guò)智能巡檢機(jī)器人完成變電站巡檢工作。運(yùn)檢中心在接到變電站事故信息后，可通過(guò)機(jī)器人客戶端導(dǎo)航圖點(diǎn)選指定設(shè)備，建立特巡任務(wù)，并發(fā)送指令，機(jī)器人第一時(shí)間深入事故現(xiàn)場(chǎng)，到達(dá)指定位置后，實(shí)時(shí)錄制和讀取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，查看相鄰設(shè)備，利用機(jī)器人視頻傳輸和信息交互快速向運(yùn)檢中心傳送現(xiàn)場(chǎng)信息，運(yùn)維人員即可快速了解現(xiàn)場(chǎng)情況，掌握現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)，及時(shí)確定處理方案，保障運(yùn)維人員人身安全，對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行，供電可靠性提供技術(shù)支撐。可分為變電站巡檢機(jī)器人、機(jī)房巡檢機(jī)器人和開(kāi)關(guān)柜巡檢操作機(jī)器人。其工作流程如圖3所示。

5.2 智能安全帽

智能安全帽系統(tǒng)主要包含安全帽本體、傳感器檢測(cè)模塊、語(yǔ)音報(bào)警模塊、GPS定位模塊、通訊模塊、報(bào)警模塊、電源模塊、后臺(tái)管理系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等組成。智能安全帽設(shè)備主要分為兩類，一類是音視頻型，一類是定位和行為型。其功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 智能安全帽功能結(jié)構(gòu)示意

5.3 智能鑰匙

場(chǎng)站端配置智能鑰匙系統(tǒng)，采取物聯(lián)網(wǎng)授權(quán)開(kāi)鎖方式，所有鎖具只有在授權(quán)后才能按照開(kāi)啟順序開(kāi)啟和開(kāi)錯(cuò)鎖具報(bào)警等功能，有效避免了因開(kāi)錯(cuò)鎖具誤操作帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)隱患，安全生產(chǎn)過(guò)程更加高效流暢。

6 結(jié) 語(yǔ)

基于主動(dòng)預(yù)防策略的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維管理系統(tǒng)，構(gòu)建風(fēng)電項(xiàng)目智能運(yùn)維管理平臺(tái)。通過(guò)平臺(tái)智能健康管理系統(tǒng)功能模塊、智能生產(chǎn)運(yùn)維管理系統(tǒng)功能模塊以及移動(dòng)運(yùn)維設(shè)備管理系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，解決了傳統(tǒng)風(fēng)電運(yùn)維成本高和發(fā)電量低的問(wèn)題，通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)先進(jìn)的運(yùn)維手段，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電新能源發(fā)電項(xiàng)目運(yùn)維管理的全面升級(jí)，提高了全站智能化的先進(jìn)水平。