1 海上風(fēng)電場特點
1) 海上環(huán)境高溫差、高濕度、高鹽霧,常受雷電和臺風(fēng)侵襲影響,運行環(huán)境惡劣,機組設(shè)備發(fā)生故障的概率高。
2) 裝機規(guī)模較大,風(fēng)電機組眾多,分布海域廣闊,巡檢十分不便。
3) 風(fēng)電機組離岸距離遠。受制于氣候、交通工具的約束,可達性差,運維難度大,且成本較高。
4) 風(fēng)電機組無人值守。海上升壓站通常無人值班,需由陸上集控站遠程監(jiān)管,其自動化水平以及通信的可靠性要求很高。
2 海上風(fēng)電機組監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀
海上風(fēng)電機組監(jiān)控系統(tǒng)的通訊協(xié)議,目前大都是廠家內(nèi)定;相互不兼容,接入升壓站的監(jiān)控系統(tǒng)困難,難以在陸上集控站實現(xiàn)統(tǒng)一的監(jiān)控與管理;主、輔設(shè)備設(shè)施的各個監(jiān)控子系統(tǒng),各自相互獨立,導(dǎo)致運維管理不便等諸多問題。主要體現(xiàn)在以下幾個方面。
1) 風(fēng)機控制系統(tǒng)的通信協(xié)議,廠家內(nèi)定而且不開放。
2) 機組數(shù)字化、智能化程度低,缺乏簡單高效的遠程運維管控手段。
3) 風(fēng)電機組、箱變的監(jiān)控子系統(tǒng),相互獨立;機組之間信息共享也不足,協(xié)調(diào)控制不便。
4) 塔筒塔架內(nèi)外輔助設(shè)施的監(jiān)控子系統(tǒng)多,相互獨立,監(jiān)管煩瑣;還有覆蓋不全、功能不完善、信息格式不規(guī)范等問題,信息無法有效共享。
3 智慧型監(jiān)控管理一體化系統(tǒng)體系架構(gòu)
設(shè)備設(shè)施的數(shù)字化、智能化是遠程智慧化調(diào)控、管理、運維的基礎(chǔ)。主輔設(shè)備設(shè)施的智能化監(jiān)控、全面感知的設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測、智能無人機器的自主巡檢、全景式的視頻監(jiān)視及“大云物移智”等新技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛廣用,為海上風(fēng)電機組的主輔全面綜合監(jiān)管與運維,提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。
海上風(fēng)電機組智慧型監(jiān)控管理一體化系統(tǒng)將風(fēng)電機組的主輔設(shè)備以及塔架塔筒內(nèi)外的輔助設(shè)施作為一個監(jiān)控整體,把各個監(jiān)控子系統(tǒng)納入到統(tǒng)一的信息平臺中,實現(xiàn)互聯(lián)互通。 充分應(yīng)用智能傳感、智能監(jiān)控、視頻監(jiān)視、遠程通訊等技術(shù),實現(xiàn)機組的主輔設(shè)備、基礎(chǔ)環(huán)境以及安全防護的遠程統(tǒng)一監(jiān)控和管理。海上風(fēng)電機組智慧型監(jiān)控管理一體化系統(tǒng)的體系架構(gòu)(不含海、陸站控系統(tǒng)間的通信以及陸上站集中監(jiān)控管理后臺等),如圖1所示。
在風(fēng)電機組的機艙、塔基內(nèi)外布置了各種智能化設(shè)備采集,通信距離短則幾m,長則達幾百m。智能、智能化終端、狀態(tài)在線監(jiān)測、視頻監(jiān)視、IP網(wǎng)絡(luò)電話等裝置,均通過網(wǎng)絡(luò)接口或通信轉(zhuǎn)換裝置,接入風(fēng)電機組的一體化系統(tǒng)。各機組的系統(tǒng)通過環(huán)網(wǎng)交換機、光纖環(huán)網(wǎng)接入到海上升壓站的綜合監(jiān)控管理一體化系統(tǒng);在升壓站進行信息匯集后,接入陸上集控站的全場綜合監(jiān)控管理一體化系統(tǒng)。陸上集控站還留有與發(fā)電集團的遠程區(qū)域集控中心的接口。
4 智慧型監(jiān)控管理系統(tǒng)主要技術(shù)特征
4.1 海上風(fēng)電機組的智能化監(jiān)控
風(fēng)電機組的監(jiān)控系統(tǒng)是一個分布式控制系統(tǒng),實時監(jiān)測機組、電網(wǎng)的運行數(shù)據(jù)以及氣象、環(huán)境的情況,對機組進行各種運行方式的調(diào)控。主要由主控、變槳、偏航、變流等主模塊組成,具有監(jiān)測、調(diào)控以及保護功能。主控系統(tǒng)的核心任務(wù)是協(xié)調(diào)變槳、偏航和變流器等系統(tǒng)的工作,包括變流器控制、變槳控制、偏航控制、功率優(yōu)化控制、運行狀態(tài)調(diào)節(jié)以及機組配套輔助設(shè)備的控制,在確保機組安全可靠運行的同時,根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向的變化,對機組進行自適應(yīng)調(diào)節(jié),提高機組的運行效率和發(fā)電質(zhì)量。
能主動感知、思考、判斷和決策的智能化風(fēng)電機組,采用先進的測量、數(shù)據(jù)智能分析、基于專家智慧的決策算法、主動性能控制以及智能控制等多項技術(shù),準(zhǔn)確地感知自身狀態(tài)和外部環(huán)境,通過優(yōu)化運行方式和智能調(diào)整控制策略,盡量運行在最佳工況點。不同區(qū)域的風(fēng),狀態(tài)不同;葉片旋轉(zhuǎn)到不同角度,所受到的載荷也不同;惡劣的風(fēng)還會危害到機組的壽命。采用激光雷達測風(fēng)技術(shù),為機組裝上智慧的眼睛,機組提前感知前方的風(fēng)況信息,在空間上識別多變的風(fēng);結(jié)合為機組裝上的智能大腦,使機組能夠更快地適應(yīng)風(fēng)速的變化。智能控制與激光雷達測風(fēng)技術(shù)相輔相成,使基于點風(fēng)的控制升級成基于面風(fēng)的智能控制。
智能機組像人一樣感知自身工作狀態(tài),同時結(jié)合準(zhǔn)確的風(fēng)功率預(yù)測,智能調(diào)節(jié)機組的功率,實現(xiàn)機組性能優(yōu)化。機組智能化與遠程調(diào)控計算結(jié)合,使智能機組變成智能機組群;場群控制利用先進的傳感技術(shù),實時監(jiān)測機組關(guān)鍵部件的狀態(tài)參數(shù),通過變槳自適應(yīng)、偏航自校正等最大功率追蹤調(diào)控手段,提高單機發(fā)電量;同時結(jié)合場景諸多因素,通過機組之間的信息共享,統(tǒng)籌整個風(fēng)場內(nèi)的機組調(diào)控,充分挖掘全場發(fā)電潛能。智能風(fēng)電場進行網(wǎng)源協(xié)調(diào)控制,實現(xiàn)全場的全局優(yōu)化控制目標(biāo)。
海上風(fēng)電機組是一個機、電、液一體化的智能化設(shè)備組,除了風(fēng)機、電機的控制外,還有齒輪箱、制動器以及水冷、加熱等設(shè)備的智能化控制。
4.2 狀態(tài)監(jiān)測及故障遠程智能診斷
海上風(fēng)電場環(huán)境惡劣,在雷電、鹽霧腐蝕以及高濕度、冰荷載情況下,部件失效加快,機械與電氣故障率較高。設(shè)備故障后處理模式存在過度維修或失修風(fēng)險;是否立即修復(fù),還取決于天氣、船只等因素。臺風(fēng)、海浪、潮汐等海洋氣候環(huán)境,人員可及性差,運維作業(yè)難度大。由于缺少全面的運行狀態(tài)數(shù)據(jù),無法了解風(fēng)機的歷史運行狀態(tài),增加了運維期的不確定性;故障停機時間較長,機組可利用率下降,嚴(yán)重影響運營效益。
智能傳感、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及智能平臺等技術(shù)的應(yīng)用,通過對設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)測,結(jié)合歷史數(shù)據(jù),提取故障特征,利用大數(shù)據(jù)算法分析,智能診斷,預(yù)測機組狀態(tài)的發(fā)展趨勢,預(yù)先制定維修計劃。基于狀態(tài)的檢修,克服了定期維護、故障修復(fù)的不足,可獲得較高的設(shè)備利用率。
機組控制系統(tǒng)常偏重于電氣信號的監(jiān)測,但風(fēng)電機組部件的早期機械損傷,對眾多電氣信號基本沒有影響?；诳刂葡到y(tǒng)的數(shù)據(jù)采集;同時配置完善的狀態(tài)在線監(jiān)測、無人機器巡檢和視頻監(jiān)視等系統(tǒng),利用采集的運行數(shù)據(jù)以及狀態(tài)、圖像,使用大數(shù)據(jù)分析和人工智能算法,實現(xiàn)設(shè)備故障的早期預(yù)判預(yù)警;利用故障智能診斷與健康管理技術(shù),通過自評判體系,得知機組的健康狀況;結(jié)合自主容錯技術(shù),防范機組故障,保證可靠運行。可以綜合考慮海上的氣象、海況、船只等情況,有計劃地執(zhí)行預(yù)防性維護策略,有效避免大故障發(fā)生或整機失效,提高風(fēng)電機組的可靠性。
風(fēng)電機組的狀態(tài)在線監(jiān)測,整合了發(fā)電機、槳葉、風(fēng)機及齒輪箱、箱變等設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測。通過全面的狀態(tài)監(jiān)測,可實現(xiàn)基于電氣及機械特征量的故障診斷和基于多參數(shù)信息融合的關(guān)鍵部件故障診斷。故障遠程智能診斷系統(tǒng)全面綜合各種狀態(tài)監(jiān)測和多方面的參考信息,進行狀態(tài)評定和趨勢預(yù)測;提供全面的故障診斷和早期預(yù)警。
4.3輔助設(shè)備設(shè)施智能化監(jiān)控
智能化輔控是一體化監(jiān)控管理系統(tǒng)的核心內(nèi)容之一,整合了智能火災(zāi)預(yù)警、安全防控、風(fēng)機IP電話等功能子系統(tǒng)。橫向聯(lián)通機組主控、發(fā)電管理以及視頻監(jiān)視系統(tǒng),縱向貫通站控層對應(yīng)的功能子系統(tǒng),為風(fēng)電機組和全場一體化監(jiān)控系統(tǒng)提供輔助設(shè)施的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的集成,改變了各輔助子系統(tǒng)獨立運行的狀況,遠方集控中心實時掌握了各種設(shè)施的運行狀況。引入的先進物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù),實現(xiàn)了風(fēng)電機組主輔設(shè)備的一體化監(jiān)控、互聯(lián)互動、故障預(yù)警、安全運行、精準(zhǔn)維護、最佳效能的目標(biāo),最大限度地提升設(shè)備的可靠性。
由于暴露在潮濕、鹽霧等環(huán)境條件下,海上風(fēng)電機組出現(xiàn)電氣設(shè)備故障而導(dǎo)致火災(zāi)風(fēng)險的概率高。對電氣柜、機艙等重點風(fēng)險區(qū)域,予以火警監(jiān)視,聯(lián)動火災(zāi)防護,以避免巨大的經(jīng)濟損失。
針對環(huán)境特殊性及安防漏洞,在北斗衛(wèi)星定位、無線網(wǎng)絡(luò)通訊及短信服務(wù)的基礎(chǔ)上,通過增設(shè)安全防護終端及平臺,構(gòu)建門禁、視頻語音等多子系統(tǒng)的協(xié)同聯(lián)動,建立智能化的安全防護體系。
在機艙內(nèi)、塔基平臺配置工業(yè)級IP語音電話,連至交換機網(wǎng)絡(luò),建立IP-PBX語音電話系統(tǒng);通過場區(qū)光纜環(huán)網(wǎng)連通風(fēng)電場IP語音電話系統(tǒng),實現(xiàn)機艙與塔基、風(fēng)機與風(fēng)機、風(fēng)機與海上升壓站之間的即時通訊。在海上風(fēng)機塔、海上風(fēng)電場,部署WiFi無線局域網(wǎng)絡(luò),滿足運維人員的位置跟蹤、人員定位管理、視頻語音、移動巡檢、移動辦公等業(yè)務(wù)的需求。
4.4 風(fēng)電機組智能化巡視巡檢
在機艙內(nèi)、塔筒內(nèi)以及機艙頂部設(shè)置視頻監(jiān)視點,與遠程監(jiān)視平臺和大屏幕一起,實現(xiàn)圖像的拍攝、傳輸、監(jiān)視、分析及告警功能。監(jiān)視機艙內(nèi)外的齒輪箱、變槳、偏航、發(fā)電機及控制柜等設(shè)備的運行情況;監(jiān)視塔筒內(nèi)外的主控制柜、變流器柜、電氣柜和箱變柜的運行情況。在機艙頂部還可監(jiān)視機組周圍海域環(huán)境以及其他機組的運轉(zhuǎn)情況。
海上風(fēng)電機組遠離大陸,海上鹽霧腐蝕造成設(shè)備故障率偏高,出海巡檢工作極易受天氣影響。集自主巡檢、數(shù)據(jù)采集、智能監(jiān)控、狀態(tài)報警等功能于一體的智能機器人巡檢系統(tǒng),替代人工完成設(shè)備的巡視巡檢等工作,具有巡檢點數(shù)據(jù)采集、傳輸、實時分析、遠程后臺展示等功能。
風(fēng)電機組大型化趨勢,葉片長度也隨之增加;目前的人工巡檢方式,包括望遠鏡、高空吊籃等,無法滿足運維需求?；谌斯ぶ悄艿臒o人機葉片巡檢方案,匯集了航跡自主規(guī)劃、缺陷智能識別等技術(shù),實現(xiàn)對葉片的高速、便捷、精準(zhǔn)巡檢。
4.5 風(fēng)電機組智能化管理
風(fēng)電機組的數(shù)字化、智能化建設(shè),還包括檢修、設(shè)備、備件、安全等各個方面;設(shè)備運行、維修文檔以及安全的智能化管理,也是智慧化建設(shè)的核心內(nèi)容之一。以設(shè)備臺賬為核心,統(tǒng)一設(shè)備物資及備件的標(biāo)準(zhǔn)化編碼,實現(xiàn)設(shè)備、資產(chǎn)的數(shù)字化管理。維修管理通過設(shè)備運行數(shù)據(jù),輔以智能無人機器等,實現(xiàn)包括智能巡檢、遠程視頻專家診斷、計劃檢修等智慧運維管理新模式?；赪iFi、視頻監(jiān)控的全覆蓋,可實現(xiàn)全方位、全角度、全過程的安全管控。這些都將顯著提升風(fēng)電機組管理的智能化水平,打造智慧化運營的新模式。
4.6 風(fēng)電機組智慧化遠程運維
機組容量呈不斷升高的趨勢,運維的復(fù)雜性將更高,停機的損失也會更大。在基于先進傳感技術(shù)的機組狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)上,運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、人工智能診斷等技術(shù),形成以預(yù)警、預(yù)防性維護為主導(dǎo)的全方位、多視角的信息監(jiān)控平臺;基于風(fēng)功率預(yù)測,以發(fā)電量及出海成本為最優(yōu)目標(biāo),實行預(yù)防維護與故障修復(fù)相結(jié)合;通過精益化的運維與管理模式,有效化解海上檢修作業(yè)窗口期短、通達性差帶來的影響。
陸上集控一體化平臺提供的智慧移動辦公功能,管理人員可以隨時隨地掌握風(fēng)電機組的實時運行數(shù)據(jù)以及設(shè)備的實時狀態(tài);基于大數(shù)據(jù)的增值服務(wù),使運維人員的決策更加智慧。因此,海上風(fēng)電機組的運維管理,將由經(jīng)驗化向信息化、遠程化、精益化、智慧化方向發(fā)展。
結(jié)論
基于海上風(fēng)電機組運行環(huán)境的特殊性以及高可靠性的要求,通過為風(fēng)電機組安裝智慧的眼睛和智能的大腦以及遠程監(jiān)管的手段,實現(xiàn)了狀態(tài)提前感知、智能化控制、人機互聯(lián)等智慧特性。設(shè)備的智能化監(jiān)控和運維的智慧化管理,為建設(shè)電網(wǎng)友好型海上智慧風(fēng)電場奠定了堅實基礎(chǔ)。智能傳感、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)處理、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展,為數(shù)字化、智能化風(fēng)電場的建設(shè)提供了技術(shù)支撐,也迎來了智慧化運營新模式。
