2017年12月28日，中國首個省級海上風(fēng)電大數(shù)據(jù)平臺——廣東省海上風(fēng)電大數(shù)據(jù)中心在廣東院舉行建設(shè)方案發(fā)布會，標(biāo)志著廣東省智慧海上海上風(fēng)電場建設(shè)已進入快車道。
廣東院針對風(fēng)電場的風(fēng)機、海纜等核心設(shè)備，打造了國內(nèi)首個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的風(fēng)機輔控系統(tǒng)，擁有了海底電纜設(shè)計與智能運維核心技術(shù)，建立起風(fēng)機、海纜等主要設(shè)備健康狀態(tài)的預(yù)警模型，實現(xiàn)了設(shè)備初期劣化和故障預(yù)警、診斷，有效防止了設(shè)備欠維護和過維護。
特別值得一提的是，廣東院主動對接海洋工程、海事規(guī)范，研發(fā)了自主品牌、自有知識產(chǎn)權(quán)的國內(nèi)首個海上風(fēng)電場智慧基建管理系統(tǒng)，并打造出數(shù)字化的工程產(chǎn)品，解決了海洋工程安全管控、船舶調(diào)度的難題，形成了有深度的“人無我有、人有我精”優(yōu)勢。
《南方能源建設(shè)》先后刊出了“智慧型海上風(fēng)電場一體化監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計“（陽熹，2019年第1期）和“海上風(fēng)電場智能船舶調(diào)度及人員管理系統(tǒng)”（楊源，2020年第1期），本次海上風(fēng)電專欄邀請廣東院陳亮等介紹了智慧海上風(fēng)電場，論文是對廣東院智慧海上風(fēng)電場建設(shè)階段性工作的總結(jié)和提煉，首次提出了智慧海上風(fēng)電場的定義，提出了智慧海上風(fēng)電場的架構(gòu)體系，從智能設(shè)備、智能控制、場級管控、集團監(jiān)管四個層級，系統(tǒng)闡述了怎樣建設(shè)智慧海上風(fēng)電場，為覆蓋項目設(shè)計、基建、運營的全生命周期過程、實現(xiàn)全場設(shè)備、資產(chǎn)的數(shù)字化、智慧化監(jiān)控與管理的智慧海上風(fēng)電場指明了發(fā)展路徑。
特摘選論文部分內(nèi)容如下：
1、智慧海上風(fēng)電場的定義
智慧海上風(fēng)電場是指廣泛采用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)通信、人工智能等新技術(shù)，集成智能設(shè)備、控制和管理等技術(shù)，把傳統(tǒng)風(fēng)電場中無感知、無思想的設(shè)備、系統(tǒng)，孕育成狀態(tài)感知、自主適應(yīng)、智能融合、精準(zhǔn)可控的更安全、更高效、更經(jīng)濟的全新海上風(fēng)電場。
智慧海上風(fēng)電場實施的關(guān)鍵在于理清結(jié)構(gòu)體系?？v向上看，智慧海上風(fēng)電場主要包括四個層級結(jié)構(gòu)，由低到高分別是智能設(shè)備層、業(yè)務(wù)控制層、場級管控層和集團監(jiān)管層。四層架構(gòu)各有分工、高度融合，在保證網(wǎng)絡(luò)信息傳輸安全的前提下高效組織指令流和信息流，如圖1所示。
圖1 智慧海上風(fēng)電場結(jié)構(gòu)
2 智能設(shè)備
智能設(shè)備層是智慧海上風(fēng)電場的底層。智能裝置是智能設(shè)備層的基本元素，應(yīng)使用標(biāo)準(zhǔn)通信接口和協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)字化監(jiān)測和網(wǎng)絡(luò)化控制；應(yīng)具備就地綜合評估、實時狀態(tài)報告、故障診斷等功能，為智能控制、場級管控、集團監(jiān)管奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
2.1 智能風(fēng)機
智能風(fēng)機，是能夠自主感知、分析和決策的風(fēng)電機組，是在風(fēng)機上采用先進的狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、決策支持、智能控制技術(shù)，使機組準(zhǔn)確地感知自身狀態(tài)和外部條件，優(yōu)化調(diào)整自身以始終運行在最佳工況。
2.2 海纜診斷
海底電纜是海上風(fēng)電場電能傳輸?shù)年P(guān)鍵部件，然而由于傳輸功率的變化、海底環(huán)境復(fù)雜、海洋晝夜溫度變化、季節(jié)性的溫差，以及捕魚、航運和海底活動，海底電纜易于發(fā)生超溫、錨害等事故，導(dǎo)致極大的損失。有必要實時監(jiān)測海纜的溫度和應(yīng)力變化。
具體的監(jiān)測方法，是借助海纜中的光纖線芯，采用光纖分布式傳感新技術(shù)，判斷電纜是否受損及周圍環(huán)境是否發(fā)生變化，并對海纜異常進行報警和定位，保障海纜安全運行。
遠(yuǎn)距離海纜輸電情況下，考慮到傳輸距離、空間分辨率、測量重復(fù)性的互相制約關(guān)系（這幾個指標(biāo)無法同時做到最佳），可在長距離海纜的兩端采用雙儀器配置，利用2根光纖組成環(huán)路，引入布里淵光時域分析(BOTDA)方法進行雙端測量，并在后臺整合并優(yōu)化兩側(cè)儀器的測量重復(fù)性。
2.3 海上升壓站診斷
海上升壓站平臺在運行過程中受到海水沖擊、泥沙沖刷、腐蝕等影響，其結(jié)構(gòu)安全性會降低，有必要通過在線連續(xù)測量并存儲主要結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵安全參數(shù)，評估并判斷海上升壓站的結(jié)構(gòu)響應(yīng)是否在安全限值內(nèi)，發(fā)現(xiàn)早期安全隱患及主要根源，避免倒塌等災(zāi)難性事故及惡性不可逆結(jié)構(gòu)問題出現(xiàn)。海上升壓站診斷包括基礎(chǔ)力學(xué)監(jiān)測和基礎(chǔ)腐蝕監(jiān)測。
基礎(chǔ)力學(xué)監(jiān)測通常應(yīng)提供應(yīng)力應(yīng)變、結(jié)構(gòu)振動、傾斜和地基不均勻沉降共4類功能監(jiān)測模塊，傳感器選型、安裝位置、安裝數(shù)量見圖2。
基礎(chǔ)腐蝕監(jiān)測通常根據(jù)犧牲陽極的布置，在海上升壓站鋼基礎(chǔ)(也含風(fēng)機鋼基礎(chǔ))距離水面不同高度設(shè)置參比電極，用于采集保護電位信號，實現(xiàn)電位實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲、電位超限報警、電位趨勢預(yù)測等功能，全面掌握鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的防腐情況。
圖2 海上升壓站結(jié)構(gòu)監(jiān)測
2.4 機器換人智能巡檢
針對海上風(fēng)電工程水域大、環(huán)境復(fù)雜、維護人員少、海上升壓站平臺無人值班的特點，在海上升壓站GIS室、配電室等主要區(qū)域，設(shè)置“機器換人”的智能巡檢機器人；對風(fēng)機葉片進行全自動無人機航測、巡檢，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程圖傳、AI、射頻識別、三維建模等多種先進技術(shù)，從管理、安防、節(jié)能、隱患排查等多維度對海上風(fēng)電場實施動態(tài)監(jiān)控及預(yù)警。
3 業(yè)務(wù)控制
業(yè)務(wù)控制層位于智能設(shè)備層與場級管控層之間，旨在實現(xiàn)風(fēng)電場生產(chǎn)過程的智能監(jiān)控，確保風(fēng)電機組在不同條件下達(dá)到最佳運行狀態(tài)。
3.1 風(fēng)機監(jiān)控(SCADA)系統(tǒng)
風(fēng)機監(jiān)控(SCADA)系統(tǒng)是風(fēng)機廠成套提供的、以計算機、網(wǎng)絡(luò)通信和智能調(diào)節(jié)技術(shù)為基礎(chǔ)的風(fēng)機監(jiān)測控制系統(tǒng)。它對風(fēng)機設(shè)備進行全面監(jiān)視和控制，監(jiān)測功率、電流、電壓、風(fēng)速以及溫度、壓力等信號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、參數(shù)調(diào)節(jié)以及信號報警，完成風(fēng)機的能量管理。
3.2 風(fēng)機輔控系統(tǒng)
考慮配置風(fēng)機主要部件狀態(tài)監(jiān)測——風(fēng)機輔控系統(tǒng)，整合風(fēng)機部件狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的信息，實現(xiàn)風(fēng)機的動力設(shè)備、環(huán)境、安防的統(tǒng)一后臺監(jiān)控，以及對風(fēng)機多個關(guān)鍵部件的全面狀態(tài)監(jiān)測、故障早期預(yù)警和診斷。
圖3 風(fēng)機輔控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
3.3 海上風(fēng)電場電氣監(jiān)控系統(tǒng)
海上風(fēng)電場電氣監(jiān)控系統(tǒng)在陸上集控中心內(nèi)實現(xiàn)對海上風(fēng)電場電氣部分（陸上集控中心、海上升壓站電氣設(shè)備）的統(tǒng)一監(jiān)視與控制，作為全場電氣設(shè)備數(shù)據(jù)的集散中心，建立與電力調(diào)度中心的傳輸通道，完成海上風(fēng)電場遠(yuǎn)動信息上送，并接受調(diào)度中心的調(diào)度指令（包括AGC、AVC控制），完成電氣設(shè)備五防功能。
海上風(fēng)電場電氣一體化監(jiān)控系統(tǒng)采用開放、分層、分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，雙網(wǎng)、雙冗余配置，雙網(wǎng)均應(yīng)同時進行數(shù)據(jù)通信，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎眯切汀?br />
整個系統(tǒng)從縱向上，分成站控層和間隔層。站控層實現(xiàn)整個系統(tǒng)的監(jiān)控及管理功能。間隔層由就地保護測控裝置、智能單元組成，在站控層及通信網(wǎng)絡(luò)失效時，間隔層應(yīng)能獨立實現(xiàn)設(shè)備的就地監(jiān)控閉鎖。
整個系統(tǒng)從橫向上看，應(yīng)按電力系統(tǒng)二次安全防護的有關(guān)規(guī)定，按安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離的原則，設(shè)置3個安全防護分區(qū)[7]。安全區(qū)Ⅰ是具有實時監(jiān)控功能、總線連接使用電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的實時VPN 或?qū)Ｓ猛ǖ赖母鳂I(yè)務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成的安全區(qū)域；安全區(qū)Ⅱ是不直接參與控制，使用電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的非實時VPN 的各業(yè)務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成的安全區(qū)域；安全區(qū)Ⅲ為生產(chǎn)管理區(qū)。如圖4所示。
圖4 海上風(fēng)電場電氣監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
4 場級管控
場級管控層應(yīng)以數(shù)據(jù)深度融合共享、大數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)，以資產(chǎn)高效利用為目標(biāo)，實現(xiàn)對全場設(shè)備資產(chǎn)數(shù)字化、智能化的監(jiān)管，以及生產(chǎn)經(jīng)營關(guān)鍵環(huán)節(jié)的輔助分析、智能診斷、決策支持。
4.1 設(shè)備智能管理
智慧海上風(fēng)電場的主要設(shè)備都設(shè)置了設(shè)備狀態(tài)診斷，如前文3.2節(jié)提到的風(fēng)機輔控系統(tǒng)?；诟黠L(fēng)電場海量的歷史數(shù)據(jù)，可以立起設(shè)備健康狀態(tài)的預(yù)警模型，提取主要故障特征量，結(jié)合風(fēng)機運行的實時數(shù)據(jù)，比對模型特征量，判斷設(shè)備的實時運行狀態(tài)，實現(xiàn)設(shè)備初期劣化和故障預(yù)警；基于設(shè)備狀態(tài)初期預(yù)警，尋找設(shè)備可用、可靠和維修成本的最佳平衡，有效防止設(shè)備欠維護和過維護。
4.2 基建智能管理
海上風(fēng)電項目的建設(shè)、運維過程中，始終存在以下痛點問題：海陸之間通信困難；無法掌握海上作業(yè)船舶和人員的實時畫面情況，安全管控難；施工作業(yè)環(huán)境特殊，施工窗口期對海上風(fēng)電施工管理極為重要。有必要結(jié)合海洋工程的特點，建立一套實用有效、穩(wěn)定可靠的海上風(fēng)電場智慧基建管理系統(tǒng)。
可以建立海上氣象及海洋環(huán)境觀測，實時測量并顯示風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、相對濕度、氣壓；并對作業(yè)海區(qū)未來7天的天氣現(xiàn)象、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)力、氣溫、浪高、能見度等要素進行預(yù)報，安排預(yù)警和預(yù)處理方案及出海作業(yè)策略；
可以在陸上項目部和海上測風(fēng)塔區(qū)域分別設(shè)置甚高頻（VHF）電臺中繼臺，建立覆蓋陸上項目部和海上作業(yè)現(xiàn)場的人、船通信對講平臺，確?？煽客ㄐ牛?br />
可以結(jié)合海事船舶信息系統(tǒng)(AIS)，對海上升壓站、風(fēng)機、海纜敷設(shè)等所在海域進行船舶識別以及定位，對船舶減速、拋錨、停航等各種狀態(tài)進行實時監(jiān)測，通過在海圖上劃定警戒線，對進入警戒線的船只進行重點監(jiān)測，如果發(fā)現(xiàn)在警戒線以內(nèi)的船只發(fā)生拋錨，通過AIS接收的船舶海事部門備案信息，提醒船舶禁止拋錨、迅速離開，如果未見船舶響應(yīng)則通過高頻電臺喊話通知，以防止海上風(fēng)電場被入侵。
當(dāng)人員落水后，救生衣AIS MOB設(shè)備(個人示位標(biāo))自動向AIS基站、衛(wèi)星發(fā)送求救信號，系統(tǒng)收到求救信號后自動標(biāo)記處落水人員在電子海圖中的位置，實時發(fā)出報警警示，同時聯(lián)動遠(yuǎn)距離光電設(shè)備功能，將攝像頭自動對準(zhǔn)落水位置，鎖定落水人員， 確保第一時間及時展開救援程序。如圖5所示。
針對沒有安裝或者沒有開啟AIS的船舶，可以借助近海雷達(dá)實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)內(nèi)全天候、全方位、無盲區(qū)監(jiān)控。雷達(dá)也可與光電設(shè)備聯(lián)合，通過攝像頭實時、自動跟蹤進入警戒區(qū)內(nèi)的船舶，攝像頭自動定位轉(zhuǎn)向威脅目標(biāo)、跟隨目標(biāo)移動而實時調(diào)整攝像頭位置，并顯示實時視頻畫面并留影。
圖5 人員落水監(jiān)測示意圖
4.3 運維智能管理
1）海上升壓站環(huán)境監(jiān)測與控制
對無人值守海上升壓站，設(shè)置溫濕度和壓力自動化調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實現(xiàn)對海上升壓站暖通空調(diào)系統(tǒng)壓力、溫度、濕度的實時采集和處理，并根據(jù)相應(yīng)邏輯對除濕機、空調(diào)、電動閥等設(shè)備進行自動控制，維持海上升壓站壓力、溫度、濕度在設(shè)定范圍；
構(gòu)建電氣火災(zāi)超前預(yù)警技術(shù)，實現(xiàn)剩余電流監(jiān)測、電氣絕緣老化實時監(jiān)測和故障電弧監(jiān)測，采用智能線型熱點探測器，實時探測受熱面大小，實現(xiàn)實時溫度顯示、溫度超過設(shè)定值預(yù)警、溫升速率預(yù)警，探測早期電氣火災(zāi)隱患，實現(xiàn)從“報警”到“預(yù)警”跨越。
2）能效評估：開展場站風(fēng)資源評估，結(jié)合功率預(yù)測系統(tǒng)的預(yù)測結(jié)果和能力管理設(shè)備的實時數(shù)據(jù)，評估風(fēng)電場整體運行效果，開展風(fēng)電機組間對比、可利用率和單機性能深度分析，促進風(fēng)電機組性能提升、改造以及風(fēng)電場運維優(yōu)化。
3）風(fēng)機調(diào)整
一機一控：通過風(fēng)機本身的狀態(tài)感知和智能調(diào)節(jié)，提升單臺機組發(fā)電量?？刹扇〉拇胧┯校和ㄟ^辨識風(fēng)機SCADA數(shù)據(jù)中風(fēng)機出力與風(fēng)速、風(fēng)向角存在對應(yīng)關(guān)系，尋找“頂點”進而標(biāo)定偏航對風(fēng)偏差角度，以提升單臺機組發(fā)電量；對傳統(tǒng)風(fēng)機，當(dāng)風(fēng)吹到風(fēng)速儀和風(fēng)向標(biāo)位置時，機組才做出反應(yīng)動作。機組反應(yīng)滯后，載荷加大?？煽紤]引入激光雷達(dá)精確測風(fēng)，探測葉輪前部200米左右的風(fēng)速，機組可以提前根據(jù)風(fēng)況做出最佳的反饋調(diào)節(jié)，從而降低機組載荷；結(jié)合風(fēng)場實際風(fēng)況，分析風(fēng)場超出切出風(fēng)速的風(fēng)頻，測算發(fā)電量增加的潛力，如發(fā)電量增加明顯，則進一步評估風(fēng)機載荷。通過調(diào)整控制策略，優(yōu)化機組切出風(fēng)速，提升單臺機組發(fā)電量。
集群出力優(yōu)化：風(fēng)機集群在時間、空間、運行方式、預(yù)防性維護等維度上的配置，實現(xiàn)全場效益最優(yōu)。可以基于風(fēng)機運行的歷史數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，找出問題機組及其差異存在點，通過在線矯正、補償，自動改善問題機組的運行性能；考慮風(fēng)力機組安裝時可能存在誤差、一些核心部件性能會隨著運行環(huán)境變量變化而發(fā)生改變，可以設(shè)置動態(tài)智能矯正算法，實現(xiàn)偏差自動矯正或最大功率自動追蹤，實時響應(yīng)由于制造安裝過程中的細(xì)微偏差、或環(huán)境參量的變化，使風(fēng)力機組的性能控制更加精準(zhǔn)；可以持續(xù)開展風(fēng)資源后評估，在風(fēng)電場內(nèi)選取少量代表機組，安裝載荷測量設(shè)備，實時測量機組關(guān)鍵部件載荷，推算全場機組的載荷情況，在線估算每臺風(fēng)機的剩余壽命，掌握機組的健康狀態(tài)，根據(jù)機組安全裕量動態(tài)調(diào)整機組控制，充分發(fā)掘機組發(fā)電潛力。
備件管理：恰當(dāng)?shù)膫浼芾砟軌蜻m應(yīng)海上風(fēng)電場珍貴的可及時間，減少故障設(shè)備維修等待，做到因備件所耗用的成本小于該部件的故障停用損失。綜合設(shè)備實時運行監(jiān)測信息和預(yù)判的設(shè)備工況走向，分析預(yù)測未來備件需求，針對長期閑置的備件物資給出預(yù)警及處理意見，形成備件采購和儲備規(guī)則以及預(yù)警規(guī)則。結(jié)合備件調(diào)配的周轉(zhuǎn)成本分析，還可以針對性地建立區(qū)域級備件集中倉儲管理。
5.集團監(jiān)管
海上風(fēng)電項目分布相對分散、集中管理難，在當(dāng)前海上風(fēng)電降補貼的背景下，風(fēng)電運營商開始建設(shè)區(qū)域集控中心/集團數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)“遠(yuǎn)程集中監(jiān)控、現(xiàn)場少人值守、平臺數(shù)據(jù)共享、專業(yè)運維檢修”的創(chuàng)新管理模式。
區(qū)域集控中心/集團數(shù)據(jù)中心，是在電力專用網(wǎng)絡(luò)或運營商企業(yè)專線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，滿足二次安全防護要求設(shè)立的遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)。
橫向來看，安全區(qū)Ⅰ(實時I區(qū))和安全區(qū)II (非實時區(qū)II區(qū))之間經(jīng)硬件防火墻防護，生產(chǎn)控制(I、II區(qū))與生產(chǎn)管理區(qū)(III區(qū))之間安裝正向物理隔離裝置，生產(chǎn)管理區(qū)(III區(qū))和internet網(wǎng)之間經(jīng)硬件防火墻防護。
縱向上看，安全區(qū)Ⅰ和安全區(qū)II數(shù)據(jù) 通道兩側(cè)安裝縱向加密裝置，III區(qū)單獨使用一條物理通道，通道網(wǎng)絡(luò)通道兩側(cè)安裝硬件防火墻?？v向通道可選用電力專線通道或運營商企業(yè)專線。
區(qū)域集控中心/集團數(shù)據(jù)中心挖掘各風(fēng)電場子站的風(fēng)機監(jiān)控(SCADA)系統(tǒng)、風(fēng)機輔控系統(tǒng)、電氣一體化監(jiān)控系統(tǒng)融合的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中所蘊含的關(guān)鍵信息，提供安全可控乃至個性化的實時監(jiān)測，結(jié)合海上風(fēng)電大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)視、性能監(jiān)測及分析、運行方式診斷、主要設(shè)備診斷及故障預(yù)警、遠(yuǎn)程維護指導(dǎo)，形成集團數(shù)據(jù)資產(chǎn)，形成“互聯(lián)網(wǎng)+”電力技術(shù)服務(wù)業(yè)務(wù)。
6.結(jié)論
建設(shè)智慧海上風(fēng)電場，實現(xiàn)海上風(fēng)電場設(shè)備、資產(chǎn)的智慧化監(jiān)控與管理，對提高海上風(fēng)電場自動化水平和運維效率、降低運維成本、提高海上風(fēng)電的經(jīng)濟和社會效益、提高抵御風(fēng)險的能力具有重要意義。
論文首次提出了智慧海上風(fēng)電場的定義，提出了智慧海上風(fēng)電場的架構(gòu)體系，從智能設(shè)備、智能控制、場級管控、集團監(jiān)管四個層級，系統(tǒng)闡述了怎樣建設(shè)智慧海上風(fēng)電場，為覆蓋項目設(shè)計、基建、運營的全生命周期過程、實現(xiàn)全場設(shè)備、資產(chǎn)的數(shù)字化、智慧化監(jiān)控與管理的智慧海上風(fēng)電場指明了發(fā)展路徑。
