魯 浩，鄭 帥，王 穎

（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013）

0 引言

海上風(fēng)電風(fēng)速穩(wěn)定、利用小時(shí)數(shù)高，是當(dāng)前風(fēng)電發(fā)展的重要領(lǐng)域。海上風(fēng)機(jī)與升壓站設(shè)備均遠(yuǎn)離陸地，且海上鹽霧腐蝕造成的設(shè)備故障率偏高，出海巡檢極易受天氣環(huán)境影響，設(shè)備維護(hù)工作亟待系統(tǒng)化和規(guī)范化。

現(xiàn)階段關(guān)于海上風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)研究大都針對(duì)單一目標(biāo)的優(yōu)化，多研究風(fēng)電機(jī)組的可靠性、可用性以及風(fēng)電場(chǎng)全生命周期的經(jīng)濟(jì)性；同時(shí)風(fēng)機(jī)廠配套的風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制 （Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系統(tǒng)，給巡檢工作提供了大量的運(yùn)行參數(shù)和故障記錄數(shù)據(jù)［1］。2019 年福建南日海上風(fēng)電已實(shí)現(xiàn)利用無人機(jī)進(jìn)行風(fēng)機(jī)葉片巡檢，這一無人化巡檢模式的實(shí)現(xiàn)，與智能化設(shè)備的投運(yùn)和大數(shù)據(jù)共享平臺(tái)的使用是密不可分。而對(duì)于海上升壓站部分，設(shè)備、管道、構(gòu)架在升壓站平臺(tái)上的室內(nèi)和室外均有布置，風(fēng)機(jī)本體的巡檢模式不可復(fù)制［2］。因此現(xiàn)階段的監(jiān)控多涵蓋各個(gè)設(shè)備的自有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，完成日常運(yùn)行記錄并上傳陸上集控中心作為運(yùn)維人員的監(jiān)控依據(jù)。如何把升壓站當(dāng)作一個(gè)集成設(shè)備，為其配置巡檢裝置，將監(jiān)控系統(tǒng)兼作巡檢數(shù)據(jù)平臺(tái)的研究并不多。目前，智能設(shè)備與巡檢機(jī)器人在陸地風(fēng)電場(chǎng)和變壓站已普遍應(yīng)用，借助這些設(shè)備作為巡檢終端，再利用升壓站內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)媒介，即可完成從巡檢點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、通信傳輸?shù)胶笈_(tái)實(shí)時(shí)顯示的一體化智能巡檢方案。

通過分析海上風(fēng)電升壓站巡檢的具體需要，針對(duì)性地提出3 種巡檢終端設(shè)備的配置方案，同時(shí)從升壓站一體化供電的角度，滿足各設(shè)備用電需求，沿用電氣監(jiān)控系統(tǒng)的集中監(jiān)控理念，形成一套基于多智能終端的海上風(fēng)電升壓站巡檢系統(tǒng)，降低無人值守海上升壓站的運(yùn)維成本，并自動(dòng)記錄設(shè)備運(yùn)行情況，有利于積攢巡檢經(jīng)驗(yàn)。

1 海上風(fēng)電升壓站巡檢現(xiàn)狀

1.1 既有經(jīng)驗(yàn)下巡檢現(xiàn)狀

我國(guó)海上風(fēng)電起步晚、發(fā)展快，運(yùn)維能力建設(shè)遠(yuǎn)滯后于設(shè)備制造和項(xiàng)目建設(shè)，因此海上風(fēng)電升壓站的巡檢工作學(xué)習(xí)陸地風(fēng)電場(chǎng)與變電站巡檢經(jīng)驗(yàn)，以常規(guī)巡檢、故障消缺、定期維護(hù)為主。但海上風(fēng)電升壓站遠(yuǎn)離陸地，如按經(jīng)驗(yàn)制定巡檢頻率和人工投入，其成本遠(yuǎn)高于陸地風(fēng)電場(chǎng)，其巡檢成本投入最高可占整個(gè)工程成本投入的五分之一。

此外，海上風(fēng)電升壓站設(shè)備在高鹽霧、大濕度的海洋環(huán)境下，外形特性參數(shù)已有修正，維護(hù)方式也應(yīng)修正以滿足其故障特性?，F(xiàn)階段海上風(fēng)電設(shè)備的維修計(jì)劃針對(duì)性不強(qiáng)，往往導(dǎo)致維修不足或過修。

1.2 去人工化巡檢需求

海上風(fēng)電人工巡檢工作需要運(yùn)維人員登陸平臺(tái)，往返海陸用的運(yùn)輸設(shè)備（如運(yùn)維船、直升機(jī)等）受天氣影響很大，造成巡檢頻率不穩(wěn)定；另受平臺(tái)環(huán)境限制，單次巡檢作業(yè)時(shí)長(zhǎng)短，巡檢深度有待考證。據(jù)統(tǒng)計(jì)，以現(xiàn)有的技術(shù)水平每年能夠巡檢平臺(tái)設(shè)備時(shí)間200 天左右［2-3］，有效時(shí)長(zhǎng)更是有限，且隨著天氣惡化或有減少。因此為解決上述問題，有必要將部分人工巡檢項(xiàng)目用智能終端代替。海上風(fēng)電升壓站部分巡檢項(xiàng)見表1。

根據(jù)表1 可看出，隨著巡檢頻率的增加，巡檢項(xiàng)目的人工操作被智能巡檢設(shè)備取代的可行性增加。這樣不僅不會(huì)降低巡檢頻率，反而能增加參數(shù)采集的范圍，增加巡檢經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)而制訂更有效率的人工巡檢計(jì)劃。

本文從智能巡檢終端的合理配置、電源支持以及監(jiān)控平臺(tái)3 個(gè)方面探討巡檢去人工方案的設(shè)計(jì)。

2 智能巡檢終端

2.1 巡檢機(jī)器人

近年，集自主巡檢、智能監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)報(bào)警等功能于一體的巡檢機(jī)器人在電力、廠礦、石化、市政、安防等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。機(jī)器人可代替人工完成設(shè)備外形巡檢、基本環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)等基礎(chǔ)工作［4-6］。

表1 海上風(fēng)電升壓站巡檢項(xiàng)

但是，若作為海上風(fēng)電升壓站用巡檢機(jī)器人，必須能夠適應(yīng)升壓站巡檢空間的特殊環(huán)境。為保證升壓站平臺(tái)的空間利用率，通常各專業(yè)設(shè)備的布置較為緊湊。為保證設(shè)備在海上惡劣環(huán)境下的使用壽命，防腐能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)整裝的構(gòu)架、管道、高壓電器等在室外布置，同時(shí)，加強(qiáng)防護(hù)的開關(guān)柜、保護(hù)裝置、通風(fēng)和空調(diào)設(shè)備應(yīng)在室內(nèi)布置，電纜則利用平臺(tái)夾層布置。因此，多樣化的巡檢區(qū)域是選型的首要考量對(duì)象。

2.1.1 室外巡檢用輪式巡檢機(jī)器人

室外巡檢用輪式巡檢機(jī)器人外形如圖1 所示。文獻(xiàn)［7］提出一種基于磁導(dǎo)航（路面磁軌跡結(jié)合射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID） 標(biāo)簽定位）的巡檢機(jī)器人，可適應(yīng)升壓站強(qiáng)電磁環(huán)境、其導(dǎo)航定位精度在2 cm 以內(nèi)。與GPS 坐標(biāo)式導(dǎo)航定位機(jī)器人不同，采用磁導(dǎo)航時(shí)，機(jī)器人沿一條閉合路徑單向行走，就設(shè)備已固定安裝的海上風(fēng)電升壓站平臺(tái)而言，實(shí)現(xiàn)巡檢功能完全可行。另外通過遙控或順序控制的位置校核，機(jī)器人可從當(dāng)前位置沿最優(yōu)路徑迅速移動(dòng)至目標(biāo)巡檢位置。

圖1 輪式巡檢機(jī)器人

2.1.2 室內(nèi)巡檢用吊軌式機(jī)器人

室內(nèi)巡檢用吊軌式機(jī)器人外形如圖2 所示。配電室巡檢通道狹小、輪式機(jī)器人行走空間受限，為有效利用室內(nèi)上部空間，采用吊軌式機(jī)器人以軌道倒掛式行走方式完成巡檢。吊軌式機(jī)器人可搭載多傳感器和高清攝像頭，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、全方位的開關(guān)柜紅外測(cè)溫、局放檢測(cè)、柜面及保護(hù)裝置信號(hào)狀態(tài)指示、保護(hù)屏柜壓板狀態(tài)、空開位置、電流端子狀態(tài)、裝置信號(hào)燈指示全自動(dòng)識(shí)別以及數(shù)顯儀表的讀數(shù)。

另外，軌道安裝便于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌滑觸式供電方式，巡檢機(jī)器人可24 h 不間斷巡視。

2.1.3 其他巡檢功能

可定制巡航功能： 系統(tǒng)根據(jù)巡檢工作安排修正巡檢計(jì)劃和方案，實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)每天多次對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)的巡檢、自動(dòng)預(yù)警、自動(dòng)輸出報(bào)表等功能。

圖2 吊軌式機(jī)器人

防誤報(bào)識(shí)別功能：測(cè)量應(yīng)基于有效的設(shè)備識(shí)別（設(shè)備編碼或設(shè)備圖像識(shí)別），對(duì)于未錄入巡檢目標(biāo)的干擾源自動(dòng)剔除，有效防止誤報(bào)警的產(chǎn)生。

巡檢頻率自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能： 根據(jù)巡檢結(jié)果調(diào)整個(gè)別設(shè)備的巡檢頻率。如：某連接處溫度異常但未超過報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)增加該點(diǎn)的測(cè)量次數(shù)，提高故障報(bào)警及時(shí)性。

多傳感元件集成功能：加裝流量、溫度、濕度、煙霧、光照以及噪聲監(jiān)測(cè)傳感器，全面監(jiān)測(cè)室內(nèi)外環(huán)境信息。

2.2 視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控隸屬于由攝像頭監(jiān)控點(diǎn)、周界報(bào)警系統(tǒng)、門禁對(duì)講系統(tǒng)構(gòu)成的安防監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)，以固定視角的視頻畫面回傳至集控中心的后臺(tái)顯示。為補(bǔ)充固定視頻畫面的死區(qū)，可在巡檢機(jī)器人上裝載360°連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)球形攝像頭，實(shí)現(xiàn)全方位視頻監(jiān)控，另可增設(shè)高亮紅外探照燈補(bǔ)光，消除無照明死區(qū)。

2.3 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

目前發(fā)電行業(yè)普遍應(yīng)用全壽命周期管理，在線監(jiān)測(cè)裝置能夠在不停電的情況下準(zhǔn)確提供設(shè)備的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，分析設(shè)備實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，判斷設(shè)備存在的異常情況和隱患［8］，并且?guī)椭\(yùn)維人員合理制定設(shè)備巡檢計(jì)劃。針對(duì)海上風(fēng)電升壓站設(shè)備，常見的在線監(jiān)測(cè)配置方案如表2 所示。

表2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配置方案

電氣設(shè)備的各類在線監(jiān)測(cè)單元均不設(shè)置獨(dú)立后臺(tái)系統(tǒng)及系統(tǒng)服務(wù)器，可配置滿足待接入監(jiān)控后臺(tái)通信要求的接口類型和傳輸規(guī)約，即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)匯總及診斷分析。

3 交直流一體化電源

海上風(fēng)電升壓站對(duì)電源的需求，除三相交流工作電源、保安電源外，還需要直流電源、UPS 電源（交流不停電電源）以及通信電源（DC／DC 轉(zhuǎn)換）。常規(guī)的電源方案中，各電源系統(tǒng)獨(dú)立配置、通信通道互無聯(lián)系，分散管理的電源協(xié)調(diào)性差、跨屏接線多，巡檢內(nèi)容增加。

選用交直流一體化電源系統(tǒng)，將直流電源、UPS電源、通信電源（DC／DC 轉(zhuǎn)換）統(tǒng)一組屏、統(tǒng)一監(jiān)控，如圖3 和圖4 所示，能夠克服功能分散的缺陷。此外監(jiān)控模塊多合一，配置串行通信、以太網(wǎng)通信等接口，兼容IEC61850 等多種傳輸規(guī)約，能夠做到集中供電、集中監(jiān)控。

圖3 交直流一體化電源系統(tǒng)組屏方案

圖4 交直流一體化電源系統(tǒng)組網(wǎng)方案

4 一體化監(jiān)控平臺(tái)

網(wǎng)絡(luò)微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)作為升壓站電氣監(jiān)控系統(tǒng)的常規(guī)設(shè)計(jì)方案，下設(shè)站控層、間隔層與過程層：站控層由操作員站、遠(yuǎn)動(dòng)裝置以及交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備等搭建監(jiān)控后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)整體的監(jiān)控功能；間隔層由一體化監(jiān)控平臺(tái)下各個(gè)子系統(tǒng)，如保護(hù)測(cè)控裝置、風(fēng)機(jī)機(jī)組控制系統(tǒng)和巡檢終端等組成，各個(gè)子系統(tǒng)可完成獨(dú)立的監(jiān)控功能。過程層由電流互感器、電壓互感器、測(cè)溫裝置、風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)采集等就地裝置，完成電氣量的實(shí)時(shí)采集、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和控制命令的執(zhí)行。

所述巡檢裝置集中在巡檢機(jī)器人、在線監(jiān)測(cè)裝置、視頻終端以及一體化電源這4 種類型，均可接入間隔層，海上風(fēng)電升壓站配置的網(wǎng)絡(luò)微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可升級(jí)為一體化監(jiān)控平臺(tái)［4－11］，巡檢數(shù)據(jù)納入網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中，由海底光電復(fù)合纜一并遠(yuǎn)傳至陸上集控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)海上風(fēng)電升壓站無人值守、少人巡檢、陸上集控中心實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控的去人工的巡檢方案。

海上風(fēng)電升壓站一體化監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)方案如圖5 所示。

圖5 海上風(fēng)電升壓站一體化監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

5 結(jié)語

海上風(fēng)電是當(dāng)今電力產(chǎn)業(yè)突破發(fā)展瓶頸的一個(gè)重要領(lǐng)域和方向，因此其升壓站設(shè)計(jì)方案不能脫節(jié)于后期的巡檢需求。分析巡檢需求后，針對(duì)性配置巡檢設(shè)備、推廣邊采集邊學(xué)習(xí)邊修正的自適應(yīng)功能，減少巡檢成本、提高巡檢質(zhì)量、提升海上風(fēng)電運(yùn)維能力建設(shè)水平。

主要針對(duì)部分巡檢工作的去人工化配置，對(duì)于年檢以及大修等巡檢項(xiàng)目，現(xiàn)階段去人工化的可行性較弱，如何將日檢月檢累計(jì)的數(shù)據(jù)篩選和利用，便于人工檢修能短時(shí)高效完成，這一課題也需要巡檢裝置配合解決。尋找最優(yōu)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)和檢測(cè)項(xiàng)，避免數(shù)據(jù)繁多、可讀性差將是后續(xù)工作的關(guān)注點(diǎn)。