海上风电场智慧型监控管理一体化系统
Intelligent Integrated Monitoring and Management System for Offshore Wind Farm
QING Zilong, KONG Qingxiang
Abstract
Comprehensive integrated monitoring and management of the main and auxiliary facilities is an effective measure for the efficient operation and inspection of the offshore wind farms. The present situation of offshore wind farm monitoring system in operation and its promotion countermeasures were analyzed. The design idea of intelligent integrated monitoring and management system of offshore wind farm was put forward, which is characterized by full field information digitization, information sharing standardization, system function integration, intelligent main and auxiliary equipment, advanced application interaction, operation state visualization and operation and maintenance management wisdom. The system architecture and technical features were analyzed. We look forward to point out the direction for the wisdom construction of offshore wind farms.
Keywords：offshore wind farm;intelligent;integration;monitoring and management system;IEC 61850
0 引言
能源安全、气候变暖等问题日益突出。我国向世界庄严承诺了碳达峰、碳中和的温室气体减排目标，把发展清洁能源作为能源战略的重要方向。海上风资源具有年发电利用小时数高、适宜大规模开发、不占用土地、靠近负荷中心等特点[1,2,3,4]，因此海上风电的开发速度惊人。
海上风电正面临平价上网政策的压力。降低设备故障率，提高机组利用率；降低运维成本，提升运营收益[5]，成为海上风电场经营管理的主要目标。主辅设施的全面一体化监控管理[6,7]是海上风电场运检高效的有力措施。物联网、大数据处理、云边计算、5G及移动通信、人工智能、无人机器、智能穿戴等技术的不断发展，为海上风电场的智能化、智慧化、一体化建设提供了技术支撑。
本文在分析目前在运海上风电场(风电机组、海上升压站、陆上站)监控系统现状[8,9]的基础上；针对海上风电场智能化运行监控和智慧化维护管理[10,11]的需求，基于IEC 61850通信标准，提出以主辅设备智能化、全场信息数字化、信息共享标准化、系统功能一体化、控制决策智能化、高级应用互动化、运行状态可视化、运维管理智慧化为技术特征的海上风电场智慧型一体化监控管理系统的设计理念，研究分析系统的体系架构、技术特征，希望为海上风电场的智慧化建设指明方向。
1 海上风电场监控系统的现状及对策
通常，海上风电机组(含箱变)生产的电能，由中压海缆汇集后，接至海上升压站升压，再通过高压海缆，输送至陆上(汇集)站，并入电网[12,13]。
目前，我国海上风电机组通常来自不同厂商；不同的技术发展水平，各自的主控系统支持不同的通讯协议，信息共享困难；难以按电网一次调频的新要求直接调控风电机组。海上风电运行环境恶劣，机组故障率高。机组分布广阔，气候复杂多变，巡检维护十分困难。因此，迫切需要为风电机组装备智能的大脑和智慧的眼睛，实现运行状态提前感知、故障早期预警、机组远程调控[14,15]等功能，有效降低设备故障率、提高机组利用率。
海上升压站和陆上站内配置有常规的综合自动化、状态在线监测、辅助监控等系统；但站内主辅控系统有子系统数量多、功能不完善、信息格式不规范、相互间独立等问题，导致主辅设备间、辅助设施间信息无法有效共享；还有辅助设施覆盖不全、辅助设备型号多等问题。由于环境恶劣，受潮汐、海流等多种水文现象及振动、腐蚀等因素影响较大，海上日常值班运行与巡检维护管理十分困难，运维的可达性较差；因此，升压站通常按无人值守的原则设计，对自动化技术水平和通信系统的可靠性要求较高。全场缺乏运检高效的管控手段；海上升压站亟需采用数字化、智能化设备和调控手段，提升主辅设备的智能化管控水平[16,17]，这是全场智慧化运维的基础。在全场，亟需建设以设备状态全面感知、无人机器巡视巡检、设备缺陷主动预警、远程操作一键顺控、主辅设备智能联动、人员设备智能管控、行为决策智慧辅助为技术特征[18,19,20]的智慧型一体化监控管理系统，这些是降低运维成本、提升运营收益的最有效手段。
2 智慧型一体化监控管理系统的体系架构
建设智慧型一体化监控管理平台，旨在将全场作为一个整体考虑，统一设计风电机组及箱变、海上升压站、陆上站的各类子系统；采用统一的标准化接口，使它们无缝融合在统一的信息数据交换平台上；使用统一的数据库模型和人机交互界面，进行统一的运行控制和管理维护。在陆上集控中心的全景数据一体化信息平台上，就可实施对全场的远程实时全景智能化监控，并进行各类数据(如故障分析与预测、设备管理、工单管理等)的统一智能化管理，实现海上无人值守、陆上少人集控的智慧化运维管理模式。系统的体系构架如图1所示。
图1
图1 智慧型一体化监控管理系统图
Fig.1 Intelligent and integrated monitoring and management system diagram
开放式系统平台，基于网络通讯和IEC 61850标准，采用统一的标准化接口，联接多个现场(风电机组及箱变、海上升压站和陆上站)的各类监控管理子系统；构成面向全景数据的一体化监控管理系统。系统包含3个层次：现场层的各类智能化监控子系统，中间网络通讯层，站控及集控层的一体化智慧监控管理平台。在集控平台上实现对全场的全景智能化监控，并进行各类数据信息(如运行管理、检修管理、安全管理、设备管理、工单管理、备件管理、人员管理、财务管理、物资管理等)的统一智能化管理，实现故障预警、精准维护、最佳效能的安全运行目标，各子系统规范化存取访问标准数据；还可通过电力调度通道，将风电场的信息远传上送电网调度，接受电网的统一调度指令，实现全场自动发电控制(automatic generation control，AGC)、自动电压控制(automatic voltage control，AVC)等高级应用功能，优化全场整体出力控制，实现风电机组最优化运行。
2.1 智慧型一体化监控管理系统平台
一体化监控管理系统平台主要由实时数据服务器、历史数据服务器、Web服务器、操作员站、工程师站、核心以太网交换机、音响报警系统、同步时钟系统、不间断电源系统、二次安全防护等设备组成。有风电机组(含箱变)监控、升压站综合监控、陆上站综合监控、AGC/AVC、风功率预测、设备状态监测、辅助设施监控、基础及海底电缆监测、气象预报、生产管理、移动办公、视频监控、机器人与无人机巡检等子系统软件。在统一的数据交换平台上进行各类数据的无障碍融合，使用统一的数据库模型、人机交互界面，进行统一运行、统一维护管理；使全场内各子系统进行有效的协调，发挥最大的综合利用效益。
通常，一体化监控管理平台与陆上站综合监控平台共同一体建设；同时，简化海上升压站监管平台的配置。系统可灵活集成、扩展各种应用功能。
2.2 一体化监控管理系统的安全分区
一体化系统可分为安全Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区。安全I区是实时智能化监控区，包括风电机组(含箱变)监控、站内保护监控、系统安全稳定、AGC/AVC等子系统。安全Ⅱ区是非实时智能化监测控制区，包括功率预测、状态在线监测、辅助监控(消防、环境、灯光、安防、门禁等子系统)、基础结构及海缆监测等子系统。安全Ⅲ区是智慧化管理区，包括生产管理信息、测风塔及天气预报等子系统。安全Ⅳ区包括视频监控、机器人与无人机巡检等子系统。风电机组(含箱变)、升压站的综合监控管理系统的安全分区也遵照以上安全分区原则；各分区纵向接入一体化平台的对应分区。
安全Ⅰ、Ⅱ区之间采用防火墙隔离；横向通过隔离装置，与Ⅲ、Ⅳ区联系。纵向安全防护：安全区Ⅰ、Ⅱ区与调度中心、发电集团远程集控中心之间采用纵向加密认证装置隔离，安全Ⅲ、Ⅳ区与远程集控中心之间采用防火墙隔离。
2.3 陆上站的智能化、智慧化建设
数字化、智能化是智慧化的基础，融合了检测、诊断功能的高压智能化设备能及时准确地判断故障情况，并做出准确的修复策略。以保护和自动化装置为主的二次系统是智能化建设过程中的重点；在智慧化建设中，主要针对前期运维过程中暴露出的问题，结合泛在物联网等技术，开展相关新技术应用，如冗余测控、宽频测量等数字化技术。
采用先进的传感技术，对设备状态参量、安消防、环境、动力、海缆等进行全面采集；同时，应用物大云移智等先进技术，使全场具备设备状态全面感知、设备异常主动预警、倒闸操作一键顺控、主辅设备智能联动、巡视巡检机器替代、人员行为智能管控等功能，这些是陆上站智慧化建设的重点。基于IEC 61850标准的主辅全面一体化智能监控与管理系统，为实现海上站无人值守、陆上站远程全景智能化监控和智慧化管理奠定了基础。
2.4 海上升压站的智能化、智慧化建设
基于IEC 61850标准，海上升压站综合监控融合了综合自动化、设备状态在线监测、辅助设施(消防、环境、灯光、安防、门禁)监控、基础沉降监测、气象预报、导航与公共广播、应急通讯、视频监控、无人机器巡检等功能子系统。这也是全场智慧型一体化监控管理的基础。
采用全面感知的先进传感技术，对设备状态参量、安消防、环境、动力、海上平台等进行全面采集；使用智能机器人巡检气体绝缘全封闭组合电器(gas insulated substation，GIS)室、配电室等主要区域；结合物联网、远程图传、人工智能(artificial intelligence, AI)、射频识别、三维建模等多种先进技术，多维度实施动态监测及预警；主辅设施的智能互联互动；这些是海上升压站智能化、智慧化建设的重点内容，使例行检修向状态检修模式转变。
2.5 海上风电机组的智能化、智慧化建设
基于IEC 61400-25标准，对各型风机统一建模，统一数据采集，统一数据格式、数据编码，实现对不同厂家风机的统一监控。配置完善的状态监测是降低运维成本的措施；对风电机组及附属设施(含基础、箱变)进行全面的状态监测和智能诊断，综合了多参数信息，使故障早期预警成为可能；同时，辅助监控实现对动力设备、环境、安防、IP电话通讯的统一监控。机舱、塔底和塔外的视频监控，图像的采集、传输、分析，远程即可直观了解现场情况。在海上平台上部署无人机，实现对风机的航测、巡检；利用智能眼镜可实现远程视频会诊。
风电机组综合监控系统之间通过光纤环网联网；基于IEC 61400-25/IEC 61850标准，与站级一体化监管系统无缝融合。纵向接入一体化系统的对应安全分区，贯通集控系统的监控、生产、运维、调度等，使远方及时掌握风电机组的运行数据和相关设备及气象、环境状况，实现对风电场的远程集中智能调控和智慧化管理，提高设备的可靠性，提升风资源的转化率。
2.6 中间通信传输层
中间通信传输层是联结现场和集控中心的高速桥梁，使各种信息数据有序、高效、快速地传递到目的地，这是远程监控的关键所在。海陆之间主要采用海底光缆作为主要传输通道；以VSAT卫星通信系统作为应急通信备用通道。
3 智慧型监控管理系统的技术特征
智慧化的基础是各类信息的数字化，核心是信息数据的标准化处理与智能化分析，本质是数字化与智能化技术的高度融合。关键技术包括主辅设备智能化、数据共享标准化、大数据智能分析、故障智能诊断、智慧化运维管理等技术以及各类智能化算法。其主要技术特征如下文所述。
1)主辅设备的智能化。智能高压开关、智能变压器是一次设备和智能组件的有机结合体，自身具备测控、保护、计量和状态监测功能。智能风机采用先进的状态监测、数据分析、智能控制技术，使机组自身优化，调整运行在最佳工况。
2)全场信息数字化。主辅设施的数字化是智能化管理的基础。在设备上或现场安装数字化智能传感器，实时准确获知监测对象和各类环境的信息。统一设备、物资及备件的标准化编码，实现全场设备、资产的数字化。
3)信息共享标准化。统一数据采集，统一建模，统一数据格式、数据编码，可以解决目前普遍存在的多源信息数据异构问题。基于IEC 61850、IEC 61400-25标准，可以解决众多孤立设备、子系统互通难的问题，具有更好的互联互操作性。
4)系统功能一体化。综合自动化、在线监测、视频监控、消防控制、安全防范、环境监测、照明控制、空调控制、箱门锁控等功能集中，节省了设备投资；统一控制、统一管理，为主辅设备的全面一体化综合监管以及互联互动提供了极大的方便。
5)控制决策智能化。激光测风传感技术提前感知机组前方的风速信息；精准的风功率预测结合电网调度需求及各风电机组状态信息；机组控制技术适应风速变化，优化机组性能控制，自动调节输出功率；场群控制统筹全场内机组的控制，以适应网源协调控制。
6)高级应用互动化。高级应用互动涉及的子系统较多，控制策略配置复杂。如消防子系统动作时，会联动视频监控、环境监测、安防、消防、照明等子系统，以提高应急响应速度。
7)运行状态可视化。基于三维可视化技术，建立海上风机及升压站的虚拟现实场景，将风电机组、海上升压站在线监测以及消防、视频等辅助系统的实时运行数据，转变成以图像形式表示的、随时间和空间变化的物理模型。监控系统的二维报表也跨入了空间化、图形化、可视化展示时代。
8)运维管理智慧化。开展运行、检修、设备、备件、安全、文档等方面的智能化管理，有效降低了运维成本，显著提升管理水平。移动办公使管理人员可以随时随地掌握设备运行和状态数据，提高智慧化决策效率。
4 结语
智慧型一体化监控管理平台有效无缝融合了风电机组、升压站和陆上站各自独立的子系统，打破它们分属不同系统、数据无法共享、不同风机厂家监控操控不一致等各种不利局面。系统具有升压站、陆上站的全部监控管理功能；还可以图形化地显示各型风机的重要运行数据，如发电功率、风轮转速等，通过统一的风机监控界面，向各型风机下发如开停机等操作命令。统一的数据平台和数据库模型也为开展一系列高级应用如发电预测、全场功率负荷优化控制等提供方便，使海上风电真正成为可预测、可调节的优质电源。
在海上风电场智慧型一体化监控管理系统的建设过程中，要贯彻设计数字化、建设标准化、设备智能化、运维智慧化的方针。面对目前技术明显落后的现状，一要勇于实践，借鉴国家电网公司智能变电站、智慧变电站建设的成功经验，不断提升全场的数字化、智能化、智慧化水平；二要勤于探索，充分应用物联网、大数据分析、云边计算、5G及移动通信、人工智能、智能穿戴、VR/AR等先进技术，进行技术组合迭代优化，不断突破智慧化建设的新边际。
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