郭慧斌 包文峰 王九華

我國《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出，到2020年海上風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到500萬千瓦以上。根據(jù)最新的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2018年12月，我國海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量已超過450萬千瓦。目前國內(nèi)主要的海上風(fēng)電大省均已推出明確的海上風(fēng)電發(fā)展指導(dǎo)建議，并且擁有明確的海上風(fēng)電建設(shè)規(guī)劃。各整機(jī)廠商也開始積極開展海上風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)，海上風(fēng)電發(fā)展不斷加速。

隨著裝機(jī)容量的增加，海上風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)越來越重要。海上風(fēng)電由于其特殊的地理?xiàng)l件，鹽霧濃度高、濕度大，對設(shè)備運(yùn)行的可靠性方面有較高的要求。與陸上風(fēng)電場相比，海上風(fēng)電場的運(yùn)行維護(hù)更加困難，風(fēng)、浪、潮汐等海洋氣候環(huán)境，增加了海上運(yùn)維窗口期的不確定性，使得運(yùn)維可達(dá)性差、海上作業(yè)耗時(shí)長、作業(yè)難度大，因此，海上風(fēng)電場的運(yùn)維成本遠(yuǎn)高于陸上風(fēng)電場。

目前海上風(fēng)電機(jī)組的維修模式主要有定期維護(hù)、故障維護(hù)、預(yù)防性維護(hù)。隨著海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)積累，以預(yù)防性維護(hù)、預(yù)警性維護(hù)為主導(dǎo)的精益運(yùn)維管理系統(tǒng)解決方案將會有更大的發(fā)展空間，其中需要用到先進(jìn)的傳感、機(jī)組狀態(tài)監(jiān)控、大數(shù)據(jù)及云平臺等技術(shù)，最終通過精益運(yùn)維管理，實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電場度電運(yùn)維成本的有效降低。

海上風(fēng)電機(jī)組精益運(yùn)維管理要素

海上風(fēng)電運(yùn)維成本在海上風(fēng)電場全生命周期成本中占25%～30%，而海上風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)維成本占海上風(fēng)電場運(yùn)維成本的55%以上，因此借助大數(shù)據(jù)、云平臺等信息化手段，提高海上機(jī)組的精益運(yùn)維管理水平，可降低海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維成本的5%～10%。海上風(fēng)電機(jī)組的精益運(yùn)維管理理念貫穿于海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)、交付到運(yùn)維整個(gè)鏈條，主要因素包括：海上機(jī)組環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)、海上機(jī)組可靠性設(shè)計(jì)、海上風(fēng)電場專用運(yùn)維基地、海上風(fēng)電機(jī)組可達(dá)性策略、海上機(jī)組精益運(yùn)維策略。

一、海上風(fēng)電機(jī)組適應(yīng)性設(shè)計(jì)

海上風(fēng)電場精益運(yùn)維管理的目的是實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電機(jī)組高可靠運(yùn)行，從而保障發(fā)電收益。不同海域海洋環(huán)境差異較大，因此，在設(shè)計(jì)前期，需要針對不同海域的風(fēng)能資源特性進(jìn)行詳細(xì)分析，根據(jù)風(fēng)區(qū)特點(diǎn)選取適宜的機(jī)型。

針對特殊環(huán)境對海上機(jī)組的影響（表1），在海上機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)，除了需要考慮高溫、高鹽、高濕環(huán)境的適應(yīng)性設(shè)計(jì)，還需要針對不同海域的風(fēng)能資源特性，選取發(fā)電性能最優(yōu)的機(jī)組，以及尾流影響最小的機(jī)位排布方式。中國近海風(fēng)能資源分布情況如圖1所示，由圖可知，不同海域的風(fēng)能資源特性也有較大差異：

（1）長江口以北海域：年平均風(fēng)速6.4～8m/s，最大風(fēng)速<42.5m/s，地質(zhì)條件較好，局部海域受冬季浮冰、基巖、地震等影響。

（2）上海、浙江及廣東以南海域：年平均風(fēng)速7～8.5m/s，50年一遇最大風(fēng)速≥50m/s，地質(zhì)條件一般，受臺風(fēng)、基巖等影響。

（3）臺灣海峽海域：年平均風(fēng)速8.5～10+m/s，最大風(fēng)速>50m/s，地質(zhì)條件復(fù)雜，受臺風(fēng)、基巖等影響。

二、海上風(fēng)電機(jī)組可靠性設(shè)計(jì)

可靠性工程（Reliability、Availability、Maintainability、Safety，簡稱RAMS）是包括設(shè)備可用性及其影響因素（可靠性、維修性、保障性以及安全性）的綜合表述。在海上風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)積極逐步地采用當(dāng)前先進(jìn)、成熟、高效實(shí)用的可靠性工程技術(shù)，以最快的速度、最低的成本實(shí)現(xiàn)風(fēng)電產(chǎn)品可靠性、維修性、測試性水平的提升，大幅度減少停機(jī)維修時(shí)間和度電成本。將高效實(shí)用的可靠性工程技術(shù)與集成產(chǎn)品開發(fā)流程充分融合，可以在機(jī)組實(shí)際的研發(fā)各階段，根據(jù)需要選擇適用的方法。

RAMS工作的總體框架如圖2所示：在故障信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的支持下結(jié)合風(fēng)電機(jī)組運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)開展風(fēng)險(xiǎn)分析工作，確定排名前N位的（TOP N）故障模式/關(guān)鍵部件，并將其作為后續(xù)可靠性工作的重點(diǎn)對象：針對重點(diǎn)對象通過開展常規(guī)RAMS設(shè)計(jì)、測試性設(shè)計(jì)等工作，使風(fēng)電機(jī)組具有較高的可靠性，降低故障影響及維修難度，最終達(dá)到降低度電成本的目標(biāo)。

在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用過程中，主要是通過對設(shè)備的大量運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并將其與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比對，找出兩者之間差異，為機(jī)組優(yōu)化設(shè)計(jì)提供詳細(xì)輸入數(shù)據(jù);另外根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)維過程中記錄的維護(hù)數(shù)據(jù)，分析故障發(fā)生前后機(jī)組運(yùn)行表現(xiàn)情況，從而在后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，充分考慮環(huán)境、機(jī)組部件可靠性、運(yùn)維便捷性等因素。即通過大數(shù)據(jù)分析，促進(jìn)海上機(jī)組可靠性設(shè)計(jì)向工程化、定制化、信息化方向發(fā)展。

三、海上風(fēng)電場專用運(yùn)維基地

運(yùn)維基地顧名思義是運(yùn)維人員、物資、交通工具等的集合地，既可以?？亢Ｉ巷L(fēng)電專用運(yùn)維船舶，運(yùn)送人員和貨物到機(jī)位，又可以在后方陸域場地堆放風(fēng)電機(jī)組及其附屬設(shè)備，同時(shí)其作為設(shè)備維修車間、備品備件倉庫、集中辦公場所和培訓(xùn)基地等，對保障海上機(jī)組的可利用率起著至關(guān)重要的作用。

在運(yùn)維基地選址的過程中，需要重點(diǎn)考慮運(yùn)維基地碼頭的水文氣象條件，因?yàn)檫@些水文氣象要素對大部件更換船舶、運(yùn)維母船、運(yùn)維交通船等安全進(jìn)出港有較大的影響，從而影響運(yùn)維基地的運(yùn)營收益。因此，歐洲國家大多把海上風(fēng)電運(yùn)維基地設(shè)在主要港口附近，其中比較典型的有比利時(shí)Oostend港口（如圖3）、荷蘭Eemshaven港口、丹麥Esbierg港口等。該類港口的主要功能是作為海上風(fēng)電運(yùn)維人員的生活基地，海上機(jī)組大部件及備品備件倉儲及維修基地，海上人員安全及風(fēng)電機(jī)組維護(hù)技能培訓(xùn)基地，大部件更換船與運(yùn)維母船、運(yùn)維交通船等?？考把a(bǔ)給基地，海上風(fēng)電場運(yùn)維直升機(jī)起降及維護(hù)保養(yǎng)基地。從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)運(yùn)維交通、備件、人員等資源共享，整體降低區(qū)域內(nèi)運(yùn)維成本。

相較于國外成熟的海上風(fēng)電運(yùn)維基地，目前國內(nèi)因海上風(fēng)電的規(guī)模尚處于集中化、區(qū)域化的起步階段，還未形成類似于國外的區(qū)域化運(yùn)維基地。當(dāng)前國內(nèi)運(yùn)維碼頭大部分為內(nèi)河碼頭，少部分為海邊漁民專用碼頭或港口大型碼頭，但該類碼頭基本只能允許臨時(shí)?？浚L期停泊或避風(fēng)仍需到內(nèi)河碼頭。由于內(nèi)河碼頭受閘口開關(guān)時(shí)間限制，對于航行距離超過25km的風(fēng)電場而言，人員及設(shè)備上船效率以及風(fēng)電場的可達(dá)性都將受到影響，并且也存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)（如圖4）。隨著江蘇、廣東、福建等海域大批項(xiàng)目完成建設(shè)并進(jìn)入運(yùn)維階段，產(chǎn)生的集聚效應(yīng)將有效促進(jìn)區(qū)域化海上風(fēng)電場運(yùn)維基地的形成與應(yīng)用。

四、海上風(fēng)電機(jī)組可達(dá)性

目前海上風(fēng)電場出海主要交通工具包括專用運(yùn)維船舶、直升機(jī)、大型SOV（即運(yùn)維母船）等，不同交通工具滿足不同的出海作業(yè)工況要求（如圖5），而選擇的交通工具不同，海上風(fēng)電機(jī)組年度有效出海作業(yè)時(shí)間也就不同。

為了滿足海上風(fēng)電機(jī)組年度有效作業(yè)時(shí)間，對于離岸距離較遠(yuǎn)的海上風(fēng)電場，行業(yè)內(nèi)開發(fā)商、整機(jī)商、第三方運(yùn)維公司也正積極思考解決方案。目前對于離岸距離超過50km的海上風(fēng)電場，開發(fā)商擬在海上建立運(yùn)維基地，同時(shí)在年度檢修時(shí)，同區(qū)域幾個(gè)風(fēng)電場聯(lián)合租賃大型運(yùn)維母船SOV，從而整體降低運(yùn)維交通成本。以下以一個(gè)離岸距離100km的風(fēng)電場為例，對比分析不同運(yùn)維基地的有效運(yùn)維工作時(shí)長和運(yùn)維成本：

（1）從岸上進(jìn)行服務(wù)支持：直升機(jī)場在服務(wù)基地附近：備件在岸上。

（2）從海上進(jìn)行服務(wù)支持：無人值守海上平臺：帶直升機(jī)平臺和備件倉儲。

（3）從海上進(jìn)行服務(wù)支持：有人值守海上平臺或可住宿船（全年24h/7d），帶直升機(jī)平臺和備件倉儲。

由圖6可知，該項(xiàng)目的有效作業(yè)工時(shí)最長的為基于有人值守的海上生活平臺，為11.4h/d;運(yùn)維交通租賃成本最低的為海上基地直升機(jī)+運(yùn)維船，為3.2歐分/千瓦時(shí)。

五、精益化運(yùn)維策略

海上風(fēng)電場精益化運(yùn)維策略力求為海上風(fēng)電場開發(fā)商各級管理者及生產(chǎn)運(yùn)行人員提供一個(gè)全方位、多視角的信息平臺，為海上風(fēng)電場運(yùn)維人員的高效、安全運(yùn)維作業(yè)保駕護(hù)航（如圖7）。

以海上風(fēng)電場精益化運(yùn)維策略為核心的海上風(fēng)電場智能運(yùn)維管理系統(tǒng)是以生產(chǎn)設(shè)備管理為目標(biāo)，以生產(chǎn)運(yùn)行人員、設(shè)備維護(hù)人員為主要服務(wù)對象，將生產(chǎn)管理的主要工作流程與人力、物資、技術(shù)、安全、成本等信息關(guān)聯(lián)起來，有效提高出海作業(yè)人員作業(yè)效率，降低風(fēng)電機(jī)組故障停機(jī)時(shí)間，以達(dá)到降低海上風(fēng)電場運(yùn)維成本、提高風(fēng)電場發(fā)電效益的目的。

通過在風(fēng)電機(jī)組不同部件上布置相應(yīng)的傳感器，再由海底光纖將獲取的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)回傳至陸上集控中心，在該中心建立云平臺，并開發(fā)機(jī)組遠(yuǎn)程診斷及控制模型，從而實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電機(jī)組的實(shí)時(shí)監(jiān)測及運(yùn)行控制。另外結(jié)合專業(yè)的水文氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，擬開發(fā)的海上風(fēng)電機(jī)組智能預(yù)警系統(tǒng)、故障專家?guī)?、運(yùn)維基礎(chǔ)資源數(shù)據(jù)庫等功能，為海上風(fēng)電場的運(yùn)行和管理提供一套信息管理系統(tǒng)。

精益化運(yùn)維策略的核心輸入是水文氣象數(shù)據(jù)，海上風(fēng)電場相較于陸上風(fēng)電場機(jī)組的可利用率差異就在于機(jī)組的可達(dá)性。目前國內(nèi)已有一些專門應(yīng)用于海上風(fēng)電場日常管理的水文氣象預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)（如圖8），該類系統(tǒng)主要功能如下=

（1）歷史數(shù)據(jù)下載與統(tǒng)計(jì)分析功能：通過該系統(tǒng)保存的過去10～30年歷史模擬水文氣象數(shù)據(jù)，用戶可在獲得權(quán)限或購買相應(yīng)服務(wù)后，自行下載任意機(jī)位點(diǎn)的歷史水文氣象數(shù)據(jù)。利用該數(shù)據(jù)，可有效分析出施工及運(yùn)維有效作業(yè)時(shí)間窗口，從而為工程交付計(jì)劃及運(yùn)維計(jì)戈0制定提供數(shù)據(jù)輸入。

（2）未來1～10天的精細(xì)化水文氣象信息預(yù)報(bào)功能：系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)1km～lkm.逐小時(shí)的水文氣象信息預(yù)報(bào)，包括不同高度的風(fēng)速、風(fēng)向、浪高、浪向、海流、水深等要素，利用該數(shù)據(jù)，可輔助制定短期（3～5天）施工及運(yùn)維作業(yè)計(jì)劃。

（3）災(zāi)害性天氣預(yù)警功能臺風(fēng)、雷暴、海霧、強(qiáng)降雨等。海1-風(fēng)電機(jī)組精益運(yùn)維管理實(shí)踐

海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維分為故障維護(hù)、年度檢修、技改、消缺等作業(yè)任務(wù)。由于海上機(jī)組相較于陸上機(jī)組存在交通可達(dá)性較差、運(yùn)維作業(yè)時(shí)長有限等缺點(diǎn)，因此，需要將精益管理的理念融入機(jī)組日常維護(hù)作業(yè)過程中，精益運(yùn)維理念旨在通過利用現(xiàn)代化傳感技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，變海上機(jī)組運(yùn)維工作“被動(dòng)式維護(hù)”為“預(yù)防性維護(hù)”。

目前市場上主流的海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)及生產(chǎn)廠家基本上都在建立各自的精益運(yùn)維管理體系，基本思路為從設(shè)計(jì)階段引入精益運(yùn)維管理理念，增加機(jī)組智能控制技術(shù);通過已運(yùn)行大量機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行反向FEMA分析，開發(fā)關(guān)鍵部件的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)將與海上機(jī)組運(yùn)維相關(guān)的天氣、人員、交通、備件、工具等要素實(shí)現(xiàn)平臺化、信息化管理，基于風(fēng)功率預(yù)測，以發(fā)電量及出海成本最優(yōu)為目標(biāo)，將運(yùn)維作業(yè)任務(wù)分解，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)與故障維護(hù)相結(jié)合的精益化管理模式，最終促進(jìn)海上風(fēng)電度電運(yùn)維成本下降。

一、海上機(jī)組智能控制

智能控制基本分為三層：單機(jī)層、場級層及云端層，分別針對智能感知、協(xié)同決策及大數(shù)據(jù)分析等智能需求而設(shè)計(jì)，并設(shè)有三級安全區(qū)即安全I(xiàn)區(qū)、安全I(xiàn)I區(qū)、安全I(xiàn)II區(qū)，由相應(yīng)的防火墻及正反向隔離設(shè)備確保風(fēng)電場信息安全，在實(shí)現(xiàn)智能數(shù)據(jù)交互控制的同時(shí)保證信息的絕對安全（如圖9）。

智能控制系統(tǒng)利用場端、云端雙重優(yōu)勢，依據(jù)自我認(rèn)知的結(jié)果以及外部環(huán)境特點(diǎn)等因素，將自主完成狀態(tài)評估、性能回歸、性能提升以及行為預(yù)測等功能，如圖10所示。

（1）自主狀態(tài)評估：風(fēng)電機(jī)組精確感知自我狀態(tài)及環(huán)境條件，完成性能狀態(tài)評估，主要包括風(fēng)電機(jī)組自主系統(tǒng)辨識（變槳系統(tǒng)、轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)、葉片系統(tǒng)、塔架系統(tǒng)等）、自主行為安全評估、自主功率曲線評估、自主風(fēng)況評估（平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度、極端陣風(fēng)）等：

（2）自主性能回歸：風(fēng)電機(jī)組根據(jù)狀態(tài)評估結(jié)果，完成自主性能優(yōu)化，以達(dá)到風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，包含最優(yōu)槳距角智能控制、智能偏航控制、最優(yōu)增益自主尋優(yōu)控制等：

（3）自主性能提升：風(fēng)電機(jī)組根據(jù)狀態(tài)評估及載荷輸入，完成基于載荷的性能提升，創(chuàng)造更大用戶價(jià)值，包括基于葉根的載荷控制包及基于模型的載荷估計(jì)器等：

（4）自主行為預(yù)測：在風(fēng)電機(jī)組控制策略中加入自學(xué)習(xí)功能，即風(fēng)電機(jī)組本身可根據(jù)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，對比原始設(shè)計(jì)值，自主判斷運(yùn)行的效果，并通過環(huán)境的實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)，預(yù)測未來一段時(shí)間內(nèi)。風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電性能、各部件運(yùn)行情況，從而可有效控制機(jī)組各部件的協(xié)同運(yùn)行，起到自我保護(hù)功能。主要技術(shù)包括基于葉根載荷的風(fēng)速估計(jì)、基于激光雷達(dá)的智能控制、基于模型風(fēng)速預(yù)測的優(yōu)化控制等。

二、海上機(jī)組狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

海上機(jī)組狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)由于是對不同機(jī)組部件建立不同的監(jiān)控模型，因此，監(jiān)控輸入數(shù)據(jù)源不同，所采用的輸入數(shù)據(jù)辨識方法、控制算法也有較大區(qū)別。采用不同分析和控制算法是為了更具體、更精準(zhǔn)認(rèn)知被監(jiān)控部件的實(shí)際運(yùn)行情況，以及預(yù)判未來一段時(shí)間內(nèi)，在不同外界環(huán)境條件下機(jī)組的運(yùn)行情況，從而保證機(jī)組整個(gè)生命周期的安全及運(yùn)行性能（如圖11）。

隨著國內(nèi)海上風(fēng)電場開發(fā)規(guī)模擴(kuò)大，福建、廣東等受臺風(fēng)影響較多的海域也逐漸有海上風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，因此。在關(guān)注機(jī)組正常天氣條件下的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控外，臺風(fēng)區(qū)域機(jī)組需要更加注重臺風(fēng)工況下的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。目前各整機(jī)廠商都在研究臺風(fēng)工況下的控制策略，將海上機(jī)組狀態(tài)監(jiān)控與臺風(fēng)期間的水文氣象預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)臺風(fēng)過境前、中、后期間，根據(jù)臺風(fēng)中心與風(fēng)電場之間的距離，有效利用臺風(fēng)外圍進(jìn)行發(fā)電，提高發(fā)電收益。具體控制策略（以某風(fēng)電整機(jī)廠商為例）如圖12所示。

臺風(fēng)過境前：水文氣象預(yù)警平臺實(shí)時(shí)發(fā)布臺風(fēng)路徑、與風(fēng)電場距離、風(fēng)電場水文氣象信息。臺風(fēng)過境時(shí)：根據(jù)臺風(fēng)預(yù)報(bào)及預(yù)警機(jī)制，啟動(dòng)臺風(fēng)控制策略，切出風(fēng)速前有效利用臺風(fēng)外圍滿發(fā)或超發(fā)：達(dá)到切出風(fēng)速后，根據(jù)風(fēng)速大小逐漸降功率運(yùn)行，保障機(jī)組發(fā)電;根據(jù)極限工況設(shè)計(jì)值及實(shí)際風(fēng)速情況，采取停機(jī)和主動(dòng)背風(fēng)等控制策略，保障機(jī)組安全。

三、基于云平臺及大數(shù)據(jù)的故障診斷及預(yù)警模型

故障診斷及預(yù)警模型，是先對故障進(jìn)行診斷，并建立預(yù)警模型，當(dāng)達(dá)到運(yùn)行預(yù)警臨界值，風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)將發(fā)出預(yù)警信息。主要工作思路是將海上機(jī)組歷史故障數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，同時(shí)將發(fā)生故障時(shí)的外界環(huán)境條件、相關(guān)聯(lián)部件的運(yùn)行情況等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，從而建立海上機(jī)組不同部件的故障預(yù)警模型。該過程將會用到云平臺、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)。故障診斷及預(yù)警模型，可為現(xiàn)場運(yùn)維人員提供一套快速、高效、智能的檢索故障及查詢故障處理方案。

該模型通過對已經(jīng)發(fā)生的故障、狀態(tài)、信號和事件等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和比較，發(fā)現(xiàn)潛在的問題和規(guī)律性的運(yùn)行特征，評價(jià)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況及預(yù)測系統(tǒng)可能發(fā)生的故障，并進(jìn)行相應(yīng)設(shè)備狀態(tài)、故障建模，從而可形成一系列故障專家模型庫，最終將實(shí)現(xiàn)對海上機(jī)組的智能化綜合故障預(yù)警。如圖13為某廠家海上機(jī)組專家診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖。

四、海上風(fēng)電場精益運(yùn)維計(jì)劃管理平臺

海上機(jī)組出海作業(yè)運(yùn)維計(jì)劃排布需要考慮的因素包括人員、設(shè)備、備件、交通、天氣窗口等。精益運(yùn)維計(jì)劃管理平臺旨在將與海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維相關(guān)的基礎(chǔ)信息，如：海洋水文氣象預(yù)報(bào)、出海維護(hù)作業(yè)內(nèi)容、故障及所攜帶備件、未來海上機(jī)組發(fā)電性能等進(jìn)行集成開發(fā)，并通過狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷與預(yù)警模型，分析出海上機(jī)組未來短期（5～7天）需要完成的出海作業(yè)任務(wù)，同時(shí)基于發(fā)電量和運(yùn)維成本最優(yōu)，利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成出海作業(yè)任務(wù)計(jì)劃，并根據(jù)運(yùn)維情況進(jìn)行優(yōu)化（如圖14）。

（一）基于發(fā)電量最優(yōu)的精益運(yùn)維計(jì)劃自動(dòng)排布設(shè)計(jì)

精益運(yùn)維計(jì)劃管理是通過系統(tǒng)中各模塊提取風(fēng)電場特征、水文氣象、人員、物資、船舶等數(shù)據(jù)，然后導(dǎo)入待辦任務(wù)，并參照標(biāo)準(zhǔn)定義業(yè)務(wù)需求，將導(dǎo)入的任務(wù)轉(zhuǎn)入運(yùn)維計(jì)劃自動(dòng)優(yōu)化排布系統(tǒng)。系統(tǒng)將自動(dòng)安排給出未來一個(gè)運(yùn)維周期內(nèi)（例如一個(gè)月）的多種出海運(yùn)維方案、每種方案出海成本（含經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本）及預(yù)期發(fā)電收益。按照預(yù)期發(fā)電收益從高到低排名，用戶從中選取排名靠前（如前3名）的一套方案作為第二天出海計(jì)劃，安排任務(wù)派發(fā)。在計(jì)劃執(zhí)行階段，用戶通過平臺的氣象預(yù)報(bào)、通信調(diào)度、船舶監(jiān)控等功能來保障運(yùn)維計(jì)劃的完成。

如圖15所示，系統(tǒng)自動(dòng)從運(yùn)維計(jì)劃中以時(shí)間軸為依據(jù)，從大量運(yùn)維計(jì)劃樣本中選取短期內(nèi)（3～5天）必須完成的工作計(jì)劃，并通過發(fā)電量以及成本核算模型，自動(dòng)排布出前5個(gè)運(yùn)維計(jì)劃，若計(jì)算結(jié)果不能收斂，系統(tǒng)將會自動(dòng)調(diào)整樣本數(shù)據(jù)，再進(jìn)行迭代計(jì)算。最終得出推薦的前3種運(yùn)維計(jì)劃排布策略。

（二）基于出海成本最優(yōu)的精益運(yùn)維計(jì)劃自動(dòng)排布設(shè)計(jì)

對于國內(nèi)風(fēng)電場，由于近海岸區(qū)域存在很多需要在航行時(shí)避開的區(qū)域，再考慮潮間帶因素，僅依靠現(xiàn)有算法模型不能滿足需求。基于海圖GIS，采用柵格最優(yōu)路徑求解方法可以有效評估船舶最優(yōu)航行路徑和出海成本。

基于柵格求解最優(yōu)路徑的方法為：

（1）將出海范圍區(qū)域的海圖劃分網(wǎng)格，綜合評估氣象預(yù)報(bào)網(wǎng)格精度、海圖每個(gè)網(wǎng)格所包含的要素，來決定網(wǎng)格尺寸。

（2）從出發(fā)地到目的地（圖16），基于時(shí)間序列考慮，采用A*算法來求解網(wǎng)格最優(yōu)路徑，并評估路徑成本。海上風(fēng)電機(jī)組精益運(yùn)維管理總結(jié)與展望

海上風(fēng)電機(jī)組精益運(yùn)維管理是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要機(jī)組在設(shè)計(jì)階段就考慮可維護(hù)性、遠(yuǎn)程監(jiān)控等軟硬件開發(fā)，同時(shí)在日常運(yùn)維管理中引入大數(shù)據(jù)、云平臺、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，在此基礎(chǔ)上形成一套科學(xué)的、具備可行性的海上精益運(yùn)維管理系統(tǒng)方法。該方法從理論到實(shí)踐，將會根據(jù)國內(nèi)海上風(fēng)電場發(fā)展的不同階段不斷發(fā)展完善。

一、單個(gè)海上風(fēng)電場精益運(yùn)維管理方向

隨著大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的到來，海上運(yùn)維管理由經(jīng)驗(yàn)化、紙質(zhì)化正逐步向信息化、無紙化、平臺化、精益化、智能化發(fā)展。目前國內(nèi)各大整機(jī)廠商也在積極探索利用智能傳感技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)，形成海上風(fēng)電場運(yùn)行數(shù)據(jù)庫，同時(shí)利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)將以上數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分類;通過建立人工智能故障診斷及專家?guī)炷Ｐ?，?shí)現(xiàn)海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維的智能化控制，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除機(jī)組可能出現(xiàn)的故障，并采取有效的應(yīng)對策略，從而降低風(fēng)電運(yùn)維成本，提升海上風(fēng)電的運(yùn)維效率。

二、區(qū)域化海上風(fēng)電場精益運(yùn)維管理方向

未來隨著區(qū)域海上風(fēng)電大數(shù)據(jù)中心、區(qū)域海上風(fēng)電場運(yùn)維產(chǎn)業(yè)鏈、區(qū)域運(yùn)維基地等資源與技術(shù)的逐步發(fā)展和應(yīng)用，區(qū)域內(nèi)海上風(fēng)電場運(yùn)維資源將實(shí)現(xiàn)共享。從而降低整個(gè)區(qū)域內(nèi)海上風(fēng)電場的度電運(yùn)維成本。