張峰

摘 要：近年來，海上風(fēng)電發(fā)展迅速。由于海上運(yùn)行維護(hù)條件艱苦，因此，一般按照無人值守理念設(shè)計(jì)海上風(fēng)電場(chǎng)，通過陸上集控中心或者遠(yuǎn)程集控中心，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的集中管理。本文對(duì)設(shè)備選擇、組網(wǎng)方案、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)等方面進(jìn)行研究，以保證海上升壓站設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高運(yùn)行可靠性，提升自動(dòng)化水平。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電升壓站;無人值守;關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：TM614文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）31-0017-04

Application Research on Unattended Key Technology of Offshore

Wind Power Substation

ZHANG Feng

（State Nuclear Electric Power Planning Design Research Institute Co.， Ltd.，Beijing 100095）

Abstract： In recent years， offshore wind power has developed rapidly. Due to the difficult operation and maintenance conditions on the sea， the offshore wind farm is generally designed according to the unattended concept， and the centralized management of the wind farm can be realized through the land centralized control center or remote centralized control center. In this paper， the equipment selection， networking scheme， equipment status monitoring and other aspects were studied to ensure the real-time monitoring of offshore booster station equipment， improve the operation reliability and enhance the automation level.

Keywords： offshore wind farm substation;unattended;key technology

海上風(fēng)電場(chǎng)升壓站通常在陸地上實(shí)現(xiàn)集中控制。由于海上升壓站距離岸邊一般都很遙遠(yuǎn)，運(yùn)行維護(hù)非常不便，因此，在選擇海上升壓站的設(shè)備時(shí)，可以按照無人值班方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)方案中提升設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)水平，應(yīng)用各種先進(jìn)的傳感測(cè)量、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，為海上風(fēng)電場(chǎng)提供全面豐富的數(shù)據(jù)資源，并將這些數(shù)據(jù)采集接入故障診斷專家系統(tǒng)，通過相應(yīng)的分析診斷軟件進(jìn)行診斷分析[1]。

1 海上升壓站監(jiān)測(cè)設(shè)備的配置

1.1 海上升壓站電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)

在線監(jiān)測(cè)裝置配置選點(diǎn)和設(shè)備選型時(shí)，應(yīng)按資產(chǎn)全生命周期考慮投入的經(jīng)濟(jì)性，在滿足使用功能的前提下，應(yīng)盡量選用簡(jiǎn)潔、有效、可靠和維護(hù)少的產(chǎn)品。

在海上升壓站配置地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）和變壓器局部放電監(jiān)測(cè)裝置，便于運(yùn)行人員對(duì)變壓器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷。局部放電監(jiān)測(cè)裝置采用超高頻檢測(cè)法（Ultra High Frequency，UHF）。超高頻檢測(cè)法（UHF法）是通過超高頻信號(hào)傳感器接收局部放電過程輻射的超高頻電磁波，實(shí)現(xiàn)局部放電的檢測(cè)。在變壓器油及油/紙絕緣和GIS中發(fā)生的局部放電，其信號(hào)的頻譜很寬，放電過程可以激發(fā)出數(shù)百甚至數(shù)千兆赫茲的超高頻電磁波信號(hào)，而變電站現(xiàn)場(chǎng)的干擾信號(hào)頻譜范圍一般在150 MHz以下，且在傳播過程中衰減很大。因此通過高頻天線檢測(cè)變壓器或GIS的超高頻放電信號(hào)，可在線監(jiān)測(cè)它們的局部放電。

在海上升壓站配置變壓器油中氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)便于運(yùn)行人員對(duì)變壓器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷。常規(guī)的油中氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中氣相色譜分析儀器要定期更換消耗品（如載氣等），考慮到海上升壓站的運(yùn)行維護(hù)不便，油中氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選擇采用先進(jìn)的光聲光譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用“動(dòng)態(tài)頂空平衡”法進(jìn)行脫氣以及光聲光譜法進(jìn)行氣樣檢測(cè)。由光聲光譜測(cè)量部件特性而知，較傳統(tǒng)的氣相色譜（GC）分析儀器而言，光聲光譜分析儀所需的校驗(yàn)工作將大為減少;光聲光譜監(jiān)測(cè)技術(shù)無須氣相色譜分析儀器中所需的消耗品，如載氣等;采用光聲光譜技術(shù)的儀器內(nèi)光聲室（一般為2～3 mL）容積較小，意味著僅需少量樣品即可進(jìn)行測(cè)試，且便于迅速清理光聲室以滿足快速、連續(xù)測(cè)量的要求。

變壓器配置局部放電監(jiān)測(cè)裝置和油中氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)全部配置遠(yuǎn)傳接口，數(shù)據(jù)上送到陸上集控中心故障診斷專家系統(tǒng)，便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析診斷。

1.2 海上風(fēng)電設(shè)備腐蝕監(jiān)測(cè)

海上風(fēng)電設(shè)備腐蝕監(jiān)測(cè)主要考慮對(duì)升壓站風(fēng)機(jī)設(shè)備、風(fēng)機(jī)塔筒設(shè)備和風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)等進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)。陸上集控中心和海上升壓站二次設(shè)備間及風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)安裝有大量精密電子設(shè)備，包括保護(hù)裝置、變頻器、整流器、變壓器等設(shè)備的安全運(yùn)行對(duì)風(fēng)電機(jī)組至關(guān)重要。然而，由于鹽霧、二氧化硫（SO2）、臭氧（O3）、二氧化氮（NO2）及其他氯化物（氯[Cl2]和氯化氫[HCl]）、乙酸（CH3COOH）和甲醛（HCHO）等物質(zhì)的滲入，可能會(huì)造成電路板或電子元器件腐蝕問題。此外，導(dǎo)電鹽溶液在高壓絕緣設(shè)備上的反復(fù)濃縮，不僅會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕問題，還會(huì)導(dǎo)致聚氨酯護(hù)套的絕緣性能下降，導(dǎo)致高壓擊穿并燒毀關(guān)鍵電氣設(shè)備，這將給風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重隱患。

海上風(fēng)電設(shè)備的腐蝕源有氧氣、海水、氯離子、紫外線。腐蝕類型多屬于金屬的電化學(xué)腐蝕。腐蝕特點(diǎn)：飛濺區(qū)和潮差區(qū)干濕交替、浪花沖擊，腐蝕速度最大。腐蝕原理：微電池和宏電池的共同作用，潮濕環(huán)境下的金屬表面形成無數(shù)個(gè)腐蝕微電池，陽極區(qū)金屬溶解、腐蝕，處于海水環(huán)境的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)和海上升壓站基礎(chǔ)，潮差區(qū)附近又形成一個(gè)宏電池，加速腐蝕。

我們的監(jiān)測(cè)依據(jù)是根據(jù)設(shè)置在監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近的電路板的腐蝕情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)（見圖1）。《過程測(cè)量和控制系統(tǒng)的環(huán)境條件：大氣污染物》（ANSI/ISA-71.04-2013）是美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ANSI）和國際自動(dòng)化學(xué)會(huì)（ISA）出臺(tái)的一個(gè)空氣腐蝕評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，以此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范工業(yè)、電子等行業(yè)數(shù)據(jù)中心、中央控制室等的環(huán)境等級(jí)。此標(biāo)準(zhǔn)是在一個(gè)常態(tài)的周圍環(huán)境里，30 d內(nèi)銅箔和銀箔產(chǎn)生的腐蝕增量和腐蝕累積。其對(duì)空氣腐蝕嚴(yán)重分為四個(gè)等級(jí)，如表1所示。

腐蝕監(jiān)測(cè)儀通過兩個(gè)石英晶體微天平傳感器，一個(gè)鍍銅、一個(gè)鍍銀監(jiān)測(cè)電子電器設(shè)備安裝所在環(huán)境的腐蝕膜厚度。高度靈敏的測(cè)量方法可指示污染物含量為十億分之一或更低的污染水平。

溫度、濕度、壓力（可選）等環(huán)境參數(shù)和腐蝕數(shù)據(jù)同步采集和顯示，我們選擇海上升壓站和陸上集控中心二次設(shè)備間內(nèi)各4面機(jī)柜作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，在每面機(jī)柜安裝1只空氣腐蝕監(jiān)測(cè)探頭，選擇6臺(tái)風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)機(jī)艙和塔基各1面機(jī)柜作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，在每面機(jī)柜安裝1只空氣腐蝕監(jiān)測(cè)探頭。選取6臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)鋼管樁選取4個(gè)部位進(jìn)行陰極保護(hù)電位監(jiān)測(cè)，即風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)樁泥面、極端低潮位、設(shè)計(jì)低潮位、設(shè)計(jì)高潮位之間陰極保護(hù)電位;對(duì)于海上升壓站導(dǎo)管架的4根主腿進(jìn)行陰極保護(hù)電位監(jiān)測(cè)。陰極保護(hù)一般用于水下，采用測(cè)試探頭對(duì)單樁基礎(chǔ)上陰極保護(hù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[2-3]。

所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳到陸上集控中心的腐蝕監(jiān)測(cè)服務(wù)器，由運(yùn)行人員統(tǒng)一進(jìn)行管理，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時(shí)便于維護(hù)人員采取相應(yīng)的處理措施。

1.3 海上風(fēng)電設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的配置

海上風(fēng)電設(shè)備長期在惡劣環(huán)境下運(yùn)行，運(yùn)行人員定期去現(xiàn)場(chǎng)查看和維護(hù)又非常不便，所以在海上風(fēng)電設(shè)備配置一些必要的監(jiān)測(cè)設(shè)備，以保證海上風(fēng)機(jī)設(shè)備的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3.1 塔筒和基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)主要是使用固定傾斜儀測(cè)量風(fēng)機(jī)塔底基礎(chǔ)面X、Y軸的傾斜量。安裝成功后，讀取測(cè)斜儀的原始值作為監(jiān)測(cè)塔基的初始狀態(tài)。在長期監(jiān)測(cè)過程中，讀取測(cè)斜儀的值與初始值進(jìn)行比較，從而反映出塔基的不均勻沉降程度，當(dāng)傾角超出門限時(shí)報(bào)警。

對(duì)于高塔筒風(fēng)機(jī)，還宜開展塔筒振動(dòng)監(jiān)測(cè)，在風(fēng)機(jī)塔筒軸向方向、水平正交方向安裝2個(gè)低頻加速度傳感器。塔筒和基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)如圖2所示。

1.3.2 槳葉監(jiān)測(cè)。在每個(gè)葉片內(nèi)表面監(jiān)測(cè)揮舞和擺振方向結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特征，采集一段時(shí)間（3～6個(gè)月）的正常運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過人工智能預(yù)學(xué)習(xí)建立葉片正常運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)模型。葉片振動(dòng)模型建立后，槳葉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集、計(jì)算、分析葉片振動(dòng)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)與正常模型數(shù)據(jù)對(duì)比，以此在故障早期定位槳葉的裂紋、雷擊、結(jié)冰、不平衡、斷裂等異常[4]。

1.3.3 傳動(dòng)鏈監(jiān)測(cè)。在主軸承、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、機(jī)艙彎頭處布置振動(dòng)加速度傳感器，對(duì)機(jī)組的傳動(dòng)鏈進(jìn)行全面的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，如圖3所示。

1.3.4 螺栓載荷監(jiān)測(cè)。對(duì)每個(gè)重要法蘭處選擇4個(gè)螺栓。螺栓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)射和接收超聲波脈沖電信號(hào)、測(cè)量并計(jì)算發(fā)射和回波電信號(hào)之間時(shí)間差，從而計(jì)算螺栓的長度，根據(jù)螺栓的長度變化，換算出螺栓的預(yù)緊力，實(shí)現(xiàn)螺栓載荷在線監(jiān)測(cè)。螺栓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量原理如圖4所示。

1.4 海上升壓站結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)

海上升壓站和風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)，提供應(yīng)力應(yīng)變、結(jié)構(gòu)振動(dòng)、傾斜和地基不均勻沉降共4類功能監(jiān)測(cè)模塊，通過在線連續(xù)測(cè)量并存儲(chǔ)主要結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵安全參數(shù)，評(píng)估并判斷海上升壓站和風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)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，避免倒塌等災(zāi)難性事故及惡性的不可逆結(jié)構(gòu)問題的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全保護(hù)。

海上升壓站基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器類型、安裝位置、型號(hào)、數(shù)量及采集裝置如圖5所示。

1.5 海纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)《海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51308—2019），海上風(fēng)力發(fā)電廠可配置海底電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。海底電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容包含海底電纜的擾動(dòng)、應(yīng)力和溫度監(jiān)測(cè)。

海底電纜用于電能電力和信息傳輸，對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)的電力和信息傳輸起到至關(guān)重要的作用，一旦發(fā)生故障，將造成十分嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。為保證海底電纜安全可靠運(yùn)行，本工程配置海底電纜故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

海底電纜故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要對(duì)象為連接海上升壓站與陸上升壓站的220 kV海纜，海底電纜故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)基于先進(jìn)的分布式光纖傳感技術(shù)，系統(tǒng)功能包括：實(shí)時(shí)在線的溫度和應(yīng)力分布式監(jiān)測(cè);實(shí)時(shí)在線的擾動(dòng)監(jiān)測(cè);清楚指示過熱點(diǎn)或錨害的位置信息;提供海纜異常的早期探測(cè);對(duì)巖石定點(diǎn)摩擦海纜等不可見事件進(jìn)行數(shù)據(jù)積累，為海纜日常維護(hù)提供磨損事件數(shù)據(jù)庫;通過集成海事的AIS系統(tǒng)及其他已有監(jiān)控裝置，搭建海纜立體監(jiān)測(cè)平臺(tái)，為突發(fā)事件的事后賠償追索提供事件證據(jù)鏈?zhǔn)聦?shí)依據(jù)。海底電纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)屏一般布置在陸上集控中心，也可以布置在海上升壓站。

2 海上升壓站設(shè)備無人監(jiān)測(cè)輔助設(shè)備

2.1 自動(dòng)巡檢機(jī)器人

在海上風(fēng)電場(chǎng)GIS室、主要配電室區(qū)域，構(gòu)建機(jī)器人巡檢系統(tǒng)，針對(duì)不同區(qū)域的地形特點(diǎn)及監(jiān)控對(duì)象，制定不同的巡檢路線與巡檢方案。

智能巡檢機(jī)器人攜帶可見光相機(jī)、紅外相機(jī)、局放傳感器、拾音器等設(shè)備（見圖6），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的電氣設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的智能感知、帶電監(jiān)測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)，有效降低高危區(qū)域人員作業(yè)強(qiáng)度，保障人員生命安全;有效防止設(shè)備“過維護(hù)”和“欠維護(hù)”，提高設(shè)備巡檢的覆蓋率、準(zhǔn)確率及工作效率，減少設(shè)備的故障發(fā)生率，提高設(shè)備可靠性[5]。機(jī)器人運(yùn)行方式如圖7所示。