風電機組視情維修決策支持系統(tǒng)研究

寧澤明

摘 要：近年來隨著各地風電產業(yè)迅速發(fā)展，風電機組維修需求不斷增加，而運營管理方式卻相對落后。針對該問題，本項目進行了風電機組視情維修決策的研究。在風機狀態(tài)監(jiān)測下，對于狀態(tài)異常的風電機組，進行故障的精準定位，考慮維修能力、資源配置及調度方案，及時制定同期系列故障的維修策略。在此基礎上，對維修過程進行跟蹤記錄，分析故障發(fā)生率和評定故障等級，反向優(yōu)化故障庫，進一步更新方案，并對風電場運行維護過程中的各項業(yè)務進行集成。

關鍵詞：風電機組;視情維修策略;故障檢測;維修決策支持系統(tǒng)

0 引言

隨著國際能源價格持續(xù)上升，以及人們對環(huán)境污染問題的日益關注，風電產業(yè)開始啟動，由于其清潔和安全可再生性，并且對生態(tài)的破壞極小，得到了迅速發(fā)展[1]。據(jù)統(tǒng)計，2016年我國的風力發(fā)電增長27.6%，加快11.5個百分點。2019年，我國各級政府繼續(xù)在政策方面大力推動風力發(fā)電，從中央到地方陸續(xù)出臺多項文件為提升發(fā)展質量做支撐[2]。風電的發(fā)展前景遼闊，相比其他能源而言更加經濟、更具競爭力，但是，風電行業(yè)的發(fā)展并非一帆風順，不斷下降的風電上網電價水平、棄風限電、風電機組設備技術性能逐年衰退、運維管理遠遠落后于風電發(fā)展，這些存在的客觀問題影響了風電行業(yè)發(fā)展的步伐，諸多不合理的管理形式和落后的控制技術都在制約著風電場運維管理的發(fā)展情況，運維方式如何提升可靠性和質量保障在目前國內風電場的運維管理的影響越來越重要。

本項目在排除了上網電價下降、棄風限電等不可抗拒的因素外[3]，從技術、管理等各個角度分析風力發(fā)電的可提升空間，最終選擇從對風電機組的管理角度出發(fā)，綜合考慮風電機組的運維技術，在分析并整理風電行業(yè)的運維規(guī)范、對比風電行業(yè)現(xiàn)存的多種管理方式，運用精益MRO（Maintenance Repair And Overhaul）理念，并以企業(yè)商務智能的架構為基礎構建了風電機組視情維修決策支持系統(tǒng)，對風電機組的結構分析、異常參數(shù)監(jiān)控、故障診斷、劣化狀態(tài)評估、單次維修能力最大化等方面進行一定的研究。

1 風電運行維護的特點

風能資源是風電場選址的重要因素，同時也是影響風電運維的主要因素[4]。由于風能受天氣、氣候、海陸和地形等因素影響很大，在時間和空間分布上有非常明顯的地域性和時間性。不同的因素對風電運維的影響也不同 ，特點如下：

1.1 地勢復雜

一般情況下，規(guī)定年平均風速必須≥6m/s才滿足建電廠的要求，然而我國地勢復雜，2000多家風電廠能夠滿足基本要求的屈指可數(shù)，因此客觀上風電場的生產能力低于世界平均水平，要維持風電場的營收效益，減少風電場的運維成本是一個客觀重要的途徑[5]。

1.2 備件成本高

特殊的建廠要求直接決定了風電場建站位置選擇大多維高海拔、高寬闊度以及沿海甚至海上，而且需要避開城市、山脈等大型擋風體，滿足這些條件的地區(qū)大多數(shù)在位置較偏遠的郊外，難以保障交通的便利，這就使得風場在備件補充或者輔助用具的調用時成本較大且時間延遲高[6]。優(yōu)化業(yè)務流程和故障事前預警對于降低成本至關重要。

2 風電場現(xiàn)有的維修策略與分析

2.1 計劃維修

計劃維修作為一種預防性維修計劃，仍然可以分為標準維修法、定期維修法和檢查后維修法等不同的維修方法[10]，但基本思路是相同的：事先規(guī)劃好設備的使用和檢修時間，并提前準備好維修資源和人員。這樣能夠很好地預防事故發(fā)生，減少由故障引發(fā)的生產滯后，但由于風力發(fā)電受氣候天氣影響較大，故障發(fā)生的隨機性較高也密集故障的發(fā)生率也很高，很難安排合理的檢修時間;而且頻繁的檢修會消耗過多不必要的人力、物力，難以權衡。

2.2 事后故障維修

事后故障維修是一種較為傳統(tǒng)的維修方法，也被叫做故障維修法，其理念是不壞不修、壞了再修，目的是為了降低維修費用。對于昂貴且為數(shù)不多的風電設備來說，這種方法帶來的最大問題是降低風電場的機組并行率，無法保障風電場的總產能。此外，風電機組的潛在問題得不到及時的解決，潛在問題因素容易積累起來，等發(fā)現(xiàn)了往往發(fā)展成為更為嚴重的問題。

2.3 設備診斷與狀態(tài)維修

與傳統(tǒng)檢查相比，設備診斷技術由依靠專業(yè)人員進行實地檢測，發(fā)展到運用先進的科學儀器、儀表進行監(jiān)測，是目前公認的維修方法中最高效的一種。

3 系統(tǒng)要素分析

風電場作為企業(yè)，實現(xiàn)利潤最大化的途徑是對風電機組進行科學有效的管理。能否對機組進行科學有效的管理具體體現(xiàn)在如下幾個因素：

（1）風機BOM的設計合理性

（2）對潛在故障發(fā)現(xiàn)的及時性

（3）報修受理反饋的時效性

（4）多任務維修方案的快速制定

（5）維修方案的人員配置最優(yōu)原則

（6）維修方案的資源的配給最優(yōu)原則

（7）維修經驗的記錄與復用

（8）面向維修的庫存策略

從系統(tǒng)工程的角度分析，利用ISM（解釋結構模型化）技術對以上要素進行分析，通過矩陣的形式建立系統(tǒng)的遞階結構模型。將以上因素依次利用S（i）來代替，根據(jù)它們之間的二元關系得到可達矩陣如圖1所示：

遞階結構模型代表了系統(tǒng)各要素之間的直接二元關系及層級關系，通過該模型我們對系統(tǒng)的核心要素有了更加清晰的認識。

4 風電機組視情維修決策支持系統(tǒng)業(yè)務及功能分析

本系統(tǒng)主要是對風電機組日常運營范圍內所涉及的與維修相關的各類管理信息進行綜合的集成，以便規(guī)范風電場的日常工作秩序，為風電場的管理決策提供科學支撐，最終實現(xiàn)優(yōu)化風電場維修流程、降低風電場運營成本的、提高風電場運營效率的目的。

4.1 風電機組視情維修決策支持系統(tǒng)的業(yè)務分析

與其他工業(yè)企業(yè)秉持的產品生產與產品銷售并重的原則不同，風電場以產品生產即電力生產為核心，主要圍繞著保障生產設備正常運行，保障生產材料供給充分。

系統(tǒng)對于風電機組的管理著眼于對風電機組維修流程的控制，即對風電機組的設備結構層級化設計、同類設備劣化狀態(tài)的定位及維修資源需求的預判、運行參數(shù)檢查、異常參數(shù)反饋、劣化狀態(tài)評估、維修資源預配置、以故障為單元的維修人員及資源調度、以故障為單元的維修跟蹤記錄、維修經驗總結與復用等。風電機組視情維修決策支持系統(tǒng)所涉及的主要工作及其關系如圖4所示。

4.2 風電機組視情維修決策支持系統(tǒng)的功能分析

本系統(tǒng)是對風電場維修業(yè)務流程的綜合管理，以對單臺風電機的運維管理為主線，參考業(yè)務分析主要劃分為基礎信息管理、設備運行監(jiān)控、維修管理、庫存管理、人員管理共5個功能模塊。

（1）基礎信息管理

包括設備BOM信息及故障庫，BOM信息對應設備層級化設計，故障庫對應同類設備劣化狀態(tài)定位及維修資源需求的預判業(yè)務。設備BOM信息是風場最基本的信息，記錄了同類型風機的通用信息及不同設備的實例信息，反映風機設備及其零部件的層級關系。BOM信息同時會衍生出故障庫，也稱之為MBOM（Maintain Bill Of Materials），在BOM的層級基礎上，為每一層建立故障模式，并拓展出維修該故障所需的資源信息。

（2）設備運行監(jiān)控

是指運行參數(shù)檢查和異常參數(shù)反饋，對風機設備參數(shù)的實時監(jiān)測。對于整個系統(tǒng)來說，設備運行監(jiān)控是驅動業(yè)務流程的源頭和基礎，運行監(jiān)控產生的異常參數(shù)會觸發(fā)整個系統(tǒng)業(yè)務的進行。運行監(jiān)控和人員監(jiān)測相結合的方式是增強系統(tǒng)故障監(jiān)測率的重要方法。

（3）維修管理

包含故障報修、制定維修計劃、人員派工、資源調度及維修記錄，其中故障報修是指劣化狀態(tài)評估，對監(jiān)測到的異常參數(shù)進行評估，確定其故障模式和故障類型，并提交給上級部門審批;待報修審批通過后，進入維修計劃環(huán)節(jié)，對應維修資源的預配置，保證物料供應充足;維修人員及資源調度指以單個維修需求為對象，指派維修人員并分配維修資源對其進行維修，人員的指派從人員能力、故障等級等多個方面考慮，最終會生成領料憑證;維修跟蹤記錄指對從維修需求產生開始，直到維修完成期間發(fā)生的維修狀況改變、維修資源補充、維修人員變更等信息的記錄;維修經驗總結與復用是指從同類故障的不同維修記錄中總結通用的維修信息，補充故障庫。

（4）庫存管理與人員管理

主要圍繞維修過程中的一系列需求。維修計劃前進行的維修資源需求預判會將當前要處理的維修需求所需的資源提前反饋給庫存，庫存判斷物料是否充足，來決定是否采購;維修計劃制定過程中進行的人員指派主要依據(jù)是人員能力;資源調度完成后的領料憑證是庫存管理是否出庫的唯一憑證。

4.3風電機組視情維修決策支持系統(tǒng)詳細分析

風電機組視情維修決策支持系統(tǒng)的業(yè)務主要圍繞維修管理來展開，該業(yè)務在整個系統(tǒng)中起到關鍵作用，主要針對維修流程的優(yōu)化、維修數(shù)據(jù)的記錄等，直接決定了維修工作的整體效率。

監(jiān)測人員負責設備運行參數(shù)的實時檢查以及定時的實地檢查，在監(jiān)測到異常參數(shù)后，檢測人員經過實地檢查確認參數(shù)無誤，然后通過查詢故障庫信息來對故障進行定位[7]，具體要定位到故障發(fā)生的零部件和故障類型等信息，并及時記錄并反饋給維修管理員。

在接受到監(jiān)測人員的報修申請后，管理員對報修申請進行審核，主要是針對報修信息的正確性進行審核，審核通過后可以對當前存在的一個或多個報修需求進行選擇處理，制定維修計劃。首先是人員指派，針對某一個故障來指派符合維修能力的相應人員，對同類型故障指派相同人員，根據(jù)故障的等級來確定維修的先后順序;其次是資源調度，這個流程依據(jù)已經指派好的人員，以故障為單位進行資源配置。資源配置完成后表示維修資源全部就緒，計劃發(fā)布等待維修人員開始維修。

維修人員在收到派工任務后，依據(jù)維修計劃所指定的維修順序，根據(jù)領料憑證到倉庫領料。領料成功后即可開始維修，維修過程中要按事件記錄，即如果某次維修的物料不足或者人員變動，都要及時記錄下來，如果維修過程出現(xiàn)該類情況，需要再次提交故障信息并附加所需資源，等待審批。

庫存管理是圍繞維修管理而建立的，同時擁有它獨立的業(yè)務。庫存余量檢查是庫存子系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)業(yè)務交互的基礎以及實現(xiàn)自身業(yè)務的基礎。余量檢查根據(jù)風電場風機的BOM結構以及風機的季度損耗度來保障庫存中物料余量充足。對于與維修管理的交互業(yè)務，在收到領料需求并確認領料憑證無誤后，先檢查庫存余量，在余量充足的情況下進行資源出庫，否則再次進行請購。對于和對于自身業(yè)務，當余量檢查出物料不足以應對該季度可能發(fā)生的故障時，系統(tǒng)會自動生成請購需求，等待庫存管理員處理，庫存管理員會將請購需求提交給上一級申請采購，并等待入庫。

5 結論

風電機組的運維管理是風電場日常管理的核心任務，直接決定了風電機組的運行效率和整個風電場的綜合效益。本系統(tǒng)在分析現(xiàn)存風電場維修策略的基礎上，綜合各方優(yōu)劣進一步提出了優(yōu)化后的風電機組視情維修決策支持方案并予以實現(xiàn)，力圖通過優(yōu)化維修流程來盡可能地減少維修開銷。在總體的架構上分為5個模塊，其中以維修管理為主，其他輔之，其中人員管理和庫存管理為維修流程提供人員和資源信息，基本信息管理中的故障庫為維修管理提供指定最優(yōu)人員和分配最優(yōu)資源的方案，維修管理以異常參數(shù)出現(xiàn)為觸發(fā)，綜合各方信息制定維修計劃，實現(xiàn)維修策略。

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