海上風電場升壓站無人值守關鍵技術應用研究

張峰

摘 要：近年來，海上風電發(fā)展迅速。由于海上運行維護條件艱苦，因此，一般按照無人值守理念設計海上風電場，通過陸上集控中心或者遠程集控中心，實現(xiàn)風電場的集中管理。本文對設備選擇、組網(wǎng)方案、設備狀態(tài)監(jiān)測等方面進行研究，以保證海上升壓站設備的實時監(jiān)測，提高運行可靠性，提升自動化水平。

關鍵詞：海上風電升壓站;無人值守;關鍵技術

中圖分類號：TM614文獻標識碼：A文章編號：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

海上風電場升壓站通常在陸地上實現(xiàn)集中控制。由于海上升壓站距離岸邊一般都很遙遠，運行維護非常不便，因此，在選擇海上升壓站的設備時，可以按照無人值班方案進行設計。在設計方案中提升設備的在線監(jiān)測水平，應用各種先進的傳感測量、計算機和網(wǎng)絡通信技術，為海上風電場提供全面豐富的數(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)，通過相應的分析診斷軟件進行診斷分析[1]。

1 海上升壓站監(jiān)測設備的配置

1.1 海上升壓站電氣設備在線監(jiān)測

在線監(jiān)測裝置配置選點和設備選型時，應按資產(chǎn)全生命周期考慮投入的經(jīng)濟性，在滿足使用功能的前提下，應盡量選用簡潔、有效、可靠和維護少的產(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)測裝置，便于運行人員對變壓器進行遠程監(jiān)測診斷。局部放電監(jiān)測裝置采用超高頻檢測法（Ultra High Frequency，UHF）。超高頻檢測法（UHF法）是通過超高頻信號傳感器接收局部放電過程輻射的超高頻電磁波，實現(xiàn)局部放電的檢測。在變壓器油及油/紙絕緣和GIS中發(fā)生的局部放電，其信號的頻譜很寬，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，而變電站現(xiàn)場的干擾信號頻譜范圍一般在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變壓器或GIS的超高頻放電信號，可在線監(jiān)測它們的局部放電。

在海上升壓站配置變壓器油中氣體監(jiān)測系統(tǒng)便于運行人員對變壓器的運行狀態(tài)進行遠程監(jiān)測診斷。常規(guī)的油中氣體監(jiān)測系統(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行維護不便，油中氣體監(jiān)測系統(tǒng)選擇采用先進的光聲光譜監(jiān)測系統(tǒng)，采用“動態(tài)頂空平衡”法進行脫氣以及光聲光譜法進行氣樣檢測。由光聲光譜測量部件特性而知，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工作將大為減少;光聲光譜監(jiān)測技術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行測試，且便于迅速清理光聲室以滿足快速、連續(xù)測量的要求。

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

1.2 海上風電設備腐蝕監(jiān)測

海上風電設備腐蝕監(jiān)測主要考慮對升壓站風機設備、風機塔筒設備和風機基礎等進行腐蝕監(jiān)測。陸上集控中心和海上升壓站二次設備間及風機塔筒內(nèi)安裝有大量精密電子設備，包括保護裝置、變頻器、整流器、變壓器等設備的安全運行對風電機組至關重要。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，可能會造成電路板或電子元器件腐蝕問題。此外，導電鹽溶液在高壓絕緣設備上的反復濃縮，不僅會產(chǎn)生嚴重腐蝕問題，還會導致聚氨酯護套的絕緣性能下降，導致高壓擊穿并燒毀關鍵電氣設備，這將給風電機組的安全運行帶來嚴重隱患。

海上風電設備的腐蝕源有氧氣、海水、氯離子、紫外線。腐蝕類型多屬于金屬的電化學腐蝕。腐蝕特點：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)個腐蝕微電池，陽極區(qū)金屬溶解、腐蝕，處于海水環(huán)境的風機基礎和海上升壓站基礎，潮差區(qū)附近又形成一個宏電池，加速腐蝕。

我們的監(jiān)測依據(jù)是根據(jù)設置在監(jiān)測點附近的電路板的腐蝕情況進行監(jiān)測（見圖1）?！哆^程測量和控制系統(tǒng)的環(huán)境條件：大氣污染物》（ANSI/ISA-71.04-2013）是美國國家標準協(xié)會（ANSI）和國際自動化學會（ISA）出臺的一個空氣腐蝕評定標準，以此標準規(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。此標準是在一個常態(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。其對空氣腐蝕嚴重分為四個等級，如表1所示。

腐蝕監(jiān)測儀通過兩個石英晶體微天平傳感器，一個鍍銅、一個鍍銀監(jiān)測電子電器設備安裝所在環(huán)境的腐蝕膜厚度。高度靈敏的測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備間內(nèi)各4面機柜作為監(jiān)測對象，在每面機柜安裝1只空氣腐蝕監(jiān)測探頭，選擇6臺風機塔筒內(nèi)機艙和塔基各1面機柜作為監(jiān)測對象，在每面機柜安裝1只空氣腐蝕監(jiān)測探頭。選取6臺風機進行腐蝕監(jiān)測，每臺風機鋼管樁選取4個部位進行陰極保護電位監(jiān)測，即風機基礎樁泥面、極端低潮位、設計低潮位、設計高潮位之間陰極保護電位;對于海上升壓站導管架的4根主腿進行陰極保護電位監(jiān)測。陰極保護一般用于水下，采用測試探頭對單樁基礎上陰極保護進行監(jiān)測[2-3]。

所有監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳到陸上集控中心的腐蝕監(jiān)測服務器，由運行人員統(tǒng)一進行管理，當數(shù)據(jù)異常時便于維護人員采取相應的處理措施。

1.3 海上風電設備監(jiān)測系統(tǒng)的配置

海上風電設備長期在惡劣環(huán)境下運行，運行人員定期去現(xiàn)場查看和維護又非常不便，所以在海上風電設備配置一些必要的監(jiān)測設備，以保證海上風機設備的長期穩(wěn)定運行。

1.3.1 塔筒和基礎沉降監(jiān)測。風機基礎監(jiān)測主要是使用固定傾斜儀測量風機塔底基礎面X、Y軸的傾斜量。安裝成功后，讀取測斜儀的原始值作為監(jiān)測塔基的初始狀態(tài)。在長期監(jiān)測過程中，讀取測斜儀的值與初始值進行比較，從而反映出塔基的不均勻沉降程度，當傾角超出門限時報警。

對于高塔筒風機，還宜開展塔筒振動監(jiān)測，在風機塔筒軸向方向、水平正交方向安裝2個低頻加速度傳感器。塔筒和基礎沉降監(jiān)測如圖2所示。

1.3.2 槳葉監(jiān)測。在每個葉片內(nèi)表面監(jiān)測揮舞和擺振方向結構動力學特征，采集一段時間（3～6個月）的正常運行數(shù)據(jù)，通過人工智能預學習建立葉片正常運行時的振動模型。葉片振動模型建立后，槳葉監(jiān)測系統(tǒng)實時采集、計算、分析葉片振動數(shù)據(jù)，并實時與正常模型數(shù)據(jù)對比，以此在故障早期定位槳葉的裂紋、雷擊、結冰、不平衡、斷裂等異常[4]。

1.3.3 傳動鏈監(jiān)測。在主軸承、齒輪箱、發(fā)電機、機艙彎頭處布置振動加速度傳感器，對機組的傳動鏈進行全面的振動監(jiān)測，如圖3所示。

1.3.4 螺栓載荷監(jiān)測。對每個重要法蘭處選擇4個螺栓。螺栓監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)射和接收超聲波脈沖電信號、測量并計算發(fā)射和回波電信號之間時間差，從而計算螺栓的長度，根據(jù)螺栓的長度變化，換算出螺栓的預緊力，實現(xiàn)螺栓載荷在線監(jiān)測。螺栓監(jiān)測系統(tǒng)測量原理如圖4所示。

1.4 海上升壓站結構安全監(jiān)測

海上升壓站和風機基礎結構安全監(jiān)測，提供應力應變、結構振動、傾斜和地基不均勻沉降共4類功能監(jiān)測模塊，通過在線連續(xù)測量并存儲主要結構件的關鍵安全參數(shù)，評估并判斷海上升壓站和風機基礎的結構響應是否在安全限值內(nèi)，發(fā)現(xiàn)早期安全隱患，避免倒塌等災難性事故及惡性的不可逆結構問題的出現(xiàn)，實現(xiàn)結構安全保護。

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

1.5 海纜監(jiān)測系統(tǒng)

根據(jù)《海上風力發(fā)電場設計標準》（GB/T 51308—2019），海上風力發(fā)電廠可配置海底電纜狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。海底電纜狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容包含海底電纜的擾動、應力和溫度監(jiān)測。

海底電纜用于電能電力和信息傳輸，對海上風電場的電力和信息傳輸起到至關重要的作用，一旦發(fā)生故障，將造成十分嚴重的經(jīng)濟損失和社會影響。為保證海底電纜安全可靠運行，本工程配置海底電纜故障監(jiān)測系統(tǒng)。

海底電纜故障監(jiān)測系統(tǒng)的主要對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)測系統(tǒng)應基于先進的分布式光纖傳感技術，系統(tǒng)功能包括：實時在線的溫度和應力分布式監(jiān)測;實時在線的擾動監(jiān)測;清楚指示過熱點或錨害的位置信息;提供海纜異常的早期探測;對巖石定點摩擦海纜等不可見事件進行數(shù)據(jù)積累，為海纜日常維護提供磨損事件數(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)測平臺，為突發(fā)事件的事后賠償追索提供事件證據(jù)鏈事實依據(jù)。海底電纜監(jiān)測系統(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 海上升壓站設備無人監(jiān)測輔助設備

2.1 自動巡檢機器人

在海上風電場GIS室、主要配電室區(qū)域，構建機器人巡檢系統(tǒng)，針對不同區(qū)域的地形特點及監(jiān)控對象，制定不同的巡檢路線與巡檢方案。

智能巡檢機器人攜帶可見光相機、紅外相機、局放傳感器、拾音器等設備（見圖6），實時監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的電氣設備，實現(xiàn)設備狀態(tài)的智能感知、帶電監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測，有效降低高危區(qū)域人員作業(yè)強度，保障人員生命安全;有效防止設備“過維護”和“欠維護”，提高設備巡檢的覆蓋率、準確率及工作效率，減少設備的故障發(fā)生率，提高設備可靠性[5]。機器人運行方式如圖7所示。