海上風電船機與風電設備故障分析及應對策略綜述

初岳峰，王凱，2，肖忠銘，徐天殷，郭志群，2，?

（1.中山大學海洋工程與技術學院，廣東珠海 519082；2.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海），廣東珠海 519082；3.廣東精銦海洋工程股份有限公司，廣東佛山 528000）

0 引言

隨著海上風電的進一步大力發(fā)展，相關的風電事故及故障也不斷發(fā)生。全球海上風電健康與安全組織G+出版的研究報告指出，2019 年全球共發(fā)生62 起海上風電行業(yè)人身傷害事故，較2018 年的39起顯著增多。其中28起為船上事故，占比45%，且大多與運維船相關；風機事故15起，占比24%；陸上事故17起，占比28%，另有2起其他事故［1］。

據(jù)統(tǒng)計，在海上風電行業(yè)中，事故發(fā)生率約為4.55次/百萬工作小時，而在海洋油氣行業(yè)中，這一數(shù)字僅約0.9 次/百萬工作小時。由此可見，在安全標準的制定及執(zhí)行情況方面，海上風電行業(yè)相對不完善，在預防故障發(fā)生方面仍有所不足。因此對海上風電故障類型、誘因以及相關應對策略開展研究，避免環(huán)境破壞及經(jīng)濟損失，對于海上風電的安全施工和運維具有重大現(xiàn)實意義。

自20 世紀60 年代英國機器保健中心成立和美國機械故障預防小組成立以來，故障診斷技術逐漸在世界范圍內(nèi)推廣。風電機組的故障診斷技術作為一種可以有效降低運營成本的手段，自然深受學術界和風電企業(yè)的關注。Wilkinson［2］等為了檢測風機的狀態(tài)，對不同的傳感器和信號處理技術的適用性進行了評估，選取了成本較低可靠性較高的發(fā)電機及相關組件的狀態(tài)檢測方案；Musial［3］等和Huang［4］等則提出了針對傳動系統(tǒng)的檢測方法。前期的研究大多關注傳動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和葉片等方面，這些方面的故障導致停機時間較長，維修成本也最為昂貴。前期大部分研究往往是關鍵部件的故障分析，缺少用于商業(yè)化的耦合智能故障診斷。如何減少人工檢查頻次，提高故障檢測的智能化程度與精確度是目前研究的重心。

故障預測與視情維修方法是風機實現(xiàn)自主保障的關鍵技術，現(xiàn)階段的研究重心是結構損傷的預測方法，通過對結構的檢測和評估可以了解目前的健康情況以及預測結構損傷的變化趨勢。基于振動分析方法是風機損傷診斷最常見的方法，Abouhnik［5］提處理基于振動分析和EDHL 方法的風機葉片損壞方法；Lekou［6］通過檢測風機關鍵設備的振動相關數(shù)據(jù)，應用了聲發(fā)射技術并采用多傳感器技術，加強了對風機中旋轉器械的狀態(tài)診斷，得到的分析結果可以作為評估風機設備的健康狀態(tài)的重要指標；Hameed［7］采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡對分級的齒輪箱和發(fā)電機進行了建模分析，并且采用多Agent 方法對多個設備的預測結果進行了綜合分析，結合運行狀態(tài)檢測系統(tǒng)和故障檢測系統(tǒng)，從而給出風機的整體運行狀態(tài)。

目前廣泛配備在風電裝備上的檢測系統(tǒng)為SCADA（Supervisor Control and Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）［8］，該監(jiān)測系統(tǒng)通常是對風電裝備運行時一些基本的情況進行檢測，如電流、電壓、并網(wǎng)情況等，具有簡單的報警和報告功能，但檢測的狀態(tài)參量有限，缺乏對關鍵部件得振動分析以及故障診斷功能，無法很好地預防故障的發(fā)生。

隨著全球風電行業(yè)的迅速發(fā)展，國外較早就開發(fā)了專門用于風電裝備的狀態(tài)檢測設備與相關的分析軟件，國內(nèi)雖然也有類似的研究但與國外相比仍有一定的差距。

本文關注海上風電領域的故障分析與應對策略，不僅僅關注了海上風機本身的故障，還考慮風電設備運輸與安裝可能的故障，旨在為我國海上風電故障檢測與智能診斷的技術發(fā)展提供幫助，進一步降低風機建設、發(fā)電和運維成本。

1 船機關鍵設備和風電設備故障形式

風電船機設備故障與風機設備故障是海上風電發(fā)生故障頻率最高的兩個主體。風電故障類型見圖1。風電船機設備故障主要發(fā)生在海上運輸事故以及船機的關鍵設備的故障；風機設備主題故障主要發(fā)生在風機的輪轂和葉片部位，主要包括機械故障和電氣故障。

圖1 風電故障類型Fig.1 Wind power fault types

1.1 海上交通事故

近年來，海上風電相關工程作業(yè)的密度和頻率逐漸增大，海上風電安裝船、運維船的研發(fā)建造和運營使用也得以促進。在海上風電行業(yè)蓬勃發(fā)展的同時，相關事故也時有發(fā)生，其中與船機關鍵設備相關的船上事故占比最大。根據(jù)風電安裝船、運維船的運營作業(yè)過程，可將相應的事故分為海上交通事故和作業(yè)事故。

風電安裝船體積和載重較大，且配備有吊機、樁柱腿等工程設備，對船舶的穩(wěn)性和操縱性影響較大。對于大部分平臺式結構的風電安裝船而言，自航平臺雖然具有一定機動力，但其自身結構的流線性較差；非自航平臺則需要其他船舶頂推或者拖帶協(xié)助移動，機動力和操縱性都比較差。

上述原因?qū)е嘛L電安裝船在靠離泊、航行以及錨泊過程中，面對復雜的水文、氣象、通航環(huán)境，在避碰、繞障、避險、應急時往往不具備及時主動應變的能力，容易陷入緊迫局面從而導致事故發(fā)生，主要包括傾覆、擱淺、碰撞等。此類事故通常會對船舶造成整體影響甚至破壞，帶來巨大的損失，但可以通過規(guī)范合理的操作辦法有效規(guī)避預防，總體而言不確定性較小。

2016年5月12日，在江蘇省某海上風電項目開展施工作業(yè)的“寶隆706”與“灌云漁60210”發(fā)生碰撞，導致“灌云漁”沉沒（見圖2）。船上15 人全部落水，其中8 人獲救，7 人死亡，構成了較大等級的水上交通事故?！肮嘣茲O”的不安全駛離動作是本起事故發(fā)生的直接原因。事故的直接原因還包括拖帶船組疏于瞭望觀察，“灌云漁”漁船違規(guī)載客，未經(jīng)批準違規(guī)進行水上作業(yè)。此外，船員證書不適任，分包隊伍勞動紀律松懈，安全技術交底缺乏針對性，未完善安全檢查，責任制不健全，項目部對進場船舶控制不嚴等是引起本次事故的間接原因［9］。

圖2 “灌云漁60210”沉沒［9］Fig.2 "Ghuanyun fishing 60210"was sinking［9］

2019 年2月19日，波羅的海海域，在距離德國Rügen 島東北方向幾海里處，World Bora 號海上風電運維船與Raba 號貨船相撞。事故導致運維船上15 人受傷，2 人傷勢嚴重，兩艘船發(fā)生不同程度損壞（見圖3、圖4）。World Bora號運維船上共載有4名船員、11名風場運維人員，當時World Bora號正要駛向Wikinger海上風電場開展運維作業(yè)［10］。

圖3 “World Bora”號船艏受損［10］Fig.3 The bow of the"World Bora"was damaged［10］

圖4 “Raba”號貨輪右舷嚴重受損［10］Fig.4 The freighter"Raba"suffered serious damage to starboard［10］

風電安裝船的機動力和操縱性明顯弱于普通船只，如何預防事故發(fā)生以及在發(fā)生事故時的應急措施都是十分必要的。

1.2 船機關鍵設備故障

升降系統(tǒng)、抱樁器、起重機是自升式風電安裝船的關鍵船機設備。升降系統(tǒng)常見的幾種故障包括繩索失效、滾筒失效及軸瓦失效等，海上風電安裝船的起重機、抱樁器長期作業(yè)于惡劣的離岸環(huán)境中，且定期檢測、維修的時間間隔較長，其傳動系統(tǒng)的重要部件較易在運行過程中出現(xiàn)故障［11］。

2020 年5 月8 日 晚，英國860 WM Triton Knoll風場，全回轉起重船Seaway Strashnov 號在單樁基礎施工過程中發(fā)生事故，導致5人受傷［12］。2020年6 月15 日，Heerema Marine Contractors 旗下的起重船Aegir 號在打樁施工過程中發(fā)生樁錘墜落。事故發(fā)生于臺灣彰化海上風電項目，事發(fā)當時該安裝船正在進行導管架樁基礎沉樁作業(yè)，所幸未造成人員傷亡，事故導致樁基礎和樁機部分損壞［13］。2018年8 月23 日，Swire Blue Ocean 公司的自升式平臺Pacific Osprey上的吊機發(fā)生吊臂斷裂（見圖5），砸到下方駕駛艙和船上懸梯，事故造成一人重傷、三人輕傷、船體損壞。事故發(fā)生時，該自升式平臺停泊在荷蘭Eemshaven港［14］。

圖5 Pacific Osprey自升式平臺發(fā)生吊機坍塌事故［13］Fig.5 The crane on the jack-up platform"Pacific Osprey"collapsed［13］

2020 年5 月2 日，風電安裝船“Orion 1”在德國Rostock 碼頭發(fā)生重大事故，船上起重機在進行載荷測試時發(fā)生折斷（見圖6）。此次事故造成起重機嚴重損壞，船體受損，人員受傷，經(jīng)濟損失超過5 000 萬歐元。此次損壞的起重機型號為HLC 295000，由Liebherr 提供，極限載荷為5 500 t，在載荷測試期間發(fā)生吊鉤破壞，最終導致吊臂折斷［15］。

圖6 吊臂折斷的Liebherr HLC 295000起重機［14］Fig.6 Liebherr HLC 295000 with broken crane jib［14］

2020 年9 月，在廣東汕尾某海上風電項目施工的全回轉起重船發(fā)生大臂折斷事故（見圖7）。事發(fā)時該船正在進行單樁基礎安裝，事故是由起重機制動器的關鍵部件損壞引起的［16］。

圖7 起重船大臂折斷［15］Fig.7 The floating crane with broken jib［15］

該故障也是我國需要重點關注的問題，海上風電增長迅速，而與之配備的海上風電安裝設備卻沒有到位，存在安裝設備不足、不匹配等種種安全隱患。

1.3 風電設備結構故障

風電設備往往體積、重量巨大，在生產(chǎn)作業(yè)過程中需要承受巨大的載荷，在結構強度、材料強度、電路穩(wěn)定性、檢修規(guī)范、失控保護機制等方面都有著極高的技術要求。任一環(huán)節(jié)的缺失或不足都有可能導致故障，輕則影響正常生產(chǎn)作業(yè)計劃，重則引發(fā)嚴重事故造成巨大損失。

2019年4月12日，甘肅某風電場發(fā)生風機塔筒倒塌，當時工作人員正在進行風機定檢工作。事故造成4人死亡，1人重傷，1人輕傷［17］。2020年5月4 日，河南某風電場3 臺風機槳葉折斷。事故原因系風機葉片質(zhì)量問題，在葉片的生產(chǎn)過程中，存在工藝缺陷，腹板粘接出現(xiàn)了空泡、缺膠、少加強筋等質(zhì)量缺陷。進而導致風機在長期運行過程中產(chǎn)生了腹板支撐失效、葉片開裂變形等問題，進而引起了葉片結構強度的不足［18］。2020 年7 月17 日，河北某風電場發(fā)生一起倒塔事故，直接原因是事故風機的第一節(jié)與第二節(jié)塔筒連接螺栓的斷裂［19］。2020年11月21日，瑞典Aldermyrberget風電場的一臺維斯塔斯V150-4.2 MW 風機發(fā)生倒塔事故，所幸未造成人員傷亡［20］。

可以看出，海上風電系統(tǒng)設備結構復雜，系統(tǒng)失效模式數(shù)量龐大，在不利的海洋環(huán)境下使風機的故障率升高［21-22］，為避免海上風電系統(tǒng)在設計使用壽命內(nèi)發(fā)生損壞，風機各個設備及結構必須具有很高的強度和健康的工作狀態(tài)［23-24］。然而，近些年來，由于設備監(jiān)測工作及損傷預測方法的不完善，海上風電系統(tǒng)損壞事故時有發(fā)生，造成了財產(chǎn)的損失和海洋環(huán)境的破壞。近年來，發(fā)生了多起風機倒塔事故，其原因則包括軟硬件失效、葉片失速、設備質(zhì)量、螺栓斷裂或松動引起塔架震動疲勞開裂等。

1.4 風電設備火災

不論是海上風電還是陸上風電，火災都是威脅風電機組安全的重大隱患。2020年1月12日，遼寧某風電場發(fā)生風電機組火災，事故導致風電機組機艙損毀，輪轂及三只葉片根部被燒損，熔斷器發(fā)生爆熔噴出，箱變門發(fā)生變形［25］。風電機組的火災主要由雷擊、電氣短路、潤滑油泄漏、過熱等原因引起。風機避雷設施不完備使雷擊火災風險加大，變壓器本身故障或污閃可導致電氣短路引起火災，潤滑油泄露后與高溫的機組設備表面接觸發(fā)生燃燒，機械制動產(chǎn)生的熱量和飛濺的火花可點燃易燃物。

2 故障的環(huán)境誘因

海上風機相較于陸上風機具有更加復雜的惡劣環(huán)境，風機故障發(fā)生的頻率更為密切。復雜而隨機的海況環(huán)境給風機故障的的發(fā)生帶來了潛在隱患，其環(huán)境誘因主要包括自然環(huán)境和人為環(huán)境兩大方面。

2.1 自然災害

風場的選址首先著重考慮風力資源的豐富程度，但是較高的能源密度往往也伴隨著不確定性較大的危機，包括臺風、極限陣風、巨浪等惡劣天氣條件，對于風電設備而言則意味著巨大的隱患。

2013 年9 月22 日，臺風“天兔”登陸廣東汕尾，給廣東沿海的風電場帶來巨大沖擊。汕頭紅樹灣風電場的25 臺風電機組中的8 臺機組發(fā)生倒塔，9 臺機組葉片折斷，臺風“天兔”造成該風場損失近一億元［26］。2014年7月，強臺風“威馬遜”過境海南、廣東、廣西，多地出現(xiàn)災情。臺風過后，共有13 臺風機被吹倒，5 臺風機損壞，無法運行［27］。2017年7月14日，江蘇省濱海縣黃海海域附近出現(xiàn)強雷電天氣，某海上風電場項目海上升壓站的35 kV電纜產(chǎn)生爆燃。事故發(fā)生后，19人跳海求生，其中18人獲救，1人失蹤［28］。

對于臺風這種突發(fā)的極端海況，其海況條件遠遠超過了最初設計的參數(shù)要求。因此我們在設計海洋結構平臺時應進一步提高平臺的安全系數(shù)從而提高在極端海況條件下的穩(wěn)定性，在考慮經(jīng)濟效益的同時考慮極端情況的應對方案。

2.2 人員不當操作

規(guī)范的生產(chǎn)管理制度，完備嚴格的安全意識，是所有工業(yè)生產(chǎn)過程中的安全保障，對于風電設備而言，更是如此。在日常生產(chǎn)作業(yè)、檢修維護、安裝運輸?shù)拳h(huán)節(jié)中，規(guī)范性和安全意識的缺失極易導致人為操作事故的發(fā)生。運維人員業(yè)務能力的提高，可有效避免人為操作不當引起的事故，如螺栓未預緊、人員觸電、人員高處墜落等。

2020 年8 月9 日，山東煙臺某風電場1 名作業(yè)人員在場內(nèi)巡線過程中，使用園林伸縮鋸時，由于安全距離不足發(fā)生感應觸電，經(jīng)搶救無效死亡［29］。2020 年8 月9 日，內(nèi)蒙古某風電場1 名運維檢修人員在處理風機導電軌變形問題時，在爬梯過程中，因未正確懸掛安全帶，從10 m 左右高度墜落，經(jīng)搶救無效死亡［30］。2020 年8 月20 日，內(nèi)蒙古某風電施工現(xiàn)場，作業(yè)人員在風機機艙吊裝過程中，拉扯纜風繩時誤觸碰到35 kV 桿塔導線，導致1 名作業(yè)人員觸電身亡［30］。

對于認為環(huán)境抑或是認為操作不當引起的故障形式，應該完善海上風機作業(yè)過程的中的各種安全制度，提升對風電施工人員的安全教育工作以防范風機故障的發(fā)生。

前述的事故也許或多或少有著人為的因素，但相關設備、技術與規(guī)范的不完善是業(yè)界的共識，海上風電的制作成本高于陸上風電，維護成本更是陸上機組的兩倍以上，嚴重影響著風電場的經(jīng)濟效益。為了降低經(jīng)濟損失與維護成本，必須盡量將大量矯正性維護轉變?yōu)轭A防性維護，減少嚴重故障的發(fā)生，但也要在故障發(fā)生時，采取合理的應對措施以減少故障的發(fā)生。

3 應對策略及設計要求

由于船機關鍵設備和風電設備的工作環(huán)境特殊性，其工作載荷一般較大，在面對各種惡劣氣象環(huán)境和突發(fā)因素時，設備應能夠承受巨大載荷的考驗。船員和運維人員的專業(yè)素養(yǎng)，是確保海上風電交通安全的關鍵。風電安裝船、運維船成熟的技術保障和完善的操作規(guī)程，是海上風電安裝運維的基本依賴，目前相關的規(guī)范仍然不算特別的完善［30］。因此，船機關鍵設備作業(yè)事故、海上風電設備運行故障的應對策略是海上風電工程的重要保障。

3.1 風電安裝船升降系統(tǒng)故障

風電安裝船、運維船在設計建造、實驗、實地安裝和檢修保養(yǎng)等作業(yè)過程中，存在諸多不確定性因素的影響，包括氣象、水文環(huán)境、操作方式等。其設計合理性、結構強度以及材料強度應能夠承受相當?shù)妮d荷并符合嚴苛的要求，以最大程度地避免作業(yè)事故發(fā)生。

通過分析升降系統(tǒng)的典型故障可知，由絞車軸瓦失效引起的升降系統(tǒng)故障，可依據(jù)其機理對工作絞車結構進行優(yōu)化，保護升降系統(tǒng)的安全運行［31］。海洋環(huán)境載荷與海洋結構物之間作用載荷的研究，是海洋工程開發(fā)的研究重點［32］。對風、浪、流等海洋環(huán)境載荷進行合理的統(tǒng)計分析，依據(jù)風浪流對結構物的作用規(guī)律，掌握樁腿與海底巖土的作用載荷對樁腿的作用機理，深入研究海洋環(huán)境荷載與樁腿之間的相互作用［33］，進而更加準確地分析其作為結構物在海洋條件下作業(yè)過程中的受載情況，實現(xiàn)對風機吊裝過程的精準分析和控制。

3.2 風電安裝船起重機故障

起重機是風電安裝船的關鍵部件之一，其主要作用便是起吊風電設備到一定的高度進行安裝。動力傳動系統(tǒng)是起重機的核心部分，在整個安裝過程中起著傳遞動能的作用。起重機傳動系統(tǒng)包括鋼纜卷筒、齒輪箱，其中的承載部件主軸軸承和傳動部件齒輪是決定傳動系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運行的關鍵部件［34］。在海上風電場建設施工過程中，空氣濕度相較于陸地較高，起重機在起吊風機葉片安裝時受風浪影響存在低頻晃動。傳動系統(tǒng)長期工作在不穩(wěn)定的中低速重載狀態(tài)下，受到不同交變載荷的作用，其中的關鍵部件極易發(fā)生各類缺陷損傷，導致傳動系統(tǒng)的傳動精度和穩(wěn)定性下降，直接影響風機的安裝精度以及吊裝作業(yè)的安全性。

我國的海上風電安裝行業(yè)發(fā)展相對較晚，該領域相關的監(jiān)測、診斷與維護技術還有待完善［35］。開展海上風電起重機傳動系統(tǒng)關鍵部件的故障診斷研究，對海上風電場施工建設效率的提高有很大的促進作用，同時也為風電設備安裝的安全性和風電設備工作的可靠性提供了保障。機械故障診斷方面的研究已經(jīng)比較成熟，但是缺少海洋工程裝備故障診斷的研究，特別是缺乏針對海上風電起重機傳動系統(tǒng)關鍵部件早期微弱故障檢測的研究；起重機傳動系統(tǒng)在海上高濕度以及平臺晃動的惡劣環(huán)境中運行，其軸承部件會產(chǎn)生特殊的帶狀點蝕和微振磨損缺陷。因此，需開展針對特殊缺陷的故障模式識別的研究［11］。

3.3 風電設備故障

海上風機是一個大型多設備系統(tǒng)，且結構復雜，故障類型多種多樣，在運行過程中承受的海洋環(huán)境荷載復雜多樣，故障率較高。事故會導致嚴重的停機損失，以及海洋環(huán)境污染等后果。此外，由于海上風機吊裝成本高，在風浪條件下船只可及性差，故障停機時間長，因此其維護成本很高。

不同于陸上風電，離岸風力發(fā)電場的建設和維護受天氣和海洋環(huán)境的影響很大。機艙中的關鍵設備若發(fā)生故障，在其維修過程中將面臨高額的吊裝船費用以及較大的技術風險，費時費力［36］。同時，受風浪等海洋環(huán)境條件影響，維護船只可及性差，故障停運時間更長，經(jīng)濟損失更大。因此，海上風機的輪轂、齒輪箱、發(fā)電機等主要設備的維護和保養(yǎng)顯得更加重要。國內(nèi)金風科技有限公司維護統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，海上風電系統(tǒng)維修工作費用成本占海上風電場總投資的30%左右。開發(fā)先進的維護技術和方法有利于減低整個工程的運行成本，提高總回報率。

故障預測技術能夠預測系統(tǒng)健康的發(fā)展趨勢，提供維護決策，進而提高設備的可靠性和利用率，降低停機損失。預防性維護有助于制定海上風電系統(tǒng)的維護計劃，將海上風電傳統(tǒng)的被動維修方式轉變?yōu)橹鲃泳S護。故障預測和預防性維護是實現(xiàn)設備和系統(tǒng)自主保障的關鍵技術。在海上風電領域，仍需進行方法改進以提高海上風電機組的可靠性，進一步降低整體維護成本［37］。

考慮到海上風電機組故障率較高，海上風電場可及性較差，且故障修復耗時較長，海上風電機組的容錯運行能力應用前景廣泛。目前海上風電機組的容錯研究主要包括容錯拓撲結構的改進、控制算法的優(yōu)化，即硬件容錯和軟件容錯［38］。在硬件容錯方面，可在原系統(tǒng)基礎上加入備份式冗余設計；可應用變流器拓撲結構設計，針對永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)和雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)分別采取不同的拓撲結構容錯設計；可采用具有更高容錯性的五相電機、六項電機、九相電機等多相電機。軟件容錯方面，當前研究集中在脈寬調(diào)制（PWM）算法的改進、矢量控制容錯系統(tǒng)的PWM 調(diào)制方法的改進、直接功率控制和直接轉矩控制的優(yōu)化、滯環(huán)電流控制優(yōu)化等。

新能源高比例接入電網(wǎng)后，電網(wǎng)故障引起的電壓和頻率擾動可能導致海上風電的大規(guī)模脫網(wǎng)。孟凡成等［39］提出了一種計及集中式和分布式新能源的電力系統(tǒng)連鎖故障動態(tài)模型，模擬了元件的保護邏輯，分析了源-網(wǎng)-荷之間的故障交互動態(tài)。模擬結果表明，較高的新能源滲透率使連鎖故障中源-網(wǎng)-荷的耦合更加緊密。

3.4 海上風電設備故障的診斷與監(jiān)測

對于海上風電場而言，傳統(tǒng)的計劃維修和故障維修已不能滿足需求。為了保證海上風電機組的穩(wěn)定運行，降低其維護、狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷成本是非常必要的。海上風電機組中故障率較高的部件主要有齒輪箱、發(fā)電機、電子裝置、葉片等。優(yōu)化其故障診斷方法有助于提高風電機組的可靠性，進而降低運維成本［40］。

構建風電機組結構健康檢測系統(tǒng)是減少事故發(fā)生率、降低運維成本的有效舉措。針對風電設備故障，首先對風電機組關鍵設備及核心部件進行連續(xù)監(jiān)測，實時采集風電設備的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，再通過信號處理、統(tǒng)計分析、深度學習等技術手段，實現(xiàn)風電設備的健康評估、智能診斷以及故障檢測，從而指導運維決策的優(yōu)化。風電機組的狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)應盡可能地與其它系統(tǒng)集成共享，統(tǒng)一收集和傳輸數(shù)據(jù)，構建準確高效的海上風電場監(jiān)控系統(tǒng)［41］，提高運維效率，降低運維成本。

基于機器學習算法的智能故障監(jiān)測和診斷，有助于運營安全風險的降低，是今后智慧海上風電場運行管理中的關鍵技術。目前，SCADA 系統(tǒng)在風電行業(yè)中廣泛應用，該系統(tǒng)監(jiān)控風機過程中，風電機組的運行狀態(tài)由各個傳感器數(shù)據(jù)反映［42］。SCADA 系統(tǒng)能夠記錄較長周期的信息，為風電機組故障診斷提供豐富的數(shù)據(jù)來源［43-44］。對于SCADA 所記錄的數(shù)據(jù)，可通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡識別其中的警報信號，進而偵測風機變槳系統(tǒng)的異常狀態(tài)［45］。對于變槳系統(tǒng)而言，可分析零部件的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)或搭建故障模型，對變槳系統(tǒng)故障進行診斷。在線檢測技術通過多種傳感器和通信方法，實時傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，可對多項關鍵參數(shù)進行實時觀測，包括支撐結構狀態(tài)、電纜狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)、海域數(shù)據(jù)等［46］。應用在線監(jiān)測技術，不僅能降低大量運維成本，還可有效減少海上風電運營的安全風險。

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的風電設備故障特征提取與機器學習算法的結合，是風電設備故障診斷技術的發(fā)展方向。通過數(shù)據(jù)挖掘、信號處理、機器學習以及統(tǒng)計分析方法等數(shù)據(jù)分析技術，識別和分類風電設備的故障狀態(tài)，進而提供設備運維的決策支持［47］?；跈C器學習的故障診斷和監(jiān)測技術，可為風電設備計劃維護與視情維護策略的制定提供指導，從而降低故障診斷成本，提高海上風電場的管理效率。

4 結論

隨著海上風電的快速發(fā)展，相關故障也逐年增多。海上風電的故障形式可分為風電安裝船、運維船的海上交通事故，包含升降系統(tǒng)、抱樁器、起重機等的船機關鍵設備故障；風電設備結構故障包含塔架、機組故障等以及風電設備的火災。本文對海上風電中常見的如風電安裝船升降系統(tǒng)、起重機等船機關鍵設備故障以及海上風電設備故障等故障形式進行了總結，提出了相對應的應對策略和設計要求。

其中，有效應對策略一是根據(jù)升降系統(tǒng)運作機理對工作絞車結構進行優(yōu)化，保護升降系統(tǒng)的安全運行；二是開展特殊缺陷的故障模式識別的研究，依據(jù)風浪流對結構物的作用規(guī)律，掌握樁腿與海底巖土的作用載荷對樁腿的作用機理；三是對風機吊裝過程進行精準分析和控制，開展海上風電起重機傳動系統(tǒng)關鍵部件的故障診斷研究，以提高海上風電機組的可靠性；四是構建基于機器學習算法的風電機組結構健康檢測系統(tǒng)，減少事故發(fā)生率，降低運維成本。本文對現(xiàn)有與海上風電機組相關的故障問題進行總結、分類，為海上風機故障的研究人員提供參考，在此基礎上介紹了相應的應對措施，目前海上風電仍然需要降低成本，而在風機故障與運維方面仍然有著很大的提升空間。