健康管理 智慧運維“健康風(fēng)電場”探索之路

國華巴彥淖爾（烏拉特中旗）風(fēng)電有限公司 呂 多 敖 樂 孫 晨 陳宏同 喬 偉

縱觀中國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展歷史，從早期風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計制造水平有限、風(fēng)電場建設(shè)規(guī)模小、配套設(shè)施不完善，到中期經(jīng)歷幾個大發(fā)展過程后，眾多行業(yè)領(lǐng)域參與到風(fēng)電板塊，相關(guān)行業(yè)設(shè)備選型多、質(zhì)量良莠不齊，導(dǎo)致風(fēng)電機組各設(shè)備配套雜亂，加之行業(yè)缺乏統(tǒng)一的設(shè)計選址要求、技術(shù)規(guī)范、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備運維標(biāo)準(zhǔn)等，種種因素導(dǎo)致風(fēng)電設(shè)備運維難度大、安全穩(wěn)定性較差、整體健康水平不高，風(fēng)電場眾多設(shè)備相互制約，設(shè)備整體“健康”這一概念得到廣泛認(rèn)同，“健康風(fēng)電場”的需求應(yīng)運而生。

隨著我國工業(yè)化飛速發(fā)展，風(fēng)電機設(shè)備設(shè)計、制造技術(shù)愈發(fā)成熟，設(shè)備運行可靠性得到極大提升，伴隨著智能化、信息化程度越來越高，風(fēng)電場設(shè)備與設(shè)備之間聯(lián)系愈發(fā)緊密，任何設(shè)備的故障均會影響風(fēng)電場整體運營效益，企業(yè)對風(fēng)電場健康度需求日益明顯。

一、第1階段：設(shè)備穩(wěn)定性提升階段

全面梳理總結(jié)正式投產(chǎn)以來風(fēng)機設(shè)備的故障與缺陷，經(jīng)過綜合分析，針對性開展“缺陷清零行動”，設(shè)備可靠性獲得大幅提升，為后續(xù)項目開展建立扎實基礎(chǔ)。

（一）設(shè)備代表性缺陷消除內(nèi)容

機組程序優(yōu)化升級，提高機組吸收風(fēng)能效率，增加發(fā)電量；解決小風(fēng)停機后不能自啟動的問題；故障保護邏輯優(yōu)化，提升故障報出準(zhǔn)確率；優(yōu)化自動潤滑加脂策略、機組全功率輸出更加穩(wěn)定；替換帶防腐涂層的變流控制板，同時在機組變流系統(tǒng)柜內(nèi)放置除濕盒，有效除去變流柜內(nèi)濕氣，降低環(huán)境濕度，減少元器件受潮腐蝕；經(jīng)過不斷摸索比較，調(diào)整液壓站溢流閥壓力值，使其適合當(dāng)?shù)囟镜蜏剡\行環(huán)境，有效降低偏航壓力異常故障發(fā)生率；開展集電線路防鳥害改造，在線路塔架上安裝防鳥刺、驅(qū)鳥器等，同時采用絕緣材料將電纜頭終端及引線、跌落保險觸頭位置完全包裹覆蓋，將線路鳥害事故完全杜絕，有效降低線路故障引起的非停事件；在設(shè)備缺陷治理完成的基礎(chǔ)上，采取季節(jié)性排查、壽命性更換等預(yù)防措施，通過檢修工藝優(yōu)化、日常監(jiān)控、異常狀態(tài)識別、預(yù)警報告的方式，超前行動，阻擊故障發(fā)生。充分利用定檢和巡檢窗口機會，全方位排查和提前處理減少隱患，促進機組運行穩(wěn)定。

（二）已實行的季節(jié)性、壽命性預(yù)防措施

雷雨季前風(fēng)機接地電阻導(dǎo)通測試，及時發(fā)現(xiàn)并排查電阻不合格機組，降低雷擊風(fēng)險；冬季來臨前水冷系統(tǒng)預(yù)防性補水，有效防止冬季水冷系統(tǒng)故障；葉片排查、維修，及時發(fā)現(xiàn)葉片存在的裂紋、褶皺、泛白等引起斷裂的隱患，提前進行修復(fù)加固，杜絕葉片事故；結(jié)合風(fēng)機半年、全年周期檢修，圍繞檢修清單執(zhí)行消缺、檢查項目，對接觸器觸點、風(fēng)扇濾網(wǎng)等易損耗器件進行預(yù)防性更換，保障風(fēng)機處于最佳健康度運行工況。

在大量獲取數(shù)據(jù)的前提下，依托控制系統(tǒng)生成的日報、月報等報表，運維人員可以借助機器對數(shù)據(jù)進行分類，形成匯總表、機組列表、警告列表、故障列表、預(yù)警列表等表單。通過對警告、故障和預(yù)警的匯總，使運維人員對風(fēng)電場的設(shè)備隱患了如指掌，實現(xiàn)全過程動態(tài)跟蹤。發(fā)生故障時，能夠進行全面的數(shù)據(jù)分析，結(jié)合監(jiān)控預(yù)警臺賬和維護指導(dǎo)手冊，確保一次性處理識別出的全部隱患。

二、第2階段：設(shè)備性能達優(yōu)保障階段

經(jīng)過設(shè)備穩(wěn)定性提升實施，風(fēng)電場機組得到初步治理，實現(xiàn)性能“達標(biāo)”，在達標(biāo)的基礎(chǔ)上，進一步擴大設(shè)備穩(wěn)定性提升取得的成果，實現(xiàn)性能“達優(yōu)”。

（一）單機核算系統(tǒng)

故障處理完成后生產(chǎn)信息系統(tǒng)將回填的檢修情況及備件消耗、健康水平、是否存在隱患、人工工時等情況推送至集控系統(tǒng)中，進行單機核算。從備品備件消耗情況方面著手，充分挖掘生產(chǎn)潛能。將備件成本、維修成本、故障次數(shù)自動關(guān)聯(lián)，每臺風(fēng)機實現(xiàn)單機成本核算。通過單機核算，推送給能量管理平臺，通過優(yōu)化控制策略，實現(xiàn)成本低的風(fēng)機優(yōu)先發(fā)電，實現(xiàn)精準(zhǔn)運營。經(jīng)過計算篩選出單機成本低的風(fēng)機，對健康水平較差的分析原因，進行消峰處理，辦理消缺單。對排名排名靠后的風(fēng)機進行技改及消缺，從而提升提高設(shè)備健康水平。

（二）采用“28法則”

以運行穩(wěn)定性為指標(biāo)，在穩(wěn)定性較高的機組選取前20%，在穩(wěn)定性相對低的機組選取后20%，形成對比組，分析前排機組性能好的經(jīng)驗，推廣到后排機組，進行定制化問題處理模式，不斷進化、優(yōu)化處置方案及措施。

（三）配合各類輔助系統(tǒng)與理論支撐依據(jù)

風(fēng)電場通過調(diào)研行業(yè)先進技術(shù)、裝備制造業(yè)最新成果等，在場內(nèi)進行探索嘗試，為設(shè)備性能達優(yōu)、健康風(fēng)電場建立提供便利條件。

風(fēng)機發(fā)電機、變槳軸承自動加脂裝置，提升軸承潤滑系統(tǒng)效率，使?jié)櫥又芷诟泳鶆?，軸承能在最佳潤滑方式下運行；持續(xù)觀測記錄風(fēng)電場輸出功率與當(dāng)?shù)仫L(fēng)速、天氣、地形等存在影響因素的數(shù)據(jù)，與風(fēng)電機組運行狀態(tài)形成對比，建立風(fēng)電場負荷輸出模型，不斷修正參數(shù)精準(zhǔn)度，增加發(fā)電功預(yù)測準(zhǔn)確性，提高風(fēng)電場與電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行能力。

三、第3階段：風(fēng)機大部件安全感知診斷與健康監(jiān)測階段

我國新能源行業(yè)發(fā)展迅速，各場站建設(shè)規(guī)模逐步擴大，設(shè)備單體容量、集成性、智能化都得到大幅提升，場站對設(shè)備長期連續(xù)安全可靠運行的需求也日益增長。在此背景下，對設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測成為有效手段，可利用監(jiān)測裝置獲取設(shè)備運行數(shù)據(jù)從而進行健康程度分析，高效且連續(xù)，與傳統(tǒng)停電巡檢方式相比優(yōu)勢顯著。以各類型傳感器為基礎(chǔ)，實現(xiàn)實時動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測，多種監(jiān)測共同構(gòu)建起完整的異常狀態(tài)識別，預(yù)警系統(tǒng)，可以主動對風(fēng)機設(shè)備健康隱患提前報警，產(chǎn)生預(yù)警信息，經(jīng)數(shù)據(jù)接口在智慧運營系統(tǒng)上生成預(yù)警缺陷工單，指導(dǎo)作業(yè)人員進一步核查缺陷預(yù)警情況。

風(fēng)電場設(shè)備健康度動態(tài)跟蹤預(yù)警系統(tǒng)主要由以下檢測監(jiān)測環(huán)節(jié)支撐：

健康度概覽。支持從集控到場站再到單臺風(fēng)機，實時查看預(yù)警的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，密切關(guān)注資產(chǎn)健康狀況。

大部件預(yù)警。基于風(fēng)機普遍安裝的SCADA 系統(tǒng)采集的秒級數(shù)據(jù)，利用機器學(xué)習(xí)工具綜合分析全場站風(fēng)機歷史運行數(shù)據(jù)，自動計算不同工況下的設(shè)備健康溫度。同時，監(jiān)控風(fēng)機發(fā)電機軸承、齒輪箱軸承、主軸承、葉片等關(guān)鍵部件和設(shè)備的溫度狀態(tài)，識別風(fēng)電機組主要傳動設(shè)備的運行和磨損狀況，發(fā)現(xiàn)軸承類、旋轉(zhuǎn)部件故障征兆，對故障發(fā)生位置、故障所屬類別、后果嚴(yán)重程度、進一步趨勢作出早期預(yù)警。

控制系統(tǒng)預(yù)警采用風(fēng)機歷史運行數(shù)據(jù)，基于機器學(xué)習(xí)以及累計異常檢測算法，針對影響風(fēng)機功率曲線性能的偏航設(shè)備、變槳系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)，實現(xiàn)因風(fēng)機設(shè)備性能不佳導(dǎo)致的發(fā)電性能跌落告警。

功率曲線監(jiān)測。支持通過對比風(fēng)機機型設(shè)計功率曲線和運行數(shù)據(jù)散點曲線，分析風(fēng)機的發(fā)電性能，進而結(jié)合預(yù)警信息，判斷預(yù)警的準(zhǔn)確性。

冷卻系統(tǒng)預(yù)警。根據(jù)變流器系統(tǒng)在不同工況下的溫度變化趨勢，和水冷壓力變化，分析其散熱效果，當(dāng)特定工況的散熱效果不佳，產(chǎn)生報警，保證其穩(wěn)定可靠工作。

主控系統(tǒng)預(yù)警。對風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)不同工況下的工作狀態(tài)變化進行數(shù)據(jù)監(jiān)測，保證風(fēng)機可以測風(fēng)和切入和切出，時刻捕獲最大風(fēng)能，為風(fēng)機功率曲線和控制策略優(yōu)化提供真實準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

絕緣監(jiān)測系統(tǒng)。在線實時監(jiān)測設(shè)備絕緣水平，反映發(fā)電機的絕緣狀態(tài)，運維人員根據(jù)運行趨勢管控發(fā)電機運行狀態(tài)。

振動監(jiān)測系統(tǒng)。在機組內(nèi)裝有風(fēng)機轉(zhuǎn)速傳感器及振動傳感器共計7個，采集風(fēng)機運行時的振動數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分析后，生成各時域波形、振動頻譜、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)等圖譜數(shù)據(jù)，匯總形成振動數(shù)據(jù)報告，通過網(wǎng)絡(luò)自動上傳采集數(shù)據(jù)，后臺監(jiān)控實時顯示數(shù)據(jù)狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)機組振動異常，及時排查，為機組安全可靠運行既定了良好的基礎(chǔ)。

自動消防在線監(jiān)測。在風(fēng)機重點防火部位，機艙、發(fā)電機柜、變流柜、機艙柜、變流柜、主控柜內(nèi)均安裝不同形式氣溶膠或干粉滅火器，并經(jīng)消防控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動，發(fā)生火災(zāi)可發(fā)出告警并自動釋放滅火物質(zhì)，有效防范火災(zāi)事故。

各監(jiān)測系統(tǒng)協(xié)調(diào)作用，構(gòu)建起場內(nèi)設(shè)備健康監(jiān)測體系，實現(xiàn)預(yù)警、故障智能感知與診斷。針對機組異常的指標(biāo)數(shù)據(jù)、機組振動、功率曲線和器件溫度等提前進行預(yù)警提示，通過預(yù)警信息云端發(fā)布平臺，將預(yù)警信息推送至現(xiàn)場。現(xiàn)場處置人員根據(jù)平臺植入的預(yù)警處理方案進行精準(zhǔn)排查，實現(xiàn)合理安排檢查消除機組異常，可以及時有效發(fā)現(xiàn)事故隱患并開展快速準(zhǔn)確的機組維護工作。

主要支持環(huán)節(jié)：

變壓器油色譜在線分析系統(tǒng)：可實現(xiàn)對油浸電力變壓器絕緣油中故障特征氣體的在線監(jiān)測，能夠快速檢測甲烷、一氧化碳、氫氣等氣體濃度及發(fā)展趨勢，為油浸電力變壓器穩(wěn)定運行提供保障。

變壓器局部放電檢測系統(tǒng)：不僅能持續(xù)監(jiān)測變壓器套管的工作狀態(tài)，還能檢測變壓器主油箱中的局部放電活動發(fā)展。在故障的初級階段發(fā)出預(yù)警，并提供套管和變壓器運行過程中至關(guān)重要的信息。也可作為一個單獨的系統(tǒng)來監(jiān)測套管絕緣情況和局部放電活動，或作為一個集成方案，對油中多組分氣體分析設(shè)備和分析軟件一起，提供更深入的變壓器狀態(tài)信息及故障診斷。

35kV 開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)：基于無線技術(shù)，實現(xiàn)對開關(guān)柜內(nèi)觸頭溫度實時監(jiān)測，發(fā)生溫度異常時立即發(fā)出警告，方便監(jiān)控中心值班人員對眾多開關(guān)柜溫度的實時監(jiān)控。

四、第4階段：風(fēng)機性能全面提升階段

經(jīng)過前期各階段項目的實施，健康風(fēng)電場的運行機制已初步建立，繼續(xù)深入挖掘硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)潛力，在全面檢測的基礎(chǔ)上，延展運行邊界，增加發(fā)電量。通過不斷對比運行數(shù)據(jù)，對細節(jié)性問題進行逐一排查，使設(shè)備的控制與管理更加精細，有效實現(xiàn)降本增效。

經(jīng)過驗證總結(jié)，“健康”風(fēng)電場的項目實施獲得五大優(yōu)勢：

全面掌控設(shè)備健康水平：通過健康風(fēng)電場項目的實施，能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)全面準(zhǔn)確評估，管理更加精準(zhǔn)，有利于風(fēng)電場設(shè)備整體健康程度提升。

有效增強檢修針對性：利用在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析等覆蓋廣、功能多的各系統(tǒng)聯(lián)動，可準(zhǔn)確判斷故障位置、缺陷發(fā)展趨勢等，明確設(shè)備檢修的必要程度，為檢修計劃制定提供有力參考。

顯著提升生產(chǎn)效益：得益于設(shè)備性能穩(wěn)定提升、檢修計劃性增強、檢修質(zhì)量提高，促進設(shè)備“非?！睖p少，人員缺員的矛盾得到一定緩解，從而實現(xiàn)生產(chǎn)效益的顯著提升。

有效鍛煉人員素質(zhì)：經(jīng)過系統(tǒng)分析并判斷故障信息，使工作人員對設(shè)備故障掌握更加透徹，使檢修作業(yè)由“嘗試型”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸苯有汀?。配合行業(yè)制度、檢修規(guī)程、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等的專題培訓(xùn)學(xué)習(xí)，使工作人員專業(yè)素質(zhì)得到有效鍛煉，提升發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

提高生產(chǎn)管理水平：通過利用設(shè)備健康系統(tǒng)的智能診斷、綜合評價，實現(xiàn)科學(xué)決策，充分兼顧安全和效能，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)生產(chǎn)計劃，由過去粗獷型管理轉(zhuǎn)變?yōu)榫毣芾?，生產(chǎn)管理水平進一步提高。

充分發(fā)揮優(yōu)勢，利用各類數(shù)據(jù)模型、統(tǒng)計分析、信號分析、機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)及人工智能等數(shù)據(jù)分析和挖掘方法建立的算法，識別部件單元或系統(tǒng)的亞健康狀態(tài)。對機組故障停機統(tǒng)計分析，識別異常頻發(fā)的故障。通過將預(yù)警的結(jié)果直接加入定期維護計劃或計劃性停機檢查，預(yù)警監(jiān)控從目前被動的運維模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥念A(yù)防性維修。通過機組運行狀態(tài)的實時監(jiān)測預(yù)警和大數(shù)據(jù)分析，制定最優(yōu)運維策略，提高機組各項指標(biāo)，性能全面提升，備件消耗切實降低，機組運行更穩(wěn)定，風(fēng)電場健康度更進一步。

五、遠景規(guī)劃、長期目標(biāo)

風(fēng)電行業(yè)發(fā)展迅速，仍有很多技術(shù)難點研究尚淺，對設(shè)備狀態(tài)趨勢判斷不夠精確、長久，設(shè)備動態(tài)監(jiān)測及診斷評估仍是健康風(fēng)電場建設(shè)的重要課題。持續(xù)維持設(shè)備健康狀態(tài)，進一步提升設(shè)備管控水平，以最大可能完成降本增效仍將是企業(yè)本身及行業(yè)發(fā)展所追求的目標(biāo)，還需在以下方面進行探索與創(chuàng)新。

引用監(jiān)測傳感器新技術(shù)，擴大監(jiān)測范圍，提高抗干擾性能，提升監(jiān)測定位精度；改進設(shè)備集成化水平，提升風(fēng)電場健康運行系統(tǒng)經(jīng)濟性，降低系統(tǒng)本身的維護成本；增加健康診斷系統(tǒng)容錯機制，主動發(fā)現(xiàn)并處置系統(tǒng)自身運行下的錯誤，在一定程度上能從錯誤狀態(tài)自動恢復(fù)到正常狀態(tài)；與其他運行系統(tǒng)相互有機融合，如安全管控系統(tǒng)、環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)等，兼顧安全生產(chǎn)、環(huán)境保護、經(jīng)濟效益等各方面協(xié)調(diào)發(fā)展；隨著技術(shù)發(fā)展、設(shè)備迭代，健康診斷系統(tǒng)提出的預(yù)警判斷將更加準(zhǔn)確，極大緩解人力勞動強度，但是部分時機下仍需人工對系統(tǒng)出具的診斷結(jié)果加以二次診斷，此時對人員素質(zhì)提出較高需求，對系統(tǒng)運行機制的掌握程度，以及人員綜合問題判斷處理能力，對健康風(fēng)電場良性發(fā)展起到至關(guān)重要的作用，人員綜合素質(zhì)需與時俱進。

在當(dāng)前風(fēng)電場運行數(shù)據(jù)積累有限、狀態(tài)監(jiān)測不夠深入、跟蹤反饋體系不完善的背景下，該公司在“健康風(fēng)電場”建設(shè)中先行一步，通過對行業(yè)內(nèi)新型技術(shù)、先進經(jīng)驗的學(xué)習(xí)與研究，初步完成既定目標(biāo)，設(shè)備運行水平切實得到提高，從經(jīng)濟效益方面可以得到良好反饋。隨著今后研究探索的不斷深入，相信可以將積累的經(jīng)驗和研究成果向行業(yè)內(nèi)進行推廣借鑒。