“雙碳”背景下海上風(fēng)電維護(hù)策略研究現(xiàn)狀與展望

瞿晟珉，應(yīng)飛祥，秦少茜，宋明陽，馬永杰，王全德

（上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，上海 200090）

0 引言

新型電力系統(tǒng)下，海上風(fēng)電是我國實(shí)現(xiàn)“2030 碳達(dá)峰”與“2060 碳中和”目標(biāo)的重要手段[1]。與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電具有電能質(zhì)量高、不占用陸地面積、靠近負(fù)荷中心等優(yōu)勢而得到了長足的發(fā)展[2]。截至2022 年底，我國海上風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)32.5 GW，總裝機(jī)規(guī)模位居全球第一。根據(jù)我國多個(gè)省份公布的“十四五”期間的海上風(fēng)電建設(shè)規(guī)劃數(shù)據(jù)，至2050年我國沿?；乜傄?guī)劃裝機(jī)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到132 GW，海上風(fēng)電的裝機(jī)容量呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢。

海上風(fēng)機(jī)處于惡劣的海洋環(huán)境中，其中，投產(chǎn)較早的海上風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)運(yùn)行10 余年，部件的狀態(tài)和性能劣化較為明顯。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)維成本約占其全壽命周期度電成本的30%[3]。與此同時(shí)，隨著《關(guān)于促進(jìn)非水可再生能源發(fā)電健康發(fā)展的若干意見》的發(fā)布，2022 年起新核準(zhǔn)的海上風(fēng)電項(xiàng)目將不再納入中央財(cái)政補(bǔ)貼范圍，海上風(fēng)電正式步入平價(jià)時(shí)代。

因此，如何科學(xué)、及時(shí)地開展海上風(fēng)電場機(jī)群維護(hù)，已經(jīng)成為保證大容量、高比例海上風(fēng)電安全、高效、經(jīng)濟(jì)并網(wǎng)亟待解決的關(guān)鍵難題之一。本文從海上風(fēng)電場維護(hù)面臨的挑戰(zhàn)、海上風(fēng)電場的維護(hù)策略、維護(hù)策略優(yōu)化模型這3 個(gè)方面對近年來的研究進(jìn)行歸納與總結(jié)，并且針對目前研究中存在的部分問題進(jìn)行梳理，同時(shí)對未來的研究趨勢進(jìn)行展望。

1 海上風(fēng)電場維護(hù)所面臨的挑戰(zhàn)

海上風(fēng)電場維護(hù)是海上風(fēng)電運(yùn)營過程中關(guān)鍵的任務(wù)之一，相較于陸上風(fēng)電場，海上風(fēng)電場維護(hù)主要面臨以下3 個(gè)方面的挑戰(zhàn)。

1）風(fēng)機(jī)部件故障率更高。由于海上風(fēng)電場長期處于惡劣的工況中，較陸上風(fēng)電場而言，海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)部件的故障率更高。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，陸上風(fēng)電場機(jī)組的平均可用率在95%～99%之間，而海上風(fēng)電場機(jī)組的平均可用率在65%～95%之間波動(dòng)[4]。

2）風(fēng)場可及性較差。海上風(fēng)電場通常處于海陸氣候交替影響區(qū)，受周圍風(fēng)浪環(huán)境影響，出海時(shí)間及維護(hù)時(shí)間具有較大的波動(dòng)性與隨機(jī)性。當(dāng)風(fēng)浪超過運(yùn)維船出海航行的安全閾值時(shí)不能出海進(jìn)行維護(hù)，風(fēng)場的可及性較差。如果由于天氣原因必須推遲維護(hù)任務(wù)，則可能會(huì)出現(xiàn)更長的維修等待時(shí)間，從而造成更大的發(fā)電損失。

3）維護(hù)費(fèi)用較高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海上風(fēng)電場的維護(hù)成本是陸上風(fēng)電場的2～3 倍[5]。海上風(fēng)電場的維護(hù)需要專用的設(shè)備，比如專用的運(yùn)維船、直升機(jī)及吊裝設(shè)備。同時(shí)，海上風(fēng)電場的維護(hù)也受限于復(fù)雜多變的海洋環(huán)境，往往不能及時(shí)有效對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行維護(hù)。因此，海上風(fēng)電場的維護(hù)成本通常高于陸上風(fēng)電場同一維護(hù)任務(wù)的成本。

2 海上風(fēng)機(jī)故障模式

海上風(fēng)機(jī)是一個(gè)由電氣、機(jī)械及結(jié)構(gòu)部件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，其故障類型主要可分為3 類[6]：（1）長期運(yùn)行的疲勞損壞及老化引起的故障；（2）由于意外天氣及其他因素造成的突然擊穿或故障；（3）電氣故障。風(fēng)機(jī)的每個(gè)關(guān)鍵部件具有不同的故障率，具體取決于風(fēng)機(jī)及風(fēng)電場所處的位置及機(jī)組的型號。表1 給出了某海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)關(guān)鍵部件的故障次數(shù)。從表1 可以看出發(fā)電機(jī)、齒輪箱、葉片、電氣系統(tǒng)、斷路器/開關(guān)、控制系統(tǒng)的故障次數(shù)較高[7]。

表1 海上風(fēng)機(jī)部件故障率Table 1 Failure rate of offshore wind turbine components

3 海上風(fēng)電場維護(hù)策略

現(xiàn)有海上風(fēng)電場維護(hù)策略主要包括糾正性維護(hù)（Corrective Maintenance，CM）、主動(dòng)維護(hù)（Proactive Maintenanc，PrM）及強(qiáng)化學(xué)習(xí)維護(hù)（Reinforcement Learning Maintenance，RLM），其中PrM 策略又可細(xì)分為預(yù)防性維護(hù)（Preventive Maintenance，PM）、狀態(tài)維護(hù)（Condition Based Maintenance，CBM）及預(yù)測性維護(hù)（Predictive Maintenance，PdM）。成組維護(hù)（Group Maintenance，GM）及機(jī)會(huì)維護(hù)（Opportunity Maintenance，OM）則是在CM 及PrM 基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展而來的維護(hù)策略，維護(hù)策略的分類如圖1 所示[6]。

圖1 維護(hù)策略的分類Fig.1 Classification of maintenance strategies

3.1 CM策略

CM 只有在風(fēng)機(jī)發(fā)生故障后才執(zhí)行維護(hù)[8]。圖2為CM 策略的一個(gè)典型維護(hù)過程，從綠色到橙色為風(fēng)機(jī)因?yàn)楣收隙Ｖ惯\(yùn)行，從橙色到綠色為風(fēng)機(jī)經(jīng)過維護(hù)重新恢復(fù)運(yùn)行狀態(tài)[6]。對于海上風(fēng)電場維護(hù)而言，采用該策略的優(yōu)點(diǎn)是可有效避免不必要的維護(hù)，缺點(diǎn)是當(dāng)風(fēng)機(jī)需要CM 但可及性不滿足維護(hù)要求時(shí)，會(huì)造成較多的停機(jī)損失，尤其是對于大型深遠(yuǎn)海風(fēng)電場而言，采用CM 策略對于風(fēng)電場業(yè)主而言并不是最優(yōu)的維護(hù)方案[9]。

圖2 CM策略Fig.2 Diagram showing CM strategy

3.2 PrM策略

3.2.1 PM策略

PM 策略是在風(fēng)機(jī)故障發(fā)生前按照一定的維護(hù)規(guī)則對風(fēng)機(jī)部件進(jìn)行維修。如圖3 所示為一個(gè)典型的PM 過程，與CM 相比，PM 策略主要具有以下優(yōu)點(diǎn)[6]：（1）可以較為有效避免由于可及性帶來的風(fēng)機(jī)部件故障長時(shí)間停機(jī)問題；（2）可以避免過多的備品備件庫存；（3）可以更加合理地使用運(yùn)維船；（4）可以較為有效地避免計(jì)劃外的維護(hù)。

圖3 PM策略Fig.3 Diagram showing PM strategy

PM 策略目前多采用基于時(shí)間或基于可靠度的維護(hù)規(guī)則。基于時(shí)間的PM 策略是按照一定的時(shí)間間隔進(jìn)行維護(hù)，例如Hofmann M 等人[10]、Wang J 等人[11]均在他們的維護(hù)模型中考慮了基于固定時(shí)間間隔的PM 策略?；诳煽慷鹊腜M 策略則是在部件可靠度低于一定的維修閾值時(shí)對其進(jìn)行預(yù)防性維修[12]。在以可靠度為中心的海上風(fēng)電PM 策略中，部件故障率的建立通常采用威布爾分布，并由故障率得到部件可靠度，然后基于可靠度建立PM 目標(biāo)，同時(shí)對部件的維護(hù)閾值進(jìn)行優(yōu)化，從而得到PM 的最優(yōu)維護(hù)閾值[13]。也有部分文獻(xiàn)在以可靠度為中心的PM基礎(chǔ)上考慮了部件間的故障相關(guān)性問題后，再進(jìn)一步進(jìn)行PM 策略的制定[14]。除此之外，也有學(xué)者根據(jù)部件維護(hù)后可靠度的改善情況，將維護(hù)分為預(yù)防性不完全維護(hù)、預(yù)防性完全維護(hù)等多維護(hù)等級，優(yōu)化不同等級的維護(hù)閾值，從而制定多等級PM 策略[15]。

3.2.2 CBM策略

CBM 策略是在PM 基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種按“需”維護(hù)方式[2]。在故障發(fā)生之前，CBM 通過結(jié)合風(fēng)機(jī)部件的在線或離線狀態(tài)信息，并綜合考慮維護(hù)成本、維護(hù)資源情況、風(fēng)機(jī)出力等因素制定維護(hù)策略，圖4 為典型的CBM 示意圖[6]。Yildirim M等人提出了一種結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)分析和混合整數(shù)規(guī)劃技術(shù)的CBM 模型[16-17]。Dao C D 等人將CBM與CM 和PM 進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)采用CBM 可以降低維護(hù)成本[18]。

圖4 CBM策略Fig.4 Diagram showing CBM strategy

3.2.3 PdM策略

PdM 策略是在CBM 基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種維護(hù)策略，圖5 為典型的PdM 示意圖[6]。在PdM 中，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)測模型是其決策的核心。與CBM 相比，PdM 策略更加注重對風(fēng)機(jī)部件剩余壽命或健康狀態(tài)的預(yù)測以及如何利用預(yù)測結(jié)果制定維護(hù)計(jì)劃[19]。在風(fēng)電維護(hù)領(lǐng)域PdM 的應(yīng)用較少，但是近年來在其他領(lǐng)域得到了較好的應(yīng)用。例如：Lee J等人使用貝葉斯回歸模型預(yù)測飛機(jī)起落架制動(dòng)器的剩余使用壽命（Remaining Useful Life，RUL），并基于預(yù)測結(jié)果提出了一個(gè)PdM 框架[20]。Lee J 等人的研究表明將RUL 預(yù)測整合到維護(hù)計(jì)劃模型中可以有效降低維護(hù)成本。

圖5 PdM策略Fig.5 Diagram showing PdM strategy

3.3 OM策略

目前對于OM 最常見的定義是利用風(fēng)機(jī)間或部件間的相關(guān)性，借助計(jì)劃停機(jī)與非計(jì)劃停機(jī)的便利、或借助就地維護(hù)時(shí)維護(hù)工具及維護(hù)人員的便利，順便對其它風(fēng)電機(jī)組或部件同時(shí)開展維護(hù)的一種維護(hù)策略[2，21-22]。通過OM 可以較為有效地平攤海上風(fēng)電場維護(hù)的出行成本，停機(jī)損失等。圖6 為一個(gè)基于可靠度閾值的典型OM 策略。部件i的可靠度低于PM 閾值Rp時(shí)需要對部件i進(jìn)行維護(hù)，此時(shí)判斷其他部件j的可靠度是否處于閾值區(qū)間[RP，Ro]內(nèi)（Ro為OM 閾值），若部件j處于OM 閾值區(qū)間則對該部件一并進(jìn)行維護(hù)[23]。

圖6 OM策略Fig.6 Diagram showing OM strategy

在OM 策略中如果預(yù)定的閾值不同，則稱為動(dòng)態(tài)機(jī)會(huì)性維護(hù)策略，圖7 為一個(gè)典型的動(dòng)態(tài)OM 策略示意圖。維護(hù)閾值DRTi隨著風(fēng)速的改變而改變，在低風(fēng)速期間增大閾值，在高風(fēng)速期間減少閾值，通過改變閾值的大小從而影響PM[24]。采用動(dòng)態(tài)OM的目的并非是要取消PM，而是選在天氣條件更加有利時(shí)執(zhí)行PM。Zhang C 等人進(jìn)一步將動(dòng)態(tài)機(jī)會(huì)分別與不考慮OM 的策略及靜態(tài)OM 策略進(jìn)行比較，算例結(jié)果表明采用動(dòng)態(tài)OM 策略的運(yùn)維成本較非機(jī)會(huì)及靜態(tài)OM 而言分別降低了18%和11%[25]。

圖7 動(dòng)態(tài)OM策略示意圖Fig.7 Schematic diagram of dynamic OM strategy

3.4 GM策略

與OM 策略類似，GM 策略的基本思想是通過分析風(fēng)機(jī)不同部件之間維修時(shí)機(jī)的相關(guān)性，將盡可能多的部件進(jìn)行合理成組維修，以此來減少風(fēng)機(jī)的停機(jī)次數(shù)，從而降低維修損失[26]。GM 策略可以分為靜態(tài)成組與動(dòng)態(tài)成組兩大類。靜態(tài)GM 策略是假設(shè)系統(tǒng)在一個(gè)長期穩(wěn)定的運(yùn)行工況下按照固定的時(shí)間間隔進(jìn)行GM，主要包括預(yù)防性成組、修復(fù)性成組及機(jī)會(huì)成組3 小類[27]。顯然靜態(tài)GM 并不適用于海上風(fēng)電場所處的工況環(huán)境。動(dòng)態(tài)GM 則是在給定的維護(hù)期內(nèi)不采取固定的維修時(shí)間而是對其進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，采用動(dòng)態(tài)成組的好處在于在進(jìn)行GM 決策的過程中可以有效納入各部件的狀態(tài)信息。

動(dòng)態(tài)成組又可分為有限和滾動(dòng)時(shí)間軸2 小類。有限時(shí)間軸是只考慮給定維護(hù)周期內(nèi)的維護(hù)策略，適用于報(bào)廢代價(jià)不高且壽命較短的部件或系統(tǒng)制定維護(hù)計(jì)劃。滾動(dòng)時(shí)間軸則是不斷重復(fù)有限時(shí)間軸將有限計(jì)劃變成一個(gè)無限計(jì)劃，同時(shí)在每完成1 次維修或者有新狀態(tài)更新就啟動(dòng)新的維護(hù)決策[28]。圖8 為一個(gè)典型的多部件滾動(dòng)時(shí)間軸成組維修法示意圖，從圖8 中可以看出滾動(dòng)時(shí)間軸法將無限維護(hù)周期劃分為一系列短期維修決策時(shí)間窗，同時(shí)在各短期維修決策時(shí)間窗內(nèi)進(jìn)行局部靜態(tài)優(yōu)化，使得各時(shí)間窗內(nèi)維護(hù)方案最優(yōu)，從而使所制定的維護(hù)策略能適應(yīng)復(fù)雜多變的動(dòng)態(tài)維護(hù)環(huán)境。因此在海上風(fēng)電維護(hù)領(lǐng)域，謝魯冰從CM 入手，構(gòu)建了海上風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)CM 策略模型，有效降低了維護(hù)費(fèi)用[29]。

圖8 多部件滾動(dòng)時(shí)間軸GM策略示意圖Fig.8 Schematic diagram of rolling time axis GM strategy for multi-component

3.5 RLM策略

強(qiáng)化學(xué)習(xí)（Reinforcement Learning，RL）是一種機(jī)器學(xué)習(xí)框架，其中學(xué)習(xí)代理通過與系統(tǒng)的白盒模型（即用于模擬系統(tǒng)演變的透明且易于解釋的環(huán)境）的連續(xù)試錯(cuò)交互來優(yōu)化其行為，以找到最佳策略[30]。

Pinciroli L 等人指出運(yùn)維優(yōu)化問題可以等效為一個(gè)長期的順序決策問題，可以采用RL 解決[31]。在他們的文獻(xiàn)中基于深度RL 對風(fēng)電場的維護(hù)策略進(jìn)行制定，通過算例分析表明與現(xiàn)有風(fēng)電場運(yùn)維方法相比，采用RLM 具有以下2 點(diǎn)優(yōu)勢：（1）所建立的策略不需要對維護(hù)策略的類型進(jìn)行任何先驗(yàn)假設(shè)；（2）可有效考慮動(dòng)態(tài)環(huán)境的影響及所執(zhí)行的運(yùn)維操作對系統(tǒng)未來發(fā)展的影響。

3.6 不同維護(hù)策略間的對比

表2 對不同維護(hù)策略的特征、優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。

表2 不同維護(hù)策略的比較Table 2 Comparison of different maintenance strategies

4 維護(hù)優(yōu)化模型

海上風(fēng)電維護(hù)策略制定的核心問題是解決一個(gè)帶約束的優(yōu)化問題。在維護(hù)優(yōu)化模型中可分為單目標(biāo)優(yōu)化與多目標(biāo)優(yōu)化。標(biāo)準(zhǔn)單目標(biāo)的優(yōu)化表達(dá)式如式（1）所示：

式中：f（x）為目標(biāo)函數(shù)；he(x)，gu(x)分別為優(yōu)化問題的不等式與等式約束；E，U分別為不等式約束與等式約束的數(shù)量。

多目標(biāo)優(yōu)化是在單目標(biāo)優(yōu)化基礎(chǔ)上增加優(yōu)化目標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)的多目標(biāo)優(yōu)化表達(dá)式如式（2）所示：

式中：j（x）為除f（x）外的其他目標(biāo)函數(shù)。

4.1 單目標(biāo)優(yōu)化目標(biāo)

4.1.1 時(shí)間段T內(nèi)的成本

基于成本的目標(biāo)函數(shù)應(yīng)用最為廣泛，通常設(shè)定為給定維護(hù)時(shí)間段T內(nèi)總維護(hù)成本最小[14]，如式（3）所示。

式中：fc為總維護(hù)成本；CM，Cvess，Ctech，Closs分別為維護(hù)本身費(fèi)用、維護(hù)工具費(fèi)用、維護(hù)人員費(fèi)用、停機(jī)損失費(fèi)用。

1）維護(hù)本身費(fèi)用。維護(hù)本身費(fèi)用指的是進(jìn)行PM，CM 等維護(hù)措施時(shí)所需的費(fèi)用。按照故障的嚴(yán)重程度可將維護(hù)類型分為檢查、小維護(hù)、更換、重大維護(hù)4 類，不同程度的維護(hù)類型具有不同的費(fèi)用。

2）維護(hù)工具費(fèi)用。維護(hù)工具可分為維護(hù)交通工具及維護(hù)風(fēng)機(jī)部件所需工具兩類。在維護(hù)過程中根據(jù)海上風(fēng)浪條件，選擇維護(hù)船或者直升飛機(jī)到達(dá)維護(hù)點(diǎn)。若采取維護(hù)船作為交通工具，根據(jù)維護(hù)工作量及維護(hù)部件的不同，所選的船只類型也不同，對于葉片、機(jī)艙等大型部件的更換需要具有起重設(shè)備的運(yùn)維船，而對于小部件的更換及中小型維修則采用普通運(yùn)維船只即可[23]。

3）維護(hù)人員費(fèi)用。一般維護(hù)i個(gè)部件需要Q個(gè)人，當(dāng)一次維護(hù)的部件增加時(shí)，則需要增加相應(yīng)的維護(hù)人員，待所有維護(hù)結(jié)束后，所有維護(hù)人員方可結(jié)束維護(hù)工作。因此維護(hù)人員的工作時(shí)間通常與維護(hù)時(shí)間相耦合。

4）停機(jī)損失費(fèi)用。維修期間的停機(jī)損失與維修部件的類型、風(fēng)速、電價(jià)、風(fēng)場的規(guī)模大小等因素相關(guān)。此外，在一些研究中指出，針對大型海上風(fēng)電場而言，尾流效應(yīng)將影響風(fēng)機(jī)的出力，從而影響停機(jī)損失，因此在計(jì)算停機(jī)損失時(shí)還考慮了各機(jī)組間的尾流效應(yīng)，但其本質(zhì)上依舊可歸為風(fēng)速造成的影響[32]。

4.1.2 時(shí)間段T內(nèi)的利潤

基于利潤的目標(biāo)通常設(shè)定為給定維護(hù)時(shí)間段T內(nèi)風(fēng)電場的利潤最大化[33]?？偫麧橲一般包括風(fēng)電場的售電收入與維護(hù)自身成本、維護(hù)人員成本、維護(hù)交通工具成本等成本的差值，如式（4）所示。

式中：Ssale為風(fēng)場的售電收入，與風(fēng)場的輸出功率和電價(jià)相關(guān)。

4.1.3 時(shí)間段T內(nèi)的費(fèi)效比

根據(jù)風(fēng)機(jī)部件在經(jīng)過維護(hù)后的狀態(tài)恢復(fù)情況，一般可將維護(hù)分為完全維護(hù)與不完全維護(hù)，2 種維護(hù)方式對部件可靠度的改善不同。圖9 給出了不同維護(hù)方式對部件可靠度的影響，其中τk-1，k為部件第k-1 和第k次維護(hù)的時(shí)間間隔，η為役齡回退因子。

圖9 不同維護(hù)方式對部件可靠度的影響Fig.9 Effect of different maintenance methods on component reliability

從圖9 中可以看出采用完全維護(hù)方式能使部件可靠度回退到如新狀態(tài)；采用不完全維護(hù)方式則以一定的役齡回退因子η進(jìn)行回退，并不能恢復(fù)如新。為了衡量維護(hù)效果，作為維護(hù)方式的選擇依據(jù)，在優(yōu)化模型中通常在給定維護(hù)時(shí)間段T內(nèi)采用費(fèi)效比Rce作為優(yōu)化目標(biāo)[23]，如式（5）所示。

式中：C為維護(hù)成本；ΔWk為第k次維護(hù)對有效役齡的改善。

4.1.4 基于單位時(shí)間的維護(hù)成本

以單位時(shí)間維護(hù)成本為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化函數(shù)的定義為時(shí)間段T內(nèi)的成本與時(shí)間段T的比值，如式（6）所示。文獻(xiàn)[34]在制定海上風(fēng)電機(jī)組分階段預(yù)防性維修策略是以單位時(shí)間的維修成本fz最低為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

4.2 多目標(biāo)優(yōu)化目標(biāo)

多目標(biāo)優(yōu)化的目標(biāo)根據(jù)決策者的不同需求具有多種組合方式，表3 總結(jié)了海上風(fēng)電運(yùn)維策略制定過程中現(xiàn)有的2 種多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)。

表3 常見的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)Table 3 Common multi-objective optimization functions

4.3 約束條件

通常情況下在制定海上風(fēng)電各維護(hù)計(jì)劃的過程中需要考慮的約束條件主要可分為以下幾個(gè)方面：

1）維護(hù)人員及維護(hù)工作時(shí)間約束。通常情況下單次維護(hù)人員的總數(shù)量不能大于維護(hù)船只的額定人數(shù)，同時(shí)維護(hù)人員的工作時(shí)間不能超過日最長工作時(shí)間[14]，但也有文獻(xiàn)將超過日最長的工作時(shí)間定義為人員加班時(shí)間[22]。

2）風(fēng)浪條件約束。海上風(fēng)電場與陸上風(fēng)電場維護(hù)不同，維護(hù)的可及性十分重要，當(dāng)海上風(fēng)浪超過運(yùn)維船出海航行的安全閾值時(shí)不能出海對海上風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行維護(hù)，此時(shí)維護(hù)的可及性較差。

3）可靠度的約束。在以維護(hù)最優(yōu)可靠度閾值為優(yōu)化目標(biāo)的海上風(fēng)電場OM 過程中還需要考慮可靠度約束條件，即待優(yōu)化的OM 閾值Ro應(yīng)位于PM閾值Rp與1 之間[23，25]。

4.4 求解方法

在構(gòu)造海上風(fēng)電場維護(hù)策略的優(yōu)化目標(biāo)后需要求解優(yōu)化目標(biāo)得到最優(yōu)解。大多數(shù)線性目標(biāo)可通過調(diào)用商業(yè)求解器（如Gurobi）進(jìn)行求解[22]。針對非線性成本函數(shù)，大量的啟發(fā)式算法用于優(yōu)化目標(biāo)的求解，例如遺傳算法[37]、反向粒子群算法[34]等。在多目標(biāo)維護(hù)策略優(yōu)化中使用了多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法[36]、NSGA-II[35]等方法。

5 存在的主要問題與展望

5.1 存在的主要問題

通過對現(xiàn)有海上風(fēng)電維護(hù)策略的研究進(jìn)行梳理，當(dāng)前研究存在的主要問題可以概括為以下幾點(diǎn)：

1）如何有效利用風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)狀態(tài)監(jiān)測信息。海上風(fēng)機(jī)長期處于大風(fēng)、鹽霧等惡劣環(huán)境中，風(fēng)機(jī)狀態(tài)受周圍環(huán)境的影響很大，基于大數(shù)據(jù)手段的海上風(fēng)機(jī)故障預(yù)警、剩余壽命分析等技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)分析及預(yù)測海上風(fēng)機(jī)部件的狀態(tài)。然而，現(xiàn)有研究大多利用部件歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到風(fēng)機(jī)部件的可靠度，然后基于可靠度去制定維護(hù)策略，并未使用實(shí)時(shí)的風(fēng)機(jī)部件動(dòng)態(tài)狀態(tài)數(shù)據(jù)。因此，如何利用部件動(dòng)態(tài)信息制定動(dòng)態(tài)運(yùn)維決策是目前存在的主要問題之一。

2）如何解決或降低維護(hù)過程中多重不確定性因素的影響。在海上風(fēng)電維護(hù)過程中存在多重不確定因素，例如維護(hù)的可及性受海上風(fēng)浪影響呈現(xiàn)出的不確定性，維護(hù)過程中機(jī)組的出力受風(fēng)速影響呈現(xiàn)出的不確定性，狀態(tài)監(jiān)測信息分析及處理過程中呈現(xiàn)出的不確定性等。目前大多研究在維護(hù)策略的制定過程中并未充分考慮多重不確定性帶來的影響。因此，在運(yùn)維策略制定過程中如何解決或降低這些不確定性因素的影響是目前存在的主要問題之二。

3）如何利用多重“機(jī)會(huì)”處理多機(jī)多部件維護(hù)問題。在現(xiàn)有海上風(fēng)電多機(jī)多部件維護(hù)策略的制定過程中，通常采用OM 的方式。但是現(xiàn)在對于OM 的定義還未有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識，大部分學(xué)者在進(jìn)行OM 策略的制定過程中僅考慮機(jī)組/部件間的相關(guān)性（結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)、故障相關(guān)性等）。在運(yùn)維策略制定過程中如何挖掘OM 中“機(jī)會(huì)”的內(nèi)涵，利用多重“機(jī)會(huì)”制定經(jīng)濟(jì)、高效的海上風(fēng)電多機(jī)多部件多機(jī)會(huì)維護(hù)是目前存在的主要問題之三。

5.2 研究展望

結(jié)合海上風(fēng)電的實(shí)際維護(hù)需求，本文對未來維護(hù)策略的制定進(jìn)行了一定的展望，可以概括為以下幾點(diǎn)：

1）海上風(fēng)電維護(hù)策略制定是一個(gè)與周圍環(huán)境、部件狀態(tài)、維護(hù)資源等維護(hù)條件相關(guān)的優(yōu)化問題。考慮實(shí)時(shí)維護(hù)條件變化情況下，使用實(shí)時(shí)的風(fēng)機(jī)部件動(dòng)態(tài)狀態(tài)數(shù)據(jù)建立海上風(fēng)電機(jī)組多等級運(yùn)維決策模型與方法是未來值得進(jìn)一步深入研究的問題。

2）針對海上風(fēng)電維護(hù)過程中存在多重不確定因素，在未來運(yùn)維策略制定過程中可建立不確定性場景集來處理風(fēng)浪預(yù)測的不確定性；或者采用魯棒建模的方式降低不確定性對維護(hù)決策帶來的影響，進(jìn)而得到更優(yōu)的海上風(fēng)電場多機(jī)多部件維護(hù)策略。

3）在運(yùn)維策略制定過程中除利用風(fēng)機(jī)部件相關(guān)性帶來的維護(hù)機(jī)會(huì)外，還可以考慮維護(hù)工具、維護(hù)人員等對所提維護(hù)策略的制定帶來的機(jī)會(huì)。例如不同部件維護(hù)所需的維護(hù)工具不同，可以利用維修工具的相關(guān)性將所需工具類型相同的維修安排在一起。

6 結(jié)語

與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電的維護(hù)成本在總發(fā)電成本中的占比很大。同時(shí)伴隨著近年來海上風(fēng)電裝機(jī)容量的飛速發(fā)展以及海上風(fēng)電平價(jià)上網(wǎng)政策的推廣，更是進(jìn)一步提升了海上風(fēng)電高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)維的需求。本文基于海上風(fēng)電維護(hù)面臨的3 個(gè)突出問題，圍繞海上風(fēng)電的維護(hù)策略、維護(hù)優(yōu)化模型（包括維護(hù)決策目標(biāo)、約束條件、求解方法）及存在的主要問題等方面對當(dāng)前海上風(fēng)電維護(hù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，期望對未來海上風(fēng)電維護(hù)優(yōu)化問題的進(jìn)一步研究提供一定的研究思路與借鑒。