2021年第1期2021年1月
大力发展可再生能源是推动能源结构转型、解决能源与环境危机的关键举措之一。由于海上风电具备风资源丰富稳定、发电利用时间长、不占用土地、对生态环境影响小、不消耗水资源、适合大规模开发和靠近传统电力负荷中心等优点[1]，逐渐成为沿海各国风力发电的新引擎，引起了全社会的高度重视。 与此同时，海上风电运维问题也逐渐成为社会各界关注的焦点。海上风电机组常年运行在较为恶劣的自然条件下，机组故障率高，运维难度大，可达性差，运维成本较高。相关数据表明，海上风电的运维成本占项目全生命周期总成本的20%～35%[2]，运维已成为影响海上风电发展的关键因素之一。 目前，海上风电运维主要借鉴陆上风电模式，采用故障检修、定期维护和状态检修3种方式[3]。但是，海上风电与陆上风电的运维环境存在较大差异，海上风电的运维特点对运维技术提出了新的要求，目前借鉴陆上风电形成的运维管理方式已难以满足海上风电的发展要求。 因此，为了促进海上风电的持续健康发展，必须针对海上风电的运维特点，开发专门的海上风电运维管理系统，本文即对此进行初步研究。分析了海上风 电运维特点及其系统开发需求，梳理了国内外部分典型海上风电运维管理系统的特征及优缺点，结合这两部分内容，提出海上风电运维管理系统的开发建议。
1
海上风电运维特点及其管理系统开发需求
1.1
运维特点
海上风电与陆上风电的最大区别在于运行环境的差异，早期海上风电场一般设置在近浅海区域，目前也在逐步向深远海区域发展。海上的特殊环境给风电机组的运维带来了新的挑战，使海上风电呈现出不同于陆上风电的特点，主要体现在以下四方面。 a)技术难度更大。(a)海上风电机组易受到盐雾、台风、海浪、雷电、冰载荷等恶劣自然条件的影响，海上风电机组的设备故障率明显高于陆上风电[4]；(b)海上风电机组可达性较差，必须借助船舶等交通工具才能靠近进行维修维护，运维施工条件更加恶劣。这些因素导致运维技术难度增大，对运维人员提出了更高的要求。
水的声阻抗
b)受环境影响程度更大、运维效率更低。执行海上风电运维作业必须满足一定的海洋气象条件，如果风速过大或浪过高，都无法出海作业。但是海上风电场一般都处于海洋性气候和大陆性气候交替影响的区域，这些区域气候变化较大，能够开展运维作业的时间窗口受限，运维效率下降。根据丹麦一海上风电场的经验，受
收稿日期：2020-09-24
第一作者简介：史香锟，1990年生，男，湖北宜都人，2015年毕业于浙江大学热能工程专业，硕士，工程师。
海上风电运维管理系统的研究与建议
史香锟1，贾爱庆2，陈忠良2，马
驰3，张淑兴1
（1.中广核研究院有限公司，广东深圳518020；2.中广核如东海上风力发电有限公司，江苏如东226400；3.中国广核新能源
控股有限公司，北京100084）
摘要：分析了海上风电的运维特点及其运维管理系统的开发需求，梳理了国内外典型海上风电运维管理系统的特征
及优缺点，最后提出对海上风电运维管理系统的开发建议。结果表明，运行管理、维护管理、设备管理和信息管理是运维管理系统不可或缺的功能模块，数据集成管理是系统构建的基础条件，智能化是运维管理系统的必然发展方向。关键词：海上风电；运维；数据集成管理；智能化中图分类号：TM614文献标识码：A 文章编号：2095-0802-(2021)01-0131-04
Research and Suggestions on Operation and Maintenance Management System for Offshore
Wind Power
SHI Xiangkun 1,JIA Aiqing 2,CHEN Zhongliang 2,MA Chi 3,ZHANG Shuxing 1
(1.China Nuclear Power Technology Research Institute Co.,Ltd.,Shenzhen 518020,Guangdong,China;2.CGN Rudong Offshore Wind Power Co.,Ltd.,Rudong 226400,Jiangsu,China;3.CGN New Energy Holdings Co.,Ltd.,Beijing 100084,China)
Abstract:This paper analyzed the characteristics of operation and maintenance for offshore wind power and the development needs of operation and maintenance management system,conducted th
e characteristics,advantages and disadvantages of typical operation and maintenance management system for offshore wind power at home and abroad,and finally proposed the suggestions for the development of operation and maintenance management system for offshore wind power.The results show that operation management,maintenance management,equipment management and information management are indispensable functional modules of the operation and maintenance management system,data integration management is the basic condition for system construction,and intelligence is the inevitable development direction of the operation and maintenance management system.Key words:offshore wind power;operation and maintenance;data integration management;
intelligence
（总第184期）技术研究
131··
2021年第1
期2021年1月
气候影响取消检修的次数约占成功检修次数的15%[1]。
c)运维费用更高。(a)恶劣的自然条件给风电设备的可用率带来了较大的不利影响，据统计，海上风电机组的年平均可用率只有70%~90%，远低于陆上风电机组95%~99%的可用率[4]，这大幅增加了海上风电运维的工作量和运维费用；(b)海上作业必须借助船舶等交通运输工具，有时还需要投入专门的海上起重船或吊车等大型设备，工程量大且费用高。此外，受海洋气象条件的制约，有时无法及时开展故障检修，有可能产生较大的延误成本。相关数据表明，海上风电机组的运维成本约为陆上机组的2倍以上[5]，这给海上风电场的运营经济性带来了较大挑战。
d)安全风险更高。海上风电运维涉及海洋工程、船舶、电力等多个专业，涉及的专业技术人员越多，安全管控难度越大。同时，海上风电运维需要使用船舶、直升机等专用运输工具，海上交通的安全风险更高。海上风电场处于特殊的地理位置，一旦发生事故，救援人员很难及时赶到现场，并且目前行业内还缺少相应的应急救援机制和救援手段。
1.2海上风电运维管理系统的开发要求
海上风电运维与陆上风电运维存在较大差异，借鉴陆上风电形成的运维管理方式也存在较大的局限性，因此，有必要针对海上风电的运维特点，开发专门的运维管理系统。海上风电运维管理系统主要开发要求如下。
a)应开发高可靠性的状态监测设备及系统。目前，海上风电的运维数据主要依赖于SCADA，CMS等系统，但是这些数据的开放性、共享性不足，而且存在较大的滞后性，难以为风电机组的实时状态评价提供充分的判断依据，并且监测范围还较为有限。因此有必要开发高可靠性的状态监测设备及系统，进一步提升海上风电机组的监测水平，为运维管理提供可靠的数据支持。
b)应开发先进的故障诊断与管理技术。受限于状态监测与故障诊断技术水平，目前海上风电场的运维主要采用定期检修和事后维护方式，还难以实现有效的状态预防性维修。然而为了最大程度保证风机设备的安全，尽早发现可能发生的故障或事故，必须提升机组的故障诊断及管理技术水平。
c)应提升运维方案的优化设计水平。目前，运维系统主要借鉴陆上风电的做法，其具体运维方案还存在较大的优化空间，例如运维资源配置因缺乏准确的设计依据而显得过于保守，运维调度因缺少精益分析而显得过于粗放，这些都给风电开发商造成了较大的运维成本负担。因此，有必要对海上风电的运维方案开展精益化分析，对运维调度方案、资源配置方案等进行优化设计。
d)应开发智慧化、一体化的整体运维管理系统。目前，海上风电场的运维管理系统相对落后，运维数据的处理与应用水平较低，并且存放在开发商或设备供应商的不同服务器中，缺乏统一的管理与应用；运维调度主要依靠人工判断决策，智能化水平不足，给现场运维技术人员带来了较大的工作困扰。因此，有必要开发一套智能化的整体运维系统，实现运维信息的统一管理与调用，大幅提升运维智能化水平，提高运维效率，降低运维成本。
多媒体中央控制器
2国内外典型海上风电运维管理系统简介目前，已有少数企业或高校开发了一些海上风电运维管理系统。下面对部分典型产品进行简要介绍，为运维管理系统的自主开发提供参考。
2.1英国杜伦大学海上风电场信息管理系统
英国杜伦大学的TAVNER P教授担任欧洲风能学会的主席，其团队基于欧洲海上风电场的运维管理经验和需求，建立了一套海上风电场信息管理系统[6]，用于支持海上风电场的运维管理活动。
该系统中海上风电场需要管理的信息分为6个方面，即健康管理（HM）、资产管理（AM）、运行管理（OM）、维护管理（MM）、现场维护（FM）和信息管理（IM）。6个模块协同运行，与风电场产生的实时数据相互交互，构成一个一体化的综合管理系统，如图1所示。依靠这套海上风电场信息管理系统，能够对海上风电场形成的各种数据信息进行有序管理，提升运维管理水平。
图1海上风电场信息管理系统模块示意图
2.2挪威阿格德大学海上风电场数据集成管理系统
挪威阿格德大学提出了一种优化的数据集成管理系统[7]，包括数据产生、数据处理和数据应用3个层面。其中，数据产生是指生成各种数据的系统或应用，例如风机控制系统、气象监测系统、风机数据库等；数据处理是该系统的核心，包括数据源处理、语义模型和信息提供3个子层次，通过规范通信协
议，实现数据的标准化处理；数据应用主要包含生产管理和运行维护2个方面。
利用这种优化的数据集成架构，能够实现对海上风电场数据信息的标准化、集成化管理，完成整个风电场的数据交换和知识共享，充分挖掘数据的价值，为海上风电生产和运维提供有力的信息支持。
2.3英国思克莱德大学海上风电运维优化分析模型
英国思克莱德大学的DALGIC Y等人[8]研究了一种海上风电运维优化分析模型。模型的输入包括气象
参
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数、船舶规格及配置情况、风场与风机特性、成本参
数等内容，输出包括风电场可用性与停机时间、发电量、船舶情况、故障平均修复时间、维修成本等内容，其结构如图2所示。
图2海上风电运维优化分析模型结构示意图
模型中对不同运行场景的输入参数进行了详细研究，例如气象输入包括风速、浪高、波浪周期、日出时间、日落时间、可见度、剪切分量7个参数，船舶和直升机主要受前5个参数的影响，风力发电机组的发电量主要受风速的影响，可见度主要影响直升机的使用等。这种精细化的参数设置对海上风电运维管理系统的开发具有一定的指导参考意义，同时也说明，海上风电运维涉及众多的参数与变量，需要构建一个整体模型进行统一研究。
2.4清华大学海上风电场运行维护系统
清华大学的黄必清等人针对华能新能源股份有限公司一风电场开发了一套海上风电场运行维护系统[1]。该系统对风电场的各项信息进行了有效集成，涵盖了海上风电场日常运营的各项业务，建立了较为完备的管理体系。
该系统实现对风电场主要业务工作的综合管理，以风电机组的管理为主线，主要划分为基础信息管理
、生产运行管理、维护管理、安全管理和设备管理共5个业务模块，如图3所示[1]。其中，风电机组静态信息主要由基础信息模块管理，风电机组的运行信息由生产运行模块管理，维护信息则主要由维护管理模块管理。系统各模块之间相互关联，共享相关信息，构成一套总体性的海上风电场运行维护系统。
2.5
湖北工业大学海上风电场运行维护管理系统
湖北工业大学宋庭新等人开发了一套基于精益MRO （维护、维修与大修/运行）的海上风电场运行维护管理系统[9]。该系统从全生命周期角度对风电机组的各个BOM （维修物料清单）结构部件进行信息化管理，有助于风电场制订精确的维修维护计划和维修物料需求计划；同时，通过对维修计划执行过程进行监管和反馈，提高了维修工作的透明度和维修效率。另外，精益MRO 技术进一步提高了备品备件的库存管理水平，改进的二次分类库存控制方法能够很好地实现经济合理的库存控制。
2.6金风科技iGO 系统
金风科技作为国内最早一批进入海上风电领域的先行者，结合海上风电项目的运维管理经验，针对海上运维业务痛点，搭建了iGO 金风海上风电智能管理平台。
a)基于业务一线管理经验建立了运维业务信息化系统，并结合风场实际情况搭建了远程调度系统；
b)建立了机组全生命周期档案库，结合实际运行状态和运行记录建成维护策略体系；
c)建立了故障缺陷解决方案专家库，针对重点系统部件搭建了诊断模型；
d)将人工智能技术应用到运维计划自动优化排布中，并开发基于状态监测的故障缺陷预警判定系统。通过iGO 智能化系统能减少非计划性出海任务以及优化计划性出海任务，并有效支撑出海运维一次性安全高效完成，从而达到降本增效的目的。2.7上海电气AI+气象海上风电运维系统
上海电气运用AI+气象打造了海上风电运维解决方案，包括由船舶管理系统、海洋气象预报、工单管理、智能调度算法等组成的一体化运维平台。
a)建立了海上风场船舶管理信息系统，能够提供船舶实时位置监控、船舶历史轨迹查询等服务；
b)通过对高精度气象预报数据的监测和分析，为海上风电出海运维提供决策支持；
c)通过风云系统、SCADA 系统和MRO 系统进行智能调度一体化运维。该系统对影响海上风电运维的船舶、气象、工单等关键要素进行管理，并通过智能化算法自动生成排程方案，提高了海上风电运维调度效率。2.8对比分析
上述对部分典型的海上风电运维管理系统产品进行了简要介绍，总体而言，不同的产品之间还存在较大的差异，而且现阶段并未形成占据市场主导地位的垄断性产品，尤其是在国内，多数运维管理产品还停留在研发或试验阶段，尚未在海上风电场得到大规模实际应用，相关领域的技术空白亟待填补。表1对上述各方案的优缺点进行了对比分析，并提炼出各方案的主要参考点，可为后续自主开发提供参考。
固体废物处理设备气象参数
船舶规格及配置情况风场/风机参数
成本参数
风场可用性/停机时间
发电情况
船舶情况故障平均修复时间维修成本
可达性和可操作性分析合成气象数据生成
故障分析
运行模拟
仿真模拟分析
输入输出
图3风电场主要工作关系示意图
安
全
管理运
行
管管管管理
理理理设备风机技
术
资
料维护
生产
管理史香锟，等：海上风电运维管理系统的研究与建议133··
3海上风电运维管理系统开发建议
基于海上风电运维特点及其运维管理系统的开发需求，参考国内外相关产品的技术特征和优缺点，对海上风电运维管理系统的开发提出以下建议：a)应建立清晰完整的系统架构，厘清各模块的功能定义与模块间的关系；b)运行管理、维护管理、设备管理和信息管理是不可或缺的功能模块；c)应建立完善的数据集成管理体系，并与系统架构相耦合；d)应引入智能技术用于海上风电运维，提升运维管理系统的智能化决策水平；e)运维任务的智能调度是核心关键技术，对降低运维成本、提升运维效率具有重要意义，应重点突破。
基于上述要点，提出了一种简单的海上风电运维管理系统架构图，如图4所示。该系统包括数据层和应用层两个主要层次，同时与外部数据保持良好的信息协同。
图4海上风电运维管理系统简单架构图
应用层是指平台的各个功能模块，包括运行管理（OM）、维护管理（MM）、设备管理（EM）、信息管理（IM）4个模块。各功能模块以数据层的数据信息为输入依据，在内部进行功能处理后，输出各种所需的调度指令、运维报告等。
数据层是指运维过程中形成的各种数据和信息，包括设备供应商提供的信息、传感器的监控信息、气象预测等外部输入的信息等，主要可以分为静态数据和实时动态数据两大类，前者与风电机组的运行状态无关，后者与风电机组的实时运行状态有关，主要包括运行参数信息、电力生产信息、调度信息、故障信息、气象预报信息、可用人员及船舶信息等内容。
运行管理（OM）的功能是满足风电场正常运行的要求；维护管理（MM）的功能是对机组维护工作进行管理，使风电机组保持健康的运行状态；设备管理（EM）的功能是对风电场各种设备的运行状态、库存信息、可用性等进行管理；信息管理（IM）的功能是对风电场的各种信息进行收集、处理、存储和分析。应用层的各个功能模块是一个有机联系的整体，相互之间存在着大量的数据交互，共同构成一个完整的海上风电场运维管理系统。
此外，平台具备大量的外部接口，能够与风电场的其他管理系统协同运行，例如集控系统、SAP系统等。同时为了提升海上风电场运维管理的灵活性，系统各个功能模块的主要功能还应该能够方便地移植到移动端，为风电场管理人员和一线维修人员提供便利。4结语
简要介绍了海上风电的运维特点，分析了海上风电运维管理系统的开发需求；分析了国内外部分海上风电运维管理系统的特征及优缺点。结合上述两部分内容，提出了对海上风电运维管理系统的开发建议，并提出了简单的系统架构，以供参考。
海上风电运维与陆上风电运维存在较大的差异，有必要开发专门的海上风电运维管理系统，以提升运维效益，降低运维成本。运行管理、维护管理、设备管理和信息管理是运维管理系统不可或缺的功能模块，数据集成管理是构建系统的基础条件，智能化是运维管理系统的必然发展方向。
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表1各方案优缺点对比
开发方优点缺点主要参考点
杜伦大学将海上风电运维管理
划分为6个板块，结
构清晰
侧重于信息管理，智能
化水平不足，缺少任务
调度功能
板块划分
阿格德大学提出了海上风电的数
据集成框架，数据管
理能力强大
侧重于数据集成，缺少
整体运维管理系统的建
设
数据集成管理
思克莱德大学输入参数考虑全面，
可执行性强
模型过于简单输入参数设置
清华大学架构清晰，各模块之
间关系明确
未体现动态数据的管
理，智能化水平不足
系统架构划分
湖北工业大学
基于B/S（浏览器/服
务器）架构开发，灵活
易用
未体现动态数据的管
理，缺少任务调度功能
基于B/S的
三维打印
土豆炮点火装置开发模式
金风科技强调智能化技术在海
上风电运维中的应用
模型细节未披露，尚未
实际应用
智能化技术的
应用
上海电气明确海上风电运维的
关键要素
模型细节未披露，尚未
实际应用
引入智能调度
算法
海上
风电运维管理系统应用层
运行管理（OM）维护管理（MM）
设备管理（EM）信息管理（IM）
数据层
外部接口
系统架构图
（下转142页）
134··
（上接134页）
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（责任编辑：刘晓芳）
煤矿开采设备的装配。
大采高技术的优点在于降低了厚煤层开采的能耗，提高了煤层的采出率及工人的工效。但其缺点也非常明显：a)大采高设备的体型庞大，需要大功率的辅助运输设备和大断面巷道，这给煤矿的掘进提出了更高的要求；b)对煤层的赋存条件要求高，需要煤层最好能保持近水平且不含地质构造，这是由于大采高工作面搬家困难；c)初期投入非常大，大采高成套设备的成本非常高，一般的煤矿很难承受。
1.3放顶煤技术
虽然大采高技术能对厚煤层进行高效开采，但开采的技术条件要求太高，大部分矿井很难满足。为此，中国研发了放顶煤技术[3]。放顶煤技术主要是利用矿山压力的作用使液压支架上方的煤体破碎并从放顶煤支架后放出，如图2所示。其与普通综采技术的区别在于使用的是放顶煤支架。在控制合适的采放比的条件下，该技术可对十几米厚的煤层进行一次性开采，开采效率比大采高技术还要高。
图2综采放顶煤技术
放顶煤技术的优点在于对厚煤层的开采效率极高，具有很强的实践性。现在放顶煤技术已在各大矿区得到了普遍应用，并取得了不错的效益。但其缺点也不容忽视：a)煤炭采出率较低，比普通综采技术
的回采率低5百分点左右；b)存在较大的安全隐患，若煤层中瓦斯含量较高，则在煤体大量破碎时大量瓦斯会涌入到巷道中，造成巷道中瓦斯超限；c)放顶煤的时机不容易把握，若放顶煤的时间过短，则大量的煤炭会落入采空区中，反之则会有大量的矸石，导致含矸率较高，增加了选煤的负担。
2厚煤层综采技术发展趋势探析
由以上分析可知，目前的厚煤层综采技术或多或少存在一些缺陷，未来应着手解决厚煤层综采技术中的缺陷。下面将重点讨论厚煤层综采技术的发展趋势。
2.1提高大采高技术的适用性
虽然大采高技术对厚煤层开采具有较高的效率，符合节能减排的要求，但其设备的体积，特别是设备质量，让很多煤矿望而却步。1架大采高液压支架有几十吨，如何在煤矿井下进行高效运输，是一个值得考虑的问题。神东矿区由于地质条件比较简单，可掘进大断面巷道来进行液压支架的运输。而大多数矿区很难有这种条件，特别是内陆的一些深部矿井。为此，可在不改变液压支架强度的前提下采用轻型材料来替代钢材，也可将液压支架拆解成适于巷道运输的尺寸大小，这需要机械工程师进行大量的研究。
2.2提高放顶煤技术资源的回采率
放顶煤技术的资源回采率较低，不利于对煤炭资源的合理利用[4]。煤炭资源是一种不可再生资源，尽可能地将地下煤炭资源采出是十分必要的。当顶煤中存在夹矸时，顶板会比较坚硬，在支承压力的作用下并不能完全掉落，这导致大量顶煤被遗留在采空区中。如何使顶煤完全掉落是一个难题。这就要求能监测顶煤中存在的夹矸，并判断顶煤是否能完全放出。此外，在进行放顶煤时，如何确定合适的放顶煤时间也是一个需要面对的问题。现在是通过人工判断放顶煤的时间，即人工打开放顶煤的阀门来进行放顶煤。这种方式不利于提高放顶煤的效率。因此，需要研究一种能自动放顶煤的设备。
3结语
厚煤层开采是很多煤矿重点关注的问题，需要对合适的厚煤层开采技术的选择进行分析。经过采矿技术的多年发展，综采技术已成为厚煤层开采的关键技术。在厚煤层开采时，综采技术具有安全性强、效率高的特点。然而，现在煤矿开采需要面对煤层厚度大于3.5m的情况，这是综采技术研究的重要方向。对于这类厚煤层，主要发展了分层开采、大采高及放顶煤技术。目前的厚煤层开采技术或多或少存在一些缺陷，未来应着手解决厚煤层综采技术中的缺陷。研究可为厚煤层综采技术的选择提供一定的参考。
参考文献：
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磁悬浮床
（责任编辑：高志凤）
放顶顶板松散煤采空区矸石142
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