数字化、智能化对海上风电全生命周期的发展作用

数字化、智能化对海上风电全生命周期的作用

1概述

近年来，海洋风能产业为全球可再生能源的扩张做出了贡献。风能被广泛认

为是构成新能源组合的关健可再生能源之一，结合其他可再生能源，将减轻世界

对化石燃料的依赖。海上风能技术发展迅速，风电机组的单机容量每年都在增加。

尽管如此，该行业在整个价值链中都遇到了挑战，而且在很大程度上仍依赖

国家补贴，以使项目在经济上具有可行性。然而最近在北欧的海上风电项目投标

(DK,NL)显示，海上风电费用正在迅速减少，正逐步走向不再需要补贴的水平。

预计到2030年将达到的电网平价水平是可以实现的。令人惊奇的是，欧洲最新

的投标价格远低于预期。然而海上风电要达到电网平价水平，还需要付出一些努

力。海上风电场的成本需要降低，组件需要更可靠，可靠性必须提高，以增加每

年的发电量。

而通过对该行业进行数字化，可预测性和规范性的先高可以确保有组织性的

维护，并在很大程度上避免不定期的维护事件。

数字化对大多数行业来说是一个含义模糊的流行语。根据行业和情况，它可

以包含不同的概念和技术，对于海上风电行业而言，与其他能源解决方案相比，

它具有真正的竞争优势，需要接受当今快速的技术环境。海上风能面临的挑战既

大又多，以正确的方式进行数字化，是期待已久的海上风电新的突破。创建一个

数字风电场(•个智能连接系统)，使海上风电场系统的所有模块相互作用，结合

不同的数据源并利用新的软件解决方案，是该行业正在努力实现的未来状态。

2数字化发展的必要性

海上风电行业起步较晚，发展初期的企业大多以“粗放型”管理的方式，在

产品的开发和制造规模上进行快速扩张，目前开发企业纷纷意识到摆脱此前的发

展管理方式，以“精益管理”作为企业“稳增长”为当务之急。随着德国工业

4.0的呐喊和政府出台的《中国工业2025纲要》，推动了中国制造向中国“智”

造转型，移动互联网、云计算、大数据、物联网等与现代制造业结合，为我国经

济发展装上了互联网的翅膀，提供了效率和创新的引擎，带来了产品个性化、制

造业服务化、流程虚拟化等改变，极大地降低工业能耗，提高产品质量和服务质

量。

海上风电目前在国内属于高端产业，但是一个工程项目，从投资立项、设计

勘察、招投标、施工、采购到竣工验收，涉及到科技部、设计部、基建部、物资

采购部等各部门的人员。这些职能部门人员一般不从事具体的生产操作，没有生

产经验，他们对每一个项目的了解往往仅限于自己所负责的片段，对前因后果不

可能作深入的调查研究。每个人考虑问题的出发点往往局限于自己的专业角度，

有时难免忽略实际操作的需求。当工程建成投入使用时才发现建设过程中甚至规

划、设计阶段就已经存在误差，但已经很难有补救措施了，这将降低工程的实际

使用效能。

对于资产价值的正确考核评价是实现资源优化配置的重要途径。目前很少有

企业拥白比较完善的资产考核体系。工程项目投产运营后生产效益和使用效益如

何，能否生存和发展，没有权威部门对这些指标进行审计，即使工程投资失败资

金浪费也无人承担经济责任。对长期经济效益的忽视造成企业发展缺乏整体规

划，资产闲置，企业发展后劲不足。

传统的工程管理方式是静态的，各部门掌握的仅仅是工程项目在某个阶段

（譬如设计、建设、运营）的数据信息，没有从全局上把握工程项目的动态过程。

工程项目的建设和使用管理是由不同部门负责的。负责建设的各部门在工程建设

结束后就不再过问该工程投入使用的效果。实际的使用者自竣工后接收工程所进

行的改造工作，参与建设的各部门并不介入，无从了解工程改造内容，不能从中

吸取经验，很可能导致类似工程连续出现相同的错误。这样的管理方式使得工程

项目在管理上缺乏连贯性，信息无法共享，经验无法借鉴。

工程项目建设一般都是企业的重大投资，一方面它占用企业很多的资源，另

一方面也能为企业带来较大的经济效益和社会效益。工程项FI投资成功与否将对

企业产生长期影响，甚至与企业生死攸关。如何有效管理工程项目，确保其设计

合理、运行安全有效，同时降低运行和维护成本，将是现代企业管理的一个重要

课题。海上风电场的全生命周期管理对实现科学决策，防止资金浪费，及时纠正

项目建设中存在的问题，促进项目建设提高经济效益，总结建设经验都具有十分

重要的意义。

对工程项目采用全生命周期的管理观念，对规划、设计、建设、运营各个阶

段，进行计划、组织、协调和控制的管理活动，并在信息集中的基础上，向管理

人员提供强大的智能决策支持，从而为组织内决策层、职能层、执行层等提供集

决策、管理、维护手段为一体的工程管理全面解决方案。

改变管理形式。在项目规划、设计、建设、运营各阶段都要有相关人员参与，

特别是基层资产使用者要介入前期管理，充分运用自己的现场经验，帮助避免工

程建设不符合现场条件和实际需要的情况。项目投产后应有专门人员负责收集实

际运行中出现的问题、整改内容和效果，将其反馈给参与建设的各部门，作为其

他类似工程的经验借鉴。需要对工程项FI进行投资效益审计，将投资产出与可行

性研究水平或行业基准水平相比，检查是否达到最低要求。

3数字化发展

对于国际及国内数字化发展，最先意识到数字化发展重要性的是让风电机组

厂家。因为中小型企业无法负担数字化发展的投入，数字化发展程度很低。而风

电机组厂家因为风电机组分布广泛、故障繁多、故隙种类不一致，必须创建统一

的数字化系统、大数据平台才能保证技术的提高、降低运维的投入成本。国际及

国内风电机组厂家数字化发展计划如卜"

2.1GE

GE风电的数字化战略主要围绕着它的工业大数据平台Predix展开，提出建

设“数字化风电场”的目标。

............模块化，可扩展...............

图2.1-1平台构架

图2,1-2平台逻辑

围绕着数字化风电厂的运行和资产管理，Predix提供了一系列的应用，帮助

企业降低成本，提高生产率。详见表2.1-1。

分类我用描述收益

业务优化能薄预洌报俄天气提前和实时预报改造故畤.提高利混(1-3%)

通过下一代的.WindPowerUp•果务.场连现有凡力

,WmdPowerUp•股务

发电机的级别性躯.升级并增加了风场级的优化技术增加年发电量.擅高生产率

-年度电量憎加10%

运*优化每日计划通过计划应用程序.优化风电场每天的运行计划-提高手均母一位技师支持的风力

发电机散置(tuftxn©per

.机群卓斌通过提供收入和成本的可视和洞察.帮助项目按才划techmaan)

进行

诊断基于高级的异常检测分析.提供个窠管理和.建议

4振芸可靠性,憎加设备效率

-维护成本降低10%

资产性能管圆畏潮基干风力发电机零件的可11Hl分析,预测剜余的可用

-将风机的可运行时间辫加

理寿命，报供智能的维护决策1%

-将设前的计划外维护交为计划内

飨护

|["|企业SCADA通过远程风力发电机拄能，援优机群情况'快态乂及

注泉

2.2Siemens

Siemens风电数字化战略以工业4.0为理论依据，贯穿风电机组的整个生命

周期，建立数字化模型。Siemens通过产品生命周期管理软件(PLM)、制造执行系

统(MES)和全集成自动化(TIA),打造风电行业的“数字化企业”。

数字世界

服务

需求

产品结构

数字化设备

虎网横生

计划配置

产品，工作指令

需求质量信息

产品结掏横推

虚拟模型

“DigitalEnterprise"SoftwareSuite-

TheSiemensanswertoIndustrie4.0requirements

*

Product

Planning&ProductionProductionService

DesignPlanningEngineeringSolutions

SolutionsSolutionsSolutions

1TeamcenterDigitalEnterpriseBackbone1

Product

ProductionManufacturingMachine

Simulation

SimulationOperationsManagement

andTest

SolutionsManagementSolutions

1Solutions1

2.3Vestas

Vestas风电的数字化战略围绕着风电的全价值链，全面实现各业务流程的信

息化。信息化业务主要包括以下几个方面。

⑴产品数据的管理

产品配置的维护

变更管理

(2)供应商的管理

供应商验证

供应商管理

供应商质量管理

⑶工厂管理

计划与采购管理

生产订单准备

生产管理

物流

(4)销售管理

销售计划

销售订单管理

(5)项目管理

现场管理

项目管理

项目物流

合同管理

(6)服务

风电场服务

预防性维护

备品备件

工具管理

Vestas有“基于项目”及“基于运营”的两大战略目标，为项目管理和运营

管理两个环节提供数字化工具。

SiteDesign（通过优化风电场布号,优化项目评怙

PTSDJSISI!早期的发电分析和成本估算

2.4上海电气

上海电气的风云系统是一套风电全生命周期智能化管理平台，为用户提供从

前期风资源评估、风机选址、整体方案设计、生产物流管理、运维监控、后评估

的一体化服务。该系统涵盖“观、汇、智、象、流”五大平台体系，满足风电用

户全方位的应用场景，通过数据的洞察为用户创造价值。

在风场的智能化监控方面，它是将智能SCADA系统、智能视频监控、能量

管理平台、变流器监控、CMS系统、视频监控、箱变监控、风功率预测系统、故

障诊断系统完美集成，形成了allinone的监控体系，用户可以一站式解决风电

场所需的监控内容。

4数字化效益

海上风电机组厂家的数字化进展对于海上风电数字化发展有很对的作用，但

海上风电机组厂家的数字化系统是为了厂家本身的效益，目的为提高厂家自身风

电机组性能、机组管理、故障处理等事故，对于开发商有很多不可控因素。因此

服务于开发商的数字化系统有重大意义。

数字化意味着高效率,当大型开发商拥有多个风电场项目，需要统•管理；

当设备型号纷繁复杂，数据规范性差，难以对数据进行有效分析和利用；当运营

设备众多、分散，传统信息系统难以支撑海量信息；当各种系统信息鼓励，无法

打通，难以有效协作。这些需要数字化技术提升传统风电管理和风电场运营的效

率，降低管理和运维成本，

无论是风功率预测的高精度、对叶片变桨控制的高精度，还是数据采集的高

精度、对发电量损失分析的高精度。正是数字化技术的应用，使得风机能够更准

确捕获风的能量，获得更高的发电量，同时助力风电变成电网友好型电源。

数字化意味着个性化。无论是针对风场中每个机位的风资源、地形地貌进行

分析研究，还是选择最优的机型、机组容量、叶片长度、轮毂高度以及控制策略；

无论是提升微观选址技术水平，还是探索同一风电场因地制宜安装不同类型机组

的混排方案，正是数字化技术的应用，让行业能够更准确的区分个性化的需求，

并提供与之对应的多样化解决方案和服务，释放每一个项目的效益潜能。

5全生命周期管理的实现形式

为熨现海上风电场全生命周期管理的目标，需建立完善的仝生命周期管理平

台。建设集生产集控、信息监测、功率预测、数据分析、综合展示等于一体的新

能源综合信息服务平台，为新能源发电企业在投资决策、运营监测、设备故障处

理、日常管理等方面提供全方位的服务。

以“总体规划、分步实施、统筹安排、协调发展”的原则开展工程三维数字

化研究工作，在“一个平台、一个数据架构、一个模型”的总体构想下，采用三

维设计软件、协同设计管理软件和数据库服务软件等为基础，各专业的生产需求

为导向致力打造符合中国工程设计行'业一流的三维数字化服务平台。

5.1全生命周期管理平台设计原则

(1)一体化原则

充分遵循系统一体化的的原则开展系统设计，在总体架构、应用功能、信息

采集和整合、数据模型、信息通讯等方面均应实现一体化设计。

(2)智能化原则

应充分满足支持海上风电场生产运行运维管理的相关要求，实现数据的智能

分析和应用，应充分考虑商业智能、专家模型分析、辅助决策支持等技术的应用，

切实实现由隐性知识到显性知识的转化。

⑶模块化原则

应采取分层设计、模块化封装的设计思路开展应用设计，做到技术平台化、

应用模块化，实现应用系统模块化封装，实现插拔式设计。

(4)实用性原则

应秉承实用性原则，在数据采集和处理、信息展现、功能应用等方面做到界

面简洁、操作方便、功能导航方便。

⑸开放性原则

应充分考虑海上风电场智能一体化监控管理平台建设的持续性，采取适度超

前、开放架构的策略进行设计，充分考虑将来接入其他相关系统的需求，充分考

虑将来新增业务需求的可能性。

5.2功能模块

（1）风电功率预测

风电功率预测子系统应能根据测风塔系统收集的实时气象信息、、气象部门的

数值天气预报信息、风电机组运行状态信息、、及风电场历史数据情况，采用适当

的预测方法构建预测模型进行风电场的功率预测，并根据历史和运行数据计算和

分析，将风电场的功率预测结果上.传到调度主站。

（2）风机智能化

风机智能化从前期可研阶段开始介入，从选择、比对市场上已有的成熟机型，

评估、判断将要上市的未来机型，为项FI的投资决策做评判依据。

智能化更重要的是侧重运行阶段风机的控制和出力考核。

风机电气控制回路模块化、冗余化、智能化：模块化是控制回路及继电器都

是集成在一个或数个插件内，冗余化是任何单一插件故障不会导致风机停机或故

障，风机能自动切换到冗余部件，风机继续运行，智能化是插件异常及故障点能

及时自动报警并自动上传异常及故障数据和信息到控制中心等待处理。

风机智能状态监测：风机机械部件及风机本身塔筒、基础的振动、温度、磨

损腐蚀及劣化状态具备完善的在线监测，能通过各参数变化进行设备劣化趋势分

析。

⑶变电站智能化

变电站内各种设备均实现远程操作和控制，具备完善的防误闭锁系统（遥

控）；设备各种状态信号、数据信号均接入综合自动化系统实现远程监测（遥测、

遥信）；变电站内的自动功率控制系统（AGO,自动电压控制（AVC）、主变

分接头调整等各种调整系统均集中接入综合自动化控制系统（遥调）；变电站内

各种自动化装置、保护装置数据信号均接入综合自动化系统，系统能随时调用各

种数据，系统故障时故障信号及相关数据自动上传，系统能远程投退各种保护、

修改参数定值；变电站内具备智能可视化监控及完善通讯系统（遥视）。

采用数字变电站技术，增加变电站的抗干扰能力：传统风电场升压站内仍存

在着大量控制电缆,导致风电场抗干扰能力差、运行维护量大、工程调试期长、

防误闭锁困难等诸多问题。智能海上风电场借鉴数字化变电站的成熟理念，采用

数字化技术将一次设备给出的模拟量和开关量就地数字化,用光纤代替常规的控

制电缆，使二次设计更简洁，可靠性和抗干扰能力更强、投资更省、安装调试周期

更短。

故障信息综合分析与智能告警系统，主要实现以下功能：⑻有效管理故障时

刻的故障量、录波数据、告警信息、定值、保护版本等关联信息，将故障关联数

据分类、整理、形成一次故障完整的综合信息，为继保专业人员提供故障时刻信

息完整的综合展示；（b）综合稳态数据、暂态数据和动态数据对故障过程进行全

景事故反演；©建立故障分析模型，依赖故障分析专家系统进行智能分析，推断

可能的故障位置、故障类型和故障原因，并给出故障恢复策略，指导运行人员快

速进行故障恢复或通过故障恢复策略引导智能控制模块自动进行故障的恢复。（d）

对全站告警信息进行分类告警、信号过滤，同时通过对风电场运行状态进行实时

的在线分析，自动报告风电场异常并提出故障处理指导，实现基于管理、检修和

实时运行一体化的告警系统。

⑷监控系统

包括风机、变电站等全场的具备智能视屏监控及完善的通讯系统。控制中心

能通过视屏监测全场变电站内设备、风机内设备、风场内风机全貌，能与全场范

围内作业人员即时通讯。

将安防.、消防、动力、环境等相关信息整合到遥视系统，同时将遥视系统与

远程监控系统互联，提高电力系统自动化水平。

智能视频监控的实施主要方面是实现遥视与远程监控系统的联动设计，由风

电场的一体化监控平台和视频监视服务器建立接口，完成对远方数据的协议分

析，实现两个系统的互联,

海上风机由风机厂家在每台风机塔筒门上方和塔筒内各设置一台摄像机，实

现对风机的视频监控，在有人员未经准许的情况下进入风机，系统能够实现对闯

入者进行视频录像，发出声光报警及进行语音对讲。监空录像系统的录像存储时

间应大于30天，具有网络接口，可以通过网络调取实时监控画面和录像。风机

的视频信号通过光纤纳入一体化监控平台的后台，真正实现全场设备可视化管

理。

将风场生产、安全、交通、人员、工具、资源等动志变化叠加在风场电子海

图上，各项事件、人、物随着时间的变迁情况，判断和采集进入风电场区域内的

各种信息。核心是借用雷达、AIS、工作流将电子海图与相关事、人、物结合起

来。通过雷达可以看到海上所有目标的变化，与AIS等设备可以实时监控有效目

标的变化。

(5)海缆综合监测系统

“锚害”对海底电缆带来了严重的安全威胁，尤其在长距离线路的中部区域,

各类船只对禁锚区的安全意识淡薄以及不正当作业，在海底电缆线路周围抛锚，

极易造成海缆损伤。

电流通过海缆导体，导体电阻产生损耗从而引起导体的温度升高。载流量

不断攀升，海缆的温度随之上升，通过海缆温度的动态分析来有效控制载流量是

很有必要的。

因此，本工程推荐与海缆同步建设一套集海事预警、海缆扰动监测与温度监

测于一体的“海缆在线综合监测系统”。海缆在线综合监测平台”能够实时监测

海缆遭受的锚害、海缆温度异常、海缆遭受的应力、应变等事件，配合电子地图，

并结合海事系统动态跟踪船只信息，更好的监测海缆的外部入侵事件，协助工作

人员进行及时处理危害事件，确保海缆的