海上风电场智慧调度平台开发及应用

杜杰 刘碧燕

我国是海洋大国，陆海统筹战略引领海上资源开发和应用规模逐步增大。海上风电是海洋经济的重要组成部分，目前已进入加速发展期，但作为海上风电产业关键一环的运维，仍面临较多挑战。

第一，天气因素制约海上工作效率及安全，大风、暴雨、台风、雷电、低能见度是海上常见性天气，一旦海上出现灾害性天气，很容易给生产、设施、人员带来巨额经济损失和安全隐患。第二，海上人员通过手机短信、网站、APP获取的气象信息不精细，缺乏高时空精度，信息滞后且不具针对性。第三，海上风电机组通达性差、作业窗口小、有效作业时间短，加上江苏处于宽浅海域，运维船乘潮调度，搁浅时有发生，运维调度效率低，难以适应生产要求。第四，据相关统计，海上风电50%的损失来自海缆。海床冲刷导致海缆裸露，存在锚损隐患。第五，海上风电维护人员分散在不同风电机组、船舶上，存在高空坠落、溺水、触电、半密闭空间施工窒息或中毒等风险，安全隐患大。

针对上述问题，以及目前运维智慧调度系统研究及其在海上风电领域应用的不足，有必要建立集可视化展示、定制化精细预报服务、海上实时预警、船只/人员一体化管理于一体的海上风电智慧调度平台，将气象信息与海上作业深度融合，助力海上风能资源的开发和利用。本文通过建立海上风电场气象特征数据采集站，基于神经网络深度学习开发了海洋气象及海洋水文信息的精细化预报系统；基于WebGIS平台，实现了气象与海浪预报数据可视化；基于船舶自动识别系统（AIS）数据信息服务与二维码互联，实现了运维船舶、海上风电设备及人员实时定位。

智慧调度平台开发

海上风电智慧调度平台包括海洋精细化气象预报服务系统和船舶实时位置跟踪系统两部分。

一、海洋精细化气象预报服务系统开发

海洋精细化气象预报服务系统总体由三部分构成：精细化气象预报子系统、精细化海浪預报子系统、综合管理及可视化子系统。开发目标是指导未来时间段内风电场运维、施工船舶出海、风电机组工作安全等级评估等海上作业。

通过深入研究海洋气象预报预警技术，采用先进的气象海洋数值预报模型，包括中国河口海岸风暴潮及海洋动力三维数值预报模型（CHINACOAST），依据气象海洋动力N-S方程、海浪表面二维线性波动方程，大幅提高预报数据的时空分辨率、可信度。结合天气预报行业的服务数据，大幅提高预报准确率并提供高精度的格点化预报结果，实现了海上风电区域精细化气象预报。

（一）精细化气象预报子系统

建立海上风电场海洋气象特征数据采集站，利用风电机组上现有的风速仪、风向标等相关海洋气象数据就地采集仪器设备，根据现场实际采样回传数据并结合预报系统汇集的各类资料和产品，将气象观测资料、预报预警信息、数值预报产品等各类气象预报资料和产品进行解码译码、质量控制、产品加工等处理，为海上风电场提供精细化气象预报。预报要素包括：气温、气压、相对湿度、风向、风速、降水量。预报更新周期为1小时（图1）。

基于雷达、卫星和自动监测站，结合连续性特性滤波、形态学滤波、斑点噪音滤波等手段，将不同仰角的多层回波进行三维滤波处理，最后基于人工智能和光流法等方法，实现对风电场生产运维有重大影响的强对流天气（暴雨、短时大风、冰雹等）的短时临近预报。

（二）精细化海浪预报子系统

海浪预报系统对汇集的海洋观测资料、预报预警信息等各类海浪预报资料和产品进行解码译码、质量控制、产品加工，为海上风电场提供精细化海浪预报。预报要素包括：有效风浪高度、平均波向、平均波周期、有效波高。

（三）综合管理及可视化子系统

基于WebGIS技术平台进行本系统开发：预先处理地理信息电子图、卫星图、地形图等地理信息数据，以提供标准化的GIS服务；提供常用的气象相关算法，支持内部通信机制和交互操作，面向公司内部及所属各风电场应用提供高效气象数据服务的接口；实现基于风力、风向、海浪、温度等云数据库和文件系统对汇集的各类资料进行存储和管理；实现气象数据与地理信息系统的有机结合、准确贴合，并通过Web网页的形式展示，突破硬件设施限制，提高气象信息的查询效率及可读性。

基于WebGIS平台，实现海上风电场目标区域的气象与海浪预报数据可视化，支持界面移动、缩放、地形图卫星图切换等操作，可动态显示全球范围内的实时风流场数据，并可回顾2天内数据；实现海洋灾害监测、强对流天气预报以及预报预警数据的可视化；实现海上风电场自有行业数据（风电机组、施工船舶等设施的位置信息、图标等）与地图图层的叠加展示，提升风电场海域精细化预报系统在实际生产和运维中的使用效率和便捷性；实现对风电场海域内指定船舶的位置及运行轨迹显示；实现雷达资料可视化，雷达回波可动态显示；实现台风实时资料可视化，主要关注台风路径、强度以及影响范围，支持对多家预报数据的实时查看，实现气旋信息显示、节点信息显示、动画显示；实现卫星资料可视化，包括云顶资料，海洋表面状况观测资料，大气中水汽、湿度、降水分布等资料显示，以及卫星云图动画显示；动态显示沿海海域的实时风羽图数据，可回顾2天内数据。

二、船舶实时位置跟踪系统开发

首先是信息集成和资源整合技术，利用多元信息获取和融合技术，将用于船只定位的 AIS 与气象预警系统融合到同一个产品服务平台，完成海上船只智慧调度系统的建设。信息集成使得系统中各子系统和用户的信息采用统一的标准、规范和编码，实现全系统信息共享，进而可实现相关用户软件间的交互和有序工作。

其次是AI智能分析与深度学习技术，依托云计算、物联网、大数据和人工智能，研究气象、海洋、船只、风电场信息的大数据汇总和智能分析方法，并利用数据分流和数据验证等手段建立具有深度学习能力的人工神经网络。该技术仅通过自身的训练，学习某种规则，在给定输入值时得到最接近期望输出值的结果，提高分析准确率，进而提高海上风电业务生产工作调度效率。

（一）船舶实时定位

AIS是全球统一标准实时船舶跟踪系统。船舶通过AIS信号不断向外发出两种信息，一是如船名、呼号、MMSI、IMO、船舶类型、船长、船宽等静态信息，二是如航行状态、吃水、经纬度、航向、航速、目的地、ETA等动态数据，从而实现对船舶的实时定位。依照船舶航行速度的不同，船位更新的频率由几秒至几分钟不等。超出AIS基站覆盖范围的船舶，系统会保留最后收到信号的船舶位置。

AIS具有接收和发送AIS报文、简化信息交流的功能。在每个风电场装备AIS设备接收机，自动接收船舶发送的AIS报文，然后再通过技术手段对AIS报文进行解析，用于识别船只。通过AIS标准数据接口达到对海上风电场区域船舶的追踪和实时监控，从而及时了解船只动向，防止无关船只进入海上风电场区域；防止运维船舶损坏海缆、碰撞风电机组基础和海上升压站；根据海上风电运维工作需要可查询船舶的历史轨迹，追踪到船舶的停留位置以及时间，并支持根据船舶所属分组，查看该组所有船舶列表信息；可实现对海上运维人员实时位置的跟踪。图2显示了 “龙宇思梦1号” 船舶的航行轨迹：9月7日21 38在K13风电机组附近工作，9月8日0 54涨潮后返港途中经过K07和K35风电机组之间的航道，11 00停在港口，14 06出港途中经过K07和K35风电机组之间的航道，16 13在K16风电机组附近工作。该界面支持通过船名、 MMSI、IMO等條件进行船舶搜索。

AIS的正确使用有助于保障海上生产安全、提高航行的安全性和海上风电运维效率，以及对海洋环境的保护。

AIS与二维码互联相结合的人员、船舶定位技术，实现了海上人员与船舶实时定位，便于实时掌握作业人员动态。同时可以记录人员作业时间、故障处理时间及船只航行时长等基础数据，为后续智能化分析统计提供依据。

AIS与GPS相结合的海缆预警技术，实现了海缆动态100米、500米、2000米三级预警功能，可以有效避免因船舶锚损而造成的海缆损坏事件的发生。同时定期获取海事航道测绘数据及卫星云图数据，利用3D仿真技术实现风电场海域海床地貌三维可视化。

（二）区域实时报警

系统提供三级警戒线并提供船舶船长阈值及船速阈值设置功能，当有超过船长阈值及船速阈值的船舶进入到三级警戒线范围内，即会触发报警并弹窗展示触发报警船舶的信息。例如，2017年如东海上风电场应用本系统对进入警戒区的船舶及时报警，有效避免了因船舶锚损而造成的海缆损坏事件的发生（图3）。

（三）工作人员管理

海上工作人员管理平台包括：根据所属单位对工作人员进行分组处理、列表显示所有下海工作人员的基本信息、工作人员签到记录。图4为某风电机组下海人员表，属于海上工作人员管理界面之一。通过人员定点签到，可实现对人员动态及工作进展管理；针对不同群组发布信息，可提高信息传送效率。

应用效果

本文所述海上风电智慧调度平台2018年首先在龙源如东海上风电场试用，应用效果表明：下海人次同比减少了3500人次，航次同比减少了190航次，累计节约500万元。有效提高了海上风电调度效率。动态海缆监测及船舶实时监控技术的投入使用，避免了4次因船舶锚损而造成的海缆损坏事件的发生。特别是该平台建立后，接收到海上遇险渔民通过该平台手机端直接发出的求救信号，成功救助渔民两人，受到当地政府的高度评价。

除此之外，该系统目前已在江苏海上龙源3个海上风电场应用。在大力开发海上风电的政策背景下，随着海上风电开发的深入，必将响应更多的海上风电运维安全管理及风险预控需求。

结论

本研究通过建立海上风电场海洋气象特征数据采集站，基于人工神经网络深度学习方法，开发了海洋气象及海洋水文信息的精细化预报系统；基于WebGIS平台，实现了气象与海浪预报数据可视化；基于船舶自动识别系统数据信息服务与二维码互联，实现了运维船舶、海上风电设备及人员实时定位，最终开发出可视化海上风电场运维智慧调度系统。该系统能有效地指导风电场按“大风发电、小风维护”原则制定运维计划，能掌握海上船舶动态、人员动态，指导风电场船舶和人员在恶劣天气下提前进港避风，有效提升了海上风电场运维效率、安全生产水平、经济和社会效益。

（作者单位：江苏海上龙源风力发电有限公司）