完善海上风电场航标建设与管理维护水上交通安全助力风电发展

王培伟，周延鹏，刘世江，董吉友

近年来，海上风电场产业日新月异，山东半岛南海域作为山东省风电发展的重点区域，发展潜力巨大。山东半岛南3号、4号海上风电场建设项目是山东风电发展的重点工程。风电场建设期间，风机塔工程船汇聚在有限范围水域内，影响附近水域船舶航行安全，容易产生船舶碰撞风险。为保障两个海上风电场建设项目的顺利开展，青岛航标处在风电场建设项目施工前布设了28座直径2．4 m警示灯浮和6座船舶自动识别系统（AIS）实体航标，并提供了1年多的后期维护管理工作，通过视觉航标和无线电航标的综合运用，有效地标识了风电场施工水域范围，警示船舶远离施工区域航行，没有发生过往船舶驶进作业区碰撞施工船和风机塔设施的事件，确保项目建设顺利实施，有效维护了该水域的水上交通安全。本文从山东半岛南海上风电场建设航标维护管理工作面临的挑战入手，总结实际航标维护中采取的有效做法，对未来航标和风电场日常一体化巡检维护进行探索。

一、海上风电场航标维护管理面临的挑战

海上风电场项目航标一次性布设数量较大，特殊的地理位置使得该区域航标正常率和航标维护正常率受到极大影响，海上风电场航标维护难度远高于港口及陆上航标。

（一）海上风电场航标故障率高

1． 灯浮标离位或漂移

海上风电场区域平均风速大、涌浪高，特别是夏季台风及冬季寒潮过境时，台风最大瞬时风速40．3 m/s，寒潮最大瞬时风速30．5 m/s（团岛气象站），年平均波高0．9 m，年各月最大波高4．3～6．0 m（千里岩海洋站）。从秋末至初春，该区域受寒潮影响非常频繁，每次寒潮来临都会导致温度急剧下降，并伴随8～9级偏北大风。恶劣海况是导致海上风电场灯浮标离位或漂移的主要原因。

2． 灯器故障熄灭

海上风电场航标容易受到海上盐雾、台风、海浪、雷电、冰载荷等恶劣自然条件影响，灯器、太阳能板、蓄电池、电源控制器、电源连接线等部件失效快，加之大风涌浪导致的频繁不规则晃动，相关固定螺栓、绑固扎带、连接线接头等部位容易松动、破损，进而导致灯器失电，发生熄灭故障。

3． 灯浮标碰撞

海上风电场建设对附近的“成山角南部-青岛港(远)”航路、“成山角南部-青岛港(近)”航路、“石岛港-青岛港(近)”航路，以及穿越风电场区域的南北向交通流影响较大，改变了船舶的习惯航法，为灯浮标碰撞埋下了客观隐患。加之每年的春末夏初（4—7月）该区域海雾盛行，经常出现能见度很低而且延续时间较长的大雾，大雾对附近船舶航行安全造成极大隐患，也是航标被撞的重要原因。

（二）海上通信能力不足

山东半岛南3号、4 号海上风电项目位于山东省海阳市南部海域，半岛南风电基地西部，场区距离岸线约18～24 n mile，由于离岸距离较远，公网信号完全覆盖不到；场区距离千里岩AIS基站约5．5～15 n mile，AIS信号在距离基站大于10 n mile时无法可靠覆盖，出现21号报文时断时续甚至报文连续中断问题。

（三）航标日常巡检难度大、人员工作强度高

山东半岛南3号、4号风场地处山东半岛最东端，该海域受季风气候影响，天气、海浪变化较大。目前，承担该水域航标维护管理工作的海阳航标管理站通过租用渔船、快艇等小型船舶进行日常巡检。每季度组织现场巡检时，往返航行需要4个多小时，能够在海上进行航标维护作业的时间较为有限，加之当天需要巡检的航标数量众多，航标作业人员长时间颠簸后再登标作业，工作强度进一步加大，海况不良时只能随机抽检，无法做到对全部航标进行及时有效的维护。

二、海上风电场航标维护管理取得的经验

研究海上风电场的航标维护策略对保证海上风电场航标的助航可靠性至关重要，青岛航标处通过现场巡检加远程遥测遥控相结合的维护手段，有效发挥海上风电场航标的航标效能，保障了海上风电场海域的航行安全。

（一）提高航标正常率

1． 加固锚碇系统，提高防范恶劣天气能力

山东半岛南3号、4号海上风电场选址水深28～30 m，此次航标布设灯浮标的锚链长度是3节，相当于近3倍的水深，部分容易漂移位置可设置4～5节锚链，保证锚链长度可以有效增加锚链在海底的耙附力，防止灯浮标发生位移，提高防范台风、寒潮等恶劣天气的能力。

三是通过稳妥发展统一战线民主构建共同体。统一战线民主是中国特色社会主义民主的重要特色。统一战线民主在本质上是解决中国共产党领导下党外力量的民主权利和民主作用问题，是人民民主专政的题中应有之意，也是满足人民民主政治需求的时代要求。一个持久稳定、富有活力且具有效率的共同体，本身就是坚持民主与集中相统一的共同体。中国共产党领导的统一战线充分发扬民主，在国家政权中保障党外人士参政议政，在社会主义协商民主各种渠道中开展协商，不断践行民主的协商真谛。新时代，统一战线应充分落实《中国共产党统一战线工作条例（试行）》要求，保证党外人士参与国家政权和发挥作用，进一步构建既有秩序又有活力的中国特色政治共同体。

2． 使用一体化灯器，有效降低灯器故障熄灭概率

一体化灯器集蓄电池、太阳能板、灯器为一体，具有体积小、重量轻、安装方便、维护简单、防水防尘防风性能好等特点，在北方海区已广泛使用。此次海上风电场项目新设的28座灯浮标、30座灯桩所使用的航标灯器及相关备用灯器，均采用一体化灯器设计。虽然费用较高，但实践证明一体化灯器确实有效降低了灯器故障熄灭的概率。

3． 多元联合感知，确保船舶对航标进行识别

（1）设置AIS实体航标和AIS电子围栏

在3号和4号海上风电场之间的“石岛港-青岛港（近）”航路进出口分别设置实体AIS航标2座，引导船舶驶入正确航路；在3号海上风电场以南的“成山角南部-青岛港（近）”航路，靠近风电场一侧进出口分别设置实体AIS航标1座，防止船舶误驶入风电场海域。另外，根据风电场形状，通过设置AIS电子围栏，由内而外设定三级海上预警区，对靠近风电场及相关区域航标的船舶进行预警，从而起到保护电子围栏内风电设施安全和降低船舶碰撞航标概率的作用。

（2）雷达监测与光电抓拍

利用千里岩雷达站对周围海域实施全方位扫描，并将X波段雷达获得的雷达数据和千里岩AIS基站获得的AIS数据进行融合，使覆盖范围内的船位和标位数据更加及时准确，为更加精准地发布预警信息奠定坚实基础。同时，利用雷达数据和AIS数据覆盖范围广的特点，引导安装在风机塔桩或风电场灯桩上的光电设备对驶入风电区域和靠近航标的船舶进行重点跟踪抓拍，为后续的事故索赔提供信息支持。

（二）北斗、AIS双重通信机制

近年来，北斗通信技术在航标上的应用越来越广泛，是航标的标准配备设备，青岛航标处已实现航标北斗遥测遥控全覆盖。运用北斗与GPS双重定位获得航标的实时位置，并将监测到的航标工作信息（包括灯器电压、灯器夜间电流、太阳能充电情况、开关灯时间、加速度等）通过北斗短报文发送到北斗指挥机上，进而通过报文解析显示在遥测遥控系统上，便于航标管理人员对航标的工作状态进行综合判断，及时发现航标故障。

2． 优化AIS天线增益，提高通信距离

针对AIS遥测遥控终端10～15 n mile AIS链路通信时断时续甚至报文连续中断问题，在保持AIS接收机和发射机功率不变的基础上，将AIS遥测遥控终端天线长度由46．3 cm调整至92．6 cm，解决10～15 n mile AIS通信盲区问题。

（三）降低现场维护人员工作强度

1． 优化现场巡检维护周期

根据航标维护统计数据，航标故障率在3年的维护周期内呈浴盆曲线，即初期、晚期故障率高，中期故障率低，采用固定的每季维护间隔往往维护经济性较差[1]，应充分挖掘航标遥测遥控数据，处于不同阶段的航标采取不同的维护间隔，可以在一定程度上降低现场维护人员工作强度，节约维护成本。

2． 灯器北斗遥控及现场蓝牙控制

通过增加北斗遥控设置，可远程实现灯质调整、开关灯设定等功能，同时结合航标遥测遥控信息，可大大减少现场巡检工作量，对有问题或有隐患的航标进行重点检查，把宝贵的航标维护作业时间花在刀刃上。同时，针对现场巡检时需频繁上下航标问题，可增加灯器蓝牙控制模块，巡检时只需要航行到航标蓝牙覆盖区域，即可实现航标灯蓝牙控制功能，有效减少航标维护人员工作强度。

三、海上风电场航标维护管理发展建议

根据《海上风力发电场设计标准》，风电场在测风期、试桩工程、建设期、试运行期等各阶段均需布设满足通行安全的助航标志，而助航设施维护是海上风电场运维的重要内容之一，在做好助航服务的同时，可以对海上风电场的运维管理进行适当延伸。

（一）持续跟踪山东半岛南海上风电基地后续建设

根据《山东省海上风电发展规划》（修编版）要求，山东半岛南风电基地规划场址面积1 205 km2，装机容量770万kW，各风电场规划容量在30～100万kW之间，除山东半岛南3、4号风电场两个风电场外，还规划了11个风电场。海上风电场后续建设还有很大的航标服务需求，需要持续进行跟踪。

（二）积极参与青岛海域海上风电与海洋牧场建设

青岛在“十四五”新兴产业规划中明确提出在远海建设大型海上风电场，加快开展海上风电与海洋牧场融合发展。青岛深远海200万kW海上风电融合示范风电场项目仅风电部分直接投资300亿元以上，达产后可年产风电60亿kW·h，满足200万户家庭1年的用电[2]，应积极关注该项目的实施，努力争取参与，在青岛低碳减排的能源结构调整中发挥重要的航海保障专业技术支撑作用。

（三）航标建设与海上风电场建设融合发展

1． 航标巡检与海上风电场风机日常维护相结合

据资料统计，海上风电场的总运维成本约占项目全生命周期总成本的20%～30%[3-4]，运维设备（主要采用运维船）的租赁费用约为总运维成本的近70%[5]。为节约海上风电场运维成本，在保证事后维护的前提下，海上风电场维护最经济可行，也是现有最主要维护手段的计划维护周期只能保证每年1～2次。海上风电场航标的巡检周期（每季度一次）整体上可完全涵盖海上风机的计划维护周期，有效减少因风机整体计划维护周期间隔过长、计划维护不足导致风机出现故障，加之航标作业船舶的子母船（工作艇）设计，可完全胜任海上风电场风机日常运维船需求。因此，航标作业和海上风电场风机维护同时开展，可有效降低作业船舶的整体使用频次，进而降低海上风电场业主的综合运维成本。

2． 智慧航保建设与海上风电场状态维护建设相融合

海上风电场状态维护是通过机组状态检测过程中的状态信息对风机机组状态进行整体判断，进而及时发现故障并迅速制定有效的维护方案[6]，状态维护是海上风电场运维管理最理想的方式[7]，相比于陆上风电机组状态监控的成熟技术，海上高速通信是制约海上风电场机组状态监控的主要因素。因此，有必要通过智慧航保建设与海上风电场状态维护建设融合发展，解除制约海上风电场机组状态维护的瓶颈问题。一方面，利用就近的千里岩岛，结合现有的AIS基站、雷达站、北斗CORS站及清频中的移动700 MHz 5G基站建设，打造海上风电场区域高速通信网络；另一方面，在风机塔桩等合适部位安装光电、气象等各类传感器，借助海上风机电力能源及安装场所优势，充分融合AIS、雷达、视频、气象等相关数据，为海上风电场风机状态维护决策提供信息支撑，进一步拓展航标海上服务能力。

开发利用清洁、低碳的海上风电，是拓展山东省可再生能源发展空间的重要手段，也间接促进了青岛航标的未来发展。本文总结了青岛航标处在山东半岛南3号、4号风电场建设过程中航标维护管理的经验，希望为相关海上风电场建设项目的航标管理提供借鉴，共同完善海上风电场航标的配布和运维工作，为用户提供更加优质的航海保障服务。