海上风电场综合监管平台的应用与分析

陈云江， 张亚鹏

（1.江苏云杉清洁能源投资控股有限公司，南京 210019；2.浙江华东工程咨询有限公司，杭州 311100）

0 引 言

风力资源在我国能源供应战略中的地位日益凸显［1-3］。根据江苏省可再生能源发展“十四五”规划研究，海上风电等重大工程的开发建设工作将进入快速发展期，同时学者们也在海上风电领域开展了众多有益研究［4-6］。江苏省所辖海上风电工程众多，目前在建的风电场有25个，由于场区自然环境复杂多变，亟需规范海上风电施工及运维期的安全管理。因此，建设海上风电场施工环境综合监管平台对海上风电发展意义深远。

近年来，国内的海上风电场维护管理技术正快速发展［7-10］。刘永前等［11］考虑复杂的海上风电场气象环境，从维护策略、优化路径和维护调度决策三个方面综合分析了海上风电场维护管理技术。邓胜忠［12］分析海上风电场智慧调度平台的主要架构，实现在线监测与预警。王林等［13］在风电场环境监测设计中，利用LabVIEW建立监测设备之间的通信程序。王燕等［14］提出将5G技术应用到海上风电场智能管理平台的研究中，提高管理水平和效率。杨源等［15］搭建海上风电场智慧运维管理系统，包括调度、跟踪、示警和作业监管等功能，实现了人、船、机的综合管理。崔凯［16］针对船舶随意抛锚、施工环境等问题，提出虚拟电子围栏技术来监控来往船舶。

本文以南通某海上风电工程为背景，通过对海上风电场各船舶位置定位、作业人员信息识别、海洋气象信息采集、施工环境监控、数据网络传输等技术进行研究，建立一套安全、完善的综合监管系统。在同一数据交换平台上，进行海上风电场各类安全监管数据的无障碍整合，实现风电场“统一运行监控、统一调度指挥，统一数据管理，统一通航状态监控”，以达最优管控模式，搭建海上风电场数字化综合监管平台。

1 工程概况

南通某海上风电场项目位于黄海海域，工程场区中心离岸距离约48 km，水深在10～18 m之间，海底地形有一定起伏。风电场形状呈矩形，东西方向长约为12 km，南北方向宽约为4.4 km，规划海域面积48 km2，规划总装机容量300 MW，拟安装75台单机容量4 MW的风电机组。

工程风电场区离岸线较远，所有施工、运输船舶在外海敞开海域作业，受大风、雾等自然环境影响大，台风和冬季季风期异常气象条件的影响显著。存在海洋环境恶劣、天气状况复杂、人员出海受约因素多等问题，给风电场的施工作业、运行管理、安全通航、并网控制以及海事监管等方面带来很多技术和管理困难。

因此，获得准确详细的海洋气象资料和海上通航信息是充分利用好施工窗口期的前提条件，合理利用监测数据对潜在风险进行预警是安全施工的重要保障。本文从基础监控设施建设和监管平台搭建两方面着手，建立了一套海上风电场综合监管技术。

2 基础硬件设施建设

2.1 船舶AIS基站

如图1所示，在沿岸或海上升压站制高点架设AIS基站，能够接收、识别场区内及周围的船舶AIS信息，经数据解析后将实时数据传输给监控中心。结合风电场的构筑物位置信息，构建风场电子围栏，实现对辖区船舶的动态监控和管理。

图1 风电场海域内船舶AIS系统

2.2 VHF通信基站

风电场海域内VHF通信系统见图2，在沿岸或海上升压站制高点架设VHF基站，实现对风电场区内及周围内船舶的VHF语音调度。当外部船只闯入风场预警区域，系统能够实现自动远程喊话，同时支持在后方监管中心实现远程VHF语音呼叫功能。

图2 风电场海域内VHF通信系统

2.3 气象信息采集点

水文气象相对比较综合，基础硬件设施包括风速仪、风向仪、温湿度仪和水位仪等，实时采集风电场区的风速、风向、能见度、浪高和潮位等信息，并将相关数据传送至监控中心展示。同时，能够实现风电场未来7 d各小时内的气象预报，提前规划出海工作，保障出海作业安全。

施工期间，由于海上无可靠电源及通信的固定安装点，在某一条主要施工船上部署水文气象系统，如图3所示，借助微波通信设备将信息传输至海事局主站。

图3 水文气象系统

2.4 视频监控站

对重点水域及施工现场、施工关键节点进行全天候动态监控，实时了解海上作业进度和环境状况。如图4所示，目前已实现了部分风场的视频信息通过专线接入南通海事监管平台。

图4 视频监控站

2.5 网络传输系统

如图5所示，通过微波等无线技术实现海上视频和数据信息回传，达到船上人员实时与陆地人员利用手机软件实时视频及语音交流的目的。系统可覆盖海面约60 km距离，达到30 Mb／s的传输速率。

图5 网络传输系统

2.6 人员安全系统

通过北斗终端、人脸识别和定位手环等方式，对现场所有作业人员实时动态信息进行管控，建立图6所示的施工作业人员安全监控系统，人员一旦落水后，系统立即收到报警，实时跟踪落水人员位置，给出辅助救援路径，切实保障出海人员的安全。

图6 作业人员安全监控系统

3 海上风电综合监管平台

海上风电综合监管平台是集成运用位置感知、气象监测、视频监控、移动互联、智能分析等手段，实时掌握风电场建设运维相关信息及环境状况，对风电施工船舶、运维船舶实施动态监控预警以及对施工、运维作业综合管控的应用服务系统。包括视频、VHF、船舶管理、人员管理、信息上报、风场安全等。

3.1 功能架构

监管平台已搭建图7所示的8大板块，分别是首页、作业管理、安全统计、人员定位、基础信息、系统管理、视频监控和监控预警。

图7 海上风电场监控平台板块

通过监控平台的8大板块，系统中可清晰展示图8所示的风电场范围，周围船只实时位置，并对电子围栏范围做了明显标注，可对接近的船只进行预警，而且可以清晰地查看往来船只的基本信息、运行轨迹等。

图8 监控平台功能示意图

系统每日统计出海人员和船舶，用以了解出海情况。为了更好地管理现场，第一时间了解现场情况，系统集成了视频监控功能，同时，作业管理和基础信息模块支持人员、船只录入与施工作业申请。

3.2 系统拓扑

图9是系统链路的抽象表达，设备层面的数据通过不同的接入服务模块传输至系统数据处理层，应用则架设在数据处理服务上。其中，通信主要由HTTP接口进行通信，前后端则根据情况使用HTTP或Websocket进行传输，与外部系统集成。

图9 系统拓扑

3.3 网络传输链路

为便于视频等大容量数据传输，施工期间采用微波通信的传输方案。在沿岸制高点架设微波基站，同时在主要施工船上设置微波船载站和无线WiFi等设备，满足海上通信的要求。

在海面施工船上配置摄像机，借助微波传输设备将视频传输到岸边基站。开通岸边基站至海事局的专线通道，通过硬盘录像机将船上视频图像转发。

在岸边基站部署AIS接收基站，通过互联网通道传输至海事局主站。在岸边基站部署VHF基站，通过语音网关注册到海事局主站。

4 结 语

通过风电场监管平台的搭建，可以掌握风电场建设与运维期间船舶、人员、通航环境等信息和安全管理资源，实现信息资源的集中存储、统一管理和统计分析，并按照统一数据接口推送相关数据，实现风电场参建单位、监管部门、地方政府之间数据共享。

随着该监管平台的投入使用，将规范风电场运维船舶、施工船舶航行作业行为，实现船舶、人员、通航环境等实时监控和预警，有效防范水上交通安全，提升风电场建设单位风险管控能力和施工单位的安全作业水平。