海上风电场风机辅控系统、方法以及装置与流程

本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种海上风电场风机辅控系统、方法以及装置。

背景技术：

风力发电是指把风的动能转为电能。风能是一种没有公害的能源，利用风力发电非常环保，且风能蕴量巨大，全球的风能约为2.74*10⁹MW(兆瓦)，其中可利用的风能为2*10⁷MW(兆瓦)，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍，因此越来越多的国家更加重视风力发电。

我国海上风能资源丰富，海上10m(米)高度可开发利用的风能储量约7.5亿kW(千瓦)，海上风电必将成为我国未来清洁能源开发重点。海上风电场有着不占用土地的特点，在这个土地资源异常紧缺的时代，海上风电场的优势是不可替代的。但是由于海上天气状况恶劣以及海上风电场自身的磨损和老化，所以必须为海上风电场构建安全可靠的监控系统，对海上风电场的风电机组的运行状态进行实时在线监测、分析和诊断。

但是，在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：目前海上风电场的风电机组的各个监测系统分布零散，不能有效地整合在一起，且无法采集全面的海上风电场的运行状态数据，导致无法充分分析海上风电场的风电机组运行状态。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统监控系统无法充分分析风电机组运行状态的问题，提供一种海上风电场风机辅控系统、方法以及装置。

为了实现上述目的，一方面，本发明实施例提供了一种海上风电场风机辅控系统，包括风机状态监测装置、风机视频监控装置以及连接海上升压站风机控辅控工作站的网络交换机；

风机状态监测装置、风机视频监控装置分别连接网络交换机；

风机状态监测装置采集风机的运行状态数据，并将运行状态数据通过网络交换机传输给海上升压站风机辅控工作站；风机视频监控装置采集风机的运行状态视频数据，并将运行状态视频数据通过网络交换机传输给海上升压站风机辅控工作站；

海上升压站风机辅控工作站处理运行状态数据、运行状态视频数据，得到风机的运行及故障信息。

在其中一个实施例中，风机状态监测装置包括分别连接网络交换机的风机基础监测模组、风机螺栓载荷监测模组、风机桨叶状态监测模组以及风机及塔筒状态监测模组。

在其中一个实施例中，风机状态监测装置还包括分别连接网络交换机的风机绝缘电阻监测模组、风机齿轮箱润滑油油质监测模组、风机雷电监测模组以及干式变运行状态监测模组。

在其中一个实施例中，还包括连接网络交换机的IP电话装置。

在其中一个实施例中，还包括连接海上升压站风机辅控工作站的陆上集控中心风机辅控工作站。

在其中一个实施例中，还包括连接陆上集控中心风机辅控工作站的企业集团远程中心工作站。

另一方面，本发明提供了一种基于如上所述的海上风电场风机辅控系统的海上风电场风机辅控方法，包括以下步骤：

通过网络交换机接收风机状态监测装置采集的风机的运行状态数据，以及风机视频监控装置采集的风机的运行状态视频数据；

处理运行状态数据、运行状态视频数据，得到风机的运行及故障信息。

在其中一个实施例中，运行及故障信息包括运行及故障位置信息、运行及故障状态信息以及运行及故障类型信息。

另一方面，本发明还提供了一种海上风电场风机辅控装置，包括：

数据接收单元，用于通过网络交换机接收风机状态监测装置采集的风机的运行状态数据，以及风机视频监控装置采集的风机的运行状态视频数据；

运行及故障信息获取单元，用于处理运行状态数据、运行状态视频数据，得到风机的运行及故障信息。

另一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

利用网络交换机将风机状态监测装置、风机视频监控装置与海上升压站风机辅控工作站连接起来构成一个完整的海上风电场风机辅控系统，风机状态监测装置采集风机的运行状态数据，并将运行状态数据通过网络交换机传输给海上升压站风机辅控工作站，风机视频监控装置采集风机的运行状态视频数据，并将运行状态视频数据通过网络交换机传输给海上升压站风机辅控工作站，海上升压站风机辅控工作站处理运行状态数据、运行状态视频数据，得到风机的运行及故障信息，使得对整个海上风电场进行在线持续不间断地监控，充分分析风电机组的运行状态，有效地防范潜在的故障，及时处理正常发生的故障，从而为海上风电场的运营提供良好且有效的支持。

附图说明

图1为本发明海上风电场风机辅控系统实施例1的结构示意图；

图2为本发明海上风电场风机辅控系统中风机状态监测装置在一个实施例中的结构示意图；

图3为本发明海上风电场风机辅控系统中风机状态监测装置在另一个实施例中的结构示意图；

图4为本发明海上风电场风机辅控系统在一个实施例中的结构示意图；

图5为本发明海上风电场风机辅控系统在另一个实施例中的结构示意图；

图6为本发明海上风电场风机辅控方法实施例1的步骤流程图；

图7为本发明海上风电场风机辅控装置实施例1的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为了解决传统监控系统无法充分分析风电机组运行状态的问题，本发明海上风电场风机辅控系统提供了一种海上风电场风机辅控系统实施例1，图1本发明海上风电场风机辅控系统实施例1的结构示意图，为如图1所示，包括风机状态监测装置110、风机视频监控装置120以及连接海上升压站风机辅控工作站130的网络交换机140；

风机状态监测装置110、风机视频监控装置120分别连接网络交换机140；

风机状态监测装置110采集风机的运行状态数据，并将运行状态数据通过网络交换机140传输给海上升压站风机辅控工作站130；风机视频监控装置、120采集风机的运行状态视频数据，并将运行状态视频数据通过网络交换机140传输给海上升压站风机辅控工作站130；

海上升压站风机辅控工作站130处理运行状态数据、运行状态视频数据，得到风机的运行及故障信息。

具体而言，利用网络交换机将风机状态监测装置、风机视频监控装置与海上升压站风机辅控工作站连接成为一个完成的海上风电场风机辅控系统，其中，风机状态监测装置用于采集风电机组的运行状态数据，风机视频监控装置用于采集风电机组的运行状态视频数据，海上升压站风机辅控工作站用于处理运行状态数据和运行状态视频数据来还判断风电机组的潜在的运行及故障和正在发生的运行及故障。

每台风机配置风机视频监控装置，能够在高盐雾、强干扰的现场环境下实现视频监控，具体的，在海上风电机组机舱顶部、机舱内部和塔筒内设置监控点，机舱顶部风机视频监控装置主要监视风机周围环境和周围风电机组的运转情况，机舱内部风机视频监控装置主要监视发电机、齿轮箱、变桨设备、偏航设备及舱内控制柜等主要设备的运行情况，塔筒内部风机视频监控装置主要监视主控制柜、变流器柜、电气柜和35kV(千伏)变压器柜(如布置在风机内)的运行情况和塔筒开门处的情况，风机视频监控装置的画面显示、数据存储和操作控制均在海上风风机辅控系统显示，而且也能在风电场视频监控系统(含陆上集控中心、海上升压站、风机，该系统属于本发明海上风风机辅控系统的子系统，通过海上风风机辅控系统传输网络。)进行显示、操作。

网络交换机用于扩大网络，能为子网络中提供更多的连接端口，以便连接更多的计算机，正是利用网络交换机将本发明海上风电场风机辅控系统各个功能连接为一个完整的系统，网络交换机作为本发明海上风电场风机辅控系统网络连接的核心，使得海上升压站、陆上集控中心和企业集团远程中心能够实时在线监测海上风电场的每个可能出现故障的环节，以便安排工作人员及时处理，避免更大的故障发生而导致不必要的损失，因此，网络交换机提供的局域网络配置需满足以下要求：

(1)局部区域网络必须符合工业通用的国际标准IEEE802.3u以及TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/因特网互联协议)规约，网络拓扑选用5年以上电力行业成熟应用的N-RINGA、Hiper-ring或Smart-RSTP技术冗余环网技术；

(2)现地局域网络与各现地控制单元设备之间的网络均采用千兆冗余光纤环网结构，网络上任一单元故障不影响网络内其它单元的正常通信；

(3)交换机应为工业级模块化以太网产品，符合标准的802.3以太网标准，具有KEMA(Keuring Van Elektrotechnische Materialen)或IPS(Intrusion Prevention System，入侵防御系统)授权的IEC61850-3标准认证，满足IEEE1613标准，所有交换机要求具有管理功能，支持环网功能，交换机必须模块化设计，端口设计可根据用户的要求进行选择；

(4)支持OPC(OLE for Process Control用于过程控制的对象链接和嵌入)通信方式将网络设备的状态信息和报警传递到计算机监控系统软件中，系统的所有工业以太网交换机在本项目中必须使用统一品牌，交换机间通讯使用单模光纤；

(5)网络交换机带有SNMP(Simple Network Management Protocol，简单网络管理协议)管理单元，而且还应集成有基于WEB(World Wide Web，全球广域网)浏览器方式的SNMP/v1/v2C/v3(简单网络管理协议/在RFC1157中定义的第一个简单网络管理协议的正式版本/基于共同体的简单网络管理协议,为在RFC1901中定义的一个实验性协议/对数据进行鉴别和加密的简单网络管理协议)管理系统，支持RMON(Remote Network Monitoring，远端网络监控)网络远程监控功能，支持IPV4/IPV6(nternet Protocol Version 4/nternet Protocol Version 6)协议。应方便快速地进行网络组态、诊断、故障定位和管理；

(6)现地环网中位于陆上集控中心集控室内的管理型以太网交换机应至少具备2个或以上光口(千兆级)，6个或以上电口(千兆级)；

(7)处于陆上集控中心内组成星形网络的主干三层管理型以太网交换机必须具备20个或以上的千兆电口，12个或以上光口(千兆级)。

进一步的，局域网络采用两层结构，各个环网与主控级设备以双星形网络组成上位主干千兆网，全部现地网络均采用光纤组网，与风机计算机监控系统合用光缆。陆上集控中心集控室内上位星形主干网采用超六类屏蔽双绞线。

本发明海上风电场风机辅控系统各实施例，利用网络交换机将风机状态监测装置、风机视频监控装置与海上升压站风机辅控工作站连接起来构成一个完整的海上风电场风机辅控系统，风机状态监测装置采集风机的运行状态数据，并将运行状态数据通过网络交换机传输给海上升压站风机辅控工作站，风机视频监控装置采集风机的运行状态视频数据，并将运行状态视频数据通过网络交换机传输给海上升压站风机辅控工作站，海上升压站风机辅控工作站处理运行状态数据、运行状态视频数据，得到风机的运行及故障信息，使得对整个海上风电场进行在线持续不间断地监控，充分分析风电机组的运行状态，有效地防范潜在的故障，及时处理正常发生的故障，从而为海上风电场的运营提供良好且有效的支持。

在一个具体的实施例中，图2为本发明海上风电场风机辅控系统中风机状态监测装置在一个实施例中的结构示意图，如图2所示，风机状态监测装置包括分别连接网络交换机的风机基础监测模组、风机螺栓载荷监测模组、风机桨叶状态监测模组以及风机及塔筒状态监测模组。

具体而言，风机基础监测模组用于采集海上风电场的风电机组基础结构的状态数据，风电机组基础结构的稳定是风电机组正常运行的基础，风机基础监测模组是在海上进行监测，风机基础监测模组具备自动化监测特点，所有采集的基础结构的状态数据能够实时传输到海上升压站，并经过海上升压站传输到陆上集控中心，使得陆上集控中心能够对平台的基础结构的安全情况进行分析，一旦发生结构损伤，风机基础监测模组可实现预警。

风机基础监测模组以光纤监测技术为主，监测传感器完全不受电磁场干扰，耐腐蚀，寿命长，风机基础监测模组具备以下功能：

(1)远程监测应变、倾斜、沉降、振动等参数；

(2)监测数据可以在监控室、远程数据库查询、显示；

(3)可预警、报警，短信通知；

(4)可以生成阶段性监测评估报告；

(5)各站点数据实时传输到陆上集控中心；

(6)风机基础监测模组可自诊断。

风机螺栓载荷监测模组用于采集螺栓的载荷状态数据，分析螺栓载荷状况，及时诊断出螺栓潜在的故障，确保风机螺栓连接的可靠性，配置一套风机螺栓载荷监测模组，来监控轮毂与桨叶间的螺栓连接和各段塔筒间的螺栓连接，当螺栓预紧力小于设计预紧力的90％时，发出报警，要求维护人员进行定检和排查预紧力不能达到预紧力要求的相关螺栓，避免了因不当紧固造成螺杆和/或螺母丢失而带来了安全隐患以及反复人工巡检造成的高成本。

风机桨叶状态监测模组用于监测风机桨叶的运行情况，每个叶片都单独安装加速度传感器，通过低通滤波消除结构噪声及环境噪声，硬件采集模块采集叶片运行时的振动数据，具体的，可通过以下方式来判断螺栓的连接状况：采集3-6个月的正常运行数据，通过人工智能预学习建立叶片的正常运行时的振动模型，叶片振动模型建立后，风机桨叶状态监测模组实时采集、计算、分析叶片振动数据，并实时与正常模型数据对比，即可监测叶片的螺栓连接是否出现异常。

风机及塔筒状态监测模组用于采集风电机组的振动状况数据，每台风机配置风机及塔筒状态监测模组(CMS)，形成风机-塔架振动监测，对每台风机的塔筒进行应力监测和垂直度监测，进一步的，为风电机组状态监测根据系统化，除具备基本的传动链振动监测功能外，还需具备风机风塔摆动监测功能、可接入齿轮箱油液监测传感器的扩展功能。

风机基础监测模组、风机螺栓载荷监测模组、风机桨叶状态监测模组以及风机及塔筒状态监测模组采集的数据通过网络交换机传输给海上升压站风机辅控工作站，以便海上升压站风机辅控工作站对海上风电场的风电机组进行统一管理。

本发明海上风电场风机辅控系统各实施例，利用风机基础监测模组采集海上风电场的风电机组基础结构的状态数据，风机螺栓载荷监测模组采集螺栓的载荷状态数据，风机桨叶状态监测模组监测风机桨叶的运行情况，风机及塔筒状态监测模组用于采集风电机组的振动状况数据，并将风机基础监测模组、风机螺栓载荷监测模组、风机桨叶状态监测模组以及风机及塔筒状态监测模组连入本发明海上风电场风机辅控系统中，以便统一管理，对采集的运行状态数据进行统一分析，准确的分析风机潜在的故障和正在发生的故障，并快速地做出相应的处理，实现对风电机组的实时监测。

在一个具体的实施例中，图3为本发明海上风电场风机辅控系统中风机状态监测装置在另一个实施例中的结构示意图，如图3所示，风机状态监测装置还包括分别连接网络交换机的风机绝缘电阻监测模组、风机齿轮箱润滑油油质监测模组、风机齿轮箱润滑油油质监测模组以及干式变运行状态监测模组。

风机绝缘电阻监测模组用于监控绝缘电阻的安全状况，具体的，风机绝缘电阻监测模组可在发电机停运状态下自动检测其绕组及线圈的整体绝缘水平，并在绝缘不良时触发闭锁或远程报警信号，避免运行人员将存在绝缘缺陷的发电机投入运行，导致启动故障，并且可提醒检修维护人员及早做好检修计划，防止意外事故的发生，避免非必要的停机和支出昂贵的发电机维修费用。

风机齿轮箱润滑油油质监测模组用于监测齿轮箱中润滑油的油质状况，有利于保护风机齿轮，其中，包括检测润滑油的电导率、介电常数、酸值、氧化度，以及非正常磨损等反映齿轮箱运行状态的关键参数，及早发现油质变化预兆可实现载荷优化，并及时作出预防性维护，从而极大的降低运营支出、维护工时和故障停机时间。

风机雷电监测模组用于保证风机的安全，在雷雨天气，风机极易受雷击，风机极易损坏，其中，具体的监测内容为电流峰值、波前时间、总电荷、比能(单位电阻消耗的量)、完整波形，有效地记录风机被雷击的次数信息，避免人手抄表检查的繁琐工序，有效提高风力发电站的设备智能化，网络化。

干式变运行状态监测模组用于监测干式变的运行情况，具体的，干式变运行状态监测模组通过检测干式变的振动的幅值以及变化趋势，以及在变压器接地铜排上加装传感器，检测高频的局放电流，进行局放强度的分析，提前发现绝缘问题，从而减少损失。

进一步的本发明海上风电场风机辅控系统与海上风电场风电机组计算机监控系统一起构成风机SCADA及辅控系统，海上风电场风电机组计算机监控系统有别于本发明海上风电场风机辅控系统，海上风电场风电机组计算机监控系统包括通过网络交换机连接海上升压站风机辅控工作站的风机主控检测模组、蓄电池监视模组、升压变测控保护模组、自动消防模组以及风机测风模组，使得能够对本发明海上风电场风机辅控系统与海上风电场风电机组计算机监控系统进行正确的划分，便于海上风电场的运营和管理。

本发明海上风电场风机辅控系统各实施例，利用风机绝缘电阻监测模组监控绝缘电阻的安全状况，风机齿轮箱润滑油油质监测模组监测齿轮箱中润滑油的油质状况，风机雷电监测模组保证风机在雷雨天气下的安全，干式变运行状态监测模组监测干式变的运行情况，并将风机绝缘电阻监测模组、风机齿轮箱润滑油油质监测模组、风机雷电监测模组以及干式变运行状态监测模组连入本发明海上风电场风机辅控系统中，使得采集的风电机组的运行状态数据根据全面，更加全面的反映风电机组运行及故障状况，更加有利于故障的预防，避免不必要的资金和时间的浪费，更是减少了相关工作人员的工作量，也避免因相关工作人员对故障排检的不及时而酿成的事故。

在一个具体的实施例中，图4为本发明海上风电场风机辅控系统在一个实施例中的结构示意图，如图4所示，还包括连接网络交换机的IP(Internet Protocol，网络之间互连的协议)电话装置。

具体而言，每台风机在机舱内、塔基平台各配置一台工业级IP电话装置，分别连至风电机组内的交换机网络，通过场区光缆环网与风电场IP电话系统以及本发明海上风电场风机辅控系统进行通讯，实现机舱与塔基、风机与风机、风机与陆上集控中心、海上升压站之间的即时通讯，风机IP电话装置，通过本发明海上风电场风机辅控系统的网络交换机，与本发明海上风电场风机辅控系统共用传输网络，然后连接至风电场IP电话系统(含陆上集控中心、海上升压站、风机，该系统属于本发明海上风风机辅控系统的子系统)。

本发明海上风电场风机辅控系统各实施例，在海上风电场合理布置IP电话装置，使得可实现舱与塔基、风机与风机、风机与陆上集控中心、海上升压站之间的即时通讯，现场工作人员利用IP电话装置快速与相关人员取得联系，有利于及时处理故障。

在一个具体的实施例中，图5为本发明海上风电场风机辅控系统在另一个实施例中的结构示意图，如图5所示，还包括连接海上升压站风机辅控工作站的陆上集控中心风机辅控工作站。

进一步的，还包括连接陆上集控中心风机辅控工作站的企业集团远程中心工作站。

具体而言，海上风电场风机辅控系统在控制层面上分四级控制：第一级为各风机生产设备就地控制，第二级为海上升压站内控制室监控系统工作站(子站)控制，第三级为陆上集控中心的海上风电场风机辅控系统的远程控制，第四级为企业集团远程中心控制，级别依次为第一级优先，第二级次之，第三级再次之，第四级再次之，合理分配控制级别，加快故障处理速率，进一步的，本发明海上风电场风机辅控系统还接入整合了其他监测系统，例如，风机除湿系统，使得本发明海上风电场风机辅控系统监控的范围更全面。

本发明海上风电场风机辅控系统各实施例，采用四级控制模式，为海上风电场的安全运行设置了四道防线，对海上风电场的运行及故障进行分级管理，有利于管理资源的合理分配，并有助于整个海上风电场的管理。

本发明还提供了一种基于本发明海上风电场风机辅控系统各实施例中所述的海上风电场风机辅控系统的海上风电场风机辅控方法实施例1，图6为本发明海上风电场风机辅控方法实施例1的步骤流程图，如图6所示，包括以下步骤：

步骤S610，网络交换机接收风机状态监测装置采集的风机的运行状态数据，以及风机视频监控装置采集的风机的运行状态视频数据；

步骤S620，处理运行状态数据、运行状态视频数据，得到风机的运行及故障信息。

进一步的，运行及故障信息包括运行及故障位置信息、运行及故障状态信息以及运行及故障类型信息。

具体而言，海上升压站风机辅控工作站、陆上集控中心风机辅控工作站、企业集团远程中心工作站都可实现通过运行状态数据和运行状态视频、通信及其他必要数据来分析风机的运行及故障信息，其中运行状态数据和运行状态视频、通信及其他必要数据通过网络从海上升压站风机辅控工作站、陆上集控中心风机辅控工作站到企业集团远程中心工作站一级一级往上传输，进一步的，运行及故障信息包括运行及故障位置信息、运行及故障状态信息以及运行及故障类型信息，运行及故障位置信息可以明确故障发生位置，运行及故障状态信息可以明确故障发生的程度，运行及故障类型信息可明确故障发生部件。

本发明海上风电场风机辅控方法各实施例，利用风机状态监测装置采集风机的运行状态数据和风机视频监控装置采集风机的运行状态视频数据，并充分运行状态数据、运行状态视频数据，得到风机的运行及故障信息，使得对整个海上风电场进行在线持续不间断地监控，充分分析风电机组的运行状态，有效地防范潜在的故障，及时处理正常发生的故障，从而为海上风电场的运营提供良好且有效的支持。

本发明海上风电场风机辅控装置还提供了一种海上风电场风机辅控装置实施例1，图7为本发明海上风电场风机辅控装置实施例1的结构示意图，如图7所示，包括：

数据接收单元710，用于通过网络交换机接收风机状态监测装置采集的风机的运行状态数据，以及风机视频监控装置采集的风机的运行状态视频数据；

运行及故障信息获取单元720，用于处理运行状态数据、运行状态视频数据，得到风机的运行及故障信息。

需要说明的是，以上各个单元的功能分别对应于方法实施例1中的各个步骤，此处不再重复赘述。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明海上风电场风机辅控方法实施例中所述方法的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成的，程序可存储于一种计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory：ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory：RAM)等。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。