海上風(fēng)電工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)體系框架設(shè)計(jì)

海上風(fēng)電工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)體系框架設(shè)計(jì)摘要：隨著世界能源的緊缺和人們對(duì)低碳環(huán)保需求的不斷提高，風(fēng)能作為清潔可再生能源愈發(fā)受到青睞，風(fēng)電技術(shù)逐漸由陸上延伸到海上，根據(jù)全球海上風(fēng)電現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，風(fēng)能發(fā)電僅次于水力發(fā)電占到全球可再生資源發(fā)電量的16%,已經(jīng)成為當(dāng)今不可或缺的極其重要的新能源之一。同陸上風(fēng)電場(chǎng)相比，海上風(fēng)電憑借海上風(fēng)資源的穩(wěn)定性和發(fā)電功率大的特點(diǎn)，近年來(lái)正在世界各地飛速發(fā)展，包括英國(guó)、德國(guó)、丹麥等國(guó)家都紛紛加快了對(duì)海上風(fēng)電的開(kāi)發(fā)速度，已成為不少歐洲國(guó)家爭(zhēng)相發(fā)展的方向，可以說(shuō)歐洲的海上風(fēng)電在全球一枝獨(dú)秀。關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；安全監(jiān)測(cè)；關(guān)鍵技術(shù)；框架設(shè)計(jì)引言海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)區(qū)別于一般建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，兼有大型動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)、高聳建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、海洋工程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的特性。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在使用期需要承受風(fēng)、波浪、水流等環(huán)境要素產(chǎn)生的荷載作用，還可能承受船舶撞擊荷載。海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安全是風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)營(yíng)的重中之重，因此對(duì)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)變得非常重要，常規(guī)的海工結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)通過(guò)人工現(xiàn)場(chǎng)采集傳感器數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果確定被保護(hù)結(jié)構(gòu)所處狀態(tài)。但是由于海上風(fēng)電場(chǎng)通常遠(yuǎn)離海岸線，直線距離通常在數(shù)十海里以上，航道距離則更長(zhǎng)，日常的維護(hù)檢測(cè)相當(dāng)困難，采用通常的人工監(jiān)測(cè)的方式根本不可能在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，尤其是臺(tái)風(fēng)、大潮汛期間等天氣惡劣的情況下，對(duì)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的受力、振動(dòng)狀況尤為關(guān)注，但是惡劣的情況下反而不具備出海監(jiān)測(cè)的條件。所以常規(guī)人工監(jiān)測(cè)的方法因?yàn)樾实拖?、受環(huán)境因素影響較大等原因，完全不能滿足海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的要求。隨著遠(yuǎn)程通信技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，一種新型的遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方案成為可能。本文提出了一種可用于海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方案，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的軟、硬件系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的受力狀況、振動(dòng)狀況、腐蝕保護(hù)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。解決了人工監(jiān)測(cè)效率低、數(shù)據(jù)完整性和實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題，系統(tǒng)集振動(dòng)監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)、陰極保護(hù)電位監(jiān)測(cè)于一體，建立專用的信息管理平臺(tái)，對(duì)所有安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)、管理、維護(hù)與分析，通過(guò)信息化手段提高監(jiān)測(cè)水平，為設(shè)計(jì)人員和管理者科學(xué)決策提供依據(jù)。系統(tǒng)可在無(wú)人值守的情況下實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲得風(fēng)機(jī)上的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。這對(duì)于風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安全有著重要的意義，克服了傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)手段的諸多弊端，能更客觀地反映實(shí)際的風(fēng)電基礎(chǔ)的狀況。對(duì)保障海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安全性、降低企業(yè)后期維護(hù)成本，起到了重要的作用。1海上風(fēng)電狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的重要性海上風(fēng)電發(fā)展面臨的一個(gè)重要課題是海上風(fēng)機(jī)的維修維護(hù)問(wèn)題。海上風(fēng)電場(chǎng)離岸一般在10-50公里，每次現(xiàn)場(chǎng)維修維護(hù)都需要出動(dòng)專用維修船或直升機(jī)。首先，購(gòu)買或租用交通工具以及雇傭?qū)I(yè)駕駛?cè)藛T花費(fèi)高昂，其次這兩種交通工具均受天氣和海況的影響，檢修人員不能及時(shí)到場(chǎng)或者途中遭遇危險(xiǎn)都是很可能的。近期研究表明，如果將傳統(tǒng)的陸上風(fēng)電場(chǎng)檢修方式應(yīng)用在海上風(fēng)電場(chǎng)，則25%-30%的發(fā)電收入需要投入日常運(yùn)維和應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)上，這一比例是很難被接受的。為此需要為海上風(fēng)電場(chǎng)制定高效率、預(yù)防性的檢修機(jī)制，而在電力系統(tǒng)正在起步的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)正是達(dá)到這一目標(biāo)的有效手段。2海上風(fēng)電工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)體系框架設(shè)計(jì)2.1精密水下定位技術(shù)精密水下定位是高精度三維掃描聲吶測(cè)量系統(tǒng)和水下機(jī)器人監(jiān)測(cè)的前提。首先針對(duì)海底控制點(diǎn)精密定位，需根據(jù)試驗(yàn)區(qū)情況確定船的航跡，確?；谧顑?yōu)的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位；同時(shí)需要利用自適應(yīng)的方法采取合適的差分方法，最大限度地削弱觀測(cè)值中的周期項(xiàng)誤差，提高定位精度。另一方面，水聲定位中的主要誤差來(lái)源是海水中的聲速以及信號(hào)傳播時(shí)間觀測(cè)值，前者與海洋的實(shí)際環(huán)境相關(guān)，需要結(jié)合聲信號(hào)在水中的傳播規(guī)律，研究聲速剖面自動(dòng)分層跟蹤改正方法；后者與設(shè)備相關(guān)，雖然設(shè)備的硬件延遲會(huì)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行標(biāo)定，但它會(huì)隨環(huán)境發(fā)生不規(guī)則的變化，故需要研究觀測(cè)值分離硬件延遲的方法；純粹的水聲定位由于單側(cè)交會(huì)的模式，會(huì)出現(xiàn)垂直方向結(jié)果發(fā)散的情況，需要研究壓力傳感器進(jìn)行高程約束的方法，提高垂直方向結(jié)果的精度。因此，高精度的海底定位技術(shù)需要精細(xì)化的誤差處理步驟作為支撐。海底控制點(diǎn)標(biāo)定好后，由于水聲是時(shí)空相關(guān)的函數(shù)，它便成為限制海底精密定位應(yīng)用的主要因素。需要從海洋機(jī)理出發(fā)，對(duì)海水中的聲速進(jìn)行層析，自適應(yīng)地建立區(qū)域聲速場(chǎng)模型，為后續(xù)海底精密定位監(jiān)測(cè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。2.2腐蝕電位監(jiān)測(cè)單元犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)技術(shù)作為一種能有效地防止金屬腐蝕的電化學(xué)方法，其原理將還原性較強(qiáng)的金屬作為保護(hù)極，與被保護(hù)金屬相連構(gòu)成原電池，還原性較強(qiáng)的金屬將作為負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)而消耗，被保護(hù)的金屬作為正極就可以避免腐蝕。因這種方法犧牲了陽(yáng)極保護(hù)了陰極，避免或減弱腐蝕的發(fā)生，已被廣泛應(yīng)用于船舶、港灣以及海洋工程中。海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)水下部分通常采用的防腐蝕措施是：涂層+犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)法。根據(jù)相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，合理的陰極保護(hù)范圍為：一0.78?一1.05VC海水Ag/AgCl參比電極），如果低于這個(gè)下限則會(huì)導(dǎo)致“過(guò)保護(hù)”的現(xiàn)象，加速被保護(hù)結(jié)構(gòu)的腐蝕，如果高于這個(gè)上限，則處于“欠保護(hù)”狀態(tài)。因此，采用陰極保護(hù)的結(jié)構(gòu)是否完全處于被保護(hù)的范圍之中是在整個(gè)使用期需要時(shí)時(shí)關(guān)注的最重要指標(biāo)。2.3模型策略與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)策略故障診斷算法可以分為模型策略和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)策略兩大類。模型策略依據(jù)理論或半經(jīng)驗(yàn)建立系統(tǒng)模型，經(jīng)過(guò)參數(shù)調(diào)試后在處理器中建立傳遞函數(shù)。模型策略涵蓋的具體方法很多，由簡(jiǎn)到繁包括故障樹(shù)方法（描述有哪些故障、哪些傳感器會(huì)反映這些故障、哪些故障的組合會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行構(gòu)成威脅），生命周期負(fù)荷表方法（用狀態(tài)機(jī)描述系統(tǒng)功能降級(jí)的機(jī)制和故障的應(yīng)對(duì)策略），物理模型法（建立系統(tǒng)的物理描述模型，由模型模擬得到故障的后果），智能專家系統(tǒng)（建立復(fù)雜的機(jī)制以模擬專家人員對(duì)給定事態(tài)的處理方式）。模型策略的問(wèn)題在于，需要領(lǐng)域內(nèi)的專家完成建模。當(dāng)面對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)時(shí)，很難預(yù)測(cè)各部件間所有潛在的聯(lián)系，此時(shí)建立的模型很難完善。此時(shí)，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)策略則體現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì)。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)策略的實(shí)現(xiàn)也有多種方法。道理上講，所有的數(shù)據(jù)挖掘算法都可嘗試在這里應(yīng)用，因?yàn)槠淠繕?biāo)是一致的，即用已知的一組數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)的情況。然而實(shí)際上各種算法的適宜程度是不同的，因?yàn)楹Ｉ巷L(fēng)機(jī)故障診斷有其特殊性：所依賴的數(shù)據(jù)來(lái)源為多個(gè)不同的傳感器，而且其各自的權(quán)重不同；需要處理不同時(shí)間尺度的數(shù)據(jù)序列，既有統(tǒng)計(jì)性的長(zhǎng)序列也有暫態(tài)的短序列；可能有各種緊急響應(yīng)。針對(duì)這些特點(diǎn)，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)方法是最好的選擇。結(jié)語(yǔ)海上風(fēng)電工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是一門綜合性技術(shù)，涉及測(cè)繪學(xué)、海洋動(dòng)力學(xué)、信息技術(shù)、多傳感器技術(shù)、多源數(shù)據(jù)融合等多個(gè)學(xué)科與技術(shù)，長(zhǎng)期以來(lái)都是學(xué)者研究的熱點(diǎn)和電力管理部門關(guān)心的焦點(diǎn)，也是實(shí)際運(yùn)維過(guò)程中面臨的困境和亟須需解決的問(wèn)題。我國(guó)安全監(jiān)測(cè)研究尚處于起步階段，離一些發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距。本研究應(yīng)監(jiān)測(cè)需求的現(xiàn)狀，初步構(gòu)建了海上風(fēng)電工程水上、水下一體化安全監(jiān)測(cè)體系框架，闡述了主要工作流程和關(guān)鍵技術(shù)，以期為海