作為海洋大國，我國具有廣泛的海洋戰(zhàn)略利益與戰(zhàn)略資源。國家發(fā)展改革委、國家海洋局在聯(lián)合印發(fā)《全國海洋經(jīng)濟發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中首次指出，海洋經(jīng)濟是未來中國經(jīng)濟的新增長點。到2020年，我國海洋經(jīng)濟發(fā)展空間將不斷拓展，綜合實力和質(zhì)量效益將進一步提高，海洋產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和布局將更趨合理，海洋科技支撐和保障能力將進一步增強，海洋生態(tài)文明建設(shè)將取得顯著成效，海洋經(jīng)濟國際合作將取得重大成果，海洋經(jīng)濟調(diào)控與公共服務(wù)能力將進一步提升，形成陸海統(tǒng)籌、人海和諧的海洋發(fā)展新格局。因此，創(chuàng)新海洋工程技術(shù)，合理開發(fā)和利用海洋資源具有重要的意義。

建設(shè)海洋強國和發(fā)展海洋新能源是新時代的必然且迫切要求。作為海洋新能源的代表之一，海上風(fēng)力發(fā)電具有能量密度大、資源廣、穩(wěn)定性好、占地少、靠近東部沿海地區(qū)等優(yōu)點。發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電不僅可以充分利用海洋資源，還可以加快我國發(fā)展綠色能源的步伐。

與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電不僅資源豐富，還具有對環(huán)境的負面影響較小、發(fā)電利用小時數(shù)高、風(fēng)電機組距離海岸較遠、視覺和噪聲干擾小、不占用土地資源、機組易大型化發(fā)展、風(fēng)電場易規(guī)?；_發(fā)等優(yōu)點。另外，海上風(fēng)電場一般靠近傳統(tǒng)電力負荷中心，電網(wǎng)消納問題易于解決，很大程度上減少了長距離輸電問題。然而海上風(fēng)電機組的運行維護成本較高，合理的運維已成為海上風(fēng)電規(guī)?；ㄔO(shè)以及實現(xiàn)全生命周期盈利的重要保障。

1 開展海上風(fēng)電機組電氣設(shè)備狀態(tài)檢修的意義

近些年來我國海上風(fēng)電事業(yè)發(fā)展快速，市場正在逐步擴大，大規(guī)模建設(shè)與投運的海上風(fēng)電機組對機組設(shè)備的運行可靠性、經(jīng)濟性與維修性都提出了更高的要求。不同于陸上風(fēng)電設(shè)備，海上風(fēng)電機組面臨更加復(fù)雜的環(huán)境條件，例如高溫、高濕、鹽霧腐蝕、雷電、臺風(fēng)等惡劣氣候，導(dǎo)致風(fēng)電機組事故頻發(fā)；可及性差、運輸作業(yè)條件嚴苛等使得運維成本高出陸上風(fēng)電1倍有余，且占總成本35%左右，高額的運維成本已經(jīng)成為海上風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的主要限制因素。

同時，由于無法及時全面地了解風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)備及關(guān)鍵部件運行狀況，維修模式主要采用表現(xiàn)預(yù)防性基于時間的計劃維修和表現(xiàn)糾錯性基于故障的事后維修的方式，一定程度上造成了設(shè)備“欠修”和“過修”的發(fā)生，進而不僅造成了設(shè)備意外故障率的增加，也進一步增大了運維成本。

海上風(fēng)電機組是集機械、電氣設(shè)備于一體的復(fù)雜多部件系統(tǒng)。長久以來，學(xué)者們針對葉輪系統(tǒng)、齒輪箱、主軸等關(guān)鍵機械部件的檢修工作開展了大量研究，電氣設(shè)備受到的關(guān)注相對較少。然而常見機組故障中由發(fā)電機組故障、變頻器故障、箱式變壓器故障等為代表的電氣系統(tǒng)故障雖然停機時間占比較低，但故障率所占比例很高，風(fēng)機部件故障率與停機時間占比見表1。

表1 風(fēng)機部件故障率與停機時間占比

目前海上風(fēng)電機組電氣設(shè)備的維修方式仍然以照搬陸上風(fēng)電以及電力行業(yè)的經(jīng)驗為主，采取傳統(tǒng)計劃維修和事后維修的方式。然而面對高頻發(fā)生、停機時間分散的電氣故障，采取傳統(tǒng)檢修模式弊端明顯，檢修模式亟需改進。

體現(xiàn)預(yù)測性的基于設(shè)備狀態(tài)的狀態(tài)維修策略更加符合海上風(fēng)電機組電氣設(shè)備的運行特點。通過對設(shè)備關(guān)鍵部件進行實時監(jiān)測，對獲得的各部件的信息進行相應(yīng)處理及綜合分析，然后根據(jù)分析結(jié)果，給出設(shè)備各部件運行狀況報告或健康狀態(tài)報告，確定計劃維修和事后維修之間的最佳點，從而減少不必要的維修操作并節(jié)省非計劃停機時間。有學(xué)者通過數(shù)學(xué)模型得出采用狀態(tài)檢修模式，每年可降低25%~50%的設(shè)備維修費用。因此，推行海上風(fēng)電機組電氣設(shè)備狀態(tài)檢修工作很有必要。

2 海上風(fēng)電機組電氣設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前主流的海上風(fēng)電機組均為全功率變速恒頻（Variable Speed Constant Frequency, VSCF）發(fā)電系統(tǒng)，其中以高速齒輪箱+籠型異步發(fā)電機+全功率變頻器為技術(shù)路線的籠型異步發(fā)電系統(tǒng)與以永磁發(fā)電機+全功率變頻器為技術(shù)路線的永磁直驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)較為常見。

籠型異步發(fā)電系統(tǒng)通過籠型型感應(yīng)發(fā)電機（Squirrel Cage Induction Generator, SCIG）產(chǎn)生電能，利用全功率變頻器，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速實時變化，而其所發(fā)出的電能頻率保持固定不變與電網(wǎng)同步，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化圖如圖1所示。

圖1 籠型異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

發(fā)電過程中，風(fēng)機的槳葉在風(fēng)的作用下旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能資源轉(zhuǎn)換成機械能，通過齒輪箱的增速作用實現(xiàn)與籠型異步電機連接，發(fā)電機通過旋轉(zhuǎn)將機械能轉(zhuǎn)換為電能，全功率變頻器將籠型異步電機輸出的交流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)相位頻率相同的交流電，通過機組箱式變壓器升壓接入電網(wǎng)。

永磁直驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)沒有負責變速的齒輪箱部分，風(fēng)輪機和永磁同步發(fā)電機（Permanent Magnet Synchronous Generator, PMSG）硬鏈接，轉(zhuǎn)速相同。風(fēng)能首先通過風(fēng)輪葉片轉(zhuǎn)換為動能，再帶動電機轉(zhuǎn)換為電能。最后通過全功率的變頻器，將系統(tǒng)定子發(fā)出不穩(wěn)定的三相交流電頻率穩(wěn)定在工頻，并通過機組箱式變壓器升壓接入電網(wǎng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化圖如圖2所示。

圖2 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

除了上述兩類機型外，在永磁直驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)的PMSG前端添加齒輪箱形成的永磁半直驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)，與使用電勵磁同步發(fā)電機（Electric Excitation Synchronous Generator, EESG）的電勵磁直驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)也是海上風(fēng)電機組常見機型，如圖3、圖4所示。

不論何種發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機、全功率變頻器以及變壓器是風(fēng)力發(fā)電機組實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的重要電力設(shè)備，其運行狀態(tài)與維修策略在很大程度上會影響風(fēng)力發(fā)電機組的可靠性與經(jīng)濟性。在海上風(fēng)電機組電氣設(shè)備推行狀態(tài)檢修模式，流程大致分為狀態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)評價、檢修策略導(dǎo)向與執(zhí)行等步驟，本文將綜述這幾部分研究現(xiàn)狀。

圖3 永磁半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

圖4 電勵磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

2.1 海上風(fēng)電機組電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀

對海上風(fēng)電機組運行數(shù)據(jù)進行連續(xù)實時監(jiān)測是評價機組當前時刻的運行狀態(tài)，制定維修決策的前提。通過對設(shè)備運行過程中所表現(xiàn)出的各種外部征兆信息進行感知，提取反映狀態(tài)的有效數(shù)據(jù)，可以為評價設(shè)備健康狀態(tài)、故障診斷與決策提供依據(jù)，以此在事故發(fā)生前或需要時及時開展維修作業(yè)。因此，狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)是實現(xiàn)狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。

2.1.1 發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀

針對籠型異步發(fā)電機的狀態(tài)監(jiān)測參量與傳統(tǒng)雙饋型機組相近，主要包括發(fā)電機的振動、轉(zhuǎn)速、定子線圈溫度、定子電壓、定子與轉(zhuǎn)子電流、發(fā)電機輸出功率等信號，之后再對監(jiān)測的參量信號進行處理、挖掘、特征提取等手段實現(xiàn)電機狀態(tài)監(jiān)測，預(yù)警常見的電氣故障，例如線圈短路、絕緣損壞、三相不平衡、轉(zhuǎn)子偏心等。

目前最普遍的監(jiān)測方法是利用定子電流譜進行發(fā)電機電流特征分析（Motor Current Signature Analysis, MCSA）。例如線圈短路中的匝間短路可通過提取定子電流諧波成分來監(jiān)測分析；有學(xué)者則通過負序電流作為特征量表征匝間短路。然而當短路匝數(shù)較少時，定子電流變化量非常微小，諧波成分或負序電流較難被檢測，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機定子三相電流Park矢量軌跡變化隨著短路故障的加重而明顯，可以作為表征參量。

除了利用定子電流譜進行監(jiān)測外，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，定子匝間短路時，轉(zhuǎn)子平均瞬時功率譜中的2倍頻諧波變化最明顯，可以作為籠型異步發(fā)電機定子繞組匝間短路的故障特征量。也有學(xué)者在傳統(tǒng)電流分析的基礎(chǔ)上加以改進，例如有學(xué)者根據(jù)多回路理論和發(fā)電機的數(shù)學(xué)方程，分析了電機的短路故障電流的諧波情況，并采用希爾伯特-黃變換（Hilbert-Huang Transform, HHT）方法和基于集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)的希爾伯特-黃變換（Ensemble Empirical Mode Decomposition-HHT, EEMD-HHT）方法對電流進行分析處理，能夠做到對電機故障的發(fā)生進行判別和對故障進行“篩選”。

另一種常見的故障為相間短路，主要包括定子單相、多相短路。除了利用定子電流譜進行監(jiān)測外，實驗結(jié)果表明，發(fā)電機瞬時功率譜比傳統(tǒng)的定子電流譜具有更多的相間短路相關(guān)信息，可以作為表征參量；同時，溫度在發(fā)電機發(fā)生相間短路時會發(fā)生明顯的變化，故障特征會隨著短路時間的增加更加明顯，故而溫度也可作為表征量；此外，繞組故障時，磁場中通常存在不對稱現(xiàn)象，可通過提取特定故障頻率來進行監(jiān)測。

定子三相不平衡也是發(fā)電機常見的電氣故障，不平衡會引起發(fā)電機電流和功率輸出的變化，因而從電流信號諧波含量的變化可以檢測出不平衡。除了監(jiān)測電氣特性外，有學(xué)者應(yīng)用連續(xù)小波變換提取發(fā)電機有功功率特征信息，用于判斷轉(zhuǎn)子偏心或軸承損壞等機械故障。

針對永磁直驅(qū)發(fā)電機、半直驅(qū)和電勵磁直驅(qū)發(fā)電機的狀態(tài)監(jiān)測參量與籠型異步發(fā)電機大致相同，主要包括發(fā)電機的振動、轉(zhuǎn)速、定子線圈溫度、定子電壓、定子與轉(zhuǎn)子電流、發(fā)電機輸出功率等信號。不同于籠型異步發(fā)電機，永磁電機故障大致可以分為三類：電氣故障、機械故障和永磁體故障。定子電流譜特征分析也是目前應(yīng)用最為廣泛的手段，通過采用傅里葉變換、小波變換、希爾伯特變換、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分析、Wigner-Ville分布等方法處理信號以獲取特征參量，進而對發(fā)電機狀態(tài)進行監(jiān)測。

例如有學(xué)者利用快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform, FFT）對q軸電流進行頻譜分析來診斷匝間短路故障。有學(xué)者利用FFT對定子電流進行頻譜分析來診斷匝間短路和轉(zhuǎn)子偏心故障。有學(xué)者采用小波變換和希爾伯特變換對定子電流進行分析來診斷永磁體退磁故障。有學(xué)者采用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分析與Wigner-Ville分布相結(jié)合的方法分析定子電流用于診斷匝間短路故障。

除了上述基于兩種發(fā)電機的特征信號監(jiān)測外，構(gòu)建發(fā)電機模型解析的方法也是目前較為常見的監(jiān)測手段。例如有學(xué)者根據(jù)永磁電機匝間短路故障情況下的數(shù)學(xué)模型，利用擴展卡爾曼濾波器估算永磁電機匝間短路的故障匝數(shù)，作為故障特征量用于診斷匝間短路故障。也有學(xué)者構(gòu)建了發(fā)電機匝間短路情況的數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機故障相電流遠大于正常狀態(tài)時的相電流，三相電流之間的相位不再對稱。

2.1.2 變頻器狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀

變頻器是風(fēng)電機組重要的電氣設(shè)備，也是故障頻率最高的設(shè)備之一，陸上機組變頻器中不同元件的故障率分布如圖5所示。

圖5 變頻器中不同元件的故障率分布

電容器、印制電路板和功率半導(dǎo)體器件IGBT是三個故障率較高的關(guān)鍵部件，其故障通常是由溫度、振動和濕度三個主要因素直接或間接引起的，其中溫度是最主要的因素，例如IGBT模塊中最常見的失效模式是由封裝材料經(jīng)歷的熱機械疲勞應(yīng)力引起的封裝失效。

區(qū)別于陸上機組，大容量海上風(fēng)電機組變頻器采用全功率模式，發(fā)電功率經(jīng)變頻器全功率變換后接入電網(wǎng)，變頻器的容量與發(fā)電機容量相匹配，使得發(fā)電機和電網(wǎng)完全解耦，提升了風(fēng)電機組的電網(wǎng)適應(yīng)性。由于海上風(fēng)電功率波動劇烈，面臨鹽霧濃度高、濕度大、災(zāi)害性天氣頻發(fā)等特點，變頻器的安全運行和狀態(tài)監(jiān)測也區(qū)別于陸上機組，然而功率半導(dǎo)體器件依然是海上風(fēng)電機組變頻器中最為脆弱的部件，開路故障為其主要故障類型。

通常情況下變頻器功率器件的內(nèi)部熱阻增加20%可作為功率模塊基本失效的依據(jù)之一。然而，在海上高開關(guān)頻率工況及復(fù)雜噪聲環(huán)境下，采用功率模塊內(nèi)部的傳感器很難監(jiān)測到這些微弱的特征量信號，需要采取其他手段。目前變頻器監(jiān)測方法實現(xiàn)主要有基于三相電流信號、基于三相電壓信號以及基于IGBT狀態(tài)參量信號三種類型。

基于電流的監(jiān)測可以用來判斷變頻器中電力電子器件IGBT的開路故障，通過利用時域分析、電流Park矢量法、歸一化直流法、負載電流分析法和電流模式識別法等手段進行故障判斷。

相比電流監(jiān)測，基于三相電壓監(jiān)測的方法不受基波周期限制，具有較快的故障定位速度，有學(xué)者指出，當電壓下降到同一水平時，較高基板溫度的IGBT下降沿需要更長的時間，可以此作為特征參量；有學(xué)者也利用FFT等信號處理方法從逆變器系統(tǒng)輸出電壓中提取特征信號實現(xiàn)故障診斷。

除電信號特征量之外，基于IGBT狀態(tài)參量信號也有應(yīng)用，例如在運行過程中變流器功率模塊溫度監(jiān)測值可作為反映器件狀態(tài)的重要特征量。雖然目前直接在線測量功率器件的結(jié)溫可行性較低，但是由于結(jié)溫影響功率模塊內(nèi)部損耗，表征運行狀態(tài)的溫度信號可從外部數(shù)據(jù)間接獲得。

有學(xué)者利用功率模塊外部的溫度測量值計算其功率損耗隨溫度變化的情況，通過電氣運行點參數(shù)，如電壓、電流及功率因數(shù)等計算動態(tài)功率損耗。有學(xué)者提出將柵極閥電壓、跨導(dǎo)和導(dǎo)通壓降這三個電參數(shù)作為IGBT模塊的狀態(tài)監(jiān)測特征參量。除了對上述信號監(jiān)測的研究之外，也有學(xué)者選擇從機組變頻器的建模和控制策略入手提取表征參量。

2.1.3 變壓器狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀

箱式變壓器是大容量海上風(fēng)電機組中重要的電氣設(shè)備之一，主要功能為提升電壓等級便于能量傳輸。傳統(tǒng)大容量電力變壓器的狀態(tài)監(jiān)測多利用油中溶解氣體分析（Dissolved Gas Analysis, DGA）方法中的三比值法以及改進的DGA方法進行，常見的變壓器故障基本可以通過此種方法識別，監(jiān)測技術(shù)與分析手段已經(jīng)比較成熟。

然而不同于傳統(tǒng)的電力行業(yè)中的變壓器采用油浸式，海上風(fēng)電機組所用的變壓器大部分為干式箱式變壓器，無法通過經(jīng)典的DGA方法實現(xiàn)變壓器的監(jiān)測與診斷，同時用以反映箱式變壓器狀態(tài)的參量也較少。

目前針對變壓器的狀態(tài)監(jiān)測主要依靠溫度監(jiān)測、局部放電分析和頻率響應(yīng)分析、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA）數(shù)據(jù)的深度挖掘等手段。在此基礎(chǔ)上，實際運行中機組箱式變壓器主要依靠例行巡檢的方式進行離線監(jiān)測，結(jié)合專家經(jīng)驗對變壓器進行后續(xù)評價工作，對現(xiàn)場運維人員技術(shù)要求較高。

狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀小結(jié)見表2。整體而言，目前基于海上風(fēng)電機組中發(fā)電機以及變頻器的電氣狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)主要還是集中在電流特征分析、電壓信號分析、功率分析等電氣信號分析手段。通過時域、傅里葉變換、小波變換等信號處理手段提取特征參量；基于箱式變壓器的電氣狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)相比于陸上大型電力變壓器略顯不足，可用于監(jiān)測提取的狀態(tài)參量較少。

現(xiàn)有的海上風(fēng)電機組電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)可供分析的信號大部分源自于SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)，能夠完整反映設(shè)備狀態(tài)的信號來源較少，且部分信號采集精度不滿足分析要求。

如需對典型電氣設(shè)備進行全面監(jiān)測，一方面需要加裝電氣信號采集裝置，彌補監(jiān)測信號來源不足以及精度低的問題；一方面針對采集信號提取特征參量時采取的分析方法也需改進，在傳統(tǒng)時域、頻域等分析方法基礎(chǔ)上采用新的融合類分析方法；另一方面，海上風(fēng)電機組中電氣設(shè)備與葉輪系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等機械部件間存在比較強的聯(lián)系，狀態(tài)量轉(zhuǎn)移頻繁，因而基于多種不同部件的狀態(tài)參量共同表征，如利用葉片監(jiān)測信息結(jié)合發(fā)電機參量共同實現(xiàn)發(fā)電機全面狀態(tài)監(jiān)測有望成為未來狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的重要方向。

表2 狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀小結(jié)

2.2 海上風(fēng)電機組電氣設(shè)備狀態(tài)評價技術(shù)研究現(xiàn)狀

海上風(fēng)電機組電氣設(shè)備狀態(tài)評價技術(shù)是在狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，通過分析設(shè)備運行過程中反映狀態(tài)的有效數(shù)據(jù)，評價設(shè)備健康狀態(tài)，提供檢修策略導(dǎo)向。因此，狀態(tài)評價技術(shù)是實現(xiàn)狀態(tài)檢修的重要環(huán)節(jié)。早期風(fēng)電電氣設(shè)備狀態(tài)評價技術(shù)主要有基于物理模型的評價方法（利用狀態(tài)方程、參數(shù)模型估計和辨識等方法產(chǎn)生殘差，然后基于某種準則閾值對該殘差進行評價）以及基于SCADA數(shù)據(jù)的狀態(tài)評價方法（采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的多參數(shù)融合方法）。

然而兩種方法存在過度依賴模型準確性和歷史數(shù)據(jù)的問題，因此學(xué)者們在此基礎(chǔ)上開展研究，發(fā)現(xiàn)大數(shù)據(jù)及人工智能聚類算法在信息相關(guān)性分析、推理、優(yōu)化決策方面擁有優(yōu)勢，可有效應(yīng)用于復(fù)雜非線性系統(tǒng)的狀態(tài)評價。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以及改進的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是目前研究較多的一種狀態(tài)評價方法。有學(xué)者采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法實現(xiàn)發(fā)電機狀態(tài)評價與故障預(yù)警；有學(xué)者建立了一種運行工況自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警模型，利用SCADA數(shù)據(jù)監(jiān)測風(fēng)機關(guān)鍵部件的健康狀況；有學(xué)者采用基于Levenberg Marquadt梯度下降法和牛頓法的BP（back propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實施狀態(tài)評價。

有學(xué)者從數(shù)據(jù)挖掘的角度分析對發(fā)電機軸承溫度影響最大的參數(shù)，在此基礎(chǔ)上用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測發(fā)電機軸承溫度；有學(xué)者應(yīng)用離散小波變換、特征提取、遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)了一個異步電動機在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，通過監(jiān)測電機空載和滿負荷工況下的電氣信號實現(xiàn)電機狀態(tài)的實時評價和預(yù)警。

另一種模糊狀態(tài)評價方法，由于符合風(fēng)電機組存在大量的漸變性故障，且故障的發(fā)展通常要經(jīng)過一個漫長且具有模糊性的中間過渡過程的特性，得到了廣泛應(yīng)用。例如有學(xué)者提出一種海上風(fēng)電機組多層次模糊綜合狀態(tài)評價模型，并改進了指標權(quán)重計算方法；有學(xué)者應(yīng)用變權(quán)理論解決了個別關(guān)鍵參數(shù)嚴重偏離正常值，導(dǎo)致人工判斷與模糊評價模型結(jié)果不一致的問題；有學(xué)者引入灰色理論，改進了模糊評價策略，提高了模糊評價模型的準確度；有學(xué)者根據(jù)風(fēng)電機組各部件的運行狀態(tài)的相似云及模糊綜合評價建立模型，考慮風(fēng)機的實時運行狀態(tài)對于相應(yīng)部件劣化度的影響。

信息融合法也是傳統(tǒng)電力設(shè)備狀態(tài)評價的方法之一，例如有學(xué)者基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和證據(jù)理論完成了變壓器狀態(tài)評價模型的構(gòu)建。然而信息融合法多用于大容量油浸式變壓器的評價，在海上風(fēng)電機組變壓器領(lǐng)域應(yīng)用較少。

狀態(tài)評價技術(shù)研究現(xiàn)狀小結(jié)見表3。當前風(fēng)電機組電氣設(shè)備狀態(tài)評價技術(shù)研究還是著重在評價模型的建設(shè)與優(yōu)化，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與模糊評價為代表，學(xué)者們開展了大量的研究工作。然而，目前業(yè)內(nèi)尚未形成統(tǒng)一的設(shè)備以及整機評價標準，實際風(fēng)電機組運維工作中針對設(shè)備的狀態(tài)評價方式較為單一，主要依靠故障報警信號以及例行巡檢結(jié)果，缺乏細化的狀態(tài)分級與狀態(tài)劣化過程展現(xiàn)，使得依據(jù)設(shè)備實際狀態(tài)而開展的檢修工作難度較大。如需推行海上風(fēng)電機組電氣設(shè)備狀態(tài)檢修工作，作為實現(xiàn)狀態(tài)檢修的重要環(huán)節(jié)與關(guān)鍵依據(jù)，制定可行的狀態(tài)評價標準將成為關(guān)鍵。

未來全壽命周期管理體系有望成為全面管控海上風(fēng)電機組的主流技術(shù)、這其中，基于設(shè)備-整機健康指數(shù)編制健康檔案并進行動態(tài)跟蹤，通過特征量的動態(tài)變化分析獲取相應(yīng)的健康等級，再精準定位病灶，給出警報信息將是發(fā)展方向。

表3 狀態(tài)評價技術(shù)研究現(xiàn)狀小結(jié)

2.3 海上風(fēng)電機組電氣設(shè)備檢修決策技術(shù)研究現(xiàn)狀

海上風(fēng)電機組電氣設(shè)備檢修決策技術(shù)是在狀態(tài)監(jiān)測和評價的基礎(chǔ)上，制定檢修策略與實施方案，是實現(xiàn)狀態(tài)檢修的最終環(huán)節(jié)。主要內(nèi)容分為待修機組或設(shè)備維修方式?jīng)Q策和具體維修作業(yè)任務(wù)的排程優(yōu)化兩部分。

基于設(shè)備可靠性的檢修（Reliability Centered Maintenance, RCM）決策是較為常見的決策技術(shù)，可分為靜態(tài)可靠性（基于故障模式與故障樹等）與動態(tài)可靠性分析（例如馬爾可夫過程）。

有學(xué)者選擇典型故障模式為研究對象，運用RCM維修理論分析方法對其進行故障模式失效影響分析和故障樹分析，在此基礎(chǔ)上選擇相應(yīng)的理論方法進行維修方式和維修方案決策；在實際檢修中，由于系統(tǒng)時刻會發(fā)生狀態(tài)相互轉(zhuǎn)移，為應(yīng)對考慮持續(xù)時間的因素，有學(xué)者提出了半馬爾可夫決策過程。

有學(xué)者提出基于半馬爾可夫決策過程的風(fēng)機多狀態(tài)維修優(yōu)化模型，分析各退化狀態(tài)下的維修策略，用策略迭代法確立部件的最優(yōu)維修決策；有學(xué)者考慮了風(fēng)電機組在天氣以及季節(jié)影響下最優(yōu)的維修策略制定方式。有學(xué)者在對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行原理和故障機制分析基礎(chǔ)上，建立了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)電機、變流器的可靠性概率數(shù)學(xué)模型，在考慮隨機故障和老化故障的情況下，提出基于半馬爾可夫過程的改進型多劣化狀態(tài)維修模型。

考慮到海上風(fēng)電機組位置的分散性，除了傳統(tǒng)的基于時間和基于狀態(tài)的維修策略，在海上風(fēng)電維修決策中引入機會維修的概念受到了關(guān)注：有學(xué)者將機會維修的概念引入風(fēng)電機組預(yù)防性維修決策中，研究了在進行定期維修、事后維修的基礎(chǔ)上同時實施機會維修的可行性；有學(xué)者將狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)和比例失效模型應(yīng)用于風(fēng)電機組維修決策，提出了狀態(tài)-機會維修策略；也有學(xué)者提出針對海上風(fēng)電系統(tǒng)的機會維修優(yōu)化模型，采用傳統(tǒng)的機組檢修非線性整數(shù)規(guī)劃模型，引入機會維護約束，對某海上風(fēng)電場的維護時間做出安排。

此外，組合維修策略也因符合海上風(fēng)電場特性，受到了學(xué)者們的關(guān)注。有學(xué)者考慮時間窗口和維修需求等因素，應(yīng)用蟻群優(yōu)化算法，實現(xiàn)組合維修優(yōu)化模型，提高了海上風(fēng)電場的運維效率；有學(xué)者利用混合整數(shù)規(guī)劃方法研究了適宜大型運維公司對海上風(fēng)電場維修任務(wù)進行組合優(yōu)化的算法；有學(xué)者采用蒙特卡洛仿真方法，建立面向組合維修的海上風(fēng)電場運維模型；有學(xué)者在分析國內(nèi)外狀態(tài)檢修現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以狀態(tài)檢修理論和全面規(guī)范化生產(chǎn)維護（Total normalized Productive Maintenance，TnPM）理論為基礎(chǔ)，嘗試將TnPM維修體系應(yīng)用到風(fēng)電企業(yè)狀態(tài)檢修過程中，規(guī)范風(fēng)電企業(yè)生產(chǎn)和維修流程，提高作業(yè)安全性和生產(chǎn)效率。

檢修決策技術(shù)研究現(xiàn)狀小結(jié)見表4。海上風(fēng)電機組電氣設(shè)備維修方式?jīng)Q策目前更多的還是依靠傳統(tǒng)的故障樹以及馬爾可夫、改進馬爾可夫過程?；跔顟B(tài)的維修，機會維修和組合維修是維修決策中常見的幾類決策結(jié)果；維修任務(wù)排程優(yōu)化研究中，學(xué)者們通過引入天氣、季節(jié)、風(fēng)浪等因素建立維修模型，可使運維效率進一步提高。然而，當前研究重點仍在模型優(yōu)化階段，在檢修工作中實際應(yīng)用并取得良好反饋的實例較少。

表4 檢修決策技術(shù)研究現(xiàn)狀小結(jié)

3 結(jié)論

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應(yīng)用，基于狀態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)評價、檢修策略制定的狀態(tài)檢修技術(shù)將成為海上風(fēng)力發(fā)電機組電氣設(shè)備運維領(lǐng)域未來發(fā)展的方向之一。雖然國內(nèi)外學(xué)者對風(fēng)電機組的狀態(tài)檢修相關(guān)工作開展了大量的研究，從不同角度分析了設(shè)備狀態(tài)維護優(yōu)化模型，對于提高海上風(fēng)機可靠性、減少運行維護成本有著重要的意義。

然而海上風(fēng)電機組是集機械、電氣于一體的復(fù)雜多部件系統(tǒng)，電氣設(shè)備不是孤立的系統(tǒng)，其故障模式及運行狀態(tài)復(fù)雜多樣。要在海上風(fēng)電場推行電氣設(shè)備狀態(tài)檢修模式，還存在很多問題亟待解決，未來的研究方向?qū)蛞韵聨追矫鎯A斜。

1）海上風(fēng)電機組電氣設(shè)備多參量狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)基于電氣設(shè)備的狀態(tài)檢測技術(shù)仍有待進一步發(fā)展。相比于風(fēng)電機組的機械傳動部件，例如葉片、齒輪箱等，發(fā)電機、變頻器和變壓器的在線可獲取狀態(tài)參量較少，例如對于發(fā)電機狀態(tài)的在線監(jiān)測主要集中在定子電流分析，變壓器的監(jiān)測參量缺乏等；另一方面，部分可提供判斷設(shè)備健康狀態(tài)的參量提取難度較大，例如用于進行頻譜分析的電流信號對采樣頻率要求較高，同時對信號性噪比以及衰減率也均有較高的依賴。

除此之外，電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測主要依賴于對自身特征參量的提取，并未與機組其他部件以及設(shè)備形成完整的狀態(tài)傳遞鏈，即通過對典型機械設(shè)備的狀態(tài)量提取推演電氣設(shè)備的狀態(tài)，反之亦可。未來基于多參量的狀態(tài)監(jiān)測將成為這部分研究工作的發(fā)展方向，利用多部件多狀態(tài)參量表征單一設(shè)備狀態(tài)將成為研究的熱點。

2）海上風(fēng)電機組電氣設(shè)備狀態(tài)評價體系

基于電氣設(shè)備的狀態(tài)評價技術(shù)缺乏統(tǒng)一的標準。目前海上風(fēng)電電氣設(shè)備狀態(tài)評價更多的依靠專家系統(tǒng)、故障模式與歷史故障數(shù)據(jù)、評價模型等方式給予設(shè)備健康程度評價，對專家、設(shè)備歷史數(shù)據(jù)以及模型的準確度均有較高的要求，且普適性較差。行業(yè)內(nèi)缺乏可執(zhí)行度高的統(tǒng)一標準指導(dǎo)工作，并未形成完善的評價標準體系。

未來運維人員以及研究學(xué)者們應(yīng)著重致力于開展此方面研究工作，結(jié)合海上風(fēng)電場歷史運行數(shù)據(jù)、維護數(shù)據(jù)等，建立部件-系統(tǒng)-整機的完善評價標準體系。完善的評價標準體系將成為成功推行海上風(fēng)電機組狀態(tài)檢修的重中之重。

3）海上風(fēng)電機組電氣設(shè)備檢修工作應(yīng)用

基于電氣設(shè)備的狀態(tài)檢修工作缺乏實際應(yīng)用。目前大多數(shù)研究工作重點關(guān)注狀態(tài)監(jiān)測，狀態(tài)評價以及維修決策。雖然已有對檢修實施以及檢修流程優(yōu)化的研究，然而大部分仍然停留在模型研究與部分優(yōu)化階段。狀態(tài)檢修工作最終必然是設(shè)備的檢修以及跟蹤反饋，實際檢修工作面臨的作業(yè)環(huán)境與邊界條件遠比優(yōu)化模型復(fù)雜，如何根據(jù)實際問題改進、調(diào)整檢修實施模型，使其更加符合現(xiàn)場作業(yè)要求將成為專家學(xué)者們研究的核心問題之一。

4）直驅(qū)式風(fēng)電機組研究

未來大容量海上風(fēng)電機組中，風(fēng)電的全功率變換和超大容量化是發(fā)展趨勢，容量將進入10MW級，永磁直驅(qū)型發(fā)電系統(tǒng)將成為主流。伴隨著容量的進一步提升和高壓大電流寬禁帶器件的技術(shù)突破，風(fēng)力發(fā)電機組電氣系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)研究以及采用模塊化多電平或級聯(lián)多電平拓撲的海上風(fēng)電變頻器開發(fā)將成為研究熱點。

本文編自2022年《電工技術(shù)學(xué)報》增刊1，論文標題為“海上風(fēng)電機組電氣設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望”。本課題得到了中國華能集團總部科技項目的支持。