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1  引言

随着经济的不断发展，能源需求量的快速增加，全球能源问题日益凸显。风力发电作为世界上发展最快的绿色能源技术，是我国碳达峰、碳中和“3060”目标中能推动清洁能源跨越式、高质量发展的重要组成部分。海上风电作为风电产业领域之一，资源潜力巨大且开发利用市场条件良好。但由于中国沿海经常受到台风影响，建设条件较为复杂。如何降低海上风力发电机组的运维成本，提升海上风电场的效益，成为了摆在大家面前的现实问题。

海上垂直起降固定翼无人机针对风电场运维人员海上作业交通成本大、出海巡检风险高、易受气候影响等问题，探索低成本、低风险、高效率的海上风电场应用方案，为无人机在海上风电场的应用提供可能。

2 海上风电场运维巡检工作内容

针对不同的应用场景，海上风电场运维巡检主要包括以下内容：

1、设备巡检：对海上升压站、塔筒、机舱、桨叶外观进行检查，观察设备外壁是否有开裂或损坏，漆面是否脱落，是否有雷击放电痕迹，是否有油污。

2、风机运行检查：对风机停机启机时间进行记录，及时发现设备故障，保证设备的可利用率。

3 无人机海上风电场运维巡检

海上垂直起降固定翼无人机具有速度快和超长航时的优势。搭载高性能飞控计算机，配备双光吊舱，结合稳定的数据链，可大幅度提升整机抗干扰性和适应性，具备在海上风电场多变环境状况下稳定作业的能力。

在日常巡检方面，通过海上垂直起降固定翼无人机可对海上风电场的设备进行巡检，包括通过实时视频采集的方式对海上升压站、塔筒、机舱、桨叶外观进行记录，运维人员可在指挥室通过无人机传回的视频影像观察风机外观是否有开裂或损坏，漆面是否脱落，是否有雷击放电痕迹，是否有油污。

在发生极端气象后，可使用无人机观察风机的停机和启机情况，及时发现设备故障，保证设备的可利用率。除此之外，可通过无人机进行海况初查、风电场人员搜救、生物影响故障观察等工作，保证风机的安全运行。

与传统运维巡检方式相比，采用无人机在海上风电场进行运维巡检具有以下优势：

1.低成本

风力发电机组因为一个空开断开导致停机或连续停机的情况频繁发生，当风力发电机组报故障后，运维人员需立刻前往处理，但由于海上交通受天气海况影响，存在极大的不确定因素，导致巡查交通成本大，对风电场的效益产生极大的影响。从海上风电场的运营记录看，海上风电技术含量高、危险性强，如果运维人员培训、管理不当，亦能造成巨大经济损失。

海上垂直起降固定翼无人机可配备超视距实时数据链，当有故障报警时，通过一键式飞行和任务管理，一次飞行可实现全场机组的故障巡查，单次巡查仅需1人操作，维护保养成本远远低于有人机或船舶载人出海等作业模式，极大的降低了运维成本。

2.低风险

与陆上风电场相比，海上风电场的另一个特别突出的风险特征是风电机组的可达性较差，一旦机组出险，需要特殊维修船舶在适航条件下方可进行检修，但由于船舶本身也容易出现损失，维修人员的作业风险居高不下。

海上垂直起降固定翼无人机可代替人工执行常规海上巡逻、灾害应急勘察等任务。通过无人机进行图像采集和远程分发，工作人员从指挥大厅便可看到实时巡查画面，极大的减小了人员伤亡的风险。

3.高效率

海上风力发电机组运维作业受潮汐影响明显，除了台风等恶劣海况，还存在较多的大风、团雾、雷雨天气，加上大幅浅滩，远海通达困难，交通设备选择困难，安全风险大且缺乏大型海上风力发电机组维护装备等因素，导致海上维护作业有效时间短，作业效率低。

当风险发生后，海上垂直起降固定翼无人机采用模块化组装方式，5分钟内完成部署起飞，对机组进行空中应急勘察，及时掌握机组情况。航线可根据风机位置进行蛇形排序，单次巡检无需进行返回，一次性巡检全场风机，极大地提高了巡检效率。通过图像传输系统将现场视频及时传输至地面站，输送到指挥大厅，为决策提供有效依据，提升应急响应效率。

4 无人机海上风电场运维巡检实践

4.1 现状分析

江苏某海上风电项目位于近海海域，风电场规划范围呈梯形，中心位置离海岸线直线距离约21公里，风机机站横向间距约700米，纵向间距约1000米，风电场区范围约48平方公里，安装46台单机容量3.3MW风力发电机组和50台单机容量3.0MW明阳风电发电机组。该风电场的运维工作包括水文、气象、生物、人为因素对风机影响的巡检。

该风电场在日常运维中主要存以下问题：

1、日常运维成本高。风电场作业安全监管要求严格，需经过专业培训、持有特定证书且具有丰富出海经验和风机巡检技能的专业人员才能从事出海巡查的工作，存在人员储备不及时的情况。除此之外，复杂的海况使海上巡检交通成本较大，人员费用和交通费用使该风电场的日常运维成本不断攀升。

2、巡检风险高且作业效率低。海岸与风电场距离远，运维巡查人员单程出海到达目的地需要2小时以上，单次出海完成全场风机的快速巡查需要两三天时间，巡检效率较低且运维人员安全风险较高。

3、巡检不及时造成资源浪费。海况复杂，经常发生需要出海时，海况不能达到出海条件的情况，造成出海巡查不及时的情况，导致风电场不能在第一时间发现风力发电机起机受限等情况，造成机组资源闲置、影响风机的发电量。

4.2 方案设计

针对该风电场的日常巡检和复杂海况安全作业需求，制定海上垂直起降固定翼无人机海上风电场应用方案，采用海上垂直起降固定翼无人机+双光吊舱的方式，通过为无人机配备50km数据链，搭载双光吊舱，通过30倍光学变焦镜头，和红外热成像进行巡查。

具体方案如下：海上垂直起降固定翼无人机由岸基升压站起飞，在飞行30分钟左右后到达该风场海上升压站上空，随即按照预设蛇形航线对风机展开巡检。如遇重点观测机组，可随时切换至热点观测，无人机将围绕重点关注位置进行绕飞。重点位置巡查结束后，可切换回正常巡航模式，继续对剩余机组进行飞行和拍摄。航线结束后，无人机将自动返航并降落回陆上监控站预设降落位置，全程巡检结束。

4.3 方案实施

4.3.1 水文影响巡查

海水对风机基础会施加多种作用荷载，包括潮汐对风机基础施加的疲劳荷载，海冰与风机基础产生刚性碰撞，高盐雾造成风机金属材料的电化学腐蚀。利用无人机搭载30倍可变焦双光相机，操作人员远程对变焦相机进行操作，对风机外观和水面上方固定设备进行检查，并对重点部位进行拍照和视频留存。如出现叶片或塔筒的异常震动，可启动双光相机的红外相机，对风机进行抵近环绕观察，通过红外相机的热成像，发现异常发热点，回传异常点位置信息，为场站提供准确的决策依据。

4.3.2 气象影响巡查

1、海况初查。当海上发生极端天气，船舶无法出海时，可先通过无人机在安全运行范围内替代运维人员进行出海巡视，确定问题后，再决策是否需要进一步处理，降低人员在复杂海况出海风险。

2海上搜救。由于海上风电场的特殊地理位置，若发生人员落水、船只无法返航等情况时，需要进行定位和营救。在发现目标位置后，无人机可跟随人员固定或移动位置实时汇报坐标点位。在海上救援过程，可以实时回传现场救援视频，为现场救援指挥提供决策依据。

4.3.3 海上生物影响巡查

鸟类飞行可能会撞击运行中的风机叶片从而损坏风机，发生潜在风险。根据巡检周期安排，可针对叶片和风机塔基位置进行定位观测，查看机舱上部有无海鸟筑巢、撞击。在落潮期间利用30倍变焦相机对塔基底部进行拍摄，查看塔基部分海上生物的附着情况，根据拍摄照片的周期性连续分析，制定清理计划，保证海上风机运行安全。

4.3.4 船舶影响巡查

该风电场巡视范围内，有长约6km的海上航线，日常有大量船只通行。船舶若出现故障，会在航线范围内进行抛锚检修，极易造成海缆被损坏。此时，通过海事系统的相关通告，可利用无人机及时起飞，飞抵船只上空进行观察和驱离。

5 结语

无人机海上风电场应用方案与传统依靠运维人员搭载飞机、船只等作业方式相比，给海上风电场的日常运维巡检、搜救应急提供了低成本、低风险、高效率的解决思路。未来，随着无人机技术的发展，通过无人机进行海上风电场的运维巡检、辅助应急，将成为海上风电工程运营运维的重要工具和方法。