風(fēng)力發(fā)電機組安全防范系統(tǒng)設(shè)計

孟亞輝，朱東良，劉笑麟

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

風(fēng)力發(fā)電機組安全防范系統(tǒng)設(shè)計

孟亞輝，朱東良，劉笑麟

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

由于具有無人值守、環(huán)境條件惡劣、分布范圍大的特點，風(fēng)力發(fā)電機組安全防范形勢日益嚴峻。通過整合風(fēng)力發(fā)電機組消防和安防系統(tǒng)，提出了一種綜合的集散式安全防范系統(tǒng)，實現(xiàn)了多目標(biāo)與集中管理、多任務(wù)與分散控制、信息傳輸可靠性與大區(qū)域的協(xié)調(diào)，提高了風(fēng)力發(fā)電機組的安全性。

風(fēng)力發(fā)電機組；消防系統(tǒng)；安防系統(tǒng)；集散式安全防范

0 引言

可再生清潔能源是國家重點發(fā)展領(lǐng)域，風(fēng)力發(fā)電在國家可再生能源領(lǐng)域的地位舉足輕重。據(jù)公開資料顯示，截至2014年12月，中國風(fēng)電累積裝機容量達到114 608 MW，繼火電、水電之后成為我國第3大能源。隨著國家節(jié)能減排目標(biāo)及能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、風(fēng)電并網(wǎng)等措施的推進，可以預(yù)見在未來相當(dāng)長一段時間內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電仍將處于高速發(fā)展期，裝機容量也勢必會進一步增大。

但同時也應(yīng)該看到，由于我國風(fēng)電起步晚、技術(shù)積累時間短，隨著裝機容量的迅速增大，安全事故發(fā)生的頻率也隨之增加。據(jù)統(tǒng)計，近年來風(fēng)力發(fā)電機組安全事故發(fā)生的數(shù)量呈上升趨勢，事故損失也在逐步擴大，每年都會出現(xiàn)多起經(jīng)濟損失在百萬元甚至千萬元以上的較大規(guī)模安全事故，安全形勢十分嚴峻。

研究風(fēng)力發(fā)電機組安全防范技術(shù)，提高風(fēng)電機組安全運行指標(biāo)，成為推廣風(fēng)電技術(shù)的當(dāng)務(wù)之急。

1 風(fēng)力發(fā)電機組安全防范現(xiàn)狀分析

1.1 風(fēng)力發(fā)電機組安全防范技術(shù)要求

風(fēng)力發(fā)電機組安全防范是一個綜合性課題，旨在通過先進的技術(shù)手段實現(xiàn)適當(dāng)?shù)姆婪洞胧?，從而使機組得到良好的安全保護，以應(yīng)付攻擊或者避免受害，使風(fēng)電機組乃至風(fēng)電場處于不受侵害、風(fēng)險可控、不出現(xiàn)重大事故的安全狀態(tài)。

風(fēng)力發(fā)電機組安全防范應(yīng)全面考慮場景特征，包括少人值守的中控室、無人值守的塔筒及機艙、分布式布置的大面積風(fēng)機田、惡劣的自然條件、較差的通訊條件等多重不利因素，并制定在不同場景下發(fā)生安全事故的防范及處置預(yù)案。

風(fēng)力發(fā)電機組安全防范技術(shù)還需關(guān)注安全事故特征，從調(diào)查安全事故特征出發(fā)，建立將專業(yè)安全監(jiān)測終端與綜合集成管理平臺整合為一體的集散式安全防范系統(tǒng)，并以合理的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為載體聯(lián)網(wǎng)布局，從而實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機組安全防范的分布式管理。

1.2 風(fēng)力發(fā)電機組安全防范現(xiàn)狀分析

風(fēng)力發(fā)電機組安全事故類型分布如圖1所示。安全事故發(fā)生頻次最高的依次為葉片事故、結(jié)構(gòu)損壞事故與火災(zāi)事故，其主要原因如表1所示。這3種安全事故比重約達到全部事故總數(shù)的6成，破壞性極強，對機組的損壞往往是毀滅性的。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機組安全事故類型分布

表1 風(fēng)力發(fā)電機組高發(fā)事故的主要原因

由此可見，由于運行環(huán)境惡劣、生產(chǎn)制造存在薄弱環(huán)節(jié)等內(nèi)外因素的共同作用，風(fēng)力發(fā)電機組的安全運行正面臨巨大挑戰(zhàn)，提升風(fēng)力發(fā)電機組的安全防范能力迫在眉睫。

2 風(fēng)力發(fā)電機組安全防范系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計理念

風(fēng)力發(fā)電機組安全防范系統(tǒng)設(shè)計采用集散控制的設(shè)計理念，以風(fēng)機事故樹模型為基本出發(fā)點，以信息技術(shù)、探測報警技術(shù)、控制技術(shù)等為載體，形成了一套針對性的集散式安全防范系統(tǒng)。

2.1.1 多目標(biāo)與集中管理的協(xié)調(diào)

管理平臺設(shè)計用于協(xié)調(diào)多任務(wù)模式和集中管理目標(biāo)需求，同時結(jié)合風(fēng)機事故樹模型下所需設(shè)置的技術(shù)防范措施，以適應(yīng)當(dāng)前風(fēng)電場技術(shù)值班人員短缺的情況。其中，多目標(biāo)是指管理平臺能同時處理全部接入系統(tǒng)的風(fēng)電機組安全監(jiān)測設(shè)施運行狀態(tài)，并能將多個監(jiān)視目標(biāo)分層顯示，使遠程監(jiān)控的值班人員可以及時查看各設(shè)備運行狀態(tài)；集中管理是指實現(xiàn)事故狀態(tài)下集中報警、集中決策及集中處置。

2.1.2 多任務(wù)與分散控制的協(xié)調(diào)

因自然條件、地質(zhì)狀況所限，不同風(fēng)電場的布局千差萬別，同時風(fēng)電場所處區(qū)位的氣候條件決定了安全防范需求呈多元化趨勢。系統(tǒng)設(shè)計采取集中管理分散控制的理念，即在每一個管理目標(biāo)下設(shè)定多個子任務(wù)，由分散的遠程端控制單元進行獨立運算，將運算結(jié)果上傳至集中控制端控制單元的相應(yīng)目標(biāo)下，并接受控制端的遠程命令。因此，多元化任務(wù)間就不再存在硬件資源的沖突問題，在一定程度上提高了平臺的可靠性；另一方面，在集散控制系統(tǒng)理論中，數(shù)據(jù)采集、邏輯控制、模擬控制等都可在現(xiàn)場控制裝置中單獨完成，這意味著在上位機(控制端)離線的情況下，遠程端仍然可以維持工作，進一步規(guī)避了風(fēng)險。

2.1.3 信息傳輸可靠性與大區(qū)域的協(xié)調(diào)

安全防范系統(tǒng)應(yīng)確保信息的準確、及時、可靠傳導(dǎo)，同時由于風(fēng)電場屬于大區(qū)域布置的風(fēng)機田，具有顯著的“大區(qū)域”特點，因此安全防范系統(tǒng)應(yīng)同時考慮有線通訊的可靠性特點和無線通訊的靈活性特點，采用具有基于光纖傳輸與無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)幕旌贤ㄓ嵞Ｊ嚼砟睢?/p>

2.2 系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)

安全防范系統(tǒng)設(shè)計采取以控制端為核心的綜合管理平臺，以遠程端為風(fēng)機側(cè)的任務(wù)處理子模塊，以混合形式的通訊手段為紐帶，以專業(yè)化安全防范終端為執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機組安全防范目標(biāo)與任務(wù)的綜合管理，并可實現(xiàn)目標(biāo)與任務(wù)的擴展。

安全防范系統(tǒng)采用3層架構(gòu)，分別為控制層、遠程層、終端層，如圖2所示。從最上層的控制端開始往下呈輻射狀展開，既保證系統(tǒng)的可擴展性，也給予每個遠程端的獨立性，以防發(fā)生一端事故造成多端失效的狀況。其中每一個遠程端設(shè)備可以有針對性地特性化(如強調(diào)或弱化某項功能)，以適應(yīng)根據(jù)其所處環(huán)境、方位、地勢、救援難度等綜合制定的個性化安全防范方案。

控制端和各遠程端均搭載相互匹配的通訊模塊，不僅支持全雙工雙向通信，也支持單向通信。位于終端層的安全防范終端設(shè)備種類多樣，從通訊信號上下行的角度可大致分為3類：

(1) 只進行數(shù)據(jù)采集形成信號反饋的終端，如報警探測器；

(2) 只接受控制信號并動作的終端，如警報；

(3) 既可受控動作又可信號反饋的終端，如電磁閥。

遠程端需根據(jù)相應(yīng)終端類型加以支持。

圖2 安全防范系統(tǒng)架構(gòu)示意

2.3 控制端設(shè)計方案

控制端是一個綜合的信息化管理平臺，該平臺基于Windows 7及以上版本系統(tǒng)，采用工業(yè)組態(tài)理念開發(fā)，具有顯示、操作、通訊3個子模塊，如圖3所示。顯示子模塊具有較好的人機界面，能夠通過查詢組網(wǎng)中掛載的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器方式，以圖文形式顯示風(fēng)力發(fā)電機組視頻監(jiān)控系統(tǒng)、可視對講系統(tǒng)、火災(zāi)探測系統(tǒng)、消防滅火系統(tǒng)、振動監(jiān)測系統(tǒng)等系統(tǒng)的運行狀態(tài)，或者配合狀態(tài)分析等軟件達到預(yù)先防范目的，并可遠程干預(yù)消防系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)等的開啟。顯示子模塊具有3層畫面：1層顯示整個風(fēng)電場安全防范系統(tǒng)運行狀態(tài)；2層顯示個體風(fēng)機安全防范系統(tǒng)運行狀態(tài)；3層顯示個體風(fēng)機中各子系統(tǒng)運行狀態(tài)。

圖3 安全防范控制端設(shè)計架構(gòu)示意

通過邏輯判斷，可讓風(fēng)機安全狀態(tài)經(jīng)檢測超閾值時顯示子模塊自動調(diào)用畫面彈窗；操作子系統(tǒng)可實現(xiàn)遠程安全復(fù)核、消防啟動功能，能夠遠程開啟門禁及可視對講；通訊子系統(tǒng)通過前置的規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置和路由器可以兼容通用modbus、TCP/IP通訊協(xié)議、RS232/485、Ethernet端口等通訊接口的有線通訊模式，可實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。由路由器提供的VLAN技術(shù)，可以隔離廣播域、區(qū)分組播域，有助于按功能劃分通訊作用域，避免內(nèi)部干擾。

2.4 遠程端設(shè)計方案

遠程端是風(fēng)力發(fā)電機組安全防范系統(tǒng)風(fēng)機側(cè)的核心單元，包括3個子模塊：作為下位機接口的安全防范終端信號收發(fā)模塊、遠程端內(nèi)部的邏輯分析處理模塊、作為上位機接口的遠端通訊模塊，具體如圖4所示。

圖4 安全防范遠程端設(shè)計架構(gòu)示意

安全防范終端信號收發(fā)子模塊提供數(shù)字量和模擬量標(biāo)準工業(yè)通訊接口以及Ethernet端口，其主要功能是接入風(fēng)機內(nèi)部終端層的多種安全防范終端的輸入輸出信號，包括火災(zāi)探測系統(tǒng)、消防滅火系統(tǒng)、圖像偵測系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、巡更系統(tǒng)、內(nèi)部對講系統(tǒng)、震動監(jiān)測系統(tǒng)等，實現(xiàn)遠程端安全防范終端設(shè)備的集中管理。上文中提到的對多類終端支持是在本模塊完成的。

邏輯分析處理子模塊的核心是一臺可編程邏輯控制器，其主要功能為實現(xiàn)信息處理、邏輯運算、自動報警與處置等。邏輯分析處理子模塊的聯(lián)動邏輯可編輯，能夠根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機組型號及安全分區(qū)、安全監(jiān)測終端設(shè)備類型及位置，同時兼顧風(fēng)電場運維組織機構(gòu)流程，承載由工程師制定的不同聯(lián)動策略。根據(jù)I/O數(shù)據(jù)是否與控制端相關(guān)，將邏輯分析處理子模塊運行狀態(tài)分為2類：

(1) 當(dāng)I/O數(shù)據(jù)為純本地數(shù)據(jù)時，邏輯運算結(jié)果可直接通過配套的邏輯控制板實現(xiàn)就地輸出控制信號，并可通過通訊模塊反饋至控制中心；

(2) 當(dāng)I/O數(shù)據(jù)包含來自控制端的遠程信號時，則需要經(jīng)過遠端通訊子模塊收發(fā)信號，以完成控制或反饋。

遠端通訊子模塊與控制端通訊子模塊成對使用，并與相對應(yīng)的控制端通訊模塊使用相同的通訊介質(zhì)。不同遠程端通訊模塊通訊地址可預(yù)先置定，也可在接入組網(wǎng)時由路由器分配，通訊中使用五元組唯一標(biāo)定地址。為保證通訊的可靠性，通訊模塊應(yīng)包含數(shù)據(jù)過載處理、智能診斷、放棄和重新發(fā)送等功能。

2.5 通訊組網(wǎng)方案

考慮到通訊可靠性原則，所有風(fēng)電機組可采用雙環(huán)網(wǎng)冗余通訊方式連接，其自愈功能會在故障后50 ms內(nèi)自動倒換到保護通道，使業(yè)務(wù)信息得到正常傳送；同時引入環(huán)網(wǎng)重構(gòu)技術(shù)，在關(guān)鍵節(jié)點加入環(huán)網(wǎng)開關(guān)，在雙環(huán)網(wǎng)都出現(xiàn)故障時，盡可能選取非故障線路通過繼電器動作自動重構(gòu)環(huán)網(wǎng)通路，進一步提高通訊的可靠性。組網(wǎng)中，將每臺風(fēng)機作為一個節(jié)點，組成風(fēng)電場安全防范系統(tǒng)控制層網(wǎng)絡(luò)，并將所有信息送至風(fēng)電場控制中心服務(wù)器。監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)由工程師站、操作員站及實時歷史服務(wù)器組成，預(yù)留遠程Web接口，可在辦公室遠程監(jiān)視整個風(fēng)電場所有風(fēng)機的安全狀態(tài)，或者查詢歷史數(shù)據(jù)作為進一步分析輸入，并可執(zhí)行人工遠程操作。冗余環(huán)網(wǎng)通訊結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 冗余環(huán)網(wǎng)通訊結(jié)構(gòu)示意

由于風(fēng)電場一般由幾十甚至上百臺風(fēng)機組成，風(fēng)機與風(fēng)機之間相隔數(shù)百米，根據(jù)路徑最優(yōu)化要求，應(yīng)采用有線和無線混合的方式搭建組網(wǎng)。有線通訊介質(zhì)采用室外鎧裝多模光纜，其抗干擾能力強、可靠性高，但受地形地勢影響可能造成某點敷設(shè)難度大、投資高的問題。因此，根據(jù)現(xiàn)場實際情況也需輔助采用無線通訊方式(如GPRS，CDMA，LTE等)，它的特點是現(xiàn)場施工簡單，無需敷設(shè)通訊光纜，初期成本低；但存在數(shù)據(jù)帶寬較小，信號延遲、易受干擾等缺點，與有線通訊方式形成互補。在有線和無線通訊方式的選擇上，應(yīng)充分考慮最優(yōu)路徑、施工成本、風(fēng)險成本等參數(shù)，形成綜合性的目標(biāo)函數(shù)，以求最優(yōu)解的方式選取主要有線路徑；路徑外的風(fēng)機單點采用無線接入，無線網(wǎng)絡(luò)通訊接入的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 無線通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

2.6 安全防范終端

風(fēng)力發(fā)電機組安全防范終端包括一系列可通過標(biāo)準接口接入系統(tǒng)的安全監(jiān)測設(shè)備；用戶可根據(jù)安全需要設(shè)置不同類型、不同型號的監(jiān)測設(shè)備，以達到提高風(fēng)機安全水平的目的。其中，本設(shè)計方案集成消防安全終端設(shè)備和安防監(jiān)測與報警設(shè)備標(biāo)準接口，并在控制端和遠程端預(yù)先定義。

消防安全終端設(shè)備為滿足機艙及塔筒內(nèi)火災(zāi)報警及應(yīng)急撲救而設(shè)置。風(fēng)力發(fā)電機組內(nèi)不同于一般建筑，其火災(zāi)特性因起火設(shè)備不同、地域環(huán)境不同存在較大差異，同時機艙內(nèi)存在強烈的煙囪效應(yīng)、紊流特性。常規(guī)的點型火災(zāi)探測器應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機組時效果欠佳，本設(shè)計采用接近式溫度探測器與視頻圖像火災(zāi)探測器進行信號復(fù)合，二者邏輯配合以復(fù)核與確定火災(zāi)的發(fā)生；同樣，考慮到機艙及塔筒復(fù)雜的生存環(huán)境，常規(guī)滅火器材難以有效發(fā)揮功能，本設(shè)計設(shè)置了2種不同特點的滅火劑：在年最低溫度不低于-10 ℃區(qū)域設(shè)置常規(guī)滅火劑；在年最低溫度低于-10 ℃的區(qū)域設(shè)置一種新型滅火劑，該滅火劑能夠適應(yīng)低至-50 ℃的環(huán)境并能有效撲滅A類、B類火災(zāi)，配合主動式火探管時更能實現(xiàn)主動滅火。

安防監(jiān)測與報警系統(tǒng)主要承擔(dān)風(fēng)力發(fā)電機組保衛(wèi)工作。和傳統(tǒng)電廠類似，風(fēng)力發(fā)電機組的門禁系統(tǒng)主要實現(xiàn)授權(quán)準入與無授權(quán)拒絕的功能，從而隔離一定程度下的外界人為干擾；入侵報警系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機組邊界損壞時發(fā)出報警信號，通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳遞到控制端，并輔以視頻監(jiān)測采集的圖像信息，供值守人員復(fù)核；遠程視頻通話功能主要為授權(quán)人員提供與上層工程師站或操作員站交互的便利途徑，主要在日常運維、檢修中使用。

3 結(jié)束語

在新能源發(fā)展的熱潮中，風(fēng)力發(fā)電主力軍地位

?相當(dāng)穩(wěn)固。但就目前來看，風(fēng)力發(fā)電在進一步推廣的過程中仍面臨著一些技術(shù)挑戰(zhàn)。本文提出的風(fēng)力發(fā)電機組安全防范系統(tǒng)設(shè)計方案，一定程度上解決了傳統(tǒng)方案只針對單一技術(shù)領(lǐng)域的局限性，將消防與安防系統(tǒng)整合，提高了設(shè)備的集約化程度，同時也為類似的一體化系統(tǒng)研究提供了思路。

1 徐大軍，張 晉.風(fēng)力發(fā)電機組火災(zāi)特性與消防系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].消防科學(xué)與技術(shù).2010，29(12)：13-15.

2 于建國，冷永強.智能化風(fēng)電場安全防護監(jiān)測管理系統(tǒng)研究[C].2014全國風(fēng)電后市場專題研討會論文集.2014.

3 李俊峰，蔡豐波.2014中國風(fēng)電發(fā)展報告[R].北京：中國循環(huán)經(jīng)濟可再生能源專業(yè)委員會，中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會，全球風(fēng)能理事會.2014.

2015-10-01。

孟亞輝(1983-)，男，工程師，主要從事新能源火災(zāi)及安全防護技術(shù)研究及工程設(shè)計工作，email：mengyahui@cgnpc.com.cn。

朱東良(1981-)，男，工程師，主要從事新能源火災(zāi)及安全防護技術(shù)研究及工程設(shè)計工作。

劉笑麟(1989-)，男，助理工程師，主要從事安全保衛(wèi)技術(shù)研究工作。