風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無人機自動滅火關(guān)鍵技術(shù)研究

吳雅潔

[摘? ? 要]目前，雖然我國使用風(fēng)力發(fā)電使清潔能源開發(fā)進(jìn)入了發(fā)展快車道，但是風(fēng)力發(fā)電機艙空間狹窄，設(shè)備分布密集，加之我國大部分地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備所處環(huán)境十分惡劣，一旦因環(huán)境溫度過高或供電線路短路，必將會給風(fēng)力發(fā)電機組帶來毀滅性災(zāi)難。近年來，隨著無人機技術(shù)快速發(fā)展，它在風(fēng)電設(shè)備巡檢及自動滅火方面發(fā)揮了重要作用。因此，文章基于山西廣靈風(fēng)電運維項目，針對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無人機自動滅火關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，通過風(fēng)力發(fā)電場無人機消防監(jiān)控報警裝置及無人機自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)“災(zāi)情偵查”“監(jiān)控追蹤”“火情撲滅”，實現(xiàn)對火災(zāi)事故的快速響應(yīng)、及時消除，大幅減少因風(fēng)電機組火災(zāi)帶來的設(shè)備損失，同時有效避免人身傷亡事故發(fā)生，提高風(fēng)電運維項目社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

[關(guān)鍵詞]風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng);無人機;自動滅火;關(guān)鍵技術(shù)

[中圖分類號]TM614 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）12–00–02

Research on Key Technologies of Automatic Fire Extinguishing

of UAV in Wind Power Generation System

Wu Ya-jie

[Abstract]At present， although the use of wind power generation in China has brought the development of clean energy into the fast lane， the space of wind power generator cabin is narrow and the equipment is densely distributed. In addition， the environment of wind power generation equipment in most parts of China is very bad. Once the environmental temperature is too high or the power supply line is short circuited， it will bring devastating disaster to wind turbine. In recent years， with the rapid development of UAV technology， it has played an important role in wind power equipment inspection and automatic fire extinguishing. Therefore， based on Shanxi Guangling wind power operation and maintenance project， this paper studies the key technologies of automatic fire extinguishing of UAV in wind power generation system， realizes "disaster investigation"， "monitoring and tracking" and "fire extinguishing" through UAV fire monitoring and alarm device and UAV automatic control system in wind power plant， and realizes rapid response and timely elimination of fire accidents， Greatly reduce the equipment loss caused by wind turbine fire， effectively avoid personal casualty accidents， and improve the social and economic benefits of wind power operation and maintenance project.

[Keywords]wind power generation system; UAV; automatic fire extinguishing; key technology

風(fēng)力是一種可再生資源，隨著現(xiàn)代社會能源危機日益加劇，進(jìn)一步加大對風(fēng)力資源等可再生能源的開發(fā)利用已經(jīng)勢在必行。尤其在國家大力提倡和支持發(fā)展清潔能源的戰(zhàn)略背景下，使用風(fēng)力發(fā)電逐漸成為新能源開發(fā)利用的重要方式。與其他新能源技術(shù)相比，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)相對成熟，而且我國有著優(yōu)越的自然氣候條件，具有良好的風(fēng)力資源開發(fā)利用前景。但是，風(fēng)力發(fā)電與傳統(tǒng)的發(fā)電方式不同，目前我國尚未建立新能源集控中心，所以無法做到對風(fēng)電場新能源海量數(shù)據(jù)的及時處理[1]。

以山西廣靈風(fēng)電運維項目為例，該風(fēng)力發(fā)電廠所處地理環(huán)境較為偏遠(yuǎn)，從而使得風(fēng)力發(fā)電機艙的火情控制難度大大提高，而傳統(tǒng)的人工滅火方式實際操作難度大，技術(shù)成本高，很容易引發(fā)風(fēng)電火災(zāi)事故。從過往運行現(xiàn)狀來看，我國風(fēng)電行業(yè)事故主要有“雷擊”“火災(zāi)”“倒塔”“葉片損壞”等。其中，風(fēng)電火災(zāi)事故發(fā)生頻率較高，帶來的不良影響和危害也更大，除了會損壞風(fēng)電場設(shè)備，還可能影響社會與經(jīng)濟(jì)效益，甚至?xí)砣藛T傷亡。因此，構(gòu)建新能源集控中心一體化平臺，采用無人機技術(shù)進(jìn)行“災(zāi)情偵查”“監(jiān)控追蹤”“火情撲滅”，同時基于高精度定位技術(shù)、軌跡重規(guī)劃技術(shù)等，勢必能實現(xiàn)“遠(yuǎn)程監(jiān)控，現(xiàn)場無人、少人值守”的目標(biāo)，切實解決風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)智能報警、多協(xié)議統(tǒng)一接口、設(shè)備接入、數(shù)據(jù)傳輸以及特色監(jiān)控等方面存在的棘手問題，通過無人機滅火技術(shù)，減少事故損失以及事故影響，維護(hù)風(fēng)電行業(yè)可持續(xù)綠色能源發(fā)展的良好社會形象[2]。

1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無人機自動滅火的必要性

1.1 傳統(tǒng)的人工巡檢方式效率低，成本高，難以滿足智能化需求

風(fēng)電場所處地理環(huán)境較偏遠(yuǎn)，不利于風(fēng)力發(fā)電機艙的火情控制。以山西廣靈風(fēng)電運維項目為例，該風(fēng)力發(fā)電場項目處于環(huán)境惡劣、位置偏僻、人員稀少的地區(qū)，給項目運維帶來了很大風(fēng)險和難度，從而為雷擊、火災(zāi)、倒塔、葉片損壞等風(fēng)電機組事故發(fā)生留下了巨大安全隱患[3]。

近年來，隨著該地區(qū)風(fēng)電規(guī)模不斷增加，風(fēng)電機組運維項目成本也大大提高。因為該項目處于偏遠(yuǎn)山區(qū)，所以巡檢人員不能全面方便地進(jìn)行頻繁檢查和維修，加之風(fēng)電機組項目有些設(shè)備已經(jīng)老化，運行效率和質(zhì)量難以得到保障。另外，山西地處華北地區(qū)，冬季寒冷期長，夏季暴雨多，此時大部分風(fēng)電機組就會進(jìn)入故障多發(fā)期，若使用傳統(tǒng)的人工巡檢方式控制火情事故等，由于人工巡視存在死角，可視范圍窄，不僅會有人員扭傷與摔傷等危險，更容易引發(fā)車輛事故。而且夏天多雨、冬天多雪季節(jié)，風(fēng)電場人員少，工作強度大，一旦出現(xiàn)特殊天氣，人工巡視還要克服特殊地形等問題。因此，這種傳統(tǒng)的以人工為主的檢修模式和風(fēng)電機組巡檢方式已經(jīng)完全無法適應(yīng)當(dāng)前風(fēng)電機組的智能化與一體化運維需求。為了排除火災(zāi)、雷擊、葉片損壞、倒塔等故障，工作人員經(jīng)常需要定期攀爬到近80 m高的風(fēng)電機艙內(nèi)，對機艙做定期巡檢及檢維修，這不僅留下了安全隱患，而且還對巡檢人員體能提出了較高要求[4]。

1.2 風(fēng)電機組實際運維故障率高，無法實現(xiàn)“遠(yuǎn)程監(jiān)控，現(xiàn)場無人、少人值守”

近年來，我國能源問題日益嚴(yán)重，在此背景下，國家提出了“碳中和”與“碳達(dá)峰”的目標(biāo)，搭乘全球新能源發(fā)展的“快車”，我國風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)也日漸壯大。但是由于客觀因素影響，我國很多新能源電站不得不處于高海拔地區(qū)與偏遠(yuǎn)山區(qū)，因此電站的運行管理難度大，尤其工作人員所處環(huán)境十分惡劣，生活條件艱苦，經(jīng)常需要消耗大量人力、物力和財力對電網(wǎng)進(jìn)行集中調(diào)度和安全運行管理。盡管發(fā)電企業(yè)管理運維技術(shù)在不斷提升，但是由于目前我國的風(fēng)電行業(yè)參與方良莠不齊，大多仍處于前期“跳躍式”發(fā)展階段，從而導(dǎo)致風(fēng)電機組在實際運維過程中故障頻發(fā)，大大增加了項目運維管理成本。尤其是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機組長期在野外暴曬、雨淋、風(fēng)吹，很容易發(fā)生機械電氣故障。隨著野外裝機規(guī)模不斷增大，山西廣靈風(fēng)電運維項目的故障診斷成本也越來越高[5]。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無人機自動滅火關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用分析——以山西廣靈50 MW風(fēng)電運維項目為例

2.1 在急難險重災(zāi)害現(xiàn)場，利用無人機進(jìn)行災(zāi)情偵查

無人機可載有聲音感知、紅外光相機、4K高清相機、滅火彈以及三維激光掃描儀等任務(wù)設(shè)備，基于復(fù)雜電磁環(huán)境下的高精度定位技術(shù)，在急難險重災(zāi)害現(xiàn)場進(jìn)行災(zāi)情偵查。例如，在使用無人機滅火前的急難險重災(zāi)害現(xiàn)場，風(fēng)電場團(tuán)隊通過逐步探索和拓展無人機多功能定位技術(shù)，在線路巡視基礎(chǔ)上，基于風(fēng)電場無線局域網(wǎng)，可實現(xiàn)對風(fēng)電場急難險重災(zāi)害現(xiàn)場的無人機視頻圖像資料信息的采集;將其及時傳輸給風(fēng)電巡檢信息實時回傳集控中心，集控中心根據(jù)工作站實時傳回的無人機視頻圖像進(jìn)行火情信息集中分析與診斷，然后便可及時根據(jù)現(xiàn)場情況制定科學(xué)的火災(zāi)處置作業(yè)方案;項目巡檢檢修班組人員根據(jù)該方案作業(yè)要求，結(jié)合集控中心的信息指令，便能夠迅速開展對風(fēng)電機組項目相關(guān)設(shè)備的檢修與消缺作業(yè)。當(dāng)異物纏繞在風(fēng)電機組項目的架空線路上時，無人機操控技術(shù)人員還能實現(xiàn)不停電作業(yè)，及時將遠(yuǎn)程噴火技術(shù)裝置啟動，從而針對風(fēng)電機組架空線路中所纏繞的相關(guān)異物進(jìn)行燒毀消除，從而減少設(shè)備因火災(zāi)引起的停電，提高火災(zāi)故障診斷及災(zāi)情偵查效率[6]。

2.2 在災(zāi)害事故處置前，利用無人機進(jìn)行實時監(jiān)控追蹤

風(fēng)電機組經(jīng)常會由于火災(zāi)事故等故障引起意外停電，為了保證風(fēng)力發(fā)電機的正常、安全運行，無人機基于全局軌跡規(guī)劃技術(shù)，可在災(zāi)害事故處置前進(jìn)行實時監(jiān)控追蹤，巡檢技術(shù)人員通過無人機技術(shù)對風(fēng)機的運行狀態(tài)進(jìn)行實時在線監(jiān)測及事故危害預(yù)測等，可減少設(shè)備停機維護(hù)帶來的損失。而且利用無人機進(jìn)行災(zāi)害事故監(jiān)控追蹤，對于及時發(fā)現(xiàn)早期風(fēng)險，評估火情事故風(fēng)險都具有重要意義[7]。

近年來，隨著遠(yuǎn)程通信技術(shù)以及智能傳感技術(shù)的快速興起，使得風(fēng)電機組使用無人機進(jìn)行精細(xì)、全面、實時的數(shù)據(jù)采集成為可能，也方便了機組人員使用無人機進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機故障診斷。在火情發(fā)生的第一時間里，機組人員利用無人機對風(fēng)機輸電線路及主體設(shè)備等進(jìn)行巡檢，可實時將巡檢現(xiàn)場的相關(guān)狀況傳回到地面服務(wù)器，然后展開數(shù)據(jù)信息分析。再通過跨應(yīng)用互聯(lián)，就能夠?qū)︼L(fēng)機故障及火情發(fā)生原因等進(jìn)行快速的定位及分析，以便技術(shù)人員做出正確判斷，提高火情處置的智能化與數(shù)字化水平。例如，通過無人機可定期獲取風(fēng)電現(xiàn)場風(fēng)機葉片的高清數(shù)字影像，并將其傳回數(shù)據(jù)服務(wù)器，通過大數(shù)據(jù)與人工智能分析，針對數(shù)據(jù)庫中存儲的檢測結(jié)果進(jìn)行比對，就能夠精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)風(fēng)機葉片因火災(zāi)引起的故障成因，經(jīng)過對相關(guān)設(shè)備隱患及故障進(jìn)行量化分析，就有助于技術(shù)人員實時展開精準(zhǔn)化運維。

2.3 在火情發(fā)生后，根據(jù)現(xiàn)場情況利用無人機迅速進(jìn)行火情撲滅

山西廣靈0 MW風(fēng)電運維項目所處自然環(huán)境十分惡劣，對火情處置的應(yīng)急安全技術(shù)要求較高，而無人機能夠適應(yīng)風(fēng)電巡檢的復(fù)雜化場景，當(dāng)火情發(fā)生之后，風(fēng)電行業(yè)無人機基于局部環(huán)境改變及碰撞下的軌跡重規(guī)劃技術(shù)，可第一時間根據(jù)現(xiàn)場情況迅速進(jìn)行火情撲滅[8]。

例如，在災(zāi)情偵查階段，使用無人機可以機動靈活開展偵查，可以無視地形和環(huán)境，及時查明事故關(guān)鍵因素;而且能夠在易燃易爆的有毒危險環(huán)境中，全面、細(xì)致掌握現(xiàn)場情況;同時，還可集成偵檢模塊對事故現(xiàn)場的有毒氣體進(jìn)行探測，從而獲得危險部位的關(guān)鍵信息。在此基礎(chǔ)上，消防部隊所面臨的災(zāi)害事故現(xiàn)場瞬息萬變，因此，在利用無人機滅火時，技術(shù)人員能夠基于前期偵查監(jiān)測結(jié)果，對無人機加裝拓展模塊掛載消防滅火彈，在消防人員無法達(dá)到現(xiàn)場的情況下，依然能夠攜帶滅火彈等滅火設(shè)備，在火情發(fā)生后立即根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行滅火，避免火災(zāi)擴(kuò)散造成更大損失，大幅提高了風(fēng)電巡檢與火情處置的質(zhì)量與效率，降低了應(yīng)急處理成本[9]。

3 結(jié)束語

作為一種新型的工業(yè)技術(shù)，無人機自動滅火技術(shù)較成熟，已經(jīng)逐漸應(yīng)用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、建筑、森林防火等各個領(lǐng)域和行業(yè)。目前我國已有關(guān)于使用無人機進(jìn)行拋投救援物資、火場偵查監(jiān)測等成功案例，這無疑為消防機構(gòu)利用無人機對事故現(xiàn)場進(jìn)行高空偵查，為救援決策提供了有效保障。但是無人機滅火技術(shù)在國內(nèi)尚未真正應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電等新能源技術(shù)領(lǐng)域，所以山西廣靈風(fēng)電運維項目創(chuàng)新性地通過對國際上較為先進(jìn)的無人機控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，從數(shù)據(jù)遙測、信息監(jiān)視等方面出發(fā)，通過無人機、地面指揮以及控制系統(tǒng)等硬件控制和軟件控制，發(fā)揮無人機技術(shù)在信息收集、信息傳導(dǎo)、信息處理以及信息顯示等方面的重要作用，有效實現(xiàn)災(zāi)情偵查，事故現(xiàn)場監(jiān)控追蹤以及火情撲滅等任務(wù)目標(biāo)，從而為新能源集控打造穩(wěn)定、高效運維環(huán)境。

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