人工智能技術(shù)在風(fēng)電機(jī)組智能巡檢中的應(yīng)用

苑 鑫

（國(guó)家能源投資集團(tuán)（濟(jì)南）新能源有限責(zé)任公司河口分公司，山東東營(yíng) 257000）

0 引言

風(fēng)電機(jī)組人工智能巡檢工作，大大提升了風(fēng)電機(jī)組巡檢質(zhì)量與效率，為整個(gè)風(fēng)電機(jī)組更加安全、穩(wěn)定地運(yùn)行打下良好基礎(chǔ)。以“人工智能技術(shù)在風(fēng)電機(jī)組智能巡檢中的應(yīng)用”為題進(jìn)行研究，為風(fēng)電機(jī)組巡檢工作更好地應(yīng)用人工智能技術(shù)提供幫助。

1 概念介紹

1.1 人工智能技術(shù)

人工智能技術(shù)主要包含5 個(gè)方面的特性：①?gòu)娜斯ぶR(shí)表達(dá)到大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)；②從分類型處理的多媒體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)向跨媒體的認(rèn)知、學(xué)習(xí)、推理，其中所謂的“媒體”，并非為新聞媒體，而是一個(gè)虛擬環(huán)境或界面；③從追求智能機(jī)器到高水平的人機(jī)、腦機(jī)相結(jié)合；④從聚焦個(gè)體智能到基于互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的群體智能；⑤從擬人化的機(jī)器人轉(zhuǎn)變成更加豐富的智能自主系統(tǒng)。正是由于人工智能技術(shù)具有上述諸多良好特征，使其被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中[1]。

1.2 風(fēng)力發(fā)電

電力領(lǐng)域逐漸開(kāi)發(fā)出了多種清潔型發(fā)電技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電是其中常見(jiàn)的一種，被廣泛應(yīng)用到風(fēng)力資源豐富的區(qū)域。所謂的風(fēng)力發(fā)電，指的是將風(fēng)能采集與處理后，使其轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)。風(fēng)能具有來(lái)源廣、清潔等多方面特征，在發(fā)電過(guò)程中不會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成破壞[2]。風(fēng)力發(fā)電時(shí)，風(fēng)電機(jī)組是其中核心設(shè)備，其中主要由3 大模塊構(gòu)成：①風(fēng)輪，用于對(duì)風(fēng)能的采集，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機(jī)械能；②發(fā)電機(jī)，在機(jī)械能的驅(qū)動(dòng)下，使得發(fā)電機(jī)快速轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)線圈不斷對(duì)磁感線進(jìn)行切割，從而源源不斷地產(chǎn)生電能；③塔筒，用于風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)的支撐，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)

2 風(fēng)電機(jī)組常見(jiàn)故障

2.1 齒輪箱故障

在風(fēng)電機(jī)組主軸與發(fā)電機(jī)之間，通過(guò)齒輪箱進(jìn)行連接，用于提升主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速率。風(fēng)電機(jī)組主要有兩種類型的齒輪箱，一種為行星齒輪，另一種為平行齒輪，兩者運(yùn)行環(huán)境均非常惡劣，工作情況較為復(fù)雜，使得齒輪可能出現(xiàn)一些故障。齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，由于存在交變應(yīng)力，加之沖擊荷載的影響，使得齒輪不斷磨損，影響兩齒輪間的磨合度。由大量實(shí)踐可知，齒輪故障概率并不是很高，但會(huì)對(duì)整個(gè)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行造成的干擾非常大，不僅要采用很長(zhǎng)一段時(shí)間予以修理，同時(shí)修理成本很高[3]。所以，現(xiàn)代風(fēng)力領(lǐng)域發(fā)展過(guò)程中，對(duì)風(fēng)電機(jī)組齒輪故障具有高度重視，并對(duì)此展開(kāi)了諸多研究。

2.2 偏航與剎車(chē)系統(tǒng)故障

風(fēng)電機(jī)組工作過(guò)程中，應(yīng)實(shí)時(shí)對(duì)風(fēng)向予以監(jiān)測(cè)，并針對(duì)檢測(cè)結(jié)果，不斷對(duì)風(fēng)扇方向予以調(diào)節(jié)。外界環(huán)境風(fēng)速出現(xiàn)改變后，在變槳系統(tǒng)的控制下，可自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)輪葉片的角度，從而更好地對(duì)風(fēng)能進(jìn)行采集，確保整個(gè)風(fēng)電機(jī)組維持在高速運(yùn)行狀態(tài)。風(fēng)力發(fā)電時(shí)，若由于風(fēng)速過(guò)大，或是風(fēng)電機(jī)組自身發(fā)生問(wèn)題，在變槳系統(tǒng)的作用下，將風(fēng)輪葉片改變成順槳狀態(tài)，以此降低風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速。此外，在風(fēng)電機(jī)組當(dāng)中，還包含一個(gè)剎車(chē)系統(tǒng)，通過(guò)其對(duì)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)情況予以控制，待發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組中出現(xiàn)問(wèn)題后，在該系統(tǒng)的作用下，自動(dòng)將電源切斷，停止向風(fēng)電機(jī)組傳輸電能，從而使風(fēng)電機(jī)組停止運(yùn)行。但剎車(chē)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)摩擦片損耗速度較快，很容易導(dǎo)致剎車(chē)系統(tǒng)性能受損。

2.3 葉片故障

風(fēng)輪葉片是風(fēng)電機(jī)組中主要的風(fēng)能采集模塊，其在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)受到諸多方面因素的影響而發(fā)生故障。如葉片長(zhǎng)期裸露在自然環(huán)境當(dāng)中，會(huì)受到雨水的侵蝕，導(dǎo)致葉片出現(xiàn)腐蝕的問(wèn)題，使葉片表面變得更加粗糙；隨著葉片的不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)使葉片固定螺栓變得松動(dòng)，從而降低葉片的穩(wěn)定性，甚至?xí)霈F(xiàn)葉片甩出的現(xiàn)象。葉片出現(xiàn)問(wèn)題后會(huì)產(chǎn)生高頻瞬態(tài)的聲發(fā)射信號(hào)，根據(jù)這一特征可通過(guò)發(fā)射檢測(cè)的方式，對(duì)葉片是否損傷及損傷程度予以檢測(cè)。同時(shí)，當(dāng)葉片出現(xiàn)問(wèn)題后，將打破整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力平衡，使結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生一定的應(yīng)力，并通過(guò)主軸將應(yīng)力傳輸?shù)綑C(jī)艙，從而影響整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行。

3 風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)方法

3.1 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行控制時(shí)，主要采用兩種，一種為恒功率控制，另一種為恒電壓控制，若機(jī)組電壓保持恒定，隨著功率的改變，電導(dǎo)與電納也會(huì)不斷改變；若機(jī)組功率保持恒定，隨著電壓的改變，電導(dǎo)與電納也會(huì)逐漸變化。例如：變速恒頻風(fēng)電機(jī)組安裝時(shí)，以變頻器為主要媒介，與整個(gè)電網(wǎng)連接到一起，電力電子元件對(duì)過(guò)電流非常敏感，若電網(wǎng)出現(xiàn)問(wèn)題，變頻器會(huì)第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，為了防止變頻器出現(xiàn)故障，自動(dòng)將機(jī)組與電網(wǎng)切斷，使得電壓大幅度降落，嚴(yán)重情況下，甚至危害整個(gè)電網(wǎng)安全運(yùn)行。因此，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的電壓來(lái)說(shuō)，應(yīng)與并網(wǎng)點(diǎn)的電壓保持一致，當(dāng)20%預(yù)定電壓可以保持并網(wǎng)運(yùn)行625 ms 使得系統(tǒng)具有低電壓穿越能力，以提升機(jī)組的穩(wěn)定性[4]。

3.2 風(fēng)電智能監(jiān)控

為了確保風(fēng)電機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行，必須要對(duì)其進(jìn)行智能監(jiān)控，實(shí)時(shí)掌握機(jī)組的運(yùn)行情況，以此判斷機(jī)組是否出現(xiàn)故障。在風(fēng)電機(jī)組智能監(jiān)控當(dāng)中，主要有3 個(gè)方面：通過(guò)智能化傳感器的應(yīng)用，自動(dòng)采集風(fēng)電現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，并通過(guò)相應(yīng)的通信技術(shù)，將這些數(shù)據(jù)信息傳輸給控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)接收到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息后，利用風(fēng)電監(jiān)控模型的分析，判斷風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行情況，并產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令，以控制風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行；在對(duì)風(fēng)電機(jī)組控制的同時(shí)，清晰、直觀地將分析結(jié)果展示出來(lái)，提升相關(guān)工作人員對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行情況的了解程度。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 風(fēng)電機(jī)組智能巡檢中常見(jiàn)的智能化技術(shù)

4.1 無(wú)人機(jī)技術(shù)

無(wú)人機(jī)是現(xiàn)代人工智能技術(shù)的代表之一，近年來(lái)呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展的態(tài)勢(shì)，續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)，抗環(huán)境干擾能力更強(qiáng)等，正是由于其具有這些優(yōu)勢(shì)，使得無(wú)人機(jī)被廣泛應(yīng)用于很多室外作業(yè)活動(dòng)，包括風(fēng)電機(jī)組智能巡檢。通過(guò)無(wú)人機(jī)完成巡檢工作時(shí)，由無(wú)人機(jī)搭載各種航拍設(shè)備，無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中，不僅可以由人員通過(guò)按鍵遠(yuǎn)程控制，而且在特殊環(huán)境內(nèi)，還可由無(wú)人機(jī)自動(dòng)進(jìn)行控制，根據(jù)航拍環(huán)境的具體情況，自動(dòng)對(duì)飛行高度、航拍范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此獲得準(zhǔn)確的航拍結(jié)果。之后，將航拍獲得的結(jié)果傳輸?shù)椒治鱿到y(tǒng)，通過(guò)對(duì)航拍結(jié)果的分析，以此判斷風(fēng)電機(jī)組是否出現(xiàn)故障[5]。相對(duì)于傳統(tǒng)人工巡檢的方式，無(wú)人機(jī)巡檢減少了人員的參與度，不僅可以提高巡檢結(jié)果準(zhǔn)確性，而且還會(huì)提升訓(xùn)教效率，更重要的是不會(huì)對(duì)工作人員生命安全造成危害。

4.2 AR 技術(shù)

現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組智能巡檢時(shí)，對(duì)AR 技術(shù)進(jìn)行了廣泛應(yīng)用。所謂AR 技術(shù)，指的是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是通過(guò)相應(yīng)的技術(shù)手段，構(gòu)建出一種更加真實(shí)的虛擬空間，以帶給人們更加強(qiáng)力的視覺(jué)、感覺(jué)體驗(yàn)。巡檢過(guò)程中，通過(guò)智能眼鏡自動(dòng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)電設(shè)備信息予以采集，并根據(jù)采集到的結(jié)構(gòu)，自動(dòng)構(gòu)建或更新機(jī)組模型，將該模型傳輸給數(shù)據(jù)服務(wù)器后，產(chǎn)生相應(yīng)的巡檢指令，同時(shí)傳輸給智能眼鏡，巡檢人員通過(guò)智能眼鏡的佩戴，即可沉浸到構(gòu)建出來(lái)的虛擬空間當(dāng)中，以使巡檢人員對(duì)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行具有更加準(zhǔn)確的了解。具體流程如圖3所示。

圖3 基于AR 技術(shù)的風(fēng)電機(jī)組巡檢流程

5 風(fēng)電機(jī)組智能巡檢中的智能化技術(shù)的具體應(yīng)用

5.1 風(fēng)電機(jī)組艙內(nèi)巡檢

風(fēng)電機(jī)組艙內(nèi)，主要分成兩大模塊：①電氣模塊，主要是通過(guò)對(duì)電氣設(shè)備的后臺(tái)數(shù)據(jù)予以動(dòng)態(tài)采集、監(jiān)測(cè)與分析，以此判斷機(jī)組運(yùn)行時(shí)的電壓、頻率等情況；②機(jī)械模塊，用于評(píng)估油溫與油位水平。整個(gè)巡檢工作當(dāng)中，主要內(nèi)容為軸承等運(yùn)動(dòng)部件的潤(rùn)滑性能，對(duì)其進(jìn)行智能巡檢時(shí)，具體方案為：機(jī)艙上端兩側(cè)橫梁處，分別固定一套智能化監(jiān)測(cè)裝置，并通過(guò)光纖線纜的方式，與機(jī)柜內(nèi)的交換機(jī)連接到一起，采集到倉(cāng)內(nèi)信號(hào)后，以光纖收發(fā)器為主要工具，將其傳輸給分析模塊，以使分析模塊動(dòng)態(tài)對(duì)艙內(nèi)各元器件予以檢測(cè)。需要注意的是，艙內(nèi)依然有一些區(qū)域無(wú)法利用智能化系統(tǒng)檢測(cè)如輪轂等，這些區(qū)域則應(yīng)配合人工輔助，即人員佩戴頭盔式可視化風(fēng)電巡檢系統(tǒng)，通過(guò)頭盔上的攝像系統(tǒng)自動(dòng)拍攝艙內(nèi)信息，并通過(guò)無(wú)線通信的方式將拍攝信息傳輸給分析模塊，為分析模塊的運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持。

5.2 風(fēng)電機(jī)組外部巡檢

風(fēng)電機(jī)組巡檢時(shí)，不僅要對(duì)艙內(nèi)巡檢，而且還應(yīng)巡檢機(jī)組的外部，包括機(jī)組外部各元件是否損壞等，以保證所有元器件均具備良好的物理性能。外部巡檢過(guò)程中，可采用無(wú)人機(jī)技術(shù)或AR 技術(shù)，通過(guò)搭載無(wú)人機(jī)，全面對(duì)風(fēng)電機(jī)組的外部予以拍攝；利用AR 眼睛，準(zhǔn)確對(duì)機(jī)組各元器件予以識(shí)別，以準(zhǔn)確判斷機(jī)組外表是否出現(xiàn)損傷。

6 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代風(fēng)電領(lǐng)域快速發(fā)展的過(guò)程中，逐漸對(duì)風(fēng)電機(jī)組的巡檢提出更高的要求，為了確保風(fēng)電機(jī)組巡檢符合要求，則應(yīng)加強(qiáng)對(duì)無(wú)人機(jī)、AR 等人工智能技術(shù)的應(yīng)用，通過(guò)這些先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，降低巡檢難度，提升巡檢結(jié)果準(zhǔn)確性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)的故障與問(wèn)題，為整個(gè)風(fēng)電機(jī)組安全、穩(wěn)定地運(yùn)行提供支持。