風電場安全生產管理系統(tǒng)研究與應用

摘要：我國新能源行業(yè)正加速發(fā)展，同時環(huán)境因素帶來的挑戰(zhàn)影響著系統(tǒng)的安全運行?，F(xiàn)有巡檢方式多為人工巡檢，難以滿足風電巡檢全空間、全信息綜合高效管理的需求。針對該問題，在分析風電機組場景數(shù)據、風電設施、運維需求的基礎上，研究了基于北斗高精度定位的沉降觀測、無人機智能巡檢、風電場安全運行數(shù)據時空共享等關鍵技術，設計開發(fā)了風電場安全生產管理系統(tǒng)，包含沉降監(jiān)測、智能巡檢、缺陷處置、北斗通信等功能模塊，為風電場協(xié)同智能規(guī)劃和運維提供實時高效的決策支持，并在大石崖風電場進行實證應用，有效提升了復雜環(huán)境中運維管理的適應性。

關鍵詞：風電場；運維管理；智慧巡檢；沉降監(jiān)測

中圖分類號：TP277" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）03-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.03.001

0" " 引言

中國為發(fā)展低碳經濟提出了碳達峰和碳中和目標，包括風力發(fā)電在內的可再生能源發(fā)展迅猛[1]，在陸地建有大量風力發(fā)電機組[2]。我國風電大規(guī)模投運時間短，運行管理主要參照火電運行經驗，暫未形成適合風電場特點的管理模式，并且風電建設規(guī)模的快速增長導致風電各專業(yè)人才緊缺，且風電場大多地處偏遠艱苦地區(qū)，難以吸引人才、穩(wěn)定人員。

現(xiàn)階段，風電場存量風機設備逐步超過質保期，需頻繁進行自主檢修維護，導致安全運維成本急速增加。加之風電場內風機地域分散，交通距離遠，導致人工巡檢、維修周期長[3]。雖然少數(shù)風電場使用無人機代替人員開展設備巡檢，但拍攝圖像仍依靠人工判讀，效率較低[4-5]。風機機艙、槳葉在高空風荷載作用與自身重力作用下向塔筒傳遞壓力及扭力，會導致風機傾斜、沉降[6]。當桿塔出現(xiàn)嚴重形變時，將導致風機設備發(fā)生倒塌，造成人員和經濟損失[7]?，F(xiàn)階段風電場多邀請專業(yè)機構利用水準儀對風機進行沉降觀測[8]，無法實時掌握風機傾斜沉降狀態(tài)。為保障風電機組安全穩(wěn)定運行，研發(fā)一套具有“空地融合一體”智能巡檢與風機實時沉降監(jiān)測功能的安全生產管理系統(tǒng)具有一定的必要性。

本文所述系統(tǒng)已在大石崖風電場完成試點建設，系統(tǒng)融合北斗高精度定位、無人機智能巡檢、深度學習、北斗三號融合通信等技術，通過分布式微服務架構，構建風電機組安全監(jiān)測和智能巡檢服務體系。

1" " 系統(tǒng)總體設計

總體架構設計分為感知層、網絡層、邊緣層、平臺層及業(yè)務層，總體架構圖如圖1所示。

1.1" " 感知層

在風電場站端為作業(yè)人員配備北斗手持終端和智能安全帽，開展人員安全和作業(yè)安全管理；在站內部署巡檢無人機，開展風機葉片缺陷巡檢等業(yè)務；在風機周圍安裝北斗沉降監(jiān)測終端，監(jiān)測風機地基沉降狀態(tài)。

1.2" " 網絡層

位于新能源電場的站端，通過NB-IoT、Wi-Fi、LoRa、藍牙、4G/5G、以太網或專線等無線、有線網絡通信方式傳輸感知層數(shù)據。

1.3" " 邊緣層

位于風電場的站端，由邊緣物聯(lián)系統(tǒng)、安全接入網關組成。其中站端所有數(shù)據通過安全網關接入邊緣物聯(lián)系統(tǒng)，邊緣物聯(lián)系統(tǒng)主要提供模型解析、接入設備管理、數(shù)據匯聚接入、視頻接入、規(guī)則引擎、站端隱患預警、輔控系統(tǒng)聯(lián)動和感知智能協(xié)同等服務。邊緣層通過互聯(lián)網或內網與平臺層進行數(shù)據交互，使用網閘和物理隔離裝置等保證平臺層安全。

1.4" " 平臺層

采用分布式微服務架構搭建底層架構，根據業(yè)務將項目整體劃分為獨立服務，各微服務間通過Rest API實現(xiàn)相互調用，并發(fā)布至微服務容器中，實現(xiàn)業(yè)務聯(lián)動，從而達到業(yè)務、人員上的松耦合，提高整個平臺的擴展能力，即需求快速迭代能力。平臺層劃分為數(shù)據分析、北斗沉降監(jiān)測、安全預警、綜合巡檢、融合通信服務、高精度位置服務、GIS引擎、統(tǒng)一認證中心、AI模型中心等9類服務，從而支撐各類業(yè)務需求。

1.5" " 業(yè)務層

依托于平臺層的各項能力，開展風電站形變監(jiān)測、綜合巡檢、智能風險辨識等業(yè)務，主要包括巡檢任務查看、巡檢視頻查看、巡檢記錄管理、巡檢軌跡查看、巡檢結果查看、沉降監(jiān)測、沉降預警、沉降趨勢分析、視頻接入等。通過對部署電站各類資源統(tǒng)一管理、安全狀態(tài)實時監(jiān)測、時空信息統(tǒng)一匯聚，實現(xiàn)對新能源電站的安全生產管理。

2" " 功能設計

主要包括系統(tǒng)主界面、沉降監(jiān)測子模塊、智能巡檢子模塊、缺陷處置子模塊和北斗通信子模塊等功能。

2.1" " 系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)主界面通過匯聚設備統(tǒng)計數(shù)據、缺陷數(shù)據、實時沉降數(shù)據、消缺數(shù)據、巡檢數(shù)據等，使用各類圖表展示統(tǒng)計分析結果。通過電子地圖展示各個風機的位置分布和實時沉降監(jiān)測狀態(tài)，展示巡檢無人機和巡檢人員實時位置，以及進行中的巡檢或消缺工作。具體如圖2所示。

2.2" " 沉降監(jiān)測子模塊

沉降監(jiān)測模塊主要通過北斗高精度定位技術，監(jiān)測風機的沉降狀態(tài)，接入風機沉降監(jiān)測實時數(shù)據并進行展示，根據實時數(shù)據與預警值進行比對，判定風機沉降實時狀態(tài)。各風機沉降監(jiān)測界面如圖3所示。界面還可查詢風機的歷史沉降趨勢，選取多臺位置風機進行趨勢對比，從而判定一定區(qū)域內風機沉降的趨勢變化，為安全生產提供支撐。

2.3" " 智能巡檢子模塊

智能巡檢模塊主要通過無人機和深度學習技術相結合，實現(xiàn)無人機巡檢航線自動規(guī)劃、無人控制自動巡檢和無人機拍攝圖片的智能識別。通過接入巡檢人員佩戴的智能安全帽得到定位和視頻等數(shù)據，形成巡檢人員軌跡，并對人員操作進行全程跟蹤，形成操作實時反饋意見。該模塊主要功能包括無人機智能巡檢、人員巡檢計劃的制定和任務的下達、巡檢過程的跟蹤、巡檢結果的查看；無人機在風機現(xiàn)場按照下達的任務自動對風機的塔筒、葉片、機艙等部位開展巡檢和拍攝圖片，拍攝的圖片通過AI識別，發(fā)現(xiàn)風機的缺陷信息并進行預警。圖4所示為智能巡航拍攝并分析葉片隱裂。

2.4" " 缺陷處置子模塊

缺陷處置模塊主要通過物聯(lián)網技術接入處置缺陷人員佩戴的智能安全帽，得到定位和視頻等數(shù)據，跟蹤缺陷處置過程，遠程保障人員安全。圖5所示為系統(tǒng)缺陷記錄及消缺情況界面，功能主要包括實現(xiàn)人員巡檢發(fā)現(xiàn)的風機缺陷和AI識別發(fā)現(xiàn)的風機缺陷的信息統(tǒng)計和處置計劃的管理，處置過程的跟蹤，處置結果的查看。

2.5" " 北斗通信子模塊

北斗通信模塊通過北斗三號短報文技術，可實現(xiàn)在無蜂窩網絡下由系統(tǒng)向北斗手持終端發(fā)送消息，接收北斗手持終端發(fā)送的消息，保障遠程調度指揮的及時性。圖6所示為系統(tǒng)北斗通信界面。人員持北斗手持終端，發(fā)生危險時，在無任何蜂窩網絡的情況下可向平臺發(fā)送報警信息，保障人員安全。

3" " 關鍵技術研究及應用

3.1" " 基于北斗高精度定位的沉降觀測技術研究與應用

采用北斗高精度定位技術，對風機沉降進行監(jiān)測。澆筑與風機底座一體的觀測墩，在觀測墩上安裝北斗沉降監(jiān)測終端，并選擇基礎較穩(wěn)固的地點安裝北斗沉降基準站。各北斗沉降監(jiān)測終端與北斗沉降基準站實時接收衛(wèi)星定位信號，并通過數(shù)據通信網絡實時發(fā)送到系統(tǒng)，對數(shù)據進行分析，獲取各監(jiān)測終端實時三維坐標，與初始坐標進行對比而獲得該監(jiān)測終端的變化量。

3.2" " 無人機智能巡檢研究與應用

使用無人機對風機葉片進行巡檢，通常的方案是在風機停機時通過手動控制前進或倒車，使被巡檢風機的葉片每次均停留在指定的位置上，手動控制風機轉向至固定的方向，無人機采用固定巡檢路線對風機葉片進行巡檢，并拍攝葉片的圖片。因為風機方向、葉片停留位置、無人機巡檢路線均需固定，每次巡檢前需要進行人工操作，造成無人機巡檢效率無法提高。通過研究一種動態(tài)的智能巡檢方案，將動態(tài)建模和智能算法結合，提出一種無人機智能動態(tài)巡檢方案。在無人機起飛后對風機方向和葉片停留位置建模，指導其按規(guī)劃巡檢路線對風機葉片進行自動巡檢，通過深度學習技術，自動分析風機膠衣脫落、裂紋等表性缺陷，并出具巡檢報告，提高無人機的巡檢效率。

3.3" " 北斗三號融合通信技術研究與應用

巡檢過程中，人員會進入4G/5G未覆蓋區(qū)域，此時人員的定位及業(yè)務數(shù)據無法回傳至平臺，亦無法知悉巡檢人員的位置和業(yè)務進展。因此，通過研究北斗短報文+4G/5G融合通信方式，傳輸人員定位數(shù)據和業(yè)務數(shù)據。在4G/5G覆蓋范圍內，通過4G/5G傳輸人員定位數(shù)據和業(yè)務數(shù)據；在4G/5G覆蓋范圍外，將人員定位數(shù)據和業(yè)務數(shù)據使用北斗短報文通過北斗衛(wèi)星鏈路回傳至平臺。

4" " 結束語

新能源電場具有“小、散、遠”的特點，要對地域上廣泛分布的設備狀態(tài)進行監(jiān)測、控制、管理及維護是十分困難和煩瑣的，需要大量的人力、物力和財力。本系統(tǒng)通過北斗、物聯(lián)網、AI等先進技術，為風電站的安全生產管理提供了輔助決策和智能化運營工具，對于提高電站運營維護的安全性，增強電站的運行效能，提升電站的整體運營和管理水平具有十分重要的意義，有利于有效消除安全生產管理盲區(qū)。

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收稿日期：2024-10-14

作者簡介：劉術（1986—），男，湖南常德人，工程師，研究方向：新能源電站生產運維與安全管理。

通信作者：唐高翔（1995—），男，吉林四平人，助理工程師，研究方向：新能源電站運行與安全管理。