智能化單兵設備在風電場中的應用

張幸福,王 毅,楊乘勝

(1.華電陜西能源有限公司,陜西 西安 710016;2.南京華盾電力信息安全測評有限公司,江蘇 南京 211106)

0 引言

能源是全球經濟高速發展的不竭動力,但隨著石油、煤炭等不可再生能源的日益短缺,以風能、光伏能等為主的可再生能源備受關注。在發電領域,可再生能源憑借資源豐富、綠色清潔的優勢,裝機容量不斷擴大。我國由于地理位置優越,擁有豐富的風能儲備,建設運營了很多陸上、海上風電場。但相比于傳統的火力發電方式,風電場一般所處地理位置分散、地形復雜,再加之風能具有季節性、隨機性的特點,增加了后期的管理難度。針對風電場站對其運營穩定存在的迫切需求,本文探討如何將先進的智能化單兵設備引入風電場運營,輔助風電場管理工作人員完成日常的運維任務,實現風電場的高效運營。

1 風電場智能化管理現狀

2012年,發改委發布了《“十二五”可再生能源發展規劃》,明確了可再生能源的發展目標。在國家有利政策的指引下,風力發電建設進入了高速發展時期[1]。國家統計局發布的2020年國民經濟和社會發展統計公報顯示,國內風電裝機總容量約為3億kW,增幅達30%以上。面對如此大的風力發電體量,如何在生產運營管理中及時對風電設備運行維護,快速實現指揮調度,對增強風電企業綜合競爭力有著非常重大的意義。

在風電場運行維護方面,當前的運維模式主要分為以下兩種:計劃性運維與非計劃性運維[2-3]。計劃性運維是一種主動運維模式,是指運維工作人員按照事先制定好的運維計劃對風電場重要設備、部件進行檢查,并做好運維記錄;非計劃運維是一種被動式運維模式,是指在風電場設備運行出現異常狀態時臨時安排的運維計劃。由于風電場大多處在偏遠地區,人員到場十分困難,運維難度大,所以基本都是依靠運維人員現場進行運維。另外,運維過程對工作人員的技術要求非常高,很多風電企業會委托設備廠商負責運維,此種方式會產生高昂的運維費用,增加了運營成本。

在風電場指揮調度方面,由于風電場部署在偏遠地帶,風電機組的間距大,一旦發生應急事件,應急工作人員需要第一時間趕往現場并將現場情況及時反饋,指揮中心的專家組會根據反饋結果制定快速的應急搶修方案,遠程指揮現場工作人員如何操作[4]。因此,為保障風電場安全,迫切需要建設現場應急指揮智能化裝備系統。從當前現狀來看,已經逐步有物聯網、人工智能、云計算、無人機、智能單兵裝備投入使用[4],但整體利用效率不高,沒有形成更加智能的、貫穿風電場指揮管理全過程的IT管理體系。

風電場設備類型多樣化。大多數風電場建設都是采用分批投資建設,因此在一個風電場內很可能存在多個廠商的設備。由于行業競爭各廠商設備、管理系統存在不兼容問題,很難實現相關設備的全周期、集中化管理。

風電場所處環境惡劣。根據風能的分布,風電場所處地理位置大多較為偏僻,環境非常惡劣。較大型的交通工具無法到達,需要運維人員遠距離徒步實現運維。

風電機組架設分散。為了獲取更大的風能,風電機組間架設間距大,且每個風電機組的高度較高,葉輪長度較長,也增加了運維難度。

風電機組工作原理復雜。為了保證在不同風力情況下整個風電機組能夠正常運轉,內部增加了許多元部件以保證風電機組的安全,但出現故障較難排查。

風電場智能化程度不高。由于現有風電場各類指揮、管理系統較多,現場數據采集手段受限,各系統整合程度不夠,仍然存在信息孤島,導致智能決策能力不足。

2 智能化單兵設備組成

一套完整的智能化單兵應用平臺包括3大部分:智能單兵系統(包括可穿戴設備和平板操作終端)、數據傳輸網絡和智能管控平臺。

智能單兵系統由可穿戴設備和平板操作終端組成,可實現后臺管理人員與現場工作人員的實時語音、視頻通信,并通過北斗衛星定位實現對現場人員的定位。其中,可穿戴設備以智能頭盔形式供現場人員使用,由照明模塊、視覺采集模塊、語音對講模塊、數據收發模塊、系統自檢模塊、電池供電模塊組成。

照明模塊主要實現對現場操作環境的照明,在風電場現場操作過程中,該模塊能夠解決現場光線昏暗場景,按照目前的節能省電方式,選擇配備具有LED燈珠的照明設備。視覺采集模塊用來獲取現場工作人員的場景視頻,通過數據傳輸網絡傳到后臺智能管控平臺,供后臺管理人員查看。語音對講模塊用于與后臺管理人員實時通信,實現實時語音指揮或指導,在語音通信過程中要保證語音信號質量。信息收發模塊主要實現可穿戴設備與平板操作終端、后臺智能管控平臺的數據交互,至少配備5G、WiFi兩種通信子模塊,可選的還有藍牙通信模塊。系統自檢模塊主要實現對可穿戴設備的自動檢測功能,包括查看系統啟動是否成功,系統各模塊運行是否正常,電池電量是否充足,如果出現啟動異常,發出警報信息。

平板操作終端用高級別三防平板電腦加裝終端系統,可實現后臺管理人員與現場工作人員的作業任務交互,包括作業任務下發、作業任務同步、作業任務操作規范、作業任務監控等一系列功能,確保數據的實時、準確,滿足現場操作需求。

數據傳輸網絡主要實現智能單兵系統與后臺智能管控平臺的網絡聯通,由于智能單兵系統的工作環境靈活,有線方式很難滿足業務需求,因此聯通方式主要以無線方式為主。具體的聯通的方式包括5G通信、WiFi等方式,對于5G通信尚未覆蓋的及其偏遠地區可采用5G通信車或切換其他可用無線專網網絡進行連接。

智能管控平臺是智能單兵系統的前端應用平臺,典型的智能管控平臺的總體架構如圖1所示。

圖1 典型的智能管控平臺總體結構

感知層主要負責接入智能單兵設備、智能機器人設備、智能無人機設備、各類傳感器,獲取相應數據。

網絡層提供了多種可用網絡的支持,包括5G、4G、WiFi、專有網絡等。

平臺層構建基于大數據的存儲(Hadoop HDFS)/計算(Hadoop MapReduce)平臺,提供統一的數據服務、應用服務和配置管理服務。

應用層構建了應急指揮、遠程協助、輔助巡檢、檢測監控、自動巡檢、后臺配置等具體業務應用功能。

3 智能單兵系統的設計

3.1 智能單兵可穿戴系統的設計

只有解放了巡檢人員的雙手,才能提高巡檢人員的工作效率,提升其工作的安全性。因此,智能化單兵設備的核心是可穿戴設備。最理想的可穿戴設備是具備智能化、集成化、輕量化的單兵頭盔。單兵頭盔應該具有如下功能:照明、攝像、通話、數據傳輸、高壓范圍報警、測溫等。本文對實現主要功能頭盔部件的選擇依據和技術指標進行了研究。

結合風電場巡檢的需要,筆者通過對比各類照明光源發現LED光源具有體積小、耗電低、亮度強的特點。因此筆者選擇了功率為5 W的LED頭燈作為單兵頭盔的照明光源。為了實現巡檢和檢修的畫面實時傳輸,單兵頭盔的攝像頭需要滿足體積小、能耗低、自帶電池、工業級防水、像素達到2 000萬,具有即插即用的USB插口和無線傳輸功能。

為了保證巡檢人員和后臺人員的順暢溝通,經過實驗,單兵設備的無線耳麥需要滿足如下技術參數。頻率范圍:20 Hz~15 000 Hz;靈敏度:90 dB;無線發射器:2.40 GHz;傳輸距離:10 m~15 m;耳機電池:400 mAh長效鋰離子電池。

高壓范圍報警裝置是巡檢人員工作時人身安全的重要保障。報警裝置應該具有如下特點:警示明顯、聲音警示和燈光警示相結合、距離越近警示越為明顯、易于安裝、耗電低、報警距離可調。

3.2 單兵平板操作終端的設計

單兵使用的平板操作終端需要滿足界面簡介、字體大、功能全面的要求。而平板應選擇搭載Android操作系統的產品。這是因為Android操作系統具有適配性好、通用性強的特點。本文在Android操作系統上設計了巡檢軟件系統。該軟件系統可以允許巡檢人員查看作業指導書、記錄巡視設備的運行數據、設備二維碼掃描和數據的存儲和傳輸的功能。

4 智能化單兵設備在風電場中的應用流程

智能化單兵系統的應用及流程包括以下幾個方面。

4.1 日常智能巡檢

在沒有配備智能單兵系統的情況下,日常的巡檢任務需要通過手機通話、對講的形式將巡檢的情況進行反饋,只能依靠自覺遵守操作規程,操作規程監控機制不到位,容易引發危險。

在智能單兵系統引入后,在很大程度上解決了上述巡檢難題,更能適合惡劣的巡檢環境,比如管線昏暗、高難度巡檢任務環境等。首先,在日常巡檢中,后臺管理人員可以下發巡檢任務給現場人員,現場人員根據巡檢任務進行巡檢。其次,在巡檢過程中,智能單兵系統可以通過視頻監控、北斗定位等重要實時數據,并結合巡檢操作規范,自動檢測現場人員操作的合規性,如果發現有不合規情況出現,及時發出警報信息,并將此情況上報給后臺管理人員。再次,后臺管理人員可以通過語音對講、視頻指揮的形式對現場巡檢人員進行及時指導和指揮。最后在巡檢任務結束后,對巡檢過程進行自動評估,發現潛在的問題并及時規避,以指導后續巡檢。

4.2 應急指揮調度

一些大型的風電場會定期進行大規模巡檢,在巡檢過程中同時指派更多的工作人員分散到風電場的各個區域進行指定巡檢,在沒有智能單兵系統的情況下同時對多人進行指揮調度有一定難度,指揮調度效率十分低下。

在智能化單兵系統引入以后,多個巡檢人員配置相應單兵系統進入指定巡檢場所,管理人員會在后臺智能管控平臺,結合GIS地圖,實時查看每一個巡檢人員當前的北斗定位、進行的巡檢工作、整體巡檢完成進度、巡檢人員違規操作情況等實時信息,管理人員可隨時與單人、分組或全體現場巡檢單兵進行語音通信,隨時調整巡檢任務。

4.3 專家輔助排障

在風電場設備檢修過程中,現場人員難免遇到一些難處理的情況。在沒有配備智能化單兵系統時,在現場遇到難以解決的問題時,需要通過電話、對講的形式與技術精湛的專家進行溝通,溝通過程往往需要花費較長的時間。

在配備智能化單兵系統后,可以大大緩解上述問題。在遇到如上的檢修難題時,可以直接通過語音、視頻進行在線溝通,外加數據共享的方式將現場設備運行參數及時發送給技術專家,快速地解決問題,提高效率,降低檢修成本。

5 結語

在當前不可再生資源日益短缺的前提下,以風電為主的可再生資源以其資源綠色環保的優勢備受關注。本文在總結當前風電場運營中遇到的問題的基礎上,將智能化單兵設備引入風電場,給出了在日常運維、應急指揮、專家輔助診斷的應用模式和管理方法,能夠在一定程度上降低成本,提高效率。