智能化单兵设备在风电场中的应用
时间：2022-11-18 19:25:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
张幸福,王 毅,杨乘胜
(1.华电陕西能源有限公司,陕西 西安 710016;2.南京华盾电力信息安全测评有限公司,江苏 南京 211106)
能源是全球经济高速发展的不竭动力,但随着石油、煤炭等不可再生能源的日益短缺,以风能、光伏能等为主的可再生能源备受关注。在发电领域,可再生能源凭借资源丰富、绿色清洁的优势,装机容量不断扩大。我国由于地理位置优越,拥有丰富的风能储备,建设运营了很多陆上、海上风电场。但相比于传统的火力发电方式,风电场一般所处地理位置分散、地形复杂,再加之风能具有季节性、随机性的特点,增加了后期的管理难度。针对风电场站对其运营稳定存在的迫切需求,本文探讨如何将先进的智能化单兵设备引入风电场运营,辅助风电场管理工作人员完成日常的运维任务,实现风电场的高效运营。
2012年,发改委发布了《“十二五”可再生能源发展规划》,明确了可再生能源的发展目标。在国家有利政策的指引下,风力发电建设进入了高速发展时期[1]。国家统计局发布的2020年国民经济和社会发展统计公报显示,国内风电装机总容量约为3亿kW,增幅达30%以上。面对如此大的风力发电体量,如何在生产运营管理中及时对风电设备运行维护,快速实现指挥调度,对增强风电企业综合竞争力有着非常重大的意义。
在风电场运行维护方面,当前的运维模式主要分为以下两种:计划性运维与非计划性运维[2-3]。计划性运维是一种主动运维模式,是指运维工作人员按照事先制定好的运维计划对风电场重要设备、部件进行检查,并做好运维记录;非计划运维是一种被动式运维模式,是指在风电场设备运行出现异常状态时临时安排的运维计划。由于风电场大多处在偏远地区,人员到场十分困难,运维难度大,所以基本都是依靠运维人员现场进行运维。另外,运维过程对工作人员的技术要求非常高,很多风电企业会委托设备厂商负责运维,此种方式会产生高昂的运维费用,增加了运营成本。
在风电场指挥调度方面,由于风电场部署在偏远地带,风电机组的间距大,一旦发生应急事件,应急工作人员需要第一时间赶往现场并将现场情况及时反馈,指挥中心的专家组会根据反馈结果制定快速的应急抢修方案,远程指挥现场工作人员如何操作[4]。因此,为保障风电场安全,迫切需要建设现场应急指挥智能化装备系统。从当前现状来看,已经逐步有物联网、人工智能、云计算、无人机、智能单兵装备投入使用[4],但整体利用效率不高,没有形成更加智能的、贯穿风电场指挥管理全过程的IT管理体系。
风电场设备类型多样化。大多数风电场建设都是采用分批投资建设,因此在一个风电场内很可能存在多个厂商的设备。由于行业竞争各厂商设备、管理系统存在不兼容问题,很难实现相关设备的全周期、集中化管理。
风电场所处环境恶劣。根据风能的分布,风电场所处地理位置大多较为偏僻,环境非常恶劣。较大型的交通工具无法到达,需要运维人员远距离徒步实现运维。
风电机组架设分散。为了获取更大的风能,风电机组间架设间距大,且每个风电机组的高度较高,叶轮长度较长,也增加了运维难度。
风电机组工作原理复杂。为了保证在不同风力情况下整个风电机组能够正常运转,内部增加了许多元部件以保证风电机组的安全,但出现故障较难排查。
风电场智能化程度不高。由于现有风电场各类指挥、管理系统较多,现场数据采集手段受限,各系统整合程度不够,仍然存在信息孤岛,导致智能决策能力不足。
一套完整的智能化单兵应用平台包括3大部分:智能单兵系统(包括可穿戴设备和平板操作终端)、数据传输网络和智能管控平台。
智能单兵系统由可穿戴设备和平板操作终端组成,可实现后台管理人员与现场工作人员的实时语音、视频通信,并通过北斗卫星定位实现对现场人员的定位。其中,可穿戴设备以智能头盔形式供现场人员使用,由照明模块、视觉采集模块、语音对讲模块、数据收发模块、系统自检模块、电池供电模块组成。
照明模块主要实现对现场操作环境的照明,在风电场现场操作过程中,该模块能够解决现场光线昏暗场景,按照目前的节能省电方式,选择配备具有LED灯珠的照明设备。视觉采集模块用来获取现场工作人员的场景视频,通过数据传输网络传到后台智能管控平台,供后台管理人员查看。语音对讲模块用于与后台管理人员实时通信,实现实时语音指挥或指导,在语音通信过程中要保证语音信号质量。信息收发模块主要实现可穿戴设备与平板操作终端、后台智能管控平台的数据交互,至少配备5G、WiFi两种通信子模块,可选的还有蓝牙通信模块。系统自检模块主要实现对可穿戴设备的自动检测功能,包括查看系统启动是否成功,系统各模块运行是否正常,电池电量是否充足,如果出现启动异常,发出警报信息。
平板操作终端用高级别三防平板电脑加装终端系统,可实现后台管理人员与现场工作人员的作业任务交互,包括作业任务下发、作业任务同步、作业任务操作规范、作业任务监控等一系列功能,确保数据的实时、准确,满足现场操作需求。
数据传输网络主要实现智能单兵系统与后台智能管控平台的网络联通,由于智能单兵系统的工作环境灵活,有线方式很难满足业务需求,因此联通方式主要以无线方式为主。具体的联通的方式包括5G通信、WiFi等方式,对于5G通信尚未覆盖的及其偏远地区可采用5G通信车或切换其他可用无线专网网络进行连接。
智能管控平台是智能单兵系统的前端应用平台,典型的智能管控平台的总体架构如图1所示。
图1 典型的智能管控平台总体结构
感知层主要负责接入智能单兵设备、智能机器人设备、智能无人机设备、各类传感器,获取相应数据。
网络层提供了多种可用网络的支持,包括5G、4G、WiFi、专有网络等。
平台层构建基于大数据的存储(Hadoop HDFS)/计算(Hadoop MapReduce)平台,提供统一的数据服务、应用服务和配置管理服务。
应用层构建了应急指挥、远程协助、辅助巡检、检测监控、自动巡检、后台配置等具体业务应用功能。
3.1 智能单兵可穿戴系统的设计
只有解放了巡检人员的双手,才能提高巡检人员的工作效率,提升其工作的安全性。因此,智能化单兵设备的核心是可穿戴设备。最理想的可穿戴设备是具备智能化、集成化、轻量化的单兵头盔。单兵头盔应该具有如下功能:照明、摄像、通话、数据传输、高压范围报警、测温等。本文对实现主要功能头盔部件的选择依据和技术指标进行了研究。
结合风电场巡检的需要,笔者通过对比各类照明光源发现LED光源具有体积小、耗电低、亮度强的特点。因此笔者选择了功率为5 W的LED头灯作为单兵头盔的照明光源。为了实现巡检和检修的画面实时传输,单兵头盔的摄像头需要满足体积小、能耗低、自带电池、工业级防水、像素达到2 000万,具有即插即用的USB插口和无线传输功能。
为了保证巡检人员和后台人员的顺畅沟通,经过实验,单兵设备的无线耳麦需要满足如下技术参数。频率范围:20 Hz~15 000 Hz;灵敏度:90 dB;无线发射器:2.40 GHz;传输距离:10 m~15 m;耳机电池:400 mAh长效锂离子电池。
高压范围报警装置是巡检人员工作时人身安全的重要保障。报警装置应该具有如下特点:警示明显、声音警示和灯光警示相结合、距离越近警示越为明显、易于安装、耗电低、报警距离可调。
3.2 单兵平板操作终端的设计
单兵使用的平板操作终端需要满足界面简介、字体大、功能全面的要求。而平板应选择搭载Android操作系统的产品。这是因为Android操作系统具有适配性好、通用性强的特点。本文在Android操作系统上设计了巡检软件系统。该软件系统可以允许巡检人员查看作业指导书、记录巡视设备的运行数据、设备二维码扫描和数据的存储和传输的功能。
智能化单兵系统的应用及流程包括以下几个方面。
4.1 日常智能巡检
在没有配备智能单兵系统的情况下,日常的巡检任务需要通过手机通话、对讲的形式将巡检的情况进行反馈,只能依靠自觉遵守操作规程,操作规程监控机制不到位,容易引发危险。
在智能单兵系统引入后,在很大程度上解决了上述巡检难题,更能适合恶劣的巡检环境,比如管线昏暗、高难度巡检任务环境等。首先,在日常巡检中,后台管理人员可以下发巡检任务给现场人员,现场人员根据巡检任务进行巡检。其次,在巡检过程中,智能单兵系统可以通过视频监控、北斗定位等重要实时数据,并结合巡检操作规范,自动检测现场人员操作的合规性,如果发现有不合规情况出现,及时发出警报信息,并将此情况上报给后台管理人员。再次,后台管理人员可以通过语音对讲、视频指挥的形式对现场巡检人员进行及时指导和指挥。最后在巡检任务结束后,对巡检过程进行自动评估,发现潜在的问题并及时规避,以指导后续巡检。
4.2 应急指挥调度
一些大型的风电场会定期进行大规模巡检,在巡检过程中同时指派更多的工作人员分散到风电场的各个区域进行指定巡检,在没有智能单兵系统的情况下同时对多人进行指挥调度有一定难度,指挥调度效率十分低下。
在智能化单兵系统引入以后,多个巡检人员配置相应单兵系统进入指定巡检场所,管理人员会在后台智能管控平台,结合GIS地图,实时查看每一个巡检人员当前的北斗定位、进行的巡检工作、整体巡检完成进度、巡检人员违规操作情况等实时信息,管理人员可随时与单人、分组或全体现场巡检单兵进行语音通信,随时调整巡检任务。
4.3 专家辅助排障
在风电场设备检修过程中,现场人员难免遇到一些难处理的情况。在没有配备智能化单兵系统时,在现场遇到难以解决的问题时,需要通过电话、对讲的形式与技术精湛的专家进行沟通,沟通过程往往需要花费较长的时间。
在配备智能化单兵系统后,可以大大缓解上述问题。在遇到如上的检修难题时,可以直接通过语音、视频进行在线沟通,外加数据共享的方式将现场设备运行参数及时发送给技术专家,快速地解决问题,提高效率,降低检修成本。
在当前不可再生资源日益短缺的前提下,以风电为主的可再生资源以其资源绿色环保的优势备受关注。本文在总结当前风电场运营中遇到的问题的基础上,将智能化单兵设备引入风电场,给出了在日常运维、应急指挥、专家辅助诊断的应用模式和管理方法,能够在一定程度上降低成本,提高效率。
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