李清東，盧鵬舉，潘巧波，曹 力，從鴻勝，杜虹錦

(1.內(nèi)蒙古華電蒙東能源有限公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000；2.華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

0 引 言

近二十年來，隨著中國清潔可再生能源的迅速崛起，風(fēng)力發(fā)電作為新能源主力軍得到長足的發(fā)展[1-3]。目前由于風(fēng)電機組數(shù)量多、故障頻發(fā)、地處偏遠、環(huán)境惡劣、檢維人員少等突出特點，給風(fēng)電場的管理帶來很大困難。其著重體現(xiàn)在機組事故頻發(fā)、大部件損壞嚴重、管理成本高、盈利難等問題[4-5]。

目前電力行業(yè)廣泛聚焦于數(shù)字電廠、智慧電廠等研究熱點，并提出一系列的實施方案。文獻[6]列舉了眾多海內(nèi)外有代表性的數(shù)字化工廠運行狀況，闡明了數(shù)字化電廠概念，并進一步的分析了數(shù)字化電廠的特點及所包含的層面、國內(nèi)現(xiàn)狀，以及與國外先進水平的差距。文獻[7]基于智慧化電力基本構(gòu)成，全新的提出“智慧-全數(shù)字化”體系的概念，該體系包含兩個部分：智慧主體和全數(shù)字技術(shù)。智慧主體對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和信息采用智能化的模式進行分析和處理，并衍生出更多的數(shù)據(jù)、信息與知識；全數(shù)字化技術(shù)是信息傳送和處理的一種方式，為智慧主體的運行提供數(shù)據(jù)和信息?？偟膩碚f，在國內(nèi)數(shù)字電廠各類型發(fā)電系統(tǒng)中是一種全新的理念，從概念形成、方案策劃、試點實施，進而到大范圍推廣應(yīng)用還需要投入更多研究資金和技術(shù)力量。

通過充分利用風(fēng)電機組SCADA監(jiān)控系統(tǒng)和CMS在線振動監(jiān)測系統(tǒng)已有條件，應(yīng)用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等先進技術(shù)，規(guī)范設(shè)備巡檢管理，減少人員巡檢工作量，提高風(fēng)電機組智能巡檢質(zhì)量和效率，避免機組因巡檢不到位導(dǎo)致重大事故。文中提出一種運用于風(fēng)電機組日常管理中的數(shù)字電廠智能巡檢技術(shù)，通過圖像識別、紅外識別等智能化手段實現(xiàn)多區(qū)域、多機組的智能巡檢。數(shù)字電廠將所有機組信號數(shù)字化、所有管理內(nèi)容數(shù)字化，然后應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)可靠而準確的數(shù)字化信息交換、跨平臺的資源實時共享，進而優(yōu)化生產(chǎn)管理，為機組安全可靠運行提供科學(xué)指導(dǎo)。通過風(fēng)電機組智能巡檢的實施，以實現(xiàn)巡檢機組全覆蓋、巡檢周期全覆蓋、巡檢項目全覆蓋，降低發(fā)電成本、提高上網(wǎng)電量、減少設(shè)備故障，最終實現(xiàn)電廠的安全、經(jīng)濟運行和節(jié)能增效。

1 整體架構(gòu)

考慮到目前風(fēng)電區(qū)域公司集中管理的特殊方式，數(shù)字電廠智能巡檢平臺在區(qū)域已建立的集控平臺和診斷平臺基礎(chǔ)上，采用"兩級應(yīng)用兩級部署+廠級采集系統(tǒng)"的部署方式，即在風(fēng)電場部署廠級數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時建設(shè)區(qū)域集控診斷數(shù)據(jù)中心和集團大數(shù)據(jù)平臺[8]，新能源數(shù)字化電廠網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 新能源數(shù)字化電廠網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

風(fēng)電機組的巡檢主要分為機艙內(nèi)部和機艙外部。機艙內(nèi)部主要包括電氣系統(tǒng)、機械系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)重點關(guān)注電氣設(shè)備的溫度、電壓、電流、頻率等指標；機械系統(tǒng)重點關(guān)注油溫、油位、振動等指標。

機艙外部主要是葉片、塔筒、塔基。風(fēng)電機組智能巡檢是充分利用機組SCADA數(shù)據(jù)、在線振動監(jiān)測數(shù)據(jù)構(gòu)建智能巡檢大數(shù)據(jù)處理中心，風(fēng)電場手持終端相互配合、相互補充，進而達到實現(xiàn)檢維人員在遠程對機組狀態(tài)的精準掌控，智能巡檢平臺定期將設(shè)備巡檢表、設(shè)備預(yù)警表、設(shè)備維護表發(fā)送現(xiàn)場，為風(fēng)電場的檢修維護提供重要的信息支撐，新能源數(shù)字化電廠技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

2 智能監(jiān)測系統(tǒng)

風(fēng)電機組智能巡檢平臺的建設(shè)，一方面充分利用遠程集控平臺、遠程診斷平臺、SCADA監(jiān)控系統(tǒng)、CMS振動監(jiān)測系統(tǒng)采集風(fēng)電機組運行數(shù)據(jù)和故障記錄，另一方面通過巡檢監(jiān)測輔助設(shè)備(視頻、音頻、紅外成像、塔筒監(jiān)測、葉片監(jiān)測以及移動終端)采集更多數(shù)據(jù)，利用兩方面數(shù)據(jù)形成風(fēng)電機組智能巡檢平臺數(shù)據(jù)庫。對采集的數(shù)據(jù)根據(jù)需要進行篩選清洗，通過智能巡檢數(shù)據(jù)模型(塔筒、葉片和變槳、電氣柜、主軸、發(fā)電機、偏航系統(tǒng)、聯(lián)軸器、制動器、液壓系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、避雷接地系統(tǒng))的分析，形成智能巡檢異常項目預(yù)警和機組故障維護的趨勢分析。

2.1 圖像、聲像監(jiān)測系統(tǒng)

視頻監(jiān)控之外，聲像儀是一種用眼睛"看"聲音的輕型便攜儀器，以精確成像技術(shù)分離不同位置的聲音，能夠在多干擾聲源和封閉空間等惡劣環(huán)境中分析機器設(shè)備噪聲源，進而對設(shè)備進行噪聲故障診斷。針對風(fēng)電機組關(guān)鍵部件的巡檢需求，在機艙內(nèi)安裝圖像及聲像監(jiān)測系統(tǒng)，實時采集視頻、聲音信號，上傳至風(fēng)電場存儲服務(wù)器進行數(shù)據(jù)處理，應(yīng)用圖像識別技術(shù)，在線診斷機組異常狀態(tài)，并將處理結(jié)果后的異常狀態(tài)及報警信號上傳至區(qū)域數(shù)據(jù)中心。

2.2 溫度紅外采集系統(tǒng)

在機艙頂部合適位置安裝紅外成像視頻監(jiān)控設(shè)備，實現(xiàn)監(jiān)控中心對風(fēng)機機艙內(nèi)重點部位的遠程實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)溫度異常部件，危險情況及時報警，保護重要設(shè)備，避免火災(zāi)事故的發(fā)生。

2.3 塔筒監(jiān)測系統(tǒng)

針對塔筒基礎(chǔ)不均勻沉降、塔基開裂、塔筒彎曲、傾斜等問題，增加塔筒傾角、應(yīng)變傳感器，實時監(jiān)測塔筒運行狀態(tài)，實現(xiàn)塔筒不均勻沉降、塔筒彎曲、塔筒連接螺栓監(jiān)測及巡檢。

2.4 葉片監(jiān)測系統(tǒng)

雷擊、大風(fēng)、寒冷、結(jié)冰等氣候因素，會導(dǎo)致葉片膠合材料疲勞和葉片結(jié)構(gòu)受損，甚至?xí)?dǎo)致葉片脫落，并可能會進一步引發(fā)倒塔等重大事故。針對以上問題，需加裝葉片在線監(jiān)測系統(tǒng)。應(yīng)用激光測距傳感器及聲音傳感器，實時采集葉片運行信息，基于相關(guān)性分析，建立三支葉片距離及聲音的殘差，并通過分析診斷系統(tǒng)，實時診斷葉片裂紋、斷裂等問題。

2.5 移動終端采集系統(tǒng)

風(fēng)電機組各部件建立唯一的二維碼，張貼于明顯位置，巡檢人員到位后利用移動終端通過指定身份登錄，掃描設(shè)備二維碼，自動記錄該部件巡視時間，并彈出相關(guān)的檢查內(nèi)容，由運行人員進行逐項確認或填寫檢查參數(shù)，同時支持將巡視記錄通過移動作業(yè)平臺上傳，便于后期信息查詢。巡檢人員攜帶移動終端，根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)優(yōu)化的巡檢路線，對各臺機組進行巡檢，現(xiàn)場掃描設(shè)備識別碼，采集音視頻等相關(guān)信息，記錄各種設(shè)備運行數(shù)據(jù)，實時上傳至風(fēng)電場系統(tǒng)。若發(fā)現(xiàn)問題則立即將時間、地點、設(shè)備類型和故障情況等信息上報，系統(tǒng)根據(jù)當時情況結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，通過專家意見庫給出處理指導(dǎo)，并反饋至移動終端，需要時修改更新巡檢安排。

2.6 無人機巡檢系統(tǒng)

風(fēng)電場風(fēng)電機組與集電線路需要定期巡檢，時間和人力花費較大。無人機智能巡檢系統(tǒng)解決方案，是以無人機為載體，通過智能巡檢平臺實現(xiàn)控制無人機全自動、智能化超視距巡檢的作業(yè)能力，結(jié)合異常識別模塊，逐步實現(xiàn)典型缺陷、顯著隱患的智能識別，還能夠通過數(shù)據(jù)采集和積累，通過人工智能學(xué)習(xí)訓(xùn)練后，逐步實現(xiàn)缺陷分析等功能，提高數(shù)據(jù)的分析處理能力，實現(xiàn)巡檢智能化。

3 智能巡檢平臺

3.1 智能巡檢數(shù)據(jù)模型

智能巡檢平臺針對風(fēng)電機組包括發(fā)電機系統(tǒng)、葉片系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、變流系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、主控系統(tǒng)等各個系統(tǒng)建立智能巡檢數(shù)據(jù)模型，根據(jù)其運行和故障特性分別進行管理和分析。

1)發(fā)電機系統(tǒng)智能巡檢數(shù)據(jù)模型。一是基于軸承和繞組的溫度在線監(jiān)測，結(jié)合發(fā)電機故障檢測和診斷經(jīng)驗，基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析技術(shù)，通過與機組自身歷史對比及與其他機組對比，對發(fā)電機溫度異常相關(guān)故障進行離線或在線監(jiān)測和診斷；二是基于振動在線監(jiān)測針，對振動數(shù)據(jù)進行分類，根據(jù)失效案例和發(fā)電機系統(tǒng)固有頻率，訓(xùn)練模型識別不同振動數(shù)據(jù)的表現(xiàn)與發(fā)電機問題的關(guān)系，從而通過振動數(shù)據(jù)異常來預(yù)測和預(yù)防發(fā)電機問題發(fā)生。

2)基于在線監(jiān)測系統(tǒng)的葉片智能巡檢數(shù)據(jù)模型。通過實時測量葉片運轉(zhuǎn)至豎直向下時葉尖距離塔筒的距離，對三支葉片距離塔筒的距離進行歸一化，結(jié)合趨勢分析及相關(guān)性分析，實現(xiàn)葉片劣化情況預(yù)警分析。

3)變槳系統(tǒng)智能巡檢數(shù)據(jù)模型。應(yīng)用SCADA數(shù)據(jù)監(jiān)測3個變槳電機溫度，根據(jù)變槳電機不同工況下的溫度變化趨勢，判斷是否存在變槳軸承或變槳減速器或變槳電機剎車未動作導(dǎo)致的變槳動作卡澀、負荷過大，或散熱不良、電機內(nèi)部損壞等情況導(dǎo)致變槳電機溫度異常，影響機組穩(wěn)定運行，降低變槳電機使用壽命。

4)偏航系統(tǒng)智能巡檢數(shù)據(jù)模型。基于SCADA監(jiān)控系統(tǒng)提供的實時數(shù)據(jù)，結(jié)合運行工況，并剔除其他限電、高溫或覆冰等因素引起的降容數(shù)據(jù)，建立偏航對風(fēng)誤差檢測模型。

5)變流系統(tǒng)智能巡檢數(shù)據(jù)模型?；谧兞髌髡w在不同工況下的溫度變化趨勢，分析其散熱效果，當特定工況的散熱效果不佳時產(chǎn)生報警，保證其穩(wěn)定可靠運行。

6)冷卻系統(tǒng)智能巡檢數(shù)據(jù)模型?；诶鋮s系統(tǒng)在不同工況下的溫度變化趨勢，結(jié)合其他相關(guān)參數(shù)，分析其散熱效果，當特定工況的散熱效果不佳時產(chǎn)生報警，保證其穩(wěn)定可靠運行。

7)主控系統(tǒng)智能巡檢數(shù)據(jù)模型。基于SCADA監(jiān)控系統(tǒng)提供的機組整體運行數(shù)據(jù)，對發(fā)電和能效進行分析，識別風(fēng)速儀異常、風(fēng)向標異常以及功率曲線異常狀況，并給出校正提示。

3.2 智能巡檢管理系統(tǒng)

風(fēng)電機組智能巡檢將眾多新技術(shù)、新設(shè)備、新概念引入了傳統(tǒng)的電力設(shè)備巡檢和運維過程中，對人員提出了較高的技術(shù)與應(yīng)用要求。建設(shè)智能巡檢管理系統(tǒng)，有助于指導(dǎo)巡檢人員，優(yōu)化巡檢路線，簡化巡檢過程并進行記錄統(tǒng)計，實現(xiàn)集團公司各風(fēng)力發(fā)電企業(yè)優(yōu)化智能巡檢實施方案，提升風(fēng)電企業(yè)生產(chǎn)效率。智能巡檢管理系統(tǒng)建立健全運行檢修標準化的工作方式，實現(xiàn)全流程的標準化操作、全過程的精細化管理，依托集控數(shù)據(jù)中心，該系統(tǒng)將部署在區(qū)域數(shù)據(jù)中心，將同時集成物資管理、檢修文件等基礎(chǔ)功能模塊。具備缺陷管理、智能巡檢、檢修文件包執(zhí)行全過程管理、電子臺賬查詢、物資庫存查詢功能，實現(xiàn)移動終端與電腦端的實時信息交流、實時信息查看。

風(fēng)電機組智能巡檢管理系統(tǒng)作為整套智能巡檢系統(tǒng)的大腦，負責業(yè)務(wù)邏輯的支撐，工作流程的銜接，能夠滿足日常的巡視巡檢、故障診斷、任務(wù)下發(fā)、報表匯總、大數(shù)據(jù)展示等。智能巡檢平臺的數(shù)據(jù)中心收到各數(shù)據(jù)源傳來的預(yù)警、故障信息后，即刻分析預(yù)警、故障告警來源，同時確定相關(guān)部件。在人機界面展示告警信息相關(guān)的部件及擴展信息，其中問題部件的采購、更換時間、理論壽命、巡檢人員等全生命周期記錄將伴隨展示，為集控中心、風(fēng)電場摸排告警信息及檢修記錄節(jié)省大量時間，從而降低風(fēng)電機組非調(diào)度原因停機時間及設(shè)備損毀率。智能巡檢系統(tǒng)開發(fā)整體效果如圖3所示。

圖3 智能巡檢系統(tǒng)開發(fā)整體效果圖

4 結(jié) 語

數(shù)字電廠智能巡檢技術(shù)將所有信號數(shù)字化、所有管理內(nèi)容數(shù)字化，然后利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)可靠而準確的數(shù)字化信息交換、跨平臺資源實時共享，進而利用智能專家系統(tǒng)輔助各種優(yōu)化決策，為風(fēng)電機組安全可靠穩(wěn)定運行提供科學(xué)指導(dǎo)，應(yīng)對隱患能夠及時預(yù)防，積極響應(yīng)，從而最終為電廠帶來可觀的經(jīng)濟效益。

1)實現(xiàn)數(shù)字化管控可以明顯提高風(fēng)電場發(fā)電量。通過智能遠程集控和診斷運維方案，增加機組發(fā)電能效。系統(tǒng)可以實時監(jiān)控機組的健康狀況，一旦發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的機組大部件亞健康報警，則自動觸發(fā)服務(wù)請求，維護人員通過預(yù)防性維護，避免風(fēng)電場未來出現(xiàn)大的故障停機。

2)有效降低風(fēng)電場運維成本。通過基于機組健康狀況診斷的預(yù)防性維護，從而在整體上減少故障頻率和維修次數(shù)，減少現(xiàn)場所需維護作業(yè)量。通過數(shù)字化的備品備件管理、營銷管理和財務(wù)管理，制定更優(yōu)化的安全庫存，優(yōu)化運營費用減少不必要的流動資金的支出。當故障性維修的減少，會進一步減少備件的消耗和所需庫存水平，通過備品備件聯(lián)動機制，爭取實現(xiàn)備品備件“零庫存”。

在數(shù)字電廠的基礎(chǔ)上，進一步應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)分析、云計算等信息化、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，對發(fā)電系統(tǒng)和數(shù)據(jù)進行深入挖掘，以期達到更安全、更高效、用人更少、更綠色的智能化生產(chǎn)、智能化運營，有效節(jié)約對現(xiàn)場運維人員的人數(shù)，簡化運維技能的要求，從而節(jié)約生產(chǎn)成本。