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(cè)評(píng)有限公司,江蘇 南京 211106)

0 引言

能源是全球經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的不竭動(dòng)力,但隨著石油、煤炭等不可再生能源的日益短缺,以風(fēng)能、光伏能等為主的可再生能源備受關(guān)注。在發(fā)電領(lǐng)域,可再生能源憑借資源豐富、綠色清潔的優(yōu)勢(shì),裝機(jī)容量不斷擴(kuò)大。我國(guó)由于地理位置優(yōu)越,擁有豐富的風(fēng)能儲(chǔ)備,建設(shè)運(yùn)營(yíng)了很多陸上、海上風(fēng)電場(chǎng)。但相比于傳統(tǒng)的火力發(fā)電方式,風(fēng)電場(chǎng)一般所處地理位置分散、地形復(fù)雜,再加之風(fēng)能具有季節(jié)性、隨機(jī)性的特點(diǎn),增加了后期的管理難度。針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)站對(duì)其運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定存在的迫切需求,本文探討如何將先進(jìn)的智能化單兵設(shè)備引入風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng),輔助風(fēng)電場(chǎng)管理工作人員完成日常的運(yùn)維任務(wù),實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的高效運(yùn)營(yíng)。

1 風(fēng)電場(chǎng)智能化管理現(xiàn)狀

2012年,發(fā)改委發(fā)布了《“十二五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》,明確了可再生能源的發(fā)展目標(biāo)。在國(guó)家有利政策的指引下,風(fēng)力發(fā)電建設(shè)進(jìn)入了高速發(fā)展時(shí)期[1]。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的2020年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)顯示,國(guó)內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘考s為3億kW,增幅達(dá)30%以上。面對(duì)如此大的風(fēng)力發(fā)電體量,如何在生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理中及時(shí)對(duì)風(fēng)電設(shè)備運(yùn)行維護(hù),快速實(shí)現(xiàn)指揮調(diào)度,對(duì)增強(qiáng)風(fēng)電企業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力有著非常重大的意義。

在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)方面,當(dāng)前的運(yùn)維模式主要分為以下兩種:計(jì)劃性運(yùn)維與非計(jì)劃性運(yùn)維[2-3]。計(jì)劃性運(yùn)維是一種主動(dòng)運(yùn)維模式,是指運(yùn)維工作人員按照事先制定好的運(yùn)維計(jì)劃對(duì)風(fēng)電場(chǎng)重要設(shè)備、部件進(jìn)行檢查,并做好運(yùn)維記錄;非計(jì)劃運(yùn)維是一種被動(dòng)式運(yùn)維模式,是指在風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)臨時(shí)安排的運(yùn)維計(jì)劃。由于風(fēng)電場(chǎng)大多處在偏遠(yuǎn)地區(qū),人員到場(chǎng)十分困難,運(yùn)維難度大,所以基本都是依靠運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行運(yùn)維。另外,運(yùn)維過(guò)程對(duì)工作人員的技術(shù)要求非常高,很多風(fēng)電企業(yè)會(huì)委托設(shè)備廠(chǎng)商負(fù)責(zé)運(yùn)維,此種方式會(huì)產(chǎn)生高昂的運(yùn)維費(fèi)用,增加了運(yùn)營(yíng)成本。

在風(fēng)電場(chǎng)指揮調(diào)度方面,由于風(fēng)電場(chǎng)部署在偏遠(yuǎn)地帶,風(fēng)電機(jī)組的間距大,一旦發(fā)生應(yīng)急事件,應(yīng)急工作人員需要第一時(shí)間趕往現(xiàn)場(chǎng)并將現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)反饋,指揮中心的專(zhuān)家組會(huì)根據(jù)反饋結(jié)果制定快速的應(yīng)急搶修方案,遠(yuǎn)程指揮現(xiàn)場(chǎng)工作人員如何操作[4]。因此,為保障風(fēng)電場(chǎng)安全,迫切需要建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急指揮智能化裝備系統(tǒng)。從當(dāng)前現(xiàn)狀來(lái)看,已經(jīng)逐步有物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計(jì)算、無(wú)人機(jī)、智能單兵裝備投入使用[4],但整體利用效率不高,沒(méi)有形成更加智能的、貫穿風(fēng)電場(chǎng)指揮管理全過(guò)程的IT管理體系。

風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備類(lèi)型多樣化。大多數(shù)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)都是采用分批投資建設(shè),因此在一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)很可能存在多個(gè)廠(chǎng)商的設(shè)備。由于行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)各廠(chǎng)商設(shè)備、管理系統(tǒng)存在不兼容問(wèn)題,很難實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備的全周期、集中化管理。

風(fēng)電場(chǎng)所處環(huán)境惡劣。根據(jù)風(fēng)能的分布,風(fēng)電場(chǎng)所處地理位置大多較為偏僻,環(huán)境非常惡劣。較大型的交通工具無(wú)法到達(dá),需要運(yùn)維人員遠(yuǎn)距離徒步實(shí)現(xiàn)運(yùn)維。

風(fēng)電機(jī)組架設(shè)分散。為了獲取更大的風(fēng)能,風(fēng)電機(jī)組間架設(shè)間距大,且每個(gè)風(fēng)電機(jī)組的高度較高,葉輪長(zhǎng)度較長(zhǎng),也增加了運(yùn)維難度。

風(fēng)電機(jī)組工作原理復(fù)雜。為了保證在不同風(fēng)力情況下整個(gè)風(fēng)電機(jī)組能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn),內(nèi)部增加了許多元部件以保證風(fēng)電機(jī)組的安全,但出現(xiàn)故障較難排查。

風(fēng)電場(chǎng)智能化程度不高。由于現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)各類(lèi)指揮、管理系統(tǒng)較多,現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集手段受限,各系統(tǒng)整合程度不夠,仍然存在信息孤島,導(dǎo)致智能決策能力不足。

2 智能化單兵設(shè)備組成

一套完整的智能化單兵應(yīng)用平臺(tái)包括3大部分:智能單兵系統(tǒng)(包括可穿戴設(shè)備和平板操作終端)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和智能管控平臺(tái)。

智能單兵系統(tǒng)由可穿戴設(shè)備和平板操作終端組成,可實(shí)現(xiàn)后臺(tái)管理人員與現(xiàn)場(chǎng)工作人員的實(shí)時(shí)語(yǔ)音、視頻通信,并通過(guò)北斗衛(wèi)星定位實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員的定位。其中,可穿戴設(shè)備以智能頭盔形式供現(xiàn)場(chǎng)人員使用,由照明模塊、視覺(jué)采集模塊、語(yǔ)音對(duì)講模塊、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、系統(tǒng)自檢模塊、電池供電模塊組成。

照明模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)境的照明,在風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)操作過(guò)程中,該模塊能夠解決現(xiàn)場(chǎng)光線(xiàn)昏暗場(chǎng)景,按照目前的節(jié)能省電方式,選擇配備具有LED燈珠的照明設(shè)備。視覺(jué)采集模塊用來(lái)獲取現(xiàn)場(chǎng)工作人員的場(chǎng)景視頻,通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳到后臺(tái)智能管控平臺(tái),供后臺(tái)管理人員查看。語(yǔ)音對(duì)講模塊用于與后臺(tái)管理人員實(shí)時(shí)通信,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語(yǔ)音指揮或指導(dǎo),在語(yǔ)音通信過(guò)程中要保證語(yǔ)音信號(hào)質(zhì)量。信息收發(fā)模塊主要實(shí)現(xiàn)可穿戴設(shè)備與平板操作終端、后臺(tái)智能管控平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互,至少配備5G、WiFi兩種通信子模塊,可選的還有藍(lán)牙通信模塊。系統(tǒng)自檢模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)可穿戴設(shè)備的自動(dòng)檢測(cè)功能,包括查看系統(tǒng)啟動(dòng)是否成功,系統(tǒng)各模塊運(yùn)行是否正常,電池電量是否充足,如果出現(xiàn)啟動(dòng)異常,發(fā)出警報(bào)信息。

平板操作終端用高級(jí)別三防平板電腦加裝終端系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)后臺(tái)管理人員與現(xiàn)場(chǎng)工作人員的作業(yè)任務(wù)交互,包括作業(yè)任務(wù)下發(fā)、作業(yè)任務(wù)同步、作業(yè)任務(wù)操作規(guī)范、作業(yè)任務(wù)監(jiān)控等一系列功能,確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確,滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)操作需求。

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)主要實(shí)現(xiàn)智能單兵系統(tǒng)與后臺(tái)智能管控平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通,由于智能單兵系統(tǒng)的工作環(huán)境靈活,有線(xiàn)方式很難滿(mǎn)足業(yè)務(wù)需求,因此聯(lián)通方式主要以無(wú)線(xiàn)方式為主。具體的聯(lián)通的方式包括5G通信、WiFi等方式,對(duì)于5G通信尚未覆蓋的及其偏遠(yuǎn)地區(qū)可采用5G通信車(chē)或切換其他可用無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。

智能管控平臺(tái)是智能單兵系統(tǒng)的前端應(yīng)用平臺(tái),典型的智能管控平臺(tái)的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型的智能管控平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

感知層主要負(fù)責(zé)接入智能單兵設(shè)備、智能機(jī)器人設(shè)備、智能無(wú)人機(jī)設(shè)備、各類(lèi)傳感器,獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)層提供了多種可用網(wǎng)絡(luò)的支持,包括5G、4G、WiFi、專(zhuān)有網(wǎng)絡(luò)等。

平臺(tái)層構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)(Hadoop HDFS)/計(jì)算(Hadoop MapReduce)平臺(tái),提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)和配置管理服務(wù)。

應(yīng)用層構(gòu)建了應(yīng)急指揮、遠(yuǎn)程協(xié)助、輔助巡檢、檢測(cè)監(jiān)控、自動(dòng)巡檢、后臺(tái)配置等具體業(yè)務(wù)應(yīng)用功能。

3 智能單兵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 智能單兵可穿戴系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(shè)備的核心是可穿戴設(shè)備。最理想的可穿戴設(shè)備是具備智能化、集成化、輕量化的單兵頭盔。單兵頭盔應(yīng)該具有如下功能:照明、攝像、通話(huà)、數(shù)據(jù)傳輸、高壓范圍報(bào)警、測(cè)溫等。本文對(duì)實(shí)現(xiàn)主要功能頭盔部件的選擇依據(jù)和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了研究。

結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)巡檢的需要,筆者通過(guò)對(duì)比各類(lèi)照明光源發(fā)現(xiàn)LED光源具有體積小、耗電低、亮度強(qiáng)的特點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)巡檢和檢修的畫(huà)面實(shí)時(shí)傳輸,單兵頭盔的攝像頭需要滿(mǎn)足體積小、能耗低、自帶電池、工業(yè)級(jí)防水、像素達(dá)到2 000萬(wàn),具有即插即用的USB插口和無(wú)線(xiàn)傳輸功能。

為了保證巡檢人員和后臺(tái)人員的順暢溝通,經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn),單兵設(shè)備的無(wú)線(xiàn)耳麥需要滿(mǎn)足如下技術(shù)參數(shù)。頻率范圍:20 Hz~15 000 Hz;靈敏度:90 dB;無(wú)線(xiàn)發(fā)射器:2.40 GHz;傳輸距離:10 m~15 m;耳機(jī)電池:400 mAh長(zhǎng)效鋰離子電池。

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

3.2 單兵平板操作終端的設(shè)計(jì)

單兵使用的平板操作終端需要滿(mǎn)足界面簡(jiǎn)介、字體大、功能全面的要求。而平板應(yīng)選擇搭載Android操作系統(tǒng)的產(chǎn)品。這是因?yàn)锳ndroid操作系統(tǒng)具有適配性好、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)。本文在Android操作系統(tǒng)上設(shè)計(jì)了巡檢軟件系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)可以允許巡檢人員查看作業(yè)指導(dǎo)書(shū)、記錄巡視設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備二維碼掃描和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸?shù)墓δ堋?/p>

4 智能化單兵設(shè)備在風(fēng)電場(chǎng)中的應(yīng)用流程

智能化單兵系統(tǒng)的應(yīng)用及流程包括以下幾個(gè)方面。

4.1 日常智能巡檢

在沒(méi)有配備智能單兵系統(tǒng)的情況下,日常的巡檢任務(wù)需要通過(guò)手機(jī)通話(huà)、對(duì)講的形式將巡檢的情況進(jìn)行反饋,只能依靠自覺(jué)遵守操作規(guī)程,操作規(guī)程監(jiān)控機(jī)制不到位,容易引發(fā)危險(xiǎn)。

在智能單兵系統(tǒng)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(huán)境,比如管線(xiàn)昏暗、高難度巡檢任務(wù)環(huán)境等。首先,在日常巡檢中,后臺(tái)管理人員可以下發(fā)巡檢任務(wù)給現(xiàn)場(chǎng)人員,現(xiàn)場(chǎng)人員根據(jù)巡檢任務(wù)進(jìn)行巡檢。其次,在巡檢過(guò)程中,智能單兵系統(tǒng)可以通過(guò)視頻監(jiān)控、北斗定位等重要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并結(jié)合巡檢操作規(guī)范,自動(dòng)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)人員操作的合規(guī)性,如果發(fā)現(xiàn)有不合規(guī)情況出現(xiàn),及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息,并將此情況上報(bào)給后臺(tái)管理人員。再次,后臺(tái)管理人員可以通過(guò)語(yǔ)音對(duì)講、視頻指揮的形式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巡檢人員進(jìn)行及時(shí)指導(dǎo)和指揮。最后在巡檢任務(wù)結(jié)束后,對(duì)巡檢過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)評(píng)估,發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題并及時(shí)規(guī)避,以指導(dǎo)后續(xù)巡檢。

4.2 應(yīng)急指揮調(diào)度

一些大型的風(fēng)電場(chǎng)會(huì)定期進(jìn)行大規(guī)模巡檢,在巡檢過(guò)程中同時(shí)指派更多的工作人員分散到風(fēng)電場(chǎng)的各個(gè)區(qū)域進(jìn)行指定巡檢,在沒(méi)有智能單兵系統(tǒng)的情況下同時(shí)對(duì)多人進(jìn)行指揮調(diào)度有一定難度,指揮調(diào)度效率十分低下。

在智能化單兵系統(tǒng)引入以后,多個(gè)巡檢人員配置相應(yīng)單兵系統(tǒng)進(jìn)入指定巡檢場(chǎng)所,管理人員會(huì)在后臺(tái)智能管控平臺(tái),結(jié)合GIS地圖,實(shí)時(shí)查看每一個(gè)巡檢人員當(dāng)前的北斗定位、進(jìn)行的巡檢工作、整體巡檢完成進(jìn)度、巡檢人員違規(guī)操作情況等實(shí)時(shí)信息,管理人員可隨時(shí)與單人、分組或全體現(xiàn)場(chǎng)巡檢單兵進(jìn)行語(yǔ)音通信,隨時(shí)調(diào)整巡檢任務(wù)。

4.3 專(zhuān)家輔助排障

在風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備檢修過(guò)程中,現(xiàn)場(chǎng)人員難免遇到一些難處理的情況。在沒(méi)有配備智能化單兵系統(tǒng)時(shí),在現(xiàn)場(chǎng)遇到難以解決的問(wèn)題時(shí),需要通過(guò)電話(huà)、對(duì)講的形式與技術(shù)精湛的專(zhuān)家進(jìn)行溝通,溝通過(guò)程往往需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間。

在配備智能化單兵系統(tǒng)后,可以大大緩解上述問(wèn)題。在遇到如上的檢修難題時(shí),可以直接通過(guò)語(yǔ)音、視頻進(jìn)行在線(xiàn)溝通,外加數(shù)據(jù)共享的方式將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及時(shí)發(fā)送給技術(shù)專(zhuān)家,快速地解決問(wèn)題,提高效率,降低檢修成本。

5 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)前不可再生資源日益短缺的前提下,以風(fēng)電為主的可再生資源以其資源綠色環(huán)保的優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注。本文在總結(jié)當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)中遇到的問(wèn)題的基礎(chǔ)上,將智能化單兵設(shè)備引入風(fēng)電場(chǎng),給出了在日常運(yùn)維、應(yīng)急指揮、專(zhuān)家輔助診斷的應(yīng)用模式和管理方法,能夠在一定程度上降低成本,提高效率。