王永慶

（國(guó)家電投集團(tuán)江西電力有限公司湖北分公司）

0 引言

隨著“雙碳”概念的提出，近年來(lái)我國(guó)大力發(fā)展清潔能源，旨在早日實(shí)現(xiàn)碳中和。清潔能源中主要能源主力為風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、水力發(fā)電，由于風(fēng)力發(fā)電其具備靈活的安裝施工地點(diǎn)以及成熟的商業(yè)價(jià)值，因此近年來(lái)，我國(guó)大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電，截止到2023 年，我國(guó)無(wú)論是風(fēng)力發(fā)電量還是風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量均為世界第一。無(wú)論是風(fēng)機(jī)系統(tǒng)還是控制系統(tǒng)性能都得到了極大的提升。為了更好的收集風(fēng)能，現(xiàn)階段風(fēng)機(jī)葉片以及底座設(shè)計(jì)的越來(lái)越高，在惡劣天氣下其遭受雷擊的概率越來(lái)越大，因此在設(shè)計(jì)的時(shí)候風(fēng)機(jī)避雷線隱藏于風(fēng)機(jī)扇葉中，與葉片頂端的接閃器相連接，在葉片遭受雷擊時(shí)，將雷電流引下至大地中，從而減小雷擊對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的侵害。由于避雷線長(zhǎng)期處于惡劣的自然環(huán)境中，一方面受到動(dòng)態(tài)風(fēng)機(jī)葉片系統(tǒng)的影響，可能出現(xiàn)避雷線斷股的情況，另一方面受到大雷電流的影響，可能出現(xiàn)斷線的情況，無(wú)論避雷線出現(xiàn)斷股還是斷線的情況時(shí)，當(dāng)雷再次擊中風(fēng)機(jī)扇葉時(shí)，在大電流的作用下，風(fēng)機(jī)葉片可能出現(xiàn)葉片變形、開(kāi)裂、炸裂的情況，影響集電線路的穩(wěn)定運(yùn)行，因此風(fēng)機(jī)避雷線線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)成為了風(fēng)機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的參考因素。

就風(fēng)機(jī)避雷線狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面，大量學(xué)者做出了研究，首先從離線式監(jiān)測(cè)方案著手，一部分學(xué)者利用登高機(jī)器人的形式將扇葉頂端利用導(dǎo)線進(jìn)行連接，然后采用施加固定電壓，通過(guò)測(cè)量流過(guò)避雷線電流的形式進(jìn)行風(fēng)機(jī)避雷線電阻的形式進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，當(dāng)避雷線的阻抗小于4Ω 時(shí)，判定避雷線狀態(tài)為正常，該檢測(cè)方法首先需要停止風(fēng)機(jī)，然后需要登高機(jī)器人作業(yè)，在耗費(fèi)大量人力物力以及風(fēng)力發(fā)電的同時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確判定扇葉中避雷線是否存在斷股的情況。

另一方面，一部分學(xué)者利用在線式監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)RFID 技術(shù)結(jié)合小波變換的原理進(jìn)行遠(yuǎn)程預(yù)警，在風(fēng)機(jī)扇葉接閃器安裝傳感器，在底座中安裝RFID，通過(guò)近端無(wú)源傳輸從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，該方案一方面RFID 射頻技術(shù)存在不穩(wěn)定性，存在無(wú)法上傳傳感器采集信息的情況從而導(dǎo)致無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器采集的波形數(shù)據(jù)情況。

鑒于上述風(fēng)機(jī)避雷線監(jiān)測(cè)中問(wèn)題，本文提出了一種基于高頻暫態(tài)信息的風(fēng)機(jī)避雷線在線監(jiān)測(cè)方案。

1 風(fēng)機(jī)避雷線監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀

為更好的實(shí)現(xiàn)風(fēng)能捕獲，第四代風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，其具備搞得風(fēng)機(jī)底座以及更長(zhǎng)的風(fēng)機(jī)扇葉，而風(fēng)電場(chǎng)集電線路系統(tǒng)一般假設(shè)在相對(duì)開(kāi)闊的區(qū)域，周圍無(wú)論是建筑物還是樹(shù)木都相對(duì)較低，當(dāng)遭遇惡劣雷雨天氣時(shí)，風(fēng)機(jī)扇葉及其控制系統(tǒng)難受遭受雷擊侵害。目前為實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)扇葉及其控制系統(tǒng)的保護(hù)，一般在風(fēng)機(jī)扇葉中敷設(shè)多股40mm2左右的銅線，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)扇葉及其控制系統(tǒng)的保護(hù)，風(fēng)機(jī)避雷線可從一定程度上實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)整體系統(tǒng)的保護(hù)，避雷線受到扇葉拉力以及惡劣雷雨天氣，難免出現(xiàn)斷股或者斷線的情況，當(dāng)避雷線出現(xiàn)斷線或者斷股的情況時(shí)，當(dāng)再次受到雷擊侵害時(shí)，風(fēng)機(jī)扇葉輕者出現(xiàn)變形，開(kāi)裂的情況，重者避雷線絕緣不加出現(xiàn)起火、斷裂的情況，從而嚴(yán)重影響了集電線路的穩(wěn)定運(yùn)行。

常規(guī)的風(fēng)機(jī)扇葉避雷線監(jiān)測(cè)方式采用，登高機(jī)器人利用導(dǎo)線將風(fēng)機(jī)扇葉頂部接閃器相連，工作人員在風(fēng)機(jī)輪轂中采用搖表進(jìn)行測(cè)量扇葉阻抗的形式（測(cè)量等效原理如圖1 所示），當(dāng)測(cè)量阻抗低于4Ω 時(shí)判定系統(tǒng)正常，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)避雷線的監(jiān)測(cè)，該方法需要經(jīng)過(guò)停電的形式實(shí)現(xiàn)，期間需要風(fēng)機(jī)停運(yùn)、人員登上風(fēng)機(jī)輪轂才能實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，該方案為現(xiàn)階段廣泛使用的方案，在確定了扇葉避雷線存在問(wèn)題時(shí)，通過(guò)人工切割扇葉表皮的形式進(jìn)行故障排查，當(dāng)出現(xiàn)多次切割時(shí)，無(wú)疑需要大量人力物力同時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)扇葉本體也會(huì)造成侵害。因此，本文基于現(xiàn)階段風(fēng)機(jī)避雷線監(jiān)測(cè)中存在的問(wèn)題，基于高頻暫態(tài)特性進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)避雷線狀態(tài)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及在線精確定位。

圖1 等效阻抗測(cè)量示意圖

圖2 在線監(jiān)測(cè)方案示意圖

2 在線監(jiān)測(cè)方案

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

本文提出了一種在線式風(fēng)機(jī)扇葉避雷線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)終端安裝于風(fēng)機(jī)輪轂內(nèi)，傳感器安裝于風(fēng)機(jī)扇葉避雷線引下線中，監(jiān)測(cè)裝置包括主動(dòng)發(fā)射特定頻率的高頻電流模塊、傳感采集模塊、通訊模塊，當(dāng)監(jiān)測(cè)裝置上傳異常信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)判定風(fēng)機(jī)避雷線是否存在問(wèn)題，從而進(jìn)行主動(dòng)預(yù)警。

2.2 在線監(jiān)測(cè)裝置

風(fēng)電場(chǎng)扇葉避雷線在線監(jiān)測(cè)裝置，安裝于風(fēng)機(jī)輪轂避雷線引下線內(nèi)，負(fù)責(zé)主動(dòng)發(fā)出高頻暫態(tài)信號(hào)，同時(shí)采集折反射信號(hào)，由于風(fēng)機(jī)避雷線長(zhǎng)度一般在35m—70m之間，信號(hào)的折反射間隔時(shí)間短，為充分捕捉避雷線中可能存在的斷股或者斷線的情況，采用高采樣率的在線監(jiān)測(cè)裝置，其高頻采樣率為10 MHz，因此該監(jiān)測(cè)裝置采用220 V穩(wěn)定市電的形式進(jìn)行供電，當(dāng)監(jiān)測(cè)裝置采集到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)后，采用無(wú)線通訊的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)測(cè)裝置將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)端服務(wù)器從而實(shí)現(xiàn)避雷線斷線或者斷股狀態(tài)預(yù)警。

2.3 通訊主站

風(fēng)電場(chǎng)扇葉狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主站主要用于遠(yuǎn)程操控現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端，在監(jiān)測(cè)終端安裝后，無(wú)需工作人員登高對(duì)監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行反復(fù)操作，在周期性主動(dòng)發(fā)射行波，計(jì)算其避雷線中存在的可能性故障點(diǎn)后從而進(jìn)行主動(dòng)預(yù)警，將風(fēng)機(jī)葉片避雷線存在的可能性斷股以及斷線預(yù)警發(fā)送至指定路徑，系統(tǒng)采用無(wú)線通訊的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)避雷線狀態(tài)的全方位監(jiān)測(cè)。

3 風(fēng)機(jī)避雷線狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)主要技術(shù)

風(fēng)電場(chǎng)扇葉狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要技術(shù)分為兩個(gè)方面，一方面為葉片狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，該技術(shù)需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端主動(dòng)對(duì)避雷線施加高頻暫態(tài)行波，同時(shí)采集其折反射行波可能存在的故障情況。另一方面為在線監(jiān)測(cè)技術(shù)主動(dòng)預(yù)警技術(shù)研究，該技術(shù)主要包括對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端采集的波形數(shù)據(jù)情況進(jìn)行濾波、分析、處理、同時(shí)對(duì)避雷線存在的斷股、斷線位置進(jìn)行精確定位。

3.1 在線監(jiān)測(cè)采集技術(shù)

風(fēng)機(jī)扇葉在線監(jiān)測(cè)裝置系統(tǒng)模塊可通過(guò)主動(dòng)發(fā)送高頻暫態(tài)行波沿扇葉避雷線傳輸，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)率先記錄行波發(fā)生的初始行波時(shí)刻，由于風(fēng)機(jī)扇葉長(zhǎng)度的影響，因此其在斷股或者斷線點(diǎn)發(fā)生的折反射時(shí)刻與行波初始時(shí)刻較為接近，因此其波形數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要采用較為精確的濾波算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，在進(jìn)行確認(rèn)了避雷線中存在故障點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行主動(dòng)計(jì)算以及預(yù)警，圖3為風(fēng)機(jī)扇葉在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集處理系統(tǒng)流程圖。

圖3 風(fēng)機(jī)扇葉在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集流程

當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)判定該系統(tǒng)存在故障時(shí)，系統(tǒng)主動(dòng)進(jìn)行預(yù)警，對(duì)可能存在的故障點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)性排查，利用多次主動(dòng)放電的過(guò)程進(jìn)行判定故障，當(dāng)后臺(tái)服務(wù)器判定該風(fēng)機(jī)避雷線存在斷股或者斷線的可能性時(shí)，系統(tǒng)主動(dòng)推送預(yù)警以及告警信息至指定手機(jī)端，同時(shí)將故障計(jì)算方法以及計(jì)算的故障點(diǎn)信息上傳至后臺(tái)web中，共展示查看其具體故障信息。

3.2 在線監(jiān)測(cè)算法研究

3.2.1 在線監(jiān)測(cè)精確定位方法

鑒于風(fēng)機(jī)扇葉避雷線特殊的運(yùn)行環(huán)境，在進(jìn)行高頻暫態(tài)進(jìn)行斷股或者斷線狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，系統(tǒng)采用單端故障點(diǎn)精確定位的形式進(jìn)行，監(jiān)測(cè)裝置主動(dòng)發(fā)出行波，同時(shí)監(jiān)測(cè)裝置高頻采集傳感器記錄故障時(shí)發(fā)出的行波，然后記錄避雷線中存在的斷股或者斷線點(diǎn)的反射波進(jìn)行故障精確定位，其裝置監(jiān)測(cè)原理如圖4所示，其斷股或者斷線點(diǎn)精確定位原理公式如式（1）所示。

圖4 風(fēng)機(jī)扇葉避雷線高頻暫態(tài)監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量原理圖

圖4 中，A 端為風(fēng)機(jī)扇葉靠近風(fēng)機(jī)輪轂端，m為風(fēng)機(jī)扇葉避雷線狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，F(xiàn) 為避雷線中可能存在的斷線或者斷股位置，Xm為故障點(diǎn)距離監(jiān)測(cè)裝置的位置，B 點(diǎn)為風(fēng)機(jī)扇葉避雷線末端。故障點(diǎn)測(cè)距式（1）中v為特定頻率高頻暫態(tài)在避雷線中傳輸?shù)牟ㄋ俣?，t1為監(jiān)測(cè)裝置中高頻電流發(fā)射模塊發(fā)出行波的時(shí)刻，t2為監(jiān)測(cè)裝置遇到避雷線中可能存在斷線點(diǎn)或者斷股反射時(shí)刻，利用式（1）即可實(shí)現(xiàn)線路中存在的斷股點(diǎn)或者斷線點(diǎn)進(jìn)行精確定位。

由于風(fēng)機(jī)避雷線特殊的運(yùn)行環(huán)境，該系統(tǒng)僅能采用單端法進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)，同時(shí)由于風(fēng)機(jī)扇葉遇到問(wèn)題點(diǎn)時(shí)，可能出現(xiàn)斷股點(diǎn)與斷線點(diǎn)反射波波頭與主波混疊的情況，因此在進(jìn)行反射點(diǎn)查找時(shí)濾波以及反射點(diǎn)波頭查找較為復(fù)雜。

3.2.2 反射點(diǎn)波頭識(shí)別算法

在對(duì)風(fēng)機(jī)扇葉進(jìn)行斷線或者斷股監(jiān)測(cè)時(shí)，采用高頻暫態(tài)波形進(jìn)行扇葉避雷線單端定位，由于高頻暫態(tài)遇到斷線或者斷股點(diǎn)距離監(jiān)測(cè)終端較近，因此在進(jìn)行異常點(diǎn)定位時(shí)，對(duì)于監(jiān)測(cè)裝置采集到的信號(hào)可進(jìn)行如下操作，首先對(duì)采集高頻暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，為保留折反射點(diǎn)信息，采用切比雪夫?yàn)V波法進(jìn)行采集的高頻暫態(tài)電流進(jìn)行濾波處理，為保留折反射特征，采用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行濾波處理，然后采用求取采集的高頻暫態(tài)模極大值點(diǎn)的形式進(jìn)行求解，求取其反射點(diǎn)時(shí)刻算法流程如下：

g（x）為數(shù)學(xué)濾波函數(shù)，式中a、b、c為定數(shù)，g（x）2 次可微，則對(duì)數(shù)學(xué)濾波函數(shù)求取其一階倒及二階倒。

對(duì)采集的高頻暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行小波變換。

則對(duì)于風(fēng)機(jī)扇葉避雷線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的高頻暫態(tài)波形進(jìn)行波頭時(shí)刻標(biāo)記流程如圖5。

圖5 對(duì)高頻暫態(tài)求取波頭時(shí)刻的小波變換流程

圖5 中四個(gè)信號(hào)分別為，風(fēng)機(jī)扇葉避雷線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的原始高頻暫態(tài)信號(hào)，第二張圖片為原始信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)濾波函數(shù)濾波處理后的信號(hào)，第三張圖為平滑處理的高頻暫態(tài)信號(hào)的小波變換，第四張圖為存在問(wèn)題的信號(hào)經(jīng)過(guò)小波變換之后的與橫軸的零交叉點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了反射波信號(hào)的波頭時(shí)刻求解，該方法盡可能的保留了高頻暫態(tài)信號(hào)遇到避雷線斷股或者斷線時(shí)折反射的信號(hào)特征，從而實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)葉片避雷線狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)扇葉避雷線監(jiān)測(cè)的方法基本上采用了離線阻抗法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，消耗大量的時(shí)間同時(shí)無(wú)法進(jìn)行斷線或者斷股點(diǎn)精確定位，風(fēng)電場(chǎng)扇葉避雷線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用模塊相互配合，主動(dòng)發(fā)送、采集、計(jì)算、數(shù)學(xué)處理可實(shí)現(xiàn)扇葉避雷線短線點(diǎn)或者斷股點(diǎn)的精確定位，可大大減少風(fēng)機(jī)不必要的停運(yùn)時(shí)間。