吳雅潔

[摘? ? 要]目前，雖然我國使用風(fēng)力發(fā)電使清潔能源開發(fā)進(jìn)入了發(fā)展快車道，但是風(fēng)力發(fā)電機(jī)艙空間狹窄，設(shè)備分布密集，加之我國大部分地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備所處環(huán)境十分惡劣，一旦因環(huán)境溫度過高或供電線路短路，必將會(huì)給風(fēng)力發(fā)電機(jī)組帶來毀滅性災(zāi)難。近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，它在風(fēng)電設(shè)備巡檢及自動(dòng)滅火方面發(fā)揮了重要作用。因此，文章基于山西廣靈風(fēng)電運(yùn)維項(xiàng)目，針對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無人機(jī)自動(dòng)滅火關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，通過風(fēng)力發(fā)電場無人機(jī)消防監(jiān)控報(bào)警裝置及無人機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“災(zāi)情偵查”“監(jiān)控追蹤”“火情撲滅”，實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)事故的快速響應(yīng)、及時(shí)消除，大幅減少因風(fēng)電機(jī)組火災(zāi)帶來的設(shè)備損失，同時(shí)有效避免人身傷亡事故發(fā)生，提高風(fēng)電運(yùn)維項(xiàng)目社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

[關(guān)鍵詞]風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng);無人機(jī);自動(dòng)滅火;關(guān)鍵技術(shù)

[中圖分類號(hào)]TM614 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）12–00–02

Research on Key Technologies of Automatic Fire Extinguishing

of UAV in Wind Power Generation System

Wu Ya-jie

[Abstract]At present， although the use of wind power generation in China has brought the development of clean energy into the fast lane， the space of wind power generator cabin is narrow and the equipment is densely distributed. In addition， the environment of wind power generation equipment in most parts of China is very bad. Once the environmental temperature is too high or the power supply line is short circuited， it will bring devastating disaster to wind turbine. In recent years， with the rapid development of UAV technology， it has played an important role in wind power equipment inspection and automatic fire extinguishing. Therefore， based on Shanxi Guangling wind power operation and maintenance project， this paper studies the key technologies of automatic fire extinguishing of UAV in wind power generation system， realizes "disaster investigation"， "monitoring and tracking" and "fire extinguishing" through UAV fire monitoring and alarm device and UAV automatic control system in wind power plant， and realizes rapid response and timely elimination of fire accidents， Greatly reduce the equipment loss caused by wind turbine fire， effectively avoid personal casualty accidents， and improve the social and economic benefits of wind power operation and maintenance project.

[Keywords]wind power generation system; UAV; automatic fire extinguishing; key technology

風(fēng)力是一種可再生資源，隨著現(xiàn)代社會(huì)能源危機(jī)日益加劇，進(jìn)一步加大對(duì)風(fēng)力資源等可再生能源的開發(fā)利用已經(jīng)勢(shì)在必行。尤其在國家大力提倡和支持發(fā)展清潔能源的戰(zhàn)略背景下，使用風(fēng)力發(fā)電逐漸成為新能源開發(fā)利用的重要方式。與其他新能源技術(shù)相比，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，而且我國有著優(yōu)越的自然氣候條件，具有良好的風(fēng)力資源開發(fā)利用前景。但是，風(fēng)力發(fā)電與傳統(tǒng)的發(fā)電方式不同，目前我國尚未建立新能源集控中心，所以無法做到對(duì)風(fēng)電場新能源海量數(shù)據(jù)的及時(shí)處理[1]。

以山西廣靈風(fēng)電運(yùn)維項(xiàng)目為例，該風(fēng)力發(fā)電廠所處地理環(huán)境較為偏遠(yuǎn)，從而使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)艙的火情控制難度大大提高，而傳統(tǒng)的人工滅火方式實(shí)際操作難度大，技術(shù)成本高，很容易引發(fā)風(fēng)電火災(zāi)事故。從過往運(yùn)行現(xiàn)狀來看，我國風(fēng)電行業(yè)事故主要有“雷擊”“火災(zāi)”“倒塔”“葉片損壞”等。其中，風(fēng)電火災(zāi)事故發(fā)生頻率較高，帶來的不良影響和危害也更大，除了會(huì)損壞風(fēng)電場設(shè)備，還可能影響社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益，甚至?xí)砣藛T傷亡。因此，構(gòu)建新能源集控中心一體化平臺(tái)，采用無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行“災(zāi)情偵查”“監(jiān)控追蹤”“火情撲滅”，同時(shí)基于高精度定位技術(shù)、軌跡重規(guī)劃技術(shù)等，勢(shì)必能實(shí)現(xiàn)“遠(yuǎn)程監(jiān)控，現(xiàn)場無人、少人值守”的目標(biāo)，切實(shí)解決風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)智能報(bào)警、多協(xié)議統(tǒng)一接口、設(shè)備接入、數(shù)據(jù)傳輸以及特色監(jiān)控等方面存在的棘手問題，通過無人機(jī)滅火技術(shù)，減少事故損失以及事故影響，維護(hù)風(fēng)電行業(yè)可持續(xù)綠色能源發(fā)展的良好社會(huì)形象[2]。

1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無人機(jī)自動(dòng)滅火的必要性

1.1 傳統(tǒng)的人工巡檢方式效率低，成本高，難以滿足智能化需求

風(fēng)電場所處地理環(huán)境較偏遠(yuǎn)，不利于風(fēng)力發(fā)電機(jī)艙的火情控制。以山西廣靈風(fēng)電運(yùn)維項(xiàng)目為例，該風(fēng)力發(fā)電場項(xiàng)目處于環(huán)境惡劣、位置偏僻、人員稀少的地區(qū)，給項(xiàng)目運(yùn)維帶來了很大風(fēng)險(xiǎn)和難度，從而為雷擊、火災(zāi)、倒塔、葉片損壞等風(fēng)電機(jī)組事故發(fā)生留下了巨大安全隱患[3]。

近年來，隨著該地區(qū)風(fēng)電規(guī)模不斷增加，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維項(xiàng)目成本也大大提高。因?yàn)樵擁?xiàng)目處于偏遠(yuǎn)山區(qū)，所以巡檢人員不能全面方便地進(jìn)行頻繁檢查和維修，加之風(fēng)電機(jī)組項(xiàng)目有些設(shè)備已經(jīng)老化，運(yùn)行效率和質(zhì)量難以得到保障。另外，山西地處華北地區(qū)，冬季寒冷期長，夏季暴雨多，此時(shí)大部分風(fēng)電機(jī)組就會(huì)進(jìn)入故障多發(fā)期，若使用傳統(tǒng)的人工巡檢方式控制火情事故等，由于人工巡視存在死角，可視范圍窄，不僅會(huì)有人員扭傷與摔傷等危險(xiǎn)，更容易引發(fā)車輛事故。而且夏天多雨、冬天多雪季節(jié)，風(fēng)電場人員少，工作強(qiáng)度大，一旦出現(xiàn)特殊天氣，人工巡視還要克服特殊地形等問題。因此，這種傳統(tǒng)的以人工為主的檢修模式和風(fēng)電機(jī)組巡檢方式已經(jīng)完全無法適應(yīng)當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組的智能化與一體化運(yùn)維需求。為了排除火災(zāi)、雷擊、葉片損壞、倒塔等故障，工作人員經(jīng)常需要定期攀爬到近80 m高的風(fēng)電機(jī)艙內(nèi)，對(duì)機(jī)艙做定期巡檢及檢維修，這不僅留下了安全隱患，而且還對(duì)巡檢人員體能提出了較高要求[4]。

1.2 風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)維故障率高，無法實(shí)現(xiàn)“遠(yuǎn)程監(jiān)控，現(xiàn)場無人、少人值守”

近年來，我國能源問題日益嚴(yán)重，在此背景下，國家提出了“碳中和”與“碳達(dá)峰”的目標(biāo)，搭乘全球新能源發(fā)展的“快車”，我國風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)也日漸壯大。但是由于客觀因素影響，我國很多新能源電站不得不處于高海拔地區(qū)與偏遠(yuǎn)山區(qū)，因此電站的運(yùn)行管理難度大，尤其工作人員所處環(huán)境十分惡劣，生活條件艱苦，經(jīng)常需要消耗大量人力、物力和財(cái)力對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行集中調(diào)度和安全運(yùn)行管理。盡管發(fā)電企業(yè)管理運(yùn)維技術(shù)在不斷提升，但是由于目前我國的風(fēng)電行業(yè)參與方良莠不齊，大多仍處于前期“跳躍式”發(fā)展階段，從而導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)維過程中故障頻發(fā)，大大增加了項(xiàng)目運(yùn)維管理成本。尤其是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)組長期在野外暴曬、雨淋、風(fēng)吹，很容易發(fā)生機(jī)械電氣故障。隨著野外裝機(jī)規(guī)模不斷增大，山西廣靈風(fēng)電運(yùn)維項(xiàng)目的故障診斷成本也越來越高[5]。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無人機(jī)自動(dòng)滅火關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用分析——以山西廣靈50 MW風(fēng)電運(yùn)維項(xiàng)目為例

2.1 在急難險(xiǎn)重災(zāi)害現(xiàn)場，利用無人機(jī)進(jìn)行災(zāi)情偵查

無人機(jī)可載有聲音感知、紅外光相機(jī)、4K高清相機(jī)、滅火彈以及三維激光掃描儀等任務(wù)設(shè)備，基于復(fù)雜電磁環(huán)境下的高精度定位技術(shù)，在急難險(xiǎn)重災(zāi)害現(xiàn)場進(jìn)行災(zāi)情偵查。例如，在使用無人機(jī)滅火前的急難險(xiǎn)重災(zāi)害現(xiàn)場，風(fēng)電場團(tuán)隊(duì)通過逐步探索和拓展無人機(jī)多功能定位技術(shù)，在線路巡視基礎(chǔ)上，基于風(fēng)電場無線局域網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場急難險(xiǎn)重災(zāi)害現(xiàn)場的無人機(jī)視頻圖像資料信息的采集;將其及時(shí)傳輸給風(fēng)電巡檢信息實(shí)時(shí)回傳集控中心，集控中心根據(jù)工作站實(shí)時(shí)傳回的無人機(jī)視頻圖像進(jìn)行火情信息集中分析與診斷，然后便可及時(shí)根據(jù)現(xiàn)場情況制定科學(xué)的火災(zāi)處置作業(yè)方案;項(xiàng)目巡檢檢修班組人員根據(jù)該方案作業(yè)要求，結(jié)合集控中心的信息指令，便能夠迅速開展對(duì)風(fēng)電機(jī)組項(xiàng)目相關(guān)設(shè)備的檢修與消缺作業(yè)。當(dāng)異物纏繞在風(fēng)電機(jī)組項(xiàng)目的架空線路上時(shí)，無人機(jī)操控技術(shù)人員還能實(shí)現(xiàn)不停電作業(yè)，及時(shí)將遠(yuǎn)程噴火技術(shù)裝置啟動(dòng)，從而針對(duì)風(fēng)電機(jī)組架空線路中所纏繞的相關(guān)異物進(jìn)行燒毀消除，從而減少設(shè)備因火災(zāi)引起的停電，提高火災(zāi)故障診斷及災(zāi)情偵查效率[6]。

2.2 在災(zāi)害事故處置前，利用無人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控追蹤

風(fēng)電機(jī)組經(jīng)常會(huì)由于火災(zāi)事故等故障引起意外停電，為了保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常、安全運(yùn)行，無人機(jī)基于全局軌跡規(guī)劃技術(shù)，可在災(zāi)害事故處置前進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控追蹤，巡檢技術(shù)人員通過無人機(jī)技術(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)及事故危害預(yù)測(cè)等，可減少設(shè)備停機(jī)維護(hù)帶來的損失。而且利用無人機(jī)進(jìn)行災(zāi)害事故監(jiān)控追蹤，對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)估火情事故風(fēng)險(xiǎn)都具有重要意義[7]。

近年來，隨著遠(yuǎn)程通信技術(shù)以及智能傳感技術(shù)的快速興起，使得風(fēng)電機(jī)組使用無人機(jī)進(jìn)行精細(xì)、全面、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集成為可能，也方便了機(jī)組人員使用無人機(jī)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障診斷。在火情發(fā)生的第一時(shí)間里，機(jī)組人員利用無人機(jī)對(duì)風(fēng)機(jī)輸電線路及主體設(shè)備等進(jìn)行巡檢，可實(shí)時(shí)將巡檢現(xiàn)場的相關(guān)狀況傳回到地面服務(wù)器，然后展開數(shù)據(jù)信息分析。再通過跨應(yīng)用互聯(lián)，就能夠?qū)︼L(fēng)機(jī)故障及火情發(fā)生原因等進(jìn)行快速的定位及分析，以便技術(shù)人員做出正確判斷，提高火情處置的智能化與數(shù)字化水平。例如，通過無人機(jī)可定期獲取風(fēng)電現(xiàn)場風(fēng)機(jī)葉片的高清數(shù)字影像，并將其傳回?cái)?shù)據(jù)服務(wù)器，通過大數(shù)據(jù)與人工智能分析，針對(duì)數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，就能夠精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉片因火災(zāi)引起的故障成因，經(jīng)過對(duì)相關(guān)設(shè)備隱患及故障進(jìn)行量化分析，就有助于技術(shù)人員實(shí)時(shí)展開精準(zhǔn)化運(yùn)維。

2.3 在火情發(fā)生后，根據(jù)現(xiàn)場情況利用無人機(jī)迅速進(jìn)行火情撲滅

山西廣靈0 MW風(fēng)電運(yùn)維項(xiàng)目所處自然環(huán)境十分惡劣，對(duì)火情處置的應(yīng)急安全技術(shù)要求較高，而無人機(jī)能夠適應(yīng)風(fēng)電巡檢的復(fù)雜化場景，當(dāng)火情發(fā)生之后，風(fēng)電行業(yè)無人機(jī)基于局部環(huán)境改變及碰撞下的軌跡重規(guī)劃技術(shù)，可第一時(shí)間根據(jù)現(xiàn)場情況迅速進(jìn)行火情撲滅[8]。

例如，在災(zāi)情偵查階段，使用無人機(jī)可以機(jī)動(dòng)靈活開展偵查，可以無視地形和環(huán)境，及時(shí)查明事故關(guān)鍵因素;而且能夠在易燃易爆的有毒危險(xiǎn)環(huán)境中，全面、細(xì)致掌握現(xiàn)場情況;同時(shí)，還可集成偵檢模塊對(duì)事故現(xiàn)場的有毒氣體進(jìn)行探測(cè)，從而獲得危險(xiǎn)部位的關(guān)鍵信息。在此基礎(chǔ)上，消防部隊(duì)所面臨的災(zāi)害事故現(xiàn)場瞬息萬變，因此，在利用無人機(jī)滅火時(shí)，技術(shù)人員能夠基于前期偵查監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)無人機(jī)加裝拓展模塊掛載消防滅火彈，在消防人員無法達(dá)到現(xiàn)場的情況下，依然能夠攜帶滅火彈等滅火設(shè)備，在火情發(fā)生后立即根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行滅火，避免火災(zāi)擴(kuò)散造成更大損失，大幅提高了風(fēng)電巡檢與火情處置的質(zhì)量與效率，降低了應(yīng)急處理成本[9]。

3 結(jié)束語

作為一種新型的工業(yè)技術(shù)，無人機(jī)自動(dòng)滅火技術(shù)較成熟，已經(jīng)逐漸應(yīng)用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、建筑、森林防火等各個(gè)領(lǐng)域和行業(yè)。目前我國已有關(guān)于使用無人機(jī)進(jìn)行拋投救援物資、火場偵查監(jiān)測(cè)等成功案例，這無疑為消防機(jī)構(gòu)利用無人機(jī)對(duì)事故現(xiàn)場進(jìn)行高空偵查，為救援決策提供了有效保障。但是無人機(jī)滅火技術(shù)在國內(nèi)尚未真正應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電等新能源技術(shù)領(lǐng)域，所以山西廣靈風(fēng)電運(yùn)維項(xiàng)目創(chuàng)新性地通過對(duì)國際上較為先進(jìn)的無人機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，從數(shù)據(jù)遙測(cè)、信息監(jiān)視等方面出發(fā)，通過無人機(jī)、地面指揮以及控制系統(tǒng)等硬件控制和軟件控制，發(fā)揮無人機(jī)技術(shù)在信息收集、信息傳導(dǎo)、信息處理以及信息顯示等方面的重要作用，有效實(shí)現(xiàn)災(zāi)情偵查，事故現(xiàn)場監(jiān)控追蹤以及火情撲滅等任務(wù)目標(biāo)，從而為新能源集控打造穩(wěn)定、高效運(yùn)維環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

[1] 周永鵬.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組加裝自動(dòng)消防裝置方案探究[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50（8）：154-155.

[2] 趙永景.高山林地風(fēng)電機(jī)組火災(zāi)原因和防護(hù)措施[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2020（25）：124-125.

[3] 王雨嬌.海上風(fēng)電機(jī)組可靠性問題的思考[J].科技視界，2021（17）：107-108.

[4] 潘佳捷.風(fēng)機(jī)葉片的無人機(jī)自主巡檢系統(tǒng)[D].成都：電子科技大學(xué)，2020.

[5] 李碩.如何利用無人機(jī)技術(shù)提升風(fēng)電設(shè)備管理水平[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2019（6）：158-159.

[6] 段慧云，汪洋青.人工智能技術(shù)在風(fēng)電機(jī)組智能巡檢中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（30）：155-156.

[7] 徐生望.無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在風(fēng)能開發(fā)勘測(cè)方面的應(yīng)用[J].地球，2014（5）：46-48.

[8] 王偉，李楠，馬嘯.無人機(jī)航空攝影測(cè)量在風(fēng)能開發(fā)勘測(cè)中的應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016（22）：89.

[9] 李清東，李向榮，李杰浩.人工智能助力風(fēng)電機(jī)組智能巡檢[J].電力設(shè)備管理，2018（9）：78-79.