風力發電機組安全防范系統設計

孟亞輝，朱東良，劉笑麟

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

風力發電機組安全防范系統設計

孟亞輝，朱東良，劉笑麟

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

由于具有無人值守、環境條件惡劣、分布范圍大的特點，風力發電機組安全防范形勢日益嚴峻。通過整合風力發電機組消防和安防系統，提出了一種綜合的集散式安全防范系統，實現了多目標與集中管理、多任務與分散控制、信息傳輸可靠性與大區域的協調，提高了風力發電機組的安全性。

風力發電機組；消防系統；安防系統；集散式安全防范

0 引言

可再生清潔能源是國家重點發展領域，風力發電在國家可再生能源領域的地位舉足輕重。據公開資料顯示，截至2014年12月，中國風電累積裝機容量達到114 608 MW，繼火電、水電之后成為我國第3大能源。隨著國家節能減排目標及能源結構調整、風電并網等措施的推進，可以預見在未來相當長一段時間內，風力發電仍將處于高速發展期，裝機容量也勢必會進一步增大。

但同時也應該看到，由于我國風電起步晚、技術積累時間短，隨著裝機容量的迅速增大，安全事故發生的頻率也隨之增加。據統計，近年來風力發電機組安全事故發生的數量呈上升趨勢，事故損失也在逐步擴大，每年都會出現多起經濟損失在百萬元甚至千萬元以上的較大規模安全事故，安全形勢十分嚴峻。

研究風力發電機組安全防范技術，提高風電機組安全運行指標，成為推廣風電技術的當務之急。

1 風力發電機組安全防范現狀分析

1.1 風力發電機組安全防范技術要求

風力發電機組安全防范是一個綜合性課題，旨在通過先進的技術手段實現適當的防范措施，從而使機組得到良好的安全保護，以應付攻擊或者避免受害，使風電機組乃至風電場處于不受侵害、風險可控、不出現重大事故的安全狀態。

風力發電機組安全防范應全面考慮場景特征，包括少人值守的中控室、無人值守的塔筒及機艙、分布式布置的大面積風機田、惡劣的自然條件、較差的通訊條件等多重不利因素，并制定在不同場景下發生安全事故的防范及處置預案。

風力發電機組安全防范技術還需關注安全事故特征，從調查安全事故特征出發，建立將專業安全監測終端與綜合集成管理平臺整合為一體的集散式安全防范系統，并以合理的網絡架構為載體聯網布局，從而實現風力發電機組安全防范的分布式管理。

1.2 風力發電機組安全防范現狀分析

風力發電機組安全事故類型分布如圖1所示。安全事故發生頻次最高的依次為葉片事故、結構損壞事故與火災事故，其主要原因如表1所示。這3種安全事故比重約達到全部事故總數的6成，破壞性極強，對機組的損壞往往是毀滅性的。

圖1 風力發電機組安全事故類型分布

表1 風力發電機組高發事故的主要原因

由此可見，由于運行環境惡劣、生產制造存在薄弱環節等內外因素的共同作用，風力發電機組的安全運行正面臨巨大挑戰，提升風力發電機組的安全防范能力迫在眉睫。

2 風力發電機組安全防范系統設計

2.1 系統設計理念

風力發電機組安全防范系統設計采用集散控制的設計理念，以風機事故樹模型為基本出發點，以信息技術、探測報警技術、控制技術等為載體，形成了一套針對性的集散式安全防范系統。

2.1.1 多目標與集中管理的協調

管理平臺設計用于協調多任務模式和集中管理目標需求，同時結合風機事故樹模型下所需設置的技術防范措施，以適應當前風電場技術值班人員短缺的情況。其中，多目標是指管理平臺能同時處理全部接入系統的風電機組安全監測設施運行狀態，并能將多個監視目標分層顯示，使遠程監控的值班人員可以及時查看各設備運行狀態；集中管理是指實現事故狀態下集中報警、集中決策及集中處置。

2.1.2 多任務與分散控制的協調

因自然條件、地質狀況所限，不同風電場的布局千差萬別，同時風電場所處區位的氣候條件決定了安全防范需求呈多元化趨勢。系統設計采取集中管理分散控制的理念，即在每一個管理目標下設定多個子任務，由分散的遠程端控制單元進行獨立運算，將運算結果上傳至集中控制端控制單元的相應目標下，并接受控制端的遠程命令。因此，多元化任務間就不再存在硬件資源的沖突問題，在一定程度上提高了平臺的可靠性；另一方面，在集散控制系統理論中，數據采集、邏輯控制、模擬控制等都可在現場控制裝置中單獨完成，這意味著在上位機(控制端)離線的情況下，遠程端仍然可以維持工作，進一步規避了風險。

2.1.3 信息傳輸可靠性與大區域的協調

安全防范系統應確保信息的準確、及時、可靠傳導，同時由于風電場屬于大區域布置的風機田，具有顯著的“大區域”特點，因此安全防范系統應同時考慮有線通訊的可靠性特點和無線通訊的靈活性特點，采用具有基于光纖傳輸與無線網絡傳輸的混合通訊模式理念。

2.2 系統設計架構

安全防范系統設計采取以控制端為核心的綜合管理平臺，以遠程端為風機側的任務處理子模塊，以混合形式的通訊手段為紐帶，以專業化安全防范終端為執行機構，實現風力發電機組安全防范目標與任務的綜合管理，并可實現目標與任務的擴展。

安全防范系統采用3層架構，分別為控制層、遠程層、終端層，如圖2所示。從最上層的控制端開始往下呈輻射狀展開，既保證系統的可擴展性，也給予每個遠程端的獨立性，以防發生一端事故造成多端失效的狀況。其中每一個遠程端設備可以有針對性地特性化(如強調或弱化某項功能)，以適應根據其所處環境、方位、地勢、救援難度等綜合制定的個性化安全防范方案。

控制端和各遠程端均搭載相互匹配的通訊模塊，不僅支持全雙工雙向通信，也支持單向通信。位于終端層的安全防范終端設備種類多樣，從通訊信號上下行的角度可大致分為3類：

(1) 只進行數據采集形成信號反饋的終端，如報警探測器；

(2) 只接受控制信號并動作的終端，如警報；

(3) 既可受控動作又可信號反饋的終端，如電磁閥。

遠程端需根據相應終端類型加以支持。

圖2 安全防范系統架構示意

2.3 控制端設計方案

控制端是一個綜合的信息化管理平臺，該平臺基于Windows 7及以上版本系統，采用工業組態理念開發，具有顯示、操作、通訊3個子模塊，如圖3所示。顯示子模塊具有較好的人機界面，能夠通過查詢組網中掛載的數據庫服務器方式，以圖文形式顯示風力發電機組視頻監控系統、可視對講系統、火災探測系統、消防滅火系統、振動監測系統等系統的運行狀態，或者配合狀態分析等軟件達到預先防范目的，并可遠程干預消防系統、門禁系統等的開啟。顯示子模塊具有3層畫面：1層顯示整個風電場安全防范系統運行狀態；2層顯示個體風機安全防范系統運行狀態；3層顯示個體風機中各子系統運行狀態。

圖3 安全防范控制端設計架構示意

通過邏輯判斷，可讓風機安全狀態經檢測超閾值時顯示子模塊自動調用畫面彈窗；操作子系統可實現遠程安全復核、消防啟動功能，能夠遠程開啟門禁及可視對講；通訊子系統通過前置的規約轉換裝置和路由器可以兼容通用modbus、TCP/IP通訊協議、RS232/485、Ethernet端口等通訊接口的有線通訊模式，可實現無線網絡傳輸。由路由器提供的VLAN技術，可以隔離廣播域、區分組播域，有助于按功能劃分通訊作用域，避免內部干擾。

2.4 遠程端設計方案

遠程端是風力發電機組安全防范系統風機側的核心單元，包括3個子模塊：作為下位機接口的安全防范終端信號收發模塊、遠程端內部的邏輯分析處理模塊、作為上位機接口的遠端通訊模塊，具體如圖4所示。

圖4 安全防范遠程端設計架構示意

安全防范終端信號收發子模塊提供數字量和模擬量標準工業通訊接口以及Ethernet端口，其主要功能是接入風機內部終端層的多種安全防范終端的輸入輸出信號，包括火災探測系統、消防滅火系統、圖像偵測系統、門禁系統、巡更系統、內部對講系統、震動監測系統等，實現遠程端安全防范終端設備的集中管理。上文中提到的對多類終端支持是在本模塊完成的。

邏輯分析處理子模塊的核心是一臺可編程邏輯控制器，其主要功能為實現信息處理、邏輯運算、自動報警與處置等。邏輯分析處理子模塊的聯動邏輯可編輯，能夠根據風力發電機組型號及安全分區、安全監測終端設備類型及位置，同時兼顧風電場運維組織機構流程，承載由工程師制定的不同聯動策略。根據I/O數據是否與控制端相關，將邏輯分析處理子模塊運行狀態分為2類：

(1) 當I/O數據為純本地數據時，邏輯運算結果可直接通過配套的邏輯控制板實現就地輸出控制信號，并可通過通訊模塊反饋至控制中心；

(2) 當I/O數據包含來自控制端的遠程信號時，則需要經過遠端通訊子模塊收發信號，以完成控制或反饋。

遠端通訊子模塊與控制端通訊子模塊成對使用，并與相對應的控制端通訊模塊使用相同的通訊介質。不同遠程端通訊模塊通訊地址可預先置定，也可在接入組網時由路由器分配，通訊中使用五元組唯一標定地址。為保證通訊的可靠性，通訊模塊應包含數據過載處理、智能診斷、放棄和重新發送等功能。

2.5 通訊組網方案

考慮到通訊可靠性原則，所有風電機組可采用雙環網冗余通訊方式連接，其自愈功能會在故障后50 ms內自動倒換到保護通道，使業務信息得到正常傳送；同時引入環網重構技術，在關鍵節點加入環網開關，在雙環網都出現故障時，盡可能選取非故障線路通過繼電器動作自動重構環網通路，進一步提高通訊的可靠性。組網中，將每臺風機作為一個節點，組成風電場安全防范系統控制層網絡，并將所有信息送至風電場控制中心服務器。監視網絡由工程師站、操作員站及實時歷史服務器組成，預留遠程Web接口，可在辦公室遠程監視整個風電場所有風機的安全狀態，或者查詢歷史數據作為進一步分析輸入，并可執行人工遠程操作。冗余環網通訊結構如圖5所示。

圖5 冗余環網通訊結構示意

由于風電場一般由幾十甚至上百臺風機組成，風機與風機之間相隔數百米，根據路徑最優化要求，應采用有線和無線混合的方式搭建組網。有線通訊介質采用室外鎧裝多模光纜，其抗干擾能力強、可靠性高，但受地形地勢影響可能造成某點敷設難度大、投資高的問題。因此，根據現場實際情況也需輔助采用無線通訊方式(如GPRS，CDMA，LTE等)，它的特點是現場施工簡單，無需敷設通訊光纜，初期成本低；但存在數據帶寬較小，信號延遲、易受干擾等缺點，與有線通訊方式形成互補。在有線和無線通訊方式的選擇上，應充分考慮最優路徑、施工成本、風險成本等參數，形成綜合性的目標函數，以求最優解的方式選取主要有線路徑；路徑外的風機單點采用無線接入，無線網絡通訊接入的系統結構如圖6所示。

圖6 無線通訊網絡結構示意

2.6 安全防范終端

風力發電機組安全防范終端包括一系列可通過標準接口接入系統的安全監測設備；用戶可根據安全需要設置不同類型、不同型號的監測設備，以達到提高風機安全水平的目的。其中，本設計方案集成消防安全終端設備和安防監測與報警設備標準接口，并在控制端和遠程端預先定義。

消防安全終端設備為滿足機艙及塔筒內火災報警及應急撲救而設置。風力發電機組內不同于一般建筑，其火災特性因起火設備不同、地域環境不同存在較大差異，同時機艙內存在強烈的煙囪效應、紊流特性。常規的點型火災探測器應用于風力發電機組時效果欠佳，本設計采用接近式溫度探測器與視頻圖像火災探測器進行信號復合，二者邏輯配合以復核與確定火災的發生；同樣，考慮到機艙及塔筒復雜的生存環境，常規滅火器材難以有效發揮功能，本設計設置了2種不同特點的滅火劑：在年最低溫度不低于-10 ℃區域設置常規滅火劑；在年最低溫度低于-10 ℃的區域設置一種新型滅火劑，該滅火劑能夠適應低至-50 ℃的環境并能有效撲滅A類、B類火災，配合主動式火探管時更能實現主動滅火。

安防監測與報警系統主要承擔風力發電機組保衛工作。和傳統電廠類似，風力發電機組的門禁系統主要實現授權準入與無授權拒絕的功能，從而隔離一定程度下的外界人為干擾；入侵報警系統在風力發電機組邊界損壞時發出報警信號，通過通訊網絡傳遞到控制端，并輔以視頻監測采集的圖像信息，供值守人員復核；遠程視頻通話功能主要為授權人員提供與上層工程師站或操作員站交互的便利途徑，主要在日常運維、檢修中使用。

3 結束語

在新能源發展的熱潮中，風力發電主力軍地位

?相當穩固。但就目前來看，風力發電在進一步推廣的過程中仍面臨著一些技術挑戰。本文提出的風力發電機組安全防范系統設計方案，一定程度上解決了傳統方案只針對單一技術領域的局限性，將消防與安防系統整合，提高了設備的集約化程度，同時也為類似的一體化系統研究提供了思路。

1 徐大軍，張 晉.風力發電機組火災特性與消防系統應用研究[J].消防科學與技術.2010，29(12)：13-15.

2 于建國，冷永強.智能化風電場安全防護監測管理系統研究[C].2014全國風電后市場專題研討會論文集.2014.

3 李俊峰，蔡豐波.2014中國風電發展報告[R].北京：中國循環經濟可再生能源專業委員會，中國可再生能源學會風能專業委員會，全球風能理事會.2014.

2015-10-01。

孟亞輝(1983-)，男，工程師，主要從事新能源火災及安全防護技術研究及工程設計工作，email：mengyahui@cgnpc.com.cn。

朱東良(1981-)，男，工程師，主要從事新能源火災及安全防護技術研究及工程設計工作。

劉笑麟(1989-)，男，助理工程師，主要從事安全保衛技術研究工作。