風力發電系統無人機自動滅火關鍵技術研究

吳雅潔

[摘? ? 要]目前，雖然我國使用風力發電使清潔能源開發進入了發展快車道，但是風力發電機艙空間狹窄，設備分布密集，加之我國大部分地區的風力發電設備所處環境十分惡劣，一旦因環境溫度過高或供電線路短路，必將會給風力發電機組帶來毀滅性災難。近年來，隨著無人機技術快速發展，它在風電設備巡檢及自動滅火方面發揮了重要作用。因此，文章基于山西廣靈風電運維項目，針對風力發電系統無人機自動滅火關鍵技術進行研究，通過風力發電場無人機消防監控報警裝置及無人機自動控制系統，實現“災情偵查”“監控追蹤”“火情撲滅”，實現對火災事故的快速響應、及時消除，大幅減少因風電機組火災帶來的設備損失，同時有效避免人身傷亡事故發生，提高風電運維項目社會效益和經濟效益。

[關鍵詞]風力發電系統;無人機;自動滅火;關鍵技術

[中圖分類號]TM614 [文獻標志碼]A [文章編號]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

風力是一種可再生資源，隨著現代社會能源危機日益加劇，進一步加大對風力資源等可再生能源的開發利用已經勢在必行。尤其在國家大力提倡和支持發展清潔能源的戰略背景下，使用風力發電逐漸成為新能源開發利用的重要方式。與其他新能源技術相比，風力發電技術已經相對成熟，而且我國有著優越的自然氣候條件，具有良好的風力資源開發利用前景。但是，風力發電與傳統的發電方式不同，目前我國尚未建立新能源集控中心，所以無法做到對風電場新能源海量數據的及時處理[1]。

以山西廣靈風電運維項目為例，該風力發電廠所處地理環境較為偏遠，從而使得風力發電機艙的火情控制難度大大提高，而傳統的人工滅火方式實際操作難度大，技術成本高，很容易引發風電火災事故。從過往運行現狀來看，我國風電行業事故主要有“雷擊”“火災”“倒塔”“葉片損壞”等。其中，風電火災事故發生頻率較高，帶來的不良影響和危害也更大，除了會損壞風電場設備，還可能影響社會與經濟效益，甚至會帶來人員傷亡。因此，構建新能源集控中心一體化平臺，采用無人機技術進行“災情偵查”“監控追蹤”“火情撲滅”，同時基于高精度定位技術、軌跡重規劃技術等，勢必能實現“遠程監控，現場無人、少人值守”的目標，切實解決風力發電系統智能報警、多協議統一接口、設備接入、數據傳輸以及特色監控等方面存在的棘手問題，通過無人機滅火技術，減少事故損失以及事故影響，維護風電行業可持續綠色能源發展的良好社會形象[2]。

1 風力發電系統無人機自動滅火的必要性

1.1 傳統的人工巡檢方式效率低，成本高，難以滿足智能化需求

風電場所處地理環境較偏遠，不利于風力發電機艙的火情控制。以山西廣靈風電運維項目為例，該風力發電場項目處于環境惡劣、位置偏僻、人員稀少的地區，給項目運維帶來了很大風險和難度，從而為雷擊、火災、倒塔、葉片損壞等風電機組事故發生留下了巨大安全隱患[3]。

近年來，隨著該地區風電規模不斷增加，風電機組運維項目成本也大大提高。因為該項目處于偏遠山區，所以巡檢人員不能全面方便地進行頻繁檢查和維修，加之風電機組項目有些設備已經老化，運行效率和質量難以得到保障。另外，山西地處華北地區，冬季寒冷期長，夏季暴雨多，此時大部分風電機組就會進入故障多發期，若使用傳統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，不僅會有人員扭傷與摔傷等危險，更容易引發車輛事故。而且夏天多雨、冬天多雪季節，風電場人員少，工作強度大，一旦出現特殊天氣，人工巡視還要克服特殊地形等問題。因此，這種傳統的以人工為主的檢修模式和風電機組巡檢方式已經完全無法適應當前風電機組的智能化與一體化運維需求。為了排除火災、雷擊、葉片損壞、倒塔等故障，工作人員經常需要定期攀爬到近80 m高的風電機艙內，對機艙做定期巡檢及檢維修，這不僅留下了安全隱患，而且還對巡檢人員體能提出了較高要求[4]。

1.2 風電機組實際運維故障率高，無法實現“遠程監控，現場無人、少人值守”

近年來，我國能源問題日益嚴重，在此背景下，國家提出了“碳中和”與“碳達峰”的目標，搭乘全球新能源發展的“快車”，我國風電、光伏等新能源發電產業也日漸壯大。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與偏遠山區，因此電站的運行管理難度大，尤其工作人員所處環境十分惡劣，生活條件艱苦，經常需要消耗大量人力、物力和財力對電網進行集中調度和安全運行管理。盡管發電企業管理運維技術在不斷提升，但是由于目前我國的風電行業參與方良莠不齊，大多仍處于前期“跳躍式”發展階段，從而導致風電機組在實際運維過程中故障頻發，大大增加了項目運維管理成本。尤其是風力發電系統機組長期在野外暴曬、雨淋、風吹，很容易發生機械電氣故障。隨著野外裝機規模不斷增大，山西廣靈風電運維項目的故障診斷成本也越來越高[5]。

2 風力發電系統無人機自動滅火關鍵技術應用分析——以山西廣靈50 MW風電運維項目為例

2.1 在急難險重災害現場，利用無人機進行災情偵查

無人機可載有聲音感知、紅外光相機、4K高清相機、滅火彈以及三維激光掃描儀等任務設備，基于復雜電磁環境下的高精度定位技術，在急難險重災害現場進行災情偵查。例如，在使用無人機滅火前的急難險重災害現場，風電場團隊通過逐步探索和拓展無人機多功能定位技術，在線路巡視基礎上，基于風電場無線局域網，可實現對風電場急難險重災害現場的無人機視頻圖像資料信息的采集;將其及時傳輸給風電巡檢信息實時回傳集控中心，集控中心根據工作站實時傳回的無人機視頻圖像進行火情信息集中分析與診斷，然后便可及時根據現場情況制定科學的火災處置作業方案;項目巡檢檢修班組人員根據該方案作業要求，結合集控中心的信息指令，便能夠迅速開展對風電機組項目相關設備的檢修與消缺作業。當異物纏繞在風電機組項目的架空線路上時，無人機操控技術人員還能實現不停電作業，及時將遠程噴火技術裝置啟動，從而針對風電機組架空線路中所纏繞的相關異物進行燒毀消除，從而減少設備因火災引起的停電，提高火災故障診斷及災情偵查效率[6]。

2.2 在災害事故處置前，利用無人機進行實時監控追蹤

風電機組經常會由于火災事故等故障引起意外停電，為了保證風力發電機的正常、安全運行，無人機基于全局軌跡規劃技術，可在災害事故處置前進行實時監控追蹤，巡檢技術人員通過無人機技術對風機的運行狀態進行實時在線監測及事故危害預測等，可減少設備停機維護帶來的損失。而且利用無人機進行災害事故監控追蹤，對于及時發現早期風險，評估火情事故風險都具有重要意義[7]。

近年來，隨著遠程通信技術以及智能傳感技術的快速興起，使得風電機組使用無人機進行精細、全面、實時的數據采集成為可能，也方便了機組人員使用無人機進行風力發電機故障診斷。在火情發生的第一時間里，機組人員利用無人機對風機輸電線路及主體設備等進行巡檢，可實時將巡檢現場的相關狀況傳回到地面服務器，然后展開數據信息分析。再通過跨應用互聯，就能夠對風機故障及火情發生原因等進行快速的定位及分析，以便技術人員做出正確判斷，提高火情處置的智能化與數字化水平。例如，通過無人機可定期獲取風電現場風機葉片的高清數字影像，并將其傳回數據服務器，通過大數據與人工智能分析，針對數據庫中存儲的檢測結果進行比對，就能夠精準發現風機葉片因火災引起的故障成因，經過對相關設備隱患及故障進行量化分析，就有助于技術人員實時展開精準化運維。

2.3 在火情發生后，根據現場情況利用無人機迅速進行火情撲滅

山西廣靈0 MW風電運維項目所處自然環境十分惡劣，對火情處置的應急安全技術要求較高，而無人機能夠適應風電巡檢的復雜化場景，當火情發生之后，風電行業無人機基于局部環境改變及碰撞下的軌跡重規劃技術，可第一時間根據現場情況迅速進行火情撲滅[8]。

例如，在災情偵查階段，使用無人機可以機動靈活開展偵查，可以無視地形和環境，及時查明事故關鍵因素;而且能夠在易燃易爆的有毒危險環境中，全面、細致掌握現場情況;同時，還可集成偵檢模塊對事故現場的有毒氣體進行探測，從而獲得危險部位的關鍵信息。在此基礎上，消防部隊所面臨的災害事故現場瞬息萬變，因此，在利用無人機滅火時，技術人員能夠基于前期偵查監測結果，對無人機加裝拓展模塊掛載消防滅火彈，在消防人員無法達到現場的情況下，依然能夠攜帶滅火彈等滅火設備，在火情發生后立即根據現場情況進行滅火，避免火災擴散造成更大損失，大幅提高了風電巡檢與火情處置的質量與效率，降低了應急處理成本[9]。

3 結束語

作為一種新型的工業技術，無人機自動滅火技術較成熟，已經逐漸應用到工業、農業、商業、建筑、森林防火等各個領域和行業。目前我國已有關于使用無人機進行拋投救援物資、火場偵查監測等成功案例，這無疑為消防機構利用無人機對事故現場進行高空偵查，為救援決策提供了有效保障。但是無人機滅火技術在國內尚未真正應用到風力發電等新能源技術領域，所以山西廣靈風電運維項目創新性地通過對國際上較為先進的無人機控制系統進行研究，從數據遙測、信息監視等方面出發，通過無人機、地面指揮以及控制系統等硬件控制和軟件控制，發揮無人機技術在信息收集、信息傳導、信息處理以及信息顯示等方面的重要作用，有效實現災情偵查，事故現場監控追蹤以及火情撲滅等任務目標，從而為新能源集控打造穩定、高效運維環境。

參考文獻

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[2] 趙永景.高山林地風電機組火災原因和防護措施[J].科技創新與應用，2020（25）：124-125.

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

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[5] 李碩.如何利用無人機技術提升風電設備管理水平[J].企業科技與發展，2019（6）：158-159.

[6] 段慧云，汪洋青.人工智能技術在風電機組智能巡檢中的應用[J].科學技術創新，2019（30）：155-156.

[7] 徐生望.無人機航空攝影測量技術在風能開發勘測方面的應用[J].地球，2014（5）：46-48.

[8] 王偉，李楠，馬嘯.無人機航空攝影測量在風能開發勘測中的應用[J].山東工業技術，2016（22）：89.

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