风力发电系统无人机自动灭火关键技术研究

吴雅洁

[摘    要]目前，虽然我国使用风力发电使清洁能源开发进入了发展快车道，但是风力发电机舱空间狭窄，设备分布密集，加之我国大部分地区的风力发电设备所处环境十分恶劣，一旦因环境温度过高或供电线路短路，必将会给风力发电机组带来毁灭性灾难。近年来，随着无人机技术快速发展，它在风电设备巡检及自动灭火方面发挥了重要作用。因此，文章基于山西广灵风电运维项目，针对风力发电系统无人机自动灭火关键技术进行研究，通过风力发电场无人机消防监控报警装置及无人机自动控制系统，实现“灾情侦查”“监控追踪”“火情扑灭”，实现对火灾事故的快速响应、及时消除，大幅减少因风电机组火灾带来的设备损失，同时有效避免人身伤亡事故发生，提高风电运维项目社会效益和经济效益。

[关键词]风力发电系统;无人机;自动灭火;关键技术

[中图分类号]TM614 [文献标志码]A [文章编号]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

風力是一种可再生资源，随着现代社会能源危机日益加剧，进一步加大对风力资源等可再生能源的开发利用已经势在必行。尤其在国家大力提倡和支持发展清洁能源的战略背景下，使用风力发电逐渐成为新能源开发利用的重要方式。与其他新能源技术相比，风力发电技术已经相对成熟，而且我国有着优越的自然气候条件，具有良好的风力资源开发利用前景。但是，风力发电与传统的发电方式不同，目前我国尚未建立新能源集控中心，所以无法做到对风电场新能源海量数据的及时处理[1]。

以山西广灵风电运维项目为例，该风力发电厂所处地理环境较为偏远，从而使得风力发电机舱的火情控制难度大大提高，而传统的人工灭火方式实际操作难度大，技术成本高，很容易引发风电火灾事故。从过往运行现状来看，我国风电行业事故主要有“雷击”“火灾”“倒塔”“叶片损坏”等。其中，风电火灾事故发生频率较高，带来的不良影响和危害也更大，除了会损坏风电场设备，还可能影响社会与经济效益，甚至会带来人员伤亡。因此，构建新能源集控中心一体化平台，采用无人机技术进行“灾情侦查”“监控追踪”“火情扑灭”，同时基于高精度定位技术、轨迹重规划技术等，势必能实现“远程监控，现场无人、少人值守”的目标，切实解决风力发电系统智能报警、多协议统一接口、设备接入、数据传输以及特色监控等方面存在的棘手问题，通过无人机灭火技术，减少事故损失以及事故影响，维护风电行业可持续绿色能源发展的良好社会形象[2]。

1 风力发电系统无人机自动灭火的必要性

1.1 传统的人工巡检方式效率低，成本高，难以满足智能化需求

风电场所处地理环境较偏远，不利于风力发电机舱的火情控制。以山西广灵风电运维项目为例，该风力发电场项目处于环境恶劣、位置偏僻、人员稀少的地区，给项目运维带来了很大风险和难度，从而为雷击、火灾、倒塔、叶片损坏等风电机组事故发生留下了巨大安全隐患[3]。

近年来，随着该地区风电规模不断增加，风电机组运维项目成本也大大提高。因为该项目处于偏远山区，所以巡检人员不能全面方便地进行频繁检查和维修，加之风电机组项目有些设备已经老化，运行效率和质量难以得到保障。另外，山西地处华北地区，冬季寒冷期长，夏季暴雨多，此时大部分风电机组就会进入故障多发期，若使用传统的人工巡检方式控制火情事故等，由于人工巡视存在死角，可视范围窄，不仅会有人员扭伤与摔伤等危险，更容易引发车辆事故。而且夏天多雨、冬天多雪季节，风电场人员少，工作强度大，一旦出现特殊天气，人工巡视还要克服特殊地形等问题。因此，这种传统的以人工为主的检修模式和风电机组巡检方式已经完全无法适应当前风电机组的智能化与一体化运维需求。为了排除火灾、雷击、叶片损坏、倒塔等故障，工作人员经常需要定期攀爬到近80 m高的风电机舱内，对机舱做定期巡检及检维修，这不仅留下了安全隐患，而且还对巡检人员体能提出了较高要求[4]。

1.2 风电机组实际运维故障率高，无法实现“远程监控，现场无人、少人值守”

近年来，我国能源问题日益严重，在此背景下，国家提出了“碳中和”与“碳达峰”的目标，搭乘全球新能源发展的“快车”，我国风电、光伏等新能源发电产业也日渐壮大。但是由于客观因素影响，我国很多新能源电站不得不处于高海拔地区与偏远山区，因此电站的运行管理难度大，尤其工作人员所处环境十分恶劣，生活条件艰苦，经常需要消耗大量人力、物力和财力对电网进行集中调度和安全运行管理。尽管发电企业管理运维技术在不断提升，但是由于目前我国的风电行业参与方良莠不齐，大多仍处于前期“跳跃式”发展阶段，从而导致风电机组在实际运维过程中故障频发，大大增加了项目运维管理成本。尤其是风力发电系统机组长期在野外暴晒、雨淋、风吹，很容易发生机械电气故障。随着野外装机规模不断增大，山西广灵风电运维项目的故障诊断成本也越来越高[5]。

2 风力发电系统无人机自动灭火关键技术应用分析——以山西广灵50 MW风电运维项目为例

2.1 在急难险重灾害现场，利用无人机进行灾情侦查

无人机可载有声音感知、红外光相机、4K高清相机、灭火弹以及三维激光扫描仪等任务设备，基于复杂电磁环境下的高精度定位技术，在急难险重灾害现场进行灾情侦查。例如，在使用无人机灭火前的急难险重灾害现场，风电场团队通过逐步探索和拓展无人机多功能定位技术，在线路巡视基础上，基于风电场无线局域网，可实现对风电场急难险重灾害现场的无人机视频图像资料信息的采集;将其及时传输给风电巡检信息实时回传集控中心，集控中心根据工作站实时传回的无人机视频图像进行火情信息集中分析与诊断，然后便可及时根据现场情况制定科学的火灾处置作业方案;项目巡检检修班组人员根据该方案作业要求，结合集控中心的信息指令，便能够迅速开展对风电机组项目相关设备的检修与消缺作业。当异物缠绕在风电机组项目的架空线路上时，无人机操控技术人员还能实现不停电作业，及时将远程喷火技术装置启动，从而针对风电机组架空线路中所缠绕的相关异物进行烧毁消除，从而减少设备因火灾引起的停电，提高火灾故障诊断及灾情侦查效率[6]。

2.2 在灾害事故处置前，利用无人机进行实时监控追踪

风电机组经常会由于火灾事故等故障引起意外停电，为了保证风力发电机的正常、安全运行，无人机基于全局轨迹规划技术，可在灾害事故处置前进行实时监控追踪，巡检技术人员通过无人机技术对风机的运行状态进行实时在线监测及事故危害预测等，可减少设备停机维护带来的损失。而且利用无人机进行灾害事故监控追踪，对于及时发现早期风险，评估火情事故风险都具有重要意义[7]。

近年来，随着远程通信技术以及智能传感技术的快速兴起，使得风电机组使用无人机进行精细、全面、实时的数据采集成为可能，也方便了机组人员使用无人机进行风力发电机故障诊断。在火情发生的第一时间里，机组人员利用无人机对风机输电线路及主体设备等进行巡检，可实时将巡检现场的相关状况传回到地面服务器，然后展开数据信息分析。再通过跨应用互联，就能够对风机故障及火情发生原因等进行快速的定位及分析，以便技术人员做出正确判断，提高火情处置的智能化与数字化水平。例如，通过无人机可定期获取风电现场风机叶片的高清数字影像，并将其传回数据服务器，通过大数据与人工智能分析，针对数据库中存储的检测结果进行比对，就能够精准发现风机叶片因火灾引起的故障成因，经过对相关设备隐患及故障进行量化分析，就有助于技术人员实时展开精准化运维。

2.3 在火情发生后，根据现场情况利用无人机迅速进行火情扑灭

山西广灵0 MW风电运维项目所处自然环境十分恶劣，对火情处置的应急安全技术要求较高，而无人机能够适应风电巡检的复杂化场景，当火情发生之后，风电行业无人机基于局部环境改变及碰撞下的轨迹重规划技术，可第一时间根据现场情况迅速进行火情扑灭[8]。

例如，在灾情侦查阶段，使用无人机可以机动灵活开展侦查，可以无视地形和环境，及时查明事故关键因素;而且能够在易燃易爆的有毒危险环境中，全面、细致掌握现场情况;同时，还可集成侦检模块对事故现场的有毒气体进行探测，从而获得危险部位的关键信息。在此基础上，消防部队所面临的灾害事故现场瞬息万变，因此，在利用无人机灭火时，技术人员能够基于前期侦查监测结果，对无人机加装拓展模块挂载消防灭火弹，在消防人员无法达到现场的情况下，依然能够携带灭火弹等灭火设备，在火情发生后立即根据现场情况进行灭火，避免火灾扩散造成更大损失，大幅提高了风电巡检与火情处置的质量与效率，降低了应急处理成本[9]。

3 结束语

作为一种新型的工业技术，无人机自动灭火技术较成熟，已经逐渐应用到工业、农业、商业、建筑、森林防火等各个领域和行业。目前我国已有关于使用无人机进行抛投救援物资、火场侦查监测等成功案例，这无疑为消防机构利用无人机对事故现场进行高空侦查，为救援决策提供了有效保障。但是无人机灭火技术在国内尚未真正应用到风力发电等新能源技术领域，所以山西广灵风电运维项目创新性地通过对国际上较为先进的无人机控制系统进行研究，从数据遥测、信息监视等方面出发，通过无人机、地面指挥以及控制系统等硬件控制和软件控制，发挥无人机技术在信息收集、信息传导、信息处理以及信息显示等方面的重要作用，有效实现灾情侦查，事故现场监控追踪以及火情扑灭等任务目标，从而为新能源集控打造稳定、高效运维环境。

参考文献

[1] 周永鹏.风力发电机组加装自动消防装置方案探究[J].南方农机，2019，50（8）：154-155.

[2] 赵永景.高山林地风电机组火灾原因和防护措施[J].科技创新与应用，2020（25）：124-125.

[3] 王雨娇.海上风电机组可靠性问题的思考[J].科技视界，2021（17）：107-108.

[4] 潘佳捷.风机叶片的无人机自主巡检系统[D].成都：电子科技大学，2020.

[5] 李硕.如何利用无人机技术提升风电设备管理水平[J].企业科技与发展，2019（6）：158-159.

[6] 段慧云，汪洋青.人工智能技術在风电机组智能巡检中的应用[J].科学技术创新，2019（30）：155-156.

[7] 徐生望.无人机航空摄影测量技术在风能开发勘测方面的应用[J].地球，2014（5）：46-48.

[8] 王伟，李楠，马啸.无人机航空摄影测量在风能开发勘测中的应用[J].山东工业技术，2016（22）：89.

[9] 李清东，李向荣，李杰浩.人工智能助力风电机组智能巡检[J].电力设备管理，2018（9）：78-79.