基于大数据分析的风电智慧化巡检系统研究与建设

基于大数据分析的风电智慧化巡检系统研究与建设

吴日卓，赵明远，宋昌基  

国投广西新能源发展有限公司，广西壮族自治区钦州市，535000

摘要：为了有效解决风电场巡检难度大、效率低等问题，设计了一种风电场智慧化巡检系统，通过数据采集与监视控制系统（SCADA），结合机器人、无人机智慧巡检技术获取风机机组设备状态信息，并利用Hadoop大数据分析技术、智能算法及评估模型对设备的健康度、寿命等进行智能评价，为管理人员决策提供数据支持，旨在提高风电场巡检数字化、智慧化水平，可为风电场智慧化巡检建设提供参考。

关键词：风电场；智慧化；巡检系统；大数据；数字化

引言

随着改革开放以来国民经济的飞速发展，我国对于电能的需求也是与日俱增。为了保障电力系统的安全稳定运行，需要电力工人定期对电力系统的各个部分进行安全巡检和故障排除。其中电力杆塔和输电线路大多数都是直接暴露在野外，受到恶劣的天气环境、动植物和人为因素等原因影响，更容易受到损坏而存在安全隐患。传统人工巡检的工作效率和安全性都得不到保证，而利用四旋翼无人机进行电力巡检在提高工作效率的同时也能保障人身安全。

1智慧化巡检系统概述

1.1系统的总体结构

本系统采用三层结构设计，分别为数据采集层、数据储存及处理层和功能应用层。其中，数据采集对象主要包括风机、升压站、箱变、电能质量和故障录波等的信息；数据储存及处理层以用Hadoop大数据框架系统为核心，以分布式文件系统（HDFS）和并行计算框架Mapreduce为主体框架；功能应用层包括调度管理、统计分析和风场故障预测等系统。

1.2系统需求分析

风电场智慧化巡检系统的主要功能是通过SCADA系统对风机机组的参数进行实时收集，同时运用无人机、机器人巡检技术代替传统的人工巡检，并将巡检结果数据化、可视化，然后对收集到的数据进行实时储存，最后通过大数据分析技术、智能算法及评估模型等手段对数据进行汇总、分析、评价、呈现。风电场的智慧化巡检不仅能让管理人员精准地掌控风电场运行的实时状态，推动风电场无人值守的建设，而且能减少由巡检人员个人经验、能力造成的巡检误差，降低巡检花费的人工成本。

2大数据分析的风电智慧化巡检系统研究

2.1无人机自主巡检

无人机在巡检过程中还存在动态飞行的情况，针对此状态，还需进一步规划其巡检路径。动态路径规划算法与静态规划算法的区别是，该算法可完成多阶段决策的规划问题。此算法均以无人机的原始状态为基础来选取每个决断的决策，直至完成规划；而在决策过程中，动态路径规划算法会生成一个专属的决策序列，需要实时地根据巡检报告及电力巡检要求，在电网与建筑物、植物及复杂环境下，自动检测电网目前的状态，进而产生电网三维数据的检测报告，最终获取最优安全距离的检测报告，且此报告中需包含工况安全距离的检测数据、危险点位置和数量、每条输电线互相交叉的情况、检测输电线的最大安全距离、输电线中带有隐患的个数等。

2.2变电站二次设备功能

智能变电站二次智能设备,包括保护装置、测控装置、合并单元和智能终端,是实现二次系统基本功能的重要基础。IEC61850将功能定义为变电站自动化系统执行的任务,包括继电保护、监视和控制,因此,二次设备功能定义为二次设备或二次系统具有的,作用于关联二次设备或一次设备的,受告警信号、故障信号或其他状态变位信号影响的行为或任务。保护装置主要用于隔离电力系统故障区段,保障非故障区正常运行,融合了间隔中各种保护功能,保护功能压板的投退状态、装置告警等;合并单元实现了GOOSE和采样值(simplevalue,SV)并完成信息上送,完成电气量采集与综合、电压切换、通信及装置告警等;测控装置主要实现对电气量的采集以及调度端遥控命令,包括压板状态、定值、装置告警和采样值状态等;智能终端实现位置上送和开关控制等。

2.3电力杆塔介绍和三维建模

现在常见的电力杆塔可以按照材质组成、用途和结构形式等进行分类。按照材质组成可以分为木结构杆、钢筋混泥土结构杆和钢结构杆塔。木结构杆凭着优秀的绝缘性能、易于安装和造价低等特点在我国电网发展的早期被大量使用。但随着时间的推移，其使用年限和安全性等都存在着不小的问题，在我国不在被推广使用了。钢筋混泥土结构杆塔拥有极长的使用寿命，并且建设工期短，具有良好的经济性，在我国大部分地区的低压架空线路中被广泛使用。钢结构杆塔主要是用于我国中高压的输电工程中，这类线路往往是远距离传输电能，每两个杆塔之间的跨度很大，而角钢结构的杆塔的力学性能良好，牢固可靠；按照用途可以分为直线杆塔、承力杆塔这两类。直线杆塔在使用过程中只承受输电线路和底线的悬挂重量，适用于平原地区或覆冰较重的区域，目前直线杆塔的使用占线路总杆塔数的80%左右。承力杆塔是输电线路的重要结构组成，将输电线路与绝缘子串锚挂在杆塔上，承力杆塔分段设立且多设于线路的转弯处，需要斜拉线提供较大的拉力使电力杆塔受力平衡，保持直立；按照结构形式可以分为拉线式杆塔和自立式杆塔。自立式杆塔不需要外物便可以维持自身的稳定，而拉线式杆塔需要斜拉线来保持杆塔的直立，防止倾斜。

2.4技术创效，提升巡检效率

从某风场的实施效果来看，该系统满足了场站安全生产、优化运行的需要。系统的建设能有效降低运维劳动强度、减少人工登塔巡检次数，特别是在雷雨、风雪等极端气象条件下，人员不能靠近风机，巡检系统的建设可以较好提升巡检的安全性。智慧巡检实施之后，将有效代替人工巡检，预计每年每台减少4次人工登塔巡检，合计减少64台次登塔巡检。人工登塔巡检方式占比由原有的70%降低至14%，一般设备巡视无需原始的登塔巡检。

2.5管理提效，告警分级推送

视频图像分析技术、红外测温技术能实现风机主要部件的测温、视频监测及分析覆盖，通过程序化分析手段，能对出现异常实时告警按照实际情况进行分级分类推送，保证重大设备隐患告警能够分级分类推送，确保生产人员第一时间掌握设备状态信息，缩短了设备故障处置时间。

结语

风电场智慧化巡检系统是应用于风机与风电场站设备巡检的智慧化控制系统，运用了数据采集与监视控制系统、机器人、无人机智慧化巡检技术和大数据分析技术，将巡检工作由人工化转向了智能化，由事后处理转向了事前预警，由机械化转向了数字化。通过图像识别、温度异常识别，能发现隐蔽性较强的故障点，减少了人工登塔巡检的次数，提高了设备巡检的高效性，有效降低了运维人员劳动强度和作业风险。全新的风电场运行管理模式，无论是从保障风机系统安全稳定运行出发，还是从提升安全生产运行效益出发都具有极其重要的意义及推广价值。通过大数据平台对风电场数据进行收集、分析和处理，实现了风电场设备在线故障告警、故障预警和故障诊断，评价结果为管理人员决策提供了数据支撑，充分发挥了智慧化巡检的数字优势，对于风电场的安全管理和生产工作具有重要意义。

参考文献

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