风力发电机组安全防范系统设计

2015-12-22孟亚辉朱东良刘笑麟

电力安全技术 2015年12期

关键词：发电机组风电场风力

孟亚辉，朱东良，刘笑麟

(苏州热工研究院有限公司，江苏苏州 215004)

风力发电机组安全防范系统设计

孟亚辉，朱东良，刘笑麟

(苏州热工研究院有限公司，江苏苏州 215004)

由于具有无人值守、环境条件恶劣、分布范围大的特点，风力发电机组安全防范形势日益严峻。通过整合风力发电机组消防和安防系统，提出了一种综合的集散式安全防范系统，实现了多目标与集中管理、多任务与分散控制、信息传输可靠性与大区域的协调，提高了风力发电机组的安全性。

风力发电机组；消防系统；安防系统；集散式安全防范

0 引言

可再生清洁能源是国家重点发展领域，风力发电在国家可再生能源领域的地位举足轻重。据公开资料显示，截至2014年12月，中国风电累积装机容量达到114 608 MW，继火电、水电之后成为我国第3大能源。随着国家节能减排目标及能源结构调整、风电并网等措施的推进，可以预见在未来相当长一段时间内，风力发电仍将处于高速发展期，装机容量也势必会进一步增大。

但同时也应该看到，由于我国风电起步晚、技术积累时间短，随着装机容量的迅速增大，安全事故发生的频率也随之增加。据统计，近年来风力发电机组安全事故发生的数量呈上升趋势，事故损失也在逐步扩大，每年都会出现多起经济损失在百万元甚至千万元以上的较大规模安全事故，安全形势十分严峻。

研究风力发电机组安全防范技术，提高风电机组安全运行指标，成为推广风电技术的当务之急。

1 风力发电机组安全防范现状分析

1.1 风力发电机组安全防范技术要求

风力发电机组安全防范是一个综合性课题，旨在通过先进的技术手段实现适当的防范措施，从而使机组得到良好的安全保护，以应付攻击或者避免受害，使风电机组乃至风电场处于不受侵害、风险可控、不出现重大事故的安全状态。

风力发电机组安全防范应全面考虑场景特征，包括少人值守的中控室、无人值守的塔筒及机舱、分布式布置的大面积风机田、恶劣的自然条件、较差的通讯条件等多重不利因素，并制定在不同场景下发生安全事故的防范及处置预案。

风力发电机组安全防范技术还需关注安全事故特征，从调查安全事故特征出发，建立将专业安全监测终端与综合集成管理平台整合为一体的集散式安全防范系统，并以合理的网络架构为载体联网布局，从而实现风力发电机组安全防范的分布式管理。

1.2 风力发电机组安全防范现状分析

风力发电机组安全事故类型分布如图1所示。安全事故发生频次最高的依次为叶片事故、结构损坏事故与火灾事故，其主要原因如表1所示。这3种安全事故比重约达到全部事故总数的6成，破坏性极强，对机组的损坏往往是毁灭性的。

图1 风力发电机组安全事故类型分布

表1 风力发电机组高发事故的主要原因

由此可见，由于运行环境恶劣、生产制造存在薄弱环节等内外因素的共同作用，风力发电机组的安全运行正面临巨大挑战，提升风力发电机组的安全防范能力迫在眉睫。

2 风力发电机组安全防范系统设计

2.1 系统设计理念

风力发电机组安全防范系统设计采用集散控制的设计理念，以风机事故树模型为基本出发点，以信息技术、探测报警技术、控制技术等为载体，形成了一套针对性的集散式安全防范系统。

2.1.1 多目标与集中管理的协调

管理平台设计用于协调多任务模式和集中管理目标需求，同时结合风机事故树模型下所需设置的技术防范措施，以适应当前风电场技术值班人员短缺的情况。其中，多目标是指管理平台能同时处理全部接入系统的风电机组安全监测设施运行状态，并能将多个监视目标分层显示，使远程监控的值班人员可以及时查看各设备运行状态；集中管理是指实现事故状态下集中报警、集中决策及集中处置。

2.1.2 多任务与分散控制的协调

因自然条件、地质状况所限，不同风电场的布局千差万别，同时风电场所处区位的气候条件决定了安全防范需求呈多元化趋势。系统设计采取集中管理分散控制的理念，即在每一个管理目标下设定多个子任务，由分散的远程端控制单元进行独立运算，将运算结果上传至集中控制端控制单元的相应目标下，并接受控制端的远程命令。因此，多元化任务间就不再存在硬件资源的冲突问题，在一定程度上提高了平台的可靠性；另一方面，在集散控制系统理论中，数据采集、逻辑控制、模拟控制等都可在现场控制装置中单独完成，这意味着在上位机(控制端)离线的情况下，远程端仍然可以维持工作，进一步规避了风险。

2.1.3 信息传输可靠性与大区域的协调

安全防范系统应确保信息的准确、及时、可靠传导，同时由于风电场属于大区域布置的风机田，具有显著的“大区域”特点，因此安全防范系统应同时考虑有线通讯的可靠性特点和无线通讯的灵活性特点，采用具有基于光纤传输与无线网络传输的混合通讯模式理念。

2.2 系统设计架构

安全防范系统设计采取以控制端为核心的综合管理平台，以远程端为风机侧的任务处理子模块，以混合形式的通讯手段为纽带，以专业化安全防范终端为执行机构，实现风力发电机组安全防范目标与任务的综合管理，并可实现目标与任务的扩展。

安全防范系统采用3层架构，分别为控制层、远程层、终端层，如图2所示。从最上层的控制端开始往下呈辐射状展开，既保证系统的可扩展性，也给予每个远程端的独立性，以防发生一端事故造成多端失效的状况。其中每一个远程端设备可以有针对性地特性化(如强调或弱化某项功能)，以适应根据其所处环境、方位、地势、救援难度等综合制定的个性化安全防范方案。

控制端和各远程端均搭载相互匹配的通讯模块，不仅支持全双工双向通信，也支持单向通信。位于终端层的安全防范终端设备种类多样，从通讯信号上下行的角度可大致分为3类：

(1) 只进行数据采集形成信号反馈的终端，如报警探测器；

(2) 只接受控制信号并动作的终端，如警报；

(3) 既可受控动作又可信号反馈的终端，如电磁阀。

远程端需根据相应终端类型加以支持。

图2 安全防范系统架构示意

2.3 控制端设计方案

控制端是一个综合的信息化管理平台，该平台基于Windows 7及以上版本系统，采用工业组态理念开发，具有显示、操作、通讯3个子模块，如图3所示。显示子模块具有较好的人机界面，能够通过查询组网中挂载的数据库服务器方式，以图文形式显示风力发电机组视频监控系统、可视对讲系统、火灾探测系统、消防灭火系统、振动监测系统等系统的运行状态，或者配合状态分析等软件达到预先防范目的，并可远程干预消防系统、门禁系统等的开启。显示子模块具有3层画面：1层显示整个风电场安全防范系统运行状态；2层显示个体风机安全防范系统运行状态；3层显示个体风机中各子系统运行状态。

图3 安全防范控制端设计架构示意

通过逻辑判断，可让风机安全状态经检测超阈值时显示子模块自动调用画面弹窗；操作子系统可实现远程安全复核、消防启动功能，能够远程开启门禁及可视对讲；通讯子系统通过前置的规约转换装置和路由器可以兼容通用modbus、TCP/IP通讯协议、RS232/485、Ethernet端口等通讯接口的有线通讯模式，可实现无线网络传输。由路由器提供的VLAN技术，可以隔离广播域、区分组播域，有助于按功能划分通讯作用域，避免内部干扰。

2.4 远程端设计方案

远程端是风力发电机组安全防范系统风机侧的核心单元，包括3个子模块：作为下位机接口的安全防范终端信号收发模块、远程端内部的逻辑分析处理模块、作为上位机接口的远端通讯模块，具体如图4所示。

图4 安全防范远程端设计架构示意

安全防范终端信号收发子模块提供数字量和模拟量标准工业通讯接口以及Ethernet端口，其主要功能是接入风机内部终端层的多种安全防范终端的输入输出信号，包括火灾探测系统、消防灭火系统、图像侦测系统、门禁系统、巡更系统、内部对讲系统、震动监测系统等，实现远程端安全防范终端设备的集中管理。上文中提到的对多类终端支持是在本模块完成的。

逻辑分析处理子模块的核心是一台可编程逻辑控制器，其主要功能为实现信息处理、逻辑运算、自动报警与处置等。逻辑分析处理子模块的联动逻辑可编辑，能够根据风力发电机组型号及安全分区、安全监测终端设备类型及位置，同时兼顾风电场运维组织机构流程，承载由工程师制定的不同联动策略。根据I/O数据是否与控制端相关，将逻辑分析处理子模块运行状态分为2类：

(1) 当I/O数据为纯本地数据时，逻辑运算结果可直接通过配套的逻辑控制板实现就地输出控制信号，并可通过通讯模块反馈至控制中心；

(2) 当I/O数据包含来自控制端的远程信号时，则需要经过远端通讯子模块收发信号，以完成控制或反馈。

远端通讯子模块与控制端通讯子模块成对使用，并与相对应的控制端通讯模块使用相同的通讯介质。不同远程端通讯模块通讯地址可预先置定，也可在接入组网时由路由器分配，通讯中使用五元组唯一标定地址。为保证通讯的可靠性，通讯模块应包含数据过载处理、智能诊断、放弃和重新发送等功能。

2.5 通讯组网方案

考虑到通讯可靠性原则，所有风电机组可采用双环网冗余通讯方式连接，其自愈功能会在故障后50 ms内自动倒换到保护通道，使业务信息得到正常传送；同时引入环网重构技术，在关键节点加入环网开关，在双环网都出现故障时，尽可能选取非故障线路通过继电器动作自动重构环网通路，进一步提高通讯的可靠性。组网中，将每台风机作为一个节点，组成风电场安全防范系统控制层网络，并将所有信息送至风电场控制中心服务器。监视网络由工程师站、操作员站及实时历史服务器组成，预留远程Web接口，可在办公室远程监视整个风电场所有风机的安全状态，或者查询历史数据作为进一步分析输入，并可执行人工远程操作。冗余环网通讯结构如图5所示。

图5 冗余环网通讯结构示意

由于风电场一般由几十甚至上百台风机组成，风机与风机之间相隔数百米，根据路径最优化要求，应采用有线和无线混合的方式搭建组网。有线通讯介质采用室外铠装多模光缆，其抗干扰能力强、可靠性高，但受地形地势影响可能造成某点敷设难度大、投资高的问题。因此，根据现场实际情况也需辅助采用无线通讯方式(如GPRS，CDMA，LTE等)，它的特点是现场施工简单，无需敷设通讯光缆，初期成本低；但存在数据带宽较小，信号延迟、易受干扰等缺点，与有线通讯方式形成互补。在有线和无线通讯方式的选择上，应充分考虑最优路径、施工成本、风险成本等参数，形成综合性的目标函数，以求最优解的方式选取主要有线路径；路径外的风机单点采用无线接入，无线网络通讯接入的系统结构如图6所示。

图6 无线通讯网络结构示意

2.6 安全防范终端

风力发电机组安全防范终端包括一系列可通过标准接口接入系统的安全监测设备；用户可根据安全需要设置不同类型、不同型号的监测设备，以达到提高风机安全水平的目的。其中，本设计方案集成消防安全终端设备和安防监测与报警设备标准接口，并在控制端和远程端预先定义。

消防安全终端设备为满足机舱及塔筒内火灾报警及应急扑救而设置。风力发电机组内不同于一般建筑，其火灾特性因起火设备不同、地域环境不同存在较大差异，同时机舱内存在强烈的烟囱效应、紊流特性。常规的点型火灾探测器应用于风力发电机组时效果欠佳，本设计采用接近式温度探测器与视频图像火灾探测器进行信号复合，二者逻辑配合以复核与确定火灾的发生；同样，考虑到机舱及塔筒复杂的生存环境，常规灭火器材难以有效发挥功能，本设计设置了2种不同特点的灭火剂：在年最低温度不低于-10 ℃区域设置常规灭火剂；在年最低温度低于-10 ℃的区域设置一种新型灭火剂，该灭火剂能够适应低至-50 ℃的环境并能有效扑灭A类、B类火灾，配合主动式火探管时更能实现主动灭火。

安防监测与报警系统主要承担风力发电机组保卫工作。和传统电厂类似，风力发电机组的门禁系统主要实现授权准入与无授权拒绝的功能，从而隔离一定程度下的外界人为干扰；入侵报警系统在风力发电机组边界损坏时发出报警信号，通过通讯网络传递到控制端，并辅以视频监测采集的图像信息，供值守人员复核；远程视频通话功能主要为授权人员提供与上层工程师站或操作员站交互的便利途径，主要在日常运维、检修中使用。