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風力發(fā)電機組安全防范系統(tǒng)設計

文檔作者：孟亞輝朱東良劉笑麟文檔來源：蘇州熱工研究院有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年01月09日
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Y 電力安全技術 第l7卷(2015年第．12期)
風力發(fā)電機組安全防范系統(tǒng)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)
[摘要]由于具有無人值守、環(huán)境條件惡劣、分布范圍大的特點，風力發(fā)電機組安全防范形
勢日益嚴峻。通過整合風力發(fā)電機組消防和安防系統(tǒng)，提出了一種綜合的集散式安全防范系統(tǒng)，實
現(xiàn)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(qū)域的協(xié)調，提高了風力發(fā)電機
組的安全性。
[關鍵詞]風力發(fā)電機組；消防系統(tǒng)；安防系統(tǒng)；集散式安全防范
0 引言
可再生清潔能源是國家重點發(fā)展領域，風力發(fā)
電在國家可再生能源領域的地位舉足輕重。據(jù)公開
資料顯示，截至2014年l2月，中國風電累積裝機
容量達到l14 608 MW，繼火電、水電之后成為我
國第3大能源。隨著國家節(jié)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(fā)電仍將處于高速發(fā)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(fā)生的頻率也隨之增加。據(jù)統(tǒng)計，近年來風力發(fā)
電機組安全事故發(fā)生的數(shù)量呈上升趨勢，事故損失
也在逐步擴大，每年都會出現(xiàn)多起經濟損失在百萬
元甚至千萬元以上的較大規(guī)模安全事故 安全形勢
十分嚴峻。
研究風力發(fā)電機組安全防范技術，提高風電機
收稿時間：2015-08 15。
作者簡介：
張勁松(1968一)，男，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)高電壓
研究工作，emafl：15905166808@163．COrn。
錢鋒(1964一)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)電氣一次設
計工作。
吳棟良(1981)，男，副高級工程師，主要從事變電一次設計
工作。
一p一
組安全運行指標，成為推廣風電技術的當務之急。
1 風力發(fā)電機組安全防范現(xiàn)狀分析
1．1 風力發(fā)電機組安全防范技術要求
風力發(fā)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(xiàn)適當?shù)姆婪洞胧?，從?
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(xiàn)重大事故的安全狀態(tài)。
風力發(fā)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(fā)生安全事故的防范及處置預案。
風力發(fā)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(fā)，建立將專業(yè)安全
監(jiān)測終端與綜合集成管理平臺整合為一體的集散式
葉海(1975一)，女，高級工程師，主要從事電網工程設計研
究。
陳遲(1983一)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)高壓電研究
工作。
嚴龍陽(1991一)，男，工程師，主要從事電磁干擾分析與接地
系統(tǒng)安全設計工作。
周海軍(1979一)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)接地安全分
析與評估、公用走廊電磁干擾分析與設計及雷擊暫態(tài)與屏蔽分析工
作。
第l7卷(2015年第12期) 電力安全技術
安全防范系統(tǒng)，并以合理的網絡架構為載體聯(lián)網布
局，從而實現(xiàn)風力發(fā)電機組安全防范的分布式管理。
1．2 風力發(fā)電機組安全防范現(xiàn)狀分析
風力發(fā)電機組安全事故類型分布如圖l所示。
安全事故發(fā)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(shù)的6成，破壞
性極強，對機組的損壞往往是毀滅性的。
●
一傷害事故 ·葉片事故 火災事故 結構損壞事故
一運輸事故 一破壞環(huán)境事故 其他事故 ●死亡事故
一結冰拋擊事故
圖1 風力發(fā)電機組安全事故類型分布
表1 風力發(fā)電機組高發(fā)事故的主要原因
由此可見，由于運行環(huán)境惡劣、生產制造存在
薄弱環(huán)節(jié)等內外因素的共同作用，風力發(fā)電機組的
安全運行正面臨巨大挑戰(zhàn)，提升風力發(fā)電機組的安
全防范能力迫在眉睫。
2 風力發(fā)電機組安全防范系統(tǒng)設計
2．1 系統(tǒng)設計理念
風力發(fā)電機組安全防范系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)。
2．1．1 多目標與集中管理的協(xié)調
管理平臺設計用于協(xié)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
Y
全部接入系統(tǒng)的風電機組安全監(jiān)測設施運行狀態(tài)，
并能將多個監(jiān)視目標分層顯示，使遠程監(jiān)控的值班
人員可以及時查看各設備運行狀態(tài)；集中管理是指
實現(xiàn)事故狀態(tài)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(xié)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(qū)位的氣候條件決定
了安全防范需求呈多元化趨勢。系統(tǒng)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(tǒng)理論中，數(shù)據(jù)采集、邏輯控制、模擬控制等都
可在現(xiàn)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(guī)避了風險。
2．1．3 信息傳輸可靠性與大區(qū)域的協(xié)調
安全防范系統(tǒng)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(qū)域布置的風機田，
具有顯著的“大區(qū)域”特點，因此安全防范系統(tǒng)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?shù)?
混合通訊模式理念。
2．2 系統(tǒng)設計架構
安全防范系統(tǒng)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(yè)化安全防范
終端為執(zhí)行機構，實現(xiàn)風力發(fā)電機組安全防范目標
與任務的綜合管理，并可實現(xiàn)目標與任務的擴展。
安全防范系統(tǒng)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(tǒng)的可擴展性，
也給予每個遠程端的獨立性，以防發(fā)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(jù)其所處環(huán)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
一 一
Y 電力安全技術 第l7卷(2015年第l2期)
信號上下行的角度可大致分為3類：
(1)只進行數(shù)據(jù)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(jù)相應終端類型加以支持。
圖2 安全防范系統(tǒng)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(tǒng)，采用工業(yè)組態(tài)
理念開發(fā)，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(shù)據(jù)庫服務器方式，以圖文
形式顯示風力發(fā)電機組視頻監(jiān)控系統(tǒng)、可視對講系
統(tǒng)、火災探測系統(tǒng)、消防滅火系統(tǒng)、振動監(jiān)測系統(tǒng)
等系統(tǒng)的運行狀態(tài)，或者配合狀態(tài)分析等軟件達到
預先防范目的，并可遠程干預消防系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)
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(tǒng)運行狀態(tài)；2層顯示個體風
機安全防范系統(tǒng)運行狀態(tài)；3層顯示個體風機中各
子系統(tǒng)運行狀態(tài)。
風力發(fā)電機組安全防范系統(tǒng)控制端
顯示子模塊l I操作子模塊I I通訊子模塊
1層畫面
2層畫面
3層畫面
視頻復核
消防啟動
可視對講
門禁解鎖
有線通訊
無線通訊
圖3 安全防范控制端設計架構示意
一 一
通過邏輯判斷，可讓風機安全狀態(tài)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(tǒng)可
實現(xiàn)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(tǒng)通過前置的規(guī)約轉換
裝置和路由器可以兼容通用modbus、TCP／IP通
訊協(xié)議、RS232／485、Ethemet端口等通訊接口的
有線通訊模式，可實現(xiàn)無線網絡傳輸。由路由器提
供的VLAN技術，可以隔離廣播域、區(qū)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(fā)電機組安全防范系統(tǒng)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(fā)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。
l風力發(fā)電機組安全防范系統(tǒng)遠程端l
l
l l l
l終端信號收發(fā)模塊l I邏輯分析處理模塊I l 遠端通訊模塊
． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．__J ------·--·—-—--—·--—-_-J ·-—-··----—---·-------_|J
_1數(shù)字量輸入／出l 信拿處理 I H 有線通訊
_1模擬量輸入／出l 邏輯運算 I 無線通訊
_1脅emet端口l 自動報警與處置I
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(fā)子模塊提供數(shù)字量和模
擬量標準工業(yè)通訊接口以及Ethemet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(tǒng)、消防滅火系
統(tǒng)、圖像偵測系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、巡更系統(tǒng)、內部對
講系統(tǒng)、震動監(jiān)測系統(tǒng)等，實現(xiàn)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(xiàn)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(lián)動邏
輯可編輯，能夠根據(jù)風力發(fā)電機組型號及安全分區(qū)、
安全監(jiān)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(lián)動策
略。根據(jù)I／O數(shù)據(jù)是否與控制端相關，將邏輯分
析處理子模塊運行狀態(tài)分為2類：
第17卷(2015年第12期) 電力安全技術
(1)當I／O數(shù)據(jù)為純本地數(shù)據(jù)時，邏輯運算結
果可直接通過配套的邏輯控制板實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(fā)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，
也可在接人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(shù)據(jù)過載處理、智能診斷、放棄和重新發(fā)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(huán)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(yè)務信息得到正
常傳送；同時引入環(huán)網重構技術，在關鍵節(jié)點加入
環(huán)網開關，在雙環(huán)網都出現(xiàn)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(huán)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(jié)點，組成風電場安全防范系統(tǒng)控制層網絡，并
將所有信息送至風電場控制中心服務器。監(jiān)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(jiān)視整個風電
場所有風機的安全狀態(tài)，或者查詢歷史數(shù)據(jù)作為進
一步分析輸入，并可執(zhí)行人工遠程操作。冗余環(huán)網
通訊結構如圖5所示。
圖5 冗余環(huán)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，
Y
風機與風機之間相隔數(shù)百米，根據(jù)路徑最優(yōu)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(jù)現(xiàn)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(xiàn)場施工簡單，無需敷設通訊光纜，
初期成本低；但存在數(shù)據(jù)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(yōu)路徑、
施工成本、風險成本等參數(shù)，形成綜合l生的目標函
數(shù)，以求最優(yōu)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(tǒng)結構如圖6所示。
、1【 l_
圖6 無線通訊網絡結構示意
2．6 安全防范終端
風力發(fā)電機組安全防范終端包括一系列可通過
標準接口接人系統(tǒng)的安全監(jiān)測設備；用戶可根據(jù)安
全需要設置不同類型、不同型號的監(jiān)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(jiān)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(fā)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(huán)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(guī)的點型火災探測器應用于風力發(fā)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(fā)生；同樣，考慮到機艙及塔
筒復雜的生存環(huán)境，常規(guī)滅火器材難以有效發(fā)揮功
能，本設計設置了2種不同特點的滅火劑：在年最
一 一
Y 電力安全技術 第17卷(2015年第l2期)
低溫度不低于一10℃區(qū)域設置常規(guī)滅火劑；在年
最低溫度低于一l0℃的區(qū)域設置一種新型滅火劑，
該滅火劑能夠適應低至一50℃的環(huán)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(xiàn)主動滅火。
安防監(jiān)測與報警系統(tǒng)主要承擔風力發(fā)電機組
保衛(wèi)工作。和傳統(tǒng)電廠類似，風力發(fā)電機組的門禁
系統(tǒng)主要實現(xiàn)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(tǒng)在
風力發(fā)電機組邊界損壞時發(fā)出報警信號，通過通訊
網絡傳遞到控制端，并輔以視頻監(jiān)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(fā)展的熱潮中，風力發(fā)電主力軍地位
相當穩(wěn)固。但就目前來看，風力發(fā)電在進一步推廣
的過程中仍面臨著一些技術挑戰(zhàn)。本文提出的風力
發(fā)電機組安全防范系統(tǒng)設計方案，一定程度上解決
了傳統(tǒng)方案只針對單一技術領域的局限性，將消防
與安防系統(tǒng)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(tǒng)研究提供了思路。
參考文獻：
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用研究[J]．消防科學與技術．2010，29(12)：13—15．
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統(tǒng)研究[C]．2014全國風電后市場專題研討會論文集．
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3李俊峰，蔡豐波．2014中國風電發(fā)展報告[R】．北京：中
國循環(huán)經濟可再生能源專業(yè)委員會，中國可再生能源學
會風能專業(yè)委員會，全球風能理事會．2014．
收稿日期：2015—10一O1。
作者簡介：
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．corn．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(1989一)，男，助理工程師，主要從事安全保衛(wèi)技術研
究工作。
畢節(jié)局積極做好今冬明春防冰抗冰準備
入冬以來，為切實防范和應對今冬明春低溫冰凍災害天氣，保電網安全運行，貴州電網公司
畢節(jié)供電局下發(fā) 關于開展畢節(jié)供電局20l5—20l6年防冰相關準備工作的通知》，周密安排部署
防冰抗冰準備工作，落實各項工作措施，為全市人民冬季安全用電夯實基礎。
畢節(jié)供電局要求，防冰抗冰工作要從思想上高度重視，早謀劃、早部署、早安排，做到各負其責、
各司其職、責任到人、措施到位。9月下旬以來，該局采取一系列措施加強覆冰監(jiān)測系統(tǒng)的運行
維護，按計劃開展檢查、消缺工作，確保覆冰監(jiān)測系統(tǒng)完好可用；11月前，已完成固定直流融冰
裝置、車載直流融冰裝置、融冰變壓器的運行維護／預試／檢查和融冰裝置升流試驗工作；對融
冰操作規(guī)程，優(yōu)化操作程序進行了完善，以此提高融冰效率，確保融冰操作安全、高效；該局根
據(jù)網架變化情況，及時修訂了融冰現(xiàn)場處置方案、一站一冊方案；各單位結合所管轄線路的特點
及多年的抗冰經驗，有針對性地對易受冰凍影響的線路加強巡視、檢查，做好人員、車輛、物資
等后勤保障和應急準備工作，確保萬無一失。
截至目前，該局已在奢香變、威寧變、畢節(jié)變完成3臺固定式直流融冰裝置消缺試驗和實戰(zhàn)
升流融冰演練；相繼在黔西、赫章、金沙、大方、威寧完成2臺車載式直流融冰裝置、3臺交流
融冰變壓器的消缺試驗和實戰(zhàn)升流融冰演練； 覆冰監(jiān)測終端消缺 和 35—110kV融冰現(xiàn)場處置
方案 修編工作正在進行中，緊鑼密鼓地為抗擊冰雪災害做好各項準備。
(來源：貴州電網公司網站2015 11—28)
一 一

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