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1　概述

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)單臺(tái)功率的不斷提高，風(fēng)機(jī)葉片的外觀尺寸也越來(lái)越大。已運(yùn)行的風(fēng)電葉片中易出現(xiàn)表面撕裂、扭轉(zhuǎn)、螺絲松動(dòng)等現(xiàn)象，結(jié)合葉片的加工制造工藝、風(fēng)場(chǎng)所處的自然環(huán)境，產(chǎn)生這種情況的原因主要是震動(dòng)量及應(yīng)變力對(duì)葉片影響的結(jié)果。葉片表面出現(xiàn)的裂紋、扭轉(zhuǎn)、螺絲松動(dòng)會(huì)大大影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率，造成風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，嚴(yán)重地甚至造成葉片折斷。并且，由于吊裝地點(diǎn)的差異，風(fēng)力發(fā)電機(jī)將面臨承受完全不同的載荷。變化多端的風(fēng)速和天氣條件也會(huì)影響機(jī)組的運(yùn)行安全和使用壽命。因此，對(duì)葉片損傷的早期預(yù)警顯得十分重要。

風(fēng)和天氣會(huì)給風(fēng)力發(fā)電機(jī)造成各種負(fù)擔(dān)：

·為避免對(duì)附近的人員和機(jī)組自身造成危害，必須可靠地監(jiān)測(cè)葉片上的結(jié)冰情況。

·雷暴閃電代表一種能對(duì)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)造成致命損害的高能現(xiàn)象。

·葉片上的風(fēng)力載荷會(huì)影響機(jī)組的使用壽命。

精準(zhǔn)地確定載荷可幫助用戶優(yōu)化機(jī)組的操作和維護(hù)。此外，在預(yù)期的使用壽命到期后，運(yùn)營(yíng)商可根據(jù)長(zhǎng)期的載荷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)決定機(jī)組是否能夠獲得繼續(xù)運(yùn)行的許可。

2　解決方案

菲尼克斯電氣的智慧葉片綜合監(jiān)控系統(tǒng)包含各種傳感器，能夠采集各種可能影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行的不利環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)。

葉片根部的應(yīng)力傳感器提供關(guān)于拉伸和扭轉(zhuǎn)的載荷數(shù)據(jù)。通過(guò)這種途徑，用戶可長(zhǎng)期記錄葉輪承受的風(fēng)力載荷，并可通過(guò)變槳控制器實(shí)時(shí)調(diào)整槳葉角度，優(yōu)化效率，最小化軸承與材料的載荷。

葉片上的結(jié)冰傳感器可測(cè)量冰層厚度。這樣可以使機(jī)組及時(shí)切換到安全運(yùn)行狀態(tài)，并在除冰后重新啟動(dòng)。內(nèi)置的太陽(yáng)能電池和備用電池以及無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸意味著傳感器可自給自足的，不需要布線。

安裝在葉片防雷引出線上的雷電監(jiān)測(cè)傳感器可測(cè)量雷電的頻率和能量，有助于評(píng)估損失，優(yōu)化維修周期。外形緊湊的共享評(píng)估單元可提供系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)，記錄負(fù)荷情況，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行。

由于所有的有線傳感器都安裝在輪轂附近，分布在葉片各處的結(jié)冰傳感器以無(wú)線方式工作，因此該系統(tǒng)既適合新裝機(jī)組，也適合系統(tǒng)改造。

隨著成本的日益提升，用戶也在尋求新的技術(shù)，提升運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。業(yè)主通常用電力均衡成本（LCOE，levelized cost of electricity），也稱為能源均衡成本（LEC，Levelized Energy Cost）來(lái)評(píng)估其經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。它是發(fā)電資產(chǎn)整個(gè)生命周期內(nèi)電力單位成本的凈現(xiàn)值。它通常被視為一個(gè)平均價(jià)格的代理，生成的資產(chǎn)必須在市場(chǎng)上獲得在其生命周期內(nèi)盈虧平衡的平均價(jià)格。它是對(duì)發(fā)電系統(tǒng)成本競(jìng)爭(zhēng)力的一級(jí)經(jīng)濟(jì)評(píng)估，包含了整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的所有成本：初始投資、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)、燃料成本、資本成本。

·It:第t年投資支出

·Mt:第t年的業(yè)務(wù)和維修支出

·Ft:第t年燃料開(kāi)支

·Et:第t年產(chǎn)生的電能

·r:貼現(xiàn)率

·n:系統(tǒng)或發(fā)電站的預(yù)期壽命

為了提高投資回報(bào)率（ROI），減少能源成本（COE），可從兩個(gè)方向著手。首先通過(guò)技術(shù)手段，提升年發(fā)電量，延長(zhǎng)機(jī)組壽命；其次通過(guò)管理或者技術(shù)手段，減少運(yùn)營(yíng)與資本投資。為了達(dá)到此效果，可開(kāi)展多種工作，從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，首先要獲取相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算。

菲尼克斯電氣的PLCnext平臺(tái)非常適用于此類的應(yīng)用，該平臺(tái)采用實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)架構(gòu)，具有ESM（同步執(zhí)行管理器）和GDS（全局?jǐn)?shù)據(jù)空間）兩大核心技術(shù)。

用戶可不受專屬Runtime的限制開(kāi)發(fā)自動(dòng)化項(xiàng)目，選擇擅長(zhǎng)的編程語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，還可以使用開(kāi)源軟件和App，同時(shí)支持MATLAB Simulink建模。該平臺(tái)兼具了PLC的穩(wěn)定性、可靠性與智能設(shè)備的開(kāi)放性、靈活性，是一款非常開(kāi)放的自動(dòng)化平臺(tái)。

基于PLCnext 2152控制平臺(tái)，菲尼克斯電氣開(kāi)發(fā)了硬件模塊化，軟件平臺(tái)化的智慧風(fēng)機(jī)葉片綜合監(jiān)控系統(tǒng)。利用PLCnext軟硬件架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，一方面確保數(shù)據(jù)一致性，另一方面確保數(shù)據(jù)安全性。系統(tǒng)使用測(cè)量信息并將它們組合以向用戶提供傳感器融合的附加信息。用戶獲得的信息遠(yuǎn)不僅僅是測(cè)量的數(shù)據(jù)，還包括在初始值基礎(chǔ)上根據(jù)風(fēng)機(jī)原理進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)計(jì)算的值。

另外系統(tǒng)可支持根據(jù)客戶的需求展開(kāi)二次開(kāi)發(fā)，客戶可以輕松使用他們自己的融合算法，由菲尼克斯電氣配合進(jìn)行更深入開(kāi)發(fā)。

所有系統(tǒng)收集的信息都可用于監(jiān)控轉(zhuǎn)動(dòng)部件的狀況，還可用于控制優(yōu)化的風(fēng)機(jī)載荷，甚至可以防止風(fēng)機(jī)大部件的結(jié)構(gòu)損壞。數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在本地sFTP服務(wù)器上，也可以通過(guò)SCADA系統(tǒng)顯示。 另外也可使用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議接口，如Profinet，Modbus TCP或OPC-UA等與上級(jí)系統(tǒng)通訊。同時(shí)開(kāi)發(fā)了友好的本地Web界面，供用戶進(jìn)行本地測(cè)試與監(jiān)控，所有過(guò)程不需要進(jìn)行編程。

用戶僅需要在界面上進(jìn)行操作即可完成既定的目標(biāo)，可方便地進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)備配置，監(jiān)控，傳感器校正，系統(tǒng)診斷，事件記錄，錄波等工作。

3　結(jié)語(yǔ)

得益于PLCnext平臺(tái)的云技術(shù)特點(diǎn)，用戶在未來(lái)可把數(shù)據(jù)上傳至云端，對(duì)所有風(fēng)場(chǎng)機(jī)組數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控與計(jì)算，更方便進(jìn)行相關(guān)工作。總結(jié)來(lái)看，菲尼克斯電氣的智慧葉片綜合監(jiān)控系統(tǒng)，將為風(fēng)電行業(yè)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組創(chuàng)造更安全的運(yùn)行條件，使得用戶的機(jī)組有望延長(zhǎng)壽命，獲得更好的經(jīng)濟(jì)收益。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年8月刊