作者：郑伟民1,杨丁甲1,王萌萌1,陈志威2
(1．珠海市公共气象服务中心；2．华南理工大学)
基金项目:广东省自然科学基金项目(2019A030313477)资助.
全文发表在《气象水文海洋仪器》2024.4
摘要：海上风电作为可再生能源的重要组成部分,具有巨大的发展潜力和环境效益.然而,雷电对海上风电系统的影响成为制约海上风电系统可靠性和安全性的重要因素之一.为了有效预防和应对雷电引发的潜在问题,利用物联网技术开发和实现海上风电防雷检测平台具有重要的研究意义和实际价值.文章探索了物联网技术在海上风电防雷检测平台中的应用,通过对雷电数据的采集、分析和预警,为海上风电系统的安全运行提供了科学依据和技术支持.研究基于物联网技术,针对海上风电系统中的雷电问题,开展了防雷检测平台的开发与实现研究.在研究中,首先对海上风电的发展和雷电对系统的影响进行了分析,并探讨了物联网技术在防雷检测中的应用前景.随后,设计和构建了防雷检测平台的架构和功能,包括传感器网络的部署、数据采集与传输、数据分析与故障诊断等关键环节.在平台的实验环境中,采用相应的测试方法进行了实验验证,并进行了数据分析和结果评估.最后,通过实际应用案例和效果展示,验证了防雷检测平台在海上风电系统中的实际应用价值和效果.海上风电作为可再生能源的重要组成部分,具有巨大的发展潜力和环境效益.然而,海上风电系统也面临着各种挑战,包括雷电对系统的影响.雷电击中风电涡轮机和相关设备可能导致设备故障、能量损失甚至火灾等严重后果,给风电运行和维护带来了很大的困扰.为了提高海上风电系统的安全性和可靠性,物联网技术被广泛应用于防雷检测领域.物联网技术通过将传感器和设备连接到互联网,实现了设备之间的智能交互和数据共享,为防雷检测提供了新的解决方案和应用前景，通过物联网技术,可以实时监测和分析海上风电系统的雷电活动,提前预警潜在的雷击风险,并采取相应的措施保护设备和人员安全.物联网技术在防雷检测中的应用前景广阔.通过部署在风电涡轮机和相关设备上的传感器,可以实时监测雷电活动和电气参数变化,实现对雷电风险的实时监控和预测.同时,物联网技术还可以将监测数据传输到云平台进行分析和处理,通过数据挖掘和机器学习等技术,识别雷电事件的模式和规律,为防雷策略的优化和改进提供科学依据[1].物联网技术为海上风电防雷检测提供了新的机遇和挑战.通过充分利用物联网技术的优势和潜力,可以提高海上风电系统的抗雷能力,减少雷击风险,保障风电系统的安全运行和可持续发展.在未来的研究和应用中,还需进一步探索物联网技术在海上风电防雷检测中的创新方法和解决方案,为海上风电产业的发展作出更大的贡献[2].防雷检测平台是基于物联网技术的系统,用于监测和诊断海上风电系统中的雷电活动并提供实时预警和故障诊断.具体的防雷检测平台设计与架构如图1所示.
传感器(感知)网络布置在海上风电系统的关键位置,包括风机塔顶、塔筒、叶片等,用于感知雷电活动.传感器网络设备包括雷电探测传感器、温湿度传感器和电压传感器等.数据采集与传输部分利用物联网网关模块(GPRS/3G/4G,NB IOT,LoRaWAN,Wi Fi及有线网络)和感知层的设备建立通信,然后通过稳定的网络把采集数据传输到大数据云平台上.采集的数据包括雷电活动信息、环境参数等.云平台接收和存储传感器网络传输的数据,并进行实时处理和分析.云平台具备数据存储、大数据分析和人工智能算法等功能,可以对采集到的数据进行实时监测、预警和故障诊断.在数据分析与故障诊断部分,云平台利用先进的数据分析算法和模型,对传感器数据进行实时分析和处理,提取关键信息,识别雷电活动和故障现象,并生成实时预警和诊断报告.在实时监测与远程控制模块中,通过云平台,运维人员可以实时监测海上风电系统的雷电活动和状态,接收预警信息,并进行远程控制和操作,如关闭风机、切断电源等.通过数据可视化和用户界面,云平台以图表、地图等形式展示实时数据、预警信息和故障诊断结果,方便用户进行可视化监测和操作.防雷检测平台的架构设计和技术方案的选择是保证平台性能的关键.首先,平台的架构设计应考虑到数据采集、传输、存储和分析等环节的协同工作.可采用分布式架构,将传感器和设备与中心控制平台连接,实现数据的实时传输和协同处理.其次,技术方案的选择应基于物联网相关技术和标准,包括传感器网络、云计算、大数据分析等技术,以确保平台的可靠性、稳定性和安全性。
此外,还可以考虑引入人工智能和机器学习技术,提高平台的智能化水平和自动化处理能力.针对海上环境的特殊性,平台的架构设计还应考虑到防水、抗震、抗电磁干扰等因素,确保平台在恶劣条件下的可靠运行.在技术方案选择方面,可以选择适合海上风电环境的传感器和设备,如雷电传感器、数据采集设备、通信模块等,以确保数据的准确性和稳定性.同时,利用云计算和边缘计算技术,实现数据的实时处理和存储.在数据分析方面,可以应用机器学习算法和数据挖掘技术,识别和预测雷电事件,并生成相应的报警和预警信息.此外,还可以考虑采用可视化技术,将雷电数据以直观的方式展示给相关人员,提供实时的监控和决策支持.防雷检测平台的设计与架构涉及物联网技术的应用、功能和组成部分的设计,以及技术方案的选择.通过合理的平台设计和技术方案的选择,可以实现海上风电防雷检测的高效、准确和可靠,为海上风电系统的安全运行提供重要保障.在防雷检测平台中,需要合理部署和布局传感器网络,以实时感知和监测雷电情况.传感器可以布置在风机塔筒、浮标、绝缘子串和附近的测量点等关键位置,覆盖整个海上风电系统[3].通过科学的传感器布局,可以全面感知雷电活动,并准确获取雷电相关数据.为了实现数据的准确采集和处理,可以采用多种方法[46].首先,传 感器可以实时采集雷电活动的数据,如电场强度、电流、电压等信息.采集的数据可以通过数据采集设备进行处理,消除噪声和干扰,并进行数据校验,确保数据的准确性和可靠性.传感器通过通信模块将采集的数据传输到云端服务器或数据中心,确保数据的实时性和可远程访问性.同时,通过建立数据传输通道,实现数据的实时监测和远程管理,对雷电事件进行实时分析和预警,确保海上风电系统的安全运行.数据采集与传输是海上风电防雷检测平台中关键的环节.通过合理部署和布局传感器网络,采用适当的数据采集和处理方法,以及利用物联网技术进行数据传输和实时监测,可以实现对雷电情况的准确感知,为海上风电系统的防雷安全提供有效支持.利用数据分析算法和建立相应的模型对雷电数据进行处理和解读.在防雷检测平台中,常用以下数据分析算法和数学模型对雷电数据进行处理和解读.1)统计分析:包括描述统计和推断统计等方法.常用的统计分析方法有频率分布分析、均值和方差计算、相关性分析等.通过统计分析可以了解雷电活动的频率、强度和持续时间等特征.2)机器学习:利用机器学习算法对雷电数据进行分类、聚类、预测和异常检测等任务.常用的机器学习算法包括决策树、支持向量机、随机森林、神经网络等.通过机器学习可以从大量的雷电数据中发现模式和规律,并进行预测和预警.3)人工智能:利用深度学习和神经网络等人工智能技术,对雷电数据执行特征提取、模式识别和预测等任务.通过训练模型,人工智能可以从雷电数据中学习和发现隐藏的规律和关联.4)物理模型:基于雷电物理过程的数学模型,如闪电放电模型、电场模型和电磁场模型等.通过建立物理模型,可以模拟和预测雷电的行为和传播规律.除以上分析算法和数字模型外,还包括相关系数、支持向量机及神经网络等.在防雷检测平台中,可以根据数据类型、样本量和预测目标等因素来选择合适的算法和模型,以实现对雷电数据的准确分析和预测.同时,还需要结合领域知识和实际经验进行算法和模型的优化和调整,以提高分析结果的准确性和可靠性.在防雷检测平台中,故障诊断和预警系统的设计对于海上风电系统的安全运行至关重要.可以通过建立故障诊断模型和预警系统,对风电系统中出现的故障进行快速准确地诊断和预警.通过监测和分析雷电相关数据,可以判断系统是否存在雷击风险,及时发出预警信号,以便采取相应的措施保护风电设备和人员的安全.为了提高防雷检测的效果和实时性,平台应具备实时监控和远程控制的能力.通过远程监控系统,可以对防雷检测平台进行实时监测,及时了解雷电情况并做出相应的响应.同时,可以通过远程控制系统对风电系统中的设备进行远程控制和操作,以提高系统的安全性和可靠性.数据分析与故障诊断是海上风电防雷检测平台中的重要环节.通过建立合适的数据分析算法和模型,设计可靠的故障诊断与预警系统,具备实时监控和远程控制能力,实现对雷电数据的深入分析和故障诊断,为海上风电系统的安全运行提供有效支持[7].为了验证防雷检测平台在海上风电系统中的有效性和可行性,可以建立以下实验环境和测试方法.1)模拟雷电环境:利用人工发生器或雷电模拟器产生雷电放电,模拟海上风电系统中雷电的频率、强度和持续时间.2)模拟风电场场景:搭建风电场模型,包括风力发电机、变电站、电缆等设备,并设置适当的地形和气象条件,以模拟真实的海上风电场环境.3)雷电数据采集:安装雷电传感器和数据采集设备,实时采集雷电活动数据,包括雷电放电电流、电压、持续时间等信息.4)数据分析与处理:对采集到的雷电数据进行处理和分析,利用信号处理算法和模型建立雷电放电特征提取和识别方法,以准确判断雷电活动的位置、强度和频率.5)故障诊断:基于采集到的雷电数据和其他监测数据,通过建立故障诊断模型,识别风电系统中可能受到雷击影响的组件,实现实时监测和预警功能.6)系统性能评估:通过对比实验结果和预期目标,评估防雷检测平台在准确性、灵敏度和可靠性方面的性能,并进行系统性能优化和改进.在防雷检测平台的实验中,需要对采集到的雷电数据进行分析和处理,以评估平台的性能和有效性.以下是具体的实验数据分析和结果评估步骤.1)数据预处理:对采集到的雷电数据进行去噪和滤波处理,以去除干扰和提高数据质量.2)特征提取:利用信号处理和模式识别技术,从雷电数据中提取关键特征,如雷电放电电流的峰值、持续时间、频率等.3)故障诊断:基于已建立的故障诊断模型,将提取到的雷电特征与故障特征进行对比分析,以判断风电系统中可能受到雷击影响的组件[8].4)结果评估:对故障诊断结果进行评估,比较实验结果与预期目标的一致性.可以计算准确率、灵敏度、特异度等评估指标,以评估平台在防雷检测方面的性能.5)结果可视化:将分析和评估的结果可视化,以图表、曲线等形式展示,便于进一步分析和理解实验结果.为了验证防雷检测平台的实际应用效果,选择了某海上风电场进行试点应用.在实际运行中收集雷电数据,通过防雷检测平台进行实时监测和故障诊断.以下是具体的案例数值和效果展示.1)总雷电频次:在试点期间,共记录到50次雷电事件.2)故障诊断准确率:通过防雷检测平台的故障诊断功能,成功识别并定位了45次雷电相关故障,准确率达到90％.3)预警及时性:平台成功实现了实时监测和预警功能,雷电事件发生后平均30s内即可发出预警信息.4)故障处理效率:在故障发生后,平均处理时间为10min,通过远程控制和操作,实现了快速故障排除和维修.5)安全性提升:防雷检测平台的应用使海上风电系统的防雷能力得到显著提升,有效减少了雷击导致的设备损坏和停机时间,降低了安全风险.以上数据和效果表明,防雷检测平台在海上风电系统实际应用中具有较高的准确性、及时性和可靠性.通过实际案例的验证,平台证明了其在提升海上风电系统的防雷能力和运行安全性方面的价值和效果.研究基于物联网技术,开发和实现了防雷检测平台,为海上风电系统的安全运行提供了一种可行的解决方案.该平台结合了传感器网络、数据采集与传输、数据分析与故障诊断等技术,能够实时监测和预警雷电活动,为系统运维人员提供重要的决策支持和故障排除手段.实验结果和实际应用案例的展示表明,防雷检测平台在提高海上风电系统的安全性和可靠性方面具有良好的效果和应用前景.随着物联网技术的不断发展和创新,防雷检测平台将进一步完善和优化,为海上风电行业的可持续发展作出更大的贡献.[1]付斌,曾明伍,林淑,等．海上风电机组碳纤维叶片防雷系统设计及仿真分析[J]．分布式能源,2020,5(2):35 38．
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