1 方案概述
1.1 设计背景
风力发电是世界上发展最快的绿色能源技术，与传统能源相比，风力发电不依赖外部能源，没有燃料价格风险，发电成本稳定。在陆地风电场建设快速发展的同时，人们发现了陆地风能利用所受到的一些限制，如占地面积大、噪声污染等问题。由于海上丰富的风能资源和当今技术的可行性，海洋将成为一个迅速发展的风电市场。
1.2 设计目标
海上风电要远比陆地风电的风险大，技术难度更高，海上环境恶劣、可进入性差,给海上风电机组的运行与维护带来了巨大挑战，海水含盐量高，腐蚀性强，海面常有大雾、雨水和台风等恶劣的自然条件，对于风电机组的正常运行具有极高的要求。不仅是风机运行的外部环境恶劣，我国风电技术还处于发展阶段，相关的机组技术、施工技术、输电技术、运维技术等还没有完全成熟，风电机组在外部环境和内部技术的双重影响下容易出现运行故障，因此需要及时进行检测。如何更有效更有针对性的发现风机运行过程中的问题，是风电技术整个流程中的一个重要环节，以风机的运行过程为例，风机在运行过程中，会产生极大的电能，机组设备和输电设备等都会产生大量热量，呈现不同的温度，当设备将要发生故障或者发生故障后，设备表面的温度会明显发生变化，比如短路时会瞬间通过大量电流，造成温度异常升高，短路通电量极少，温度明显低于周围等等，通过监测机组设备的温度是一个有效解决办法，可以很好的保障机组的正常工作。
2 设计说明
2.1 设计原理
2.1.1电气设备故障发热
图2.1风力发电机组
风电机组包括主轴承、发电机等，是风机的核心设备，温度是风电机组工作的重要指标，超过额定温度时每升高10℃，则电机的寿命将缩短一半，电机是维持风机正常工作的重要保证，常见的机组运行故障包括：
- 电气接线接触不良或老化导致电气接线温度异常；
- 电机外壳由于铁心老化、散热不良导致外壳温度过高或温度不均匀；
- 与电机连接的轴承、连轴器:1)过度润滑；2)缺乏润滑；3)未对准通常会导致轴承问题。
根据以往红外热像测试的经验来看，机组电气接线以及线缆接头缺陷所导致的异常发热比较常见。主要原因是：1）氧化腐蚀：金属表面严重锈蚀氧化，造成金属接触面的电阻值乘几十倍到几百倍的增加；2）导线断股、接头松动：导体连接部位长期受到机械振动，使得导体压接部位的螺丝松动、导线断股电阻值增大。3) 因为结构设计、安装工艺质量所引起的异常发热
配电控制柜具有类似的问题，有大量触头、开关、套管夹等，常常由于接触不良、腐蚀或内部异常等各种原因，出现异常过热点，严重影响安全供电，需要及时排除安全隐患，避免发生更大危险。
2.1.2红外热像仪在风力发电中的作用
- 电气设备出线接头、内部导流回路连接处检测
- 各类导电接头、接线桩头氧化腐蚀以及连接不良缺陷
- 各类高压开关内中心触头接触不良缺陷
- 隔离刀闸刀口与触片以及转动帽与球头结合不良缺陷
- 电力变压器高、低压套管上、下两端连接不良
- 线夹发热检测
- 电缆接头检测
- 风电机组（包括主轴承、联轴器等）发热故障监测
- 发电机、控制柜发热故障监测
2.2 需求分析
（1）系统要求：监控系统要覆盖整个风力发电机舱和塔底变频器，实现全天候、全方位、实时、非接触、精准测温要求，可以对感兴趣点进行快速的监控数据获取，要配备红外热像仪及其全套组件，系统各构件要达到相关参数要求。
（2）数据要求：可以实时查看并且存储温度视频数据，数据格式符合参数要求。
（3）监控范围：通过红外热成像海上风力发电图像监控系统，工作人员在监控中心可对整个机舱（12m×4.9m×5m）和变频器（5m×3m）温度实现实时动态的监控。
（4）报警要求：在出现温度故障前或者刚出现故障，能在第一时间侦察到故障区域及故障程度，并及时进行报警，使工作人员尽早发现隐患，及时处理可能突发的所有发热故障情况。
3 设计方案
3.1 系统设计目标
（1）实时监控
利用机舱顶部设置的监控点，获取覆盖范围内的监控红外图像，实现全天候不间断监控。观测人员在监控中心可观测到整个机舱风电机组的红外图像，系统可进行全程录像。
（2）动态监控
在网线快速传输系统的支持下，将红外图像及其它信息实时、同步传输到监控中心，实现真实观测机舱和变频器的动态情况。
（3）获取感兴趣点温度
监控中心人员可以通过热像仪配套的软件人为选取感兴趣区域的精准温度，判断是否有故障发生。
（4）数据存储、离线分析
对于监控系统前端传回的温度图像数据，系统提供截图、视频流、温度流的随时存储功能，可对感兴趣时间段的温度数据进行保存，并可用系统软件进行离线分析。
（5）超温自动报警
实时自动测量视场中物体的最高温度，超过系统设置报警温度自动报警，并输出报警信号，监控电脑可发出报警声音，也可外接声光报警装置。
3.2 系统设计概述
根据机舱和变频器的特点，我们考虑在高点设立监控点，监控点与监控中心之间采用网线连接，监控中心能对指定区域进行巡视、图像采集和温度数据分析，实时进行最高点温度搜索，实时温度异常预警。实时监视、调看各个监控点的红外图像和录像资料。监控中心可自动或手动切换出各监控点的图象。
系统设计由两部分构成：监控前端（监控点）和监控中心。
系统暂设若干个监控前端（监控点）。在各监控点制高点架设红外热成像仪一台，监控中心由监控工作站等设备组成，系统采用TCP/IP协议，采用模块化结构，具有良好的可扩充性，可随时增加撤减监控点。监控中心主要的功能就是：预警、显示、控制、录像和视频数字化、网络化。
3.4系统设计方案
3.4.1现场勘测
机舱周围空间有限，安装距离有限，视场角受限，要满足全方位观察，需要在机舱顶部安装热像仪，保证监控系统前端能够正常工作，且减少维护成本，如图3.2，塔底变频器安装距离稍远，考虑到监控全面性，也需要安装到顶部位置，如图3.3。
3.4.2安装位置
根据现场实际勘测的位置，机舱处需要安装到舱室顶部，以满足全面监控要求，现场合适的位置是舱顶横梁，可以直接通过支架将热像仪安装到此位置，安装平面图如图3.4，由于距离有限，需要在顶部安装两台热像仪，分别负责监视一半的区域，如图3.5；塔底变频器采用倾斜监控的方式，安装在顶部，安装平面图如图3.6，覆盖变频器全部。
3.4.3热像仪选型
（1）热像仪选型
根据机舱的工作温度，选用Yoseen X系列红外热像仪，分辨率为384×288，该热像仪属于在线式测温型红外热像仪，通过接收物体发射的红外线，经过一系列的处理，可形成物体表面的热像图，并进行相关部位的温度测量，有助于发现机组故障隐患。
（2）镜头选取
热像仪采取顶部安装，保证热像仪视场角全面覆盖机组和变频器指定监控区域，机舱大小为12×5×5m,采用顶部两台监控，根据计算，选用2.2mm镜头；变频器大小为5×3m，采用顶部倾斜安装监控方式，根据计算，采用3mm镜头，系统共包括两个机舱和两个变频器，共计六台。
3.5系统组成
红外热成像海上风力发电图像监控系统由中心监控管理系统、传输系统、红外热成像系统、供电系统组成。
（1）中心监控管理系统
主要实现视频信号的图像显示、录像控制，远程控制、数据压缩处理、网络传输、系统控制管理、预警及数据库管理，向指挥调度人员提供全面的、清晰的、可操作的、可录制、可回放的现场实时图像。
（2）传输系统
提供系统互联及信息交互的联网能力，监控系统的传输方式主要有网线传输、光纤传输、无线微波传输等。一般来说，当摄像头的安装位置离监控中心较近时（两百米以内），多采用网线传输方式，当摄像头的位置距离监控中心较远时，往往采用光纤传输方式。本系统考虑到监控点的具体情况，拟采用网线传输方式。
（3）红外热成像系统
提供风力发电早期预警信号，监测视场中物体的最高温度，超过设定的报警温度，系统报警。
（4）供电系统
提供系统运行的基本电力保障，采用DC12V供电方式。
3.6系统功能
3.6.1高温预警功能
应用红外热成像仪等设备，系统可实现以下高温预警功能
（1）手动或自动开启红外热成像等设备，对指定区域进行监控、图像采集和温度数据分析，实时进行最高点温度搜索，实时显示当前视场的最高点温度。
（2）可将采集到的红外图像存储下来，放入数据库，在数据库管理系统的支持下分析比较，利用设定的数据，判定是否发出预警信号。
3.6.2一般功能
（1）监视功能
实时显示红外热成像设备的图像。
多画面同时监控。
（2）控制报警功能
自由设置温度报警。
远程报警信息接收处理及系统日志查看。
（3）录放像功能
报警数据自动存储，手动随时存储，可随时回放录像数据。
（4）网络功能
远程实时显示红外热成像设备的图像温度情况。
远程实时接收高温预警信号及其它报警信息。
远程查询及回放前端历史图像以及保存的预警录像。
远程录像文件下载。
支持RTSP流媒体协议。
