引言
隨著全球可再生能源需求增長，超高海拔（≥3500米）風電開發(fā)成為重要方向，但嚴酷的環(huán)境條件導致風機葉片覆冰問題尤為突出。覆冰會改變葉片氣動特性，增加載荷風險，并造成發(fā)電量損失（年均損失達8%～15%）?，F(xiàn)有檢測技術多針對中低海拔設計，在高海拔環(huán)境下面臨傳感器低溫失效、圖像檢測霧靄干擾及數據傳輸延遲等技術瓶頸（如北歐技術應用于青藏高原時誤報率升高40%）。
近年來，國內外學者在覆冰檢測領域取得一定進展，但針對超高海拔的系統(tǒng)性研究仍顯不足。國家能源集團聯(lián)合動力技術有限公司的研究人員結合實驗室模擬與現(xiàn)場測試，提出一種高海拔適應性優(yōu)化方案，通過多傳感器數據融合與算法改進，解決極端環(huán)境下的檢測難題。
1、覆冰檢測技術體系
接觸式檢測技術
接觸式檢測技術通過直接安裝在風機葉片上的傳感器進行覆冰監(jiān)測，具有響應速度快、測量精度高的特點，但在超高海拔環(huán)境下需考慮低溫、強風等極端條件對傳感器性能的影響。
（1）電阻應變片法
電阻應變片法通過測量葉片表面應變變化來間接判斷覆冰情況。在西藏某地風電場的實測數據顯示，該方法在常溫環(huán)境下誤差可控制在±1.2%，但在海拔4500米的低溫（-30 ℃）及強風（≥15 m/s）條件下，誤差上升至±3.8%。主要影響因素包括：
溫度漂移：低溫導致金屬電阻率變化，需采用溫度補償電路；
風致振動干擾：高海拔強風環(huán)境加劇葉片振動，須結合頻域濾波消除噪聲；
安裝位置優(yōu)化：葉片前緣1/3處應變信號最顯著（信噪比提升40%）。
（2）壓電振動檢測
壓電傳感器通過分析葉片固有頻率偏移檢測覆冰。覆冰導致葉片質量增加，基頻下降≥5%時可觸發(fā)報警。超高海拔環(huán)境下需引入海拔修正系數：
式中：h為海拔（m）。
在海拔5000米地區(qū)，頻率檢測需額外修正12%的測量值。
非接觸式檢測技術
非接觸式技術適用于難以安裝傳感器的極端環(huán)境，但受天氣條件影響較大。
（1）紅外熱成像
紅外熱成像通過葉片表面輻射差異識別覆冰，其核心是發(fā)射率標定模型：
式中：β為海拔修正因子（0.003～0.008），隨海拔升高而增大。
青海共和風電場的應用案例顯示：夏季誤報率12.3%（主要因強日照導致表面溫差異常）；冬季誤報率28.7%（低溫霧靄干擾輻射信號）。
（2）微波雷達檢測
微波雷達通過介電常數反演冰厚，其算法流程包括：
一是發(fā)射毫米波信號并接收回波；
二是快速傅里葉變換（FFT）提取頻域特征；
三是基于冰-空氣介電常數差異計算冰厚。
頻段選擇對比：5.8 GHz時穿透深度3～5 cm，適合薄冰檢測；24 GHz時分辨率達0.5 cm，但高海拔大氣衰減率增加20%。
混合檢測系統(tǒng)
混合系統(tǒng)通過多傳感器數據融合提升檢測魯棒性。
（1）多傳感器融合架構
系統(tǒng)采用三級融合架構：
一是硬件層 ：CAN總線集成應變片、壓電傳感器、紅外攝像頭與雷達；
二是特征層：基于時間戳對齊溫度、振動、圖像等多模態(tài)數據；
三是決策層：加權投票算法輸出最終冰情等級（無冰/輕度/重度）。
圖1. 多傳感器融合架構
（2）卡爾曼濾波異常值剔除
針對高海拔數據丟包問題，建立狀態(tài)空間模型：
式中：Xk為系統(tǒng)狀態(tài)向量，表示k時刻的覆冰檢測系統(tǒng)真實狀態(tài)（如冰厚、葉片形變量等），是待估計的核心變量；A為狀態(tài)轉移矩陣（n×n維），描述狀態(tài)從Xk-1到Xk的動態(tài)演化規(guī)律，例如覆冰增長速率與溫度、濕度的關系；B為控制輸入矩陣（n×p維），將外部控制量uk（如除冰加熱功率）映射到狀態(tài)變化，若無可省略；uk為控制輸入向量，人為干預或已知外部輸入（如風機轉速調節(jié)），在被動監(jiān)測系統(tǒng)中常為零；wk和vk分別為過程噪聲與觀測噪聲，表征模型未考慮的擾動（如突風沖擊），假設為高斯白噪聲，其方差影響濾波器對預測值的信任度。
實測表明，該方法可將異常數據占比從15.6%降至2.3%。關鍵數據總結如下：
該體系為超高海拔覆冰檢測提供了從單點測量到系統(tǒng)集成的完整技術路徑，后續(xù)應進一步優(yōu)化傳感器的環(huán)境適應性與經濟性。
2高海拔適應性改進
超高海拔環(huán)境對覆冰檢測系統(tǒng)提出了嚴苛的技術挑戰(zhàn)，包括極端低溫、強紫外線輻射、低氣壓導致的散熱困難，以及頻繁的凝露結霜問題。從硬件強化設計、算法優(yōu)化和驗證實驗等三個維度，系統(tǒng)研究針對海拔3500米以上風電場的適應性改進方案，并通過實驗室模擬與現(xiàn)場實測驗證其有效性。
硬件強化設計
（1）三防傳感器封裝方案
針對高海拔環(huán)境的核心硬件問題，提出防凍-防輻射-防凝露（三防）一體化封裝技術。
防凍設計：采用航空級鋁合金外殼（導熱系數≥160 W/m·K），內部填充硅凝膠（耐溫-60~150 ℃），避免低溫脆化。關鍵電路板噴涂聚對二甲苯（ParyleneC）涂層，防止結冰膨脹導致的焊點斷裂。
防輻射設計：外殼陽極氧化處理（膜厚≥25 μm），紫外線反射率提升至85%。光學窗口使用石英玻璃鍍ITO膜，透光率>90%的同時阻隔90%紫外波段（280～400 nm）。
防凝露設計：內置微型加熱環(huán)（功率2 W），通過PID控制維持腔體溫度高于露點3～5 ℃。濕度敏感元件采用納米疏水膜（接觸角>150°），抑制冷凝水附著。
（2）低功耗LORA組網優(yōu)化
傳統(tǒng)4G通信在超高海拔存在基站覆蓋不足、功耗高等問題。研究構建多層LORA自組網，并通過OMNeT++仿真優(yōu)化拓撲結構。
節(jié)點部署：每臺風機部署1個主節(jié)點（SX1278芯片）與3個中繼節(jié)點，形成網狀拓撲。
參數優(yōu)化：調整擴頻因子（SF=10）與編碼率（CR=4/5），在5 km距離下實現(xiàn)平衡功耗與傳輸速率。具體參數如下：
算法優(yōu)化
改進YOLOv5輕量化模型。針對高原環(huán)境霧靄、低對比度導致的圖像識別退化問題，提出以下改進：
數據集增強：采集青海、西藏5個風電場2000張霧靄環(huán)境下的覆冰圖像，合成數據擴充至15000張。標注時區(qū)分霜層（半透明）、冰層（不透明）與積雪（顆粒狀）三類目標。
模型結構調整：主干網絡替換為MobileNetV3，參數量從7.5M壓縮至2.1M。添加注意力機制（CBAM模塊），提升霧靄中微小冰晶的檢測能力（召回率+9.2%）。
高原適應性訓練：損失函數引入海拔-能見度加權因子：
式中：Lcls為分類損失，衡量預測類別與真實類別的差異（如冰/霜/雪的誤判）；Lbox為邊界框損失，評估預測框與真實框的位置偏差（采用CIoU損失）；Lobj為目標性損失，判斷網格內是否存在目標（避免背景誤檢）；α為動態(tài)權重，平衡分類損失與定位損失的貢獻，隨海拔升高逐漸降低定位權重。
驗證實驗
（1）實驗室模擬測試
在人工氣候室中模擬海拔5500米環(huán)境（溫度-40~20 ℃、氣壓55 kPa、紫外線強度0.8 kW/m²），進行階梯降溫實驗。
傳感器穩(wěn)定性：三防封裝傳感器在-40 ℃持續(xù)8小時后，電阻漂移<1.5%（未封裝組>12%）。
通信可靠性：LORA網絡在模擬暴雪（能見度<50 m）時，丟包率仍<8.5%。
（2）西藏某地現(xiàn)場測試
2023-2024年冬季在海拔5500米風電場部署改進系統(tǒng)，關鍵數據如下：
覆冰檢測準確率：91.2%（共觸發(fā)報警37次，誤報3次）；
極端事件響應：在-38 ℃強降雪天氣下，系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行216小時；
經濟性分析：相較進口設備（如丹麥Vaisala系統(tǒng)），運維成本降低41%。
通過三防硬件封裝、輕量化算法改進及高海拔組網優(yōu)化，系統(tǒng)在海拔5500米極端環(huán)境下實現(xiàn)91%以上的檢測準確率，為全球超高海拔風電開發(fā)提供了可靠的技術范式。
3技術經濟性分析
高海拔覆冰監(jiān)測系統(tǒng)的技術經濟性需從成本構成和全生命周期收益兩方面評估。與傳統(tǒng)方案相比，高海拔改進方案的初始投資成本較高，但長期經濟效益顯著。
在成本構成方面，傳統(tǒng)覆冰監(jiān)測系統(tǒng)單臺設備成本約為12萬元，而高海拔方案因采用三防封裝、低功耗LORA組網及輕量化AI算法，單臺成本增至18萬元，增幅約50%。這部分增量主要來自耐低溫材料（如航空級鋁合金外殼、Parylene C涂層）和定制化傳感器（如抗紫外石英玻璃窗口），但硬件強化顯著降低了高原環(huán)境下的故障率，避免了頻繁更換設備的隱性成本。
從全生命周期收益來看，高海拔方案通過精準覆冰預警和自動化監(jiān)測，可減少風機因覆冰導致的停機時間。基于西藏、青海等地風電場的SCADA數據回歸分析，改進系統(tǒng)可使發(fā)電量損失減少8%～12%，按單臺5MW風機計算，年均可挽回經濟損失約15萬～22萬元。高原地區(qū)人工巡檢成本高昂，傳統(tǒng)方案每年需投入約5萬元/臺（含交通、人力及安全防護），而改進系統(tǒng)通過遠程監(jiān)控和智能診斷，可將維護成本降低60%以上。綜合考慮設備壽命（按10年計），高海拔方案的全周期投資回報率（ROI）可達1∶3.5，遠優(yōu)于傳統(tǒng)方案的1∶1.8。
結語
針對超高海拔風機葉片覆冰檢測難題，提出了一種融合微波雷達與紅外熱成像的混合檢測系統(tǒng)，并結合輕量化YOLOv5算法優(yōu)化識別精度。實驗表明，該系統(tǒng)在5500米海拔環(huán)境下覆冰檢測準確率達91.7%，較傳統(tǒng)方法提升9.4%，且能適應-40 ℃的極端低溫。經濟性分析顯示，盡管初始投資增加50%，但全生命周期內可降低運維成本23%。
作者：朱孝晗
工作單位：國家能源集團聯(lián)合動力技術有限公司
來源：電力設備管理
轉自：CCIA維修檢測與回收專委會
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