高海拔新能源光伏電站智能運(yùn)維體系探索及研究

喻洋 高秉文 董明知

摘要：在國家新能源政策大力推行背景下，以高海拔光伏發(fā)電站在國內(nèi)各個(gè)地區(qū)紛紛建立，光伏發(fā)電技術(shù)提高了傳統(tǒng)電力行業(yè)的整體發(fā)電量與發(fā)電水平，先進(jìn)的新能源光伏智能化運(yùn)維技術(shù)體系也應(yīng)運(yùn)而生。本文中主要探索了高海拔新能源光伏電站智能運(yùn)維體系中的諸多生產(chǎn)管理技術(shù)內(nèi)容與模式，并著重研究了站內(nèi)巡檢機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：巡檢機(jī)器人;高海拔新能源光伏電站;智能運(yùn)維體系;環(huán)境感知模組

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)（Solar power system）是一種利用太陽電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)，有獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種方式。大型地面集中式光伏電站采用集中建設(shè)、集中管理、集中送電的模式，充分利用戈壁、荒山等利用率極低的地塊進(jìn)行建設(shè)。組成部分包括光伏板、匯流箱、逆變器、箱變、開關(guān)站、升壓站和輸電線路等。

近年來，國家高度重視新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，光伏發(fā)電技術(shù)已十分成熟，國內(nèi)優(yōu)質(zhì)光伏資源已基本被開發(fā)殆盡，隨著國家政策的調(diào)整，光伏平價(jià)時(shí)代已到來，高海拔地區(qū)的光伏資源開發(fā)也提上日程，以四川某基地規(guī)劃為例，該基地計(jì)劃在該省某“三州一市”規(guī)劃1200萬千瓦的光伏平價(jià)基地，該基地均在交通不便、高海拔、生存條件艱苦地區(qū);一旦基地項(xiàng)目落地，光伏電站的運(yùn)維模式將面臨從傳統(tǒng)的運(yùn)維模式逐步向“無人值班、少人值守”的新型智能運(yùn)維模式轉(zhuǎn)變。

高海拔電站智能運(yùn)維體系擁有獨(dú)立系統(tǒng)，它與云存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)、巡檢機(jī)器人等等技術(shù)相互關(guān)聯(lián)銜接，并全部引入到電站管理終端中，可實(shí)現(xiàn)GW+量級的電站接入，能夠滿足電站全部系統(tǒng)設(shè)備的集中管控需求，提升電站整體運(yùn)行效率與生產(chǎn)效能。在該過程中，系統(tǒng)本身也會(huì)對電站及設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，提出諸多技術(shù)支持策略，確保生產(chǎn)管理方式多元化、有序化。

一、新能源光伏電站的智能運(yùn)維管理技術(shù)概述

高海拔電站的智能運(yùn)維管理技術(shù)豐富，它主要從時(shí)間、空間、設(shè)備等方面實(shí)現(xiàn)了對站內(nèi)智能運(yùn)維系統(tǒng)的多維度監(jiān)控、多環(huán)節(jié)維護(hù)、多層次管理與多角度分析，可實(shí)現(xiàn)智能化判斷、報(bào)警、評價(jià)與信息處理等功能，滿足光伏電站的一體化生產(chǎn)運(yùn)行要求。具體來講，光伏電站的智能運(yùn)維管理技術(shù)內(nèi)容包括以下四點(diǎn)。

第一，能判斷新能源光伏電站的建設(shè)質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)以及是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

第二，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)狀態(tài)自檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患問題，并第一時(shí)間面向運(yùn)維人員通報(bào)設(shè)備運(yùn)行健康狀況，分析確定故障的基本發(fā)生類型與發(fā)生位置。

第四，新能源光伏電站在設(shè)計(jì)建設(shè)與電站設(shè)備規(guī)劃方面已經(jīng)接入了大量新設(shè)備、新系統(tǒng)部件，這些系統(tǒng)部件能夠做到智能化匹配，為早期預(yù)判故障提供科學(xué)依據(jù)。

高海拔光伏電站為了實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，滿足技術(shù)應(yīng)用與生產(chǎn)需求，主要基于上述技術(shù)內(nèi)容展開生產(chǎn)運(yùn)作，同時(shí)也通過電力設(shè)備巡檢機(jī)器人的智能、高效運(yùn)營提高變電站設(shè)備巡檢能力，降低人為事故因素，為站內(nèi)生產(chǎn)工作安全系數(shù)提高創(chuàng)造諸多有利條件[1]。

根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際生產(chǎn)需要，結(jié)合場站實(shí)際情況，組織開發(fā)的智能運(yùn)維管理系統(tǒng)綜合考慮了以下功能：

1、統(tǒng)一接口服務(wù)實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人、外部系統(tǒng)通訊。開發(fā)制定統(tǒng)一接口規(guī)范，支持符合規(guī)范要求的智能巡檢機(jī)器人接入，實(shí)現(xiàn)對各種機(jī)器人運(yùn)行進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，管控平臺(tái)能夠遠(yuǎn)程控制巡檢機(jī)器人，監(jiān)測和評估機(jī)器人的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，制定自動(dòng)巡檢方案并下發(fā)至巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)。

2、實(shí)現(xiàn)站內(nèi)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測：實(shí)現(xiàn)對站內(nèi)人員、異物、裝置指示燈、壓板、局放、儀表、開關(guān)、氫氣、熱缺陷、噪聲、溫濕度、六氟化硫、氧氣、煙霧等內(nèi)容的監(jiān)測。存儲(chǔ)、分析、管理機(jī)器人采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對有異常的處理結(jié)果及時(shí)推送告警，對數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢分析，提前預(yù)警可能發(fā)生的故障。

3、與業(yè)務(wù)系統(tǒng)互聯(lián)互動(dòng)：結(jié)合現(xiàn)有變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、輔助監(jiān)控、移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)、變電站智能輔助系統(tǒng)等系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)告警聯(lián)動(dòng)等功能。

4、大數(shù)據(jù)分析：針對機(jī)器人系統(tǒng)自身的數(shù)據(jù)，采用聚類分析等手段，尋找異常數(shù)據(jù)，分析潛在風(fēng)險(xiǎn)。通過關(guān)聯(lián)分析，尋找異常狀況的關(guān)聯(lián)指標(biāo)，挖掘風(fēng)險(xiǎn)的成因。依托外部的大數(shù)據(jù)應(yīng)用，融合機(jī)器人采集的數(shù)據(jù)和其它系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，針對具體問題建模分析，分析結(jié)果返回機(jī)器人系統(tǒng)，提高機(jī)器人系統(tǒng)的智能分析能力。

5、與業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享、互為聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)多系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)融合，加強(qiáng)機(jī)器人的觸覺、視覺、嗅覺作用，實(shí)現(xiàn)從信息羅列向場景融合、多維展示、操作聯(lián)動(dòng)過渡，促進(jìn)巡檢工作由“人工巡檢”向“自動(dòng)巡檢”、“協(xié)同立體巡檢”的轉(zhuǎn)變。

二、新能源光伏電站的智能運(yùn)維管理體系中的巡檢機(jī)器人應(yīng)用模式

隨著國內(nèi)高新技術(shù)的大力發(fā)展，目前，智能巡檢設(shè)備種類眾多，相應(yīng)的單一技術(shù)也很成熟，但缺少統(tǒng)一的智能運(yùn)維平臺(tái)，需要結(jié)合場站不同的智能巡檢設(shè)備，打造一個(gè)綜合處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)將應(yīng)用智能巡檢機(jī)器人、無人機(jī)，配合其配套設(shè)備，開展升壓站內(nèi)的一、二次設(shè)備、35kV集電線路、場區(qū)設(shè)備（光伏組件、箱變、匯流箱、逆變器、風(fēng)機(jī)等）、送出線路等設(shè)備的巡查;該系統(tǒng)將具有圖像識(shí)別、無線通訊、激光自主導(dǎo)航算法、視覺識(shí)別等多種技術(shù)，通過搭建數(shù)字化、可視化、智能化的操作及遠(yuǎn)程診斷交互平臺(tái)，將AI技術(shù)運(yùn)用于電力生產(chǎn)過程，實(shí)現(xiàn)智能巡檢在新能源場站的全覆蓋，以高科技推進(jìn)智慧場站建設(shè)，真正實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外一體化巡檢、事故預(yù)判、故障分析排查、可見光表計(jì)識(shí)別、紅外測溫、二次設(shè)備告警信息篩選及檢測、信息推送、各類報(bào)表自動(dòng)生成等。

三、新能源光伏電站的智能運(yùn)維管理體系中的巡檢機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)

在新能源光伏電站的智能運(yùn)維管理體系中，巡檢機(jī)器人能夠發(fā)揮重大作用，它的多模塊多應(yīng)用技術(shù)內(nèi)容表現(xiàn)突出，主要包括：

（一）紅外線成像儀測溫模塊技術(shù)應(yīng)用

站內(nèi)的巡檢機(jī)器人是具備紅外線成像儀測溫模塊技術(shù)系統(tǒng)的，它的技術(shù)優(yōu)勢在于在溫度分布不均勻的大面積目標(biāo)下進(jìn)行表面溫度場測量，同時(shí)也能在有限的區(qū)域內(nèi)快速確定過熱點(diǎn)與過熱區(qū)域，實(shí)現(xiàn)精確化測量。這一模塊技術(shù)系統(tǒng)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下五點(diǎn)：第一，不會(huì)破壞被測物體的溫度場，不需要與被測物體直接接觸;第二，具有較高的靈敏度;第三，可在幾毫秒內(nèi)測出目標(biāo)溫度，且反應(yīng)速度非?？?第四，測溫范圍較寬，測溫范圍能達(dá)到-50℃～1000℃;第五，完全不受檢測距離限制，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近各種距離檢測。在測溫過程中，該模塊采用到了普朗克定律，它所揭示的是黑體輻射能量在不同溫度環(huán)境下按照波長的分布規(guī)律，它的數(shù)學(xué)表達(dá)式應(yīng)該如下：

上述算式是對黑體光譜輻射通量密度的計(jì)算。

（二）多維環(huán)境感知模組技術(shù)應(yīng)用

通過采用舵機(jī)可有效控制巡檢機(jī)器人傳感器升降過程。在障礙檢測過程中則主要采用紅外傳感器與超聲波檢測兩種方法結(jié)合對可檢測半徑內(nèi)的障礙物進(jìn)行偵察檢測。多維環(huán)境感知模組技術(shù)應(yīng)用具有較強(qiáng)的抗干擾能力，利用激光傳感器為巡檢機(jī)器人定位，通過機(jī)器人內(nèi)置的SLAM定位算法，進(jìn)行定位導(dǎo)航，此時(shí)超聲波傳感器會(huì)配合紅外傳感器技術(shù)確保完成避障任務(wù)。多維環(huán)境感知模組能夠有效規(guī)劃路線、驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作，在巡檢機(jī)器人上搭載一架高清可視光攝像機(jī)和一臺(tái)紅外測溫儀，可實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控投影范圍內(nèi)畫面的長期監(jiān)控。而攝像機(jī)本身由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)平面范圍內(nèi)0～360°的全方位轉(zhuǎn)向操作，整體監(jiān)控范圍廣[2][3]。

（三）人工智能技術(shù)在巡檢機(jī)器人中的應(yīng)用。

智能巡檢機(jī)器人將利用分類和聚類算法，通過分析，對各設(shè)備進(jìn)行建模識(shí)別，通過一種有效的語義哈希算法和基于稀疏自編碼的人工智能深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，識(shí)別效果好、學(xué)習(xí)速度快，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在物體識(shí)別中的相似圖像快速查找，準(zhǔn)確高效地對圖像進(jìn)行預(yù)處理、定位、配準(zhǔn)、識(shí)別等步驟，適應(yīng)性強(qiáng)。

針對電力設(shè)備特征，采取以下方法進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別：（1）對電力設(shè)備的圖像，分別使用去噪、銳化算法，根據(jù)已研究的結(jié)果得到最佳的預(yù)處理方案。（2）主要電力設(shè)備都具有明顯的特征，通過顏色、紋理、模板匹配進(jìn)行圖像識(shí)別，結(jié)合本站電力設(shè)備時(shí)間情況，通過采用閾值分割算法找到指針后，采用模板匹配算法進(jìn)行指針表盤識(shí)別、采用SVM（支持向量機(jī)）算法進(jìn)行數(shù)碼表識(shí)別。

隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的不斷發(fā)展，將圖像處理的方法運(yùn)用到電力設(shè)備的自動(dòng)檢測中的實(shí)踐逐步在國內(nèi)外電力行業(yè)中開展。在電力設(shè)備的檢測方法中加入深度學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī)視覺的方法，使得不再需要人工去對監(jiān)測的設(shè)備信息進(jìn)行判別，系統(tǒng)可以直接判斷電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，減少人員的工作強(qiáng)度和人為的監(jiān)測事故。隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的不斷發(fā)展，將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）算法理論應(yīng)用到目標(biāo)檢測中取得了巨大突破，在檢測性能上得到顯著提升。智能巡檢機(jī)器人通過在計(jì)算機(jī)服務(wù)器上部署基于Faster-RCNN算法、在巡檢機(jī)器人本體上部署YOLOv3算法，完美平衡計(jì)算實(shí)時(shí)性與計(jì)算精度，實(shí)現(xiàn)對電力設(shè)備故障特征的提取，可迅速監(jiān)測設(shè)備破損、設(shè)備漏油、柜門未關(guān)、鳥巢、異物等異?，F(xiàn)象。

四、光伏電站應(yīng)用智能巡檢機(jī)器人實(shí)例

以四川涼山州某高海拔光伏電站為例，該光伏電站位于涼山州普格縣洛烏溝鄉(xiāng)甘天地村，處于彝族聚居區(qū)深處，項(xiàng)目交通極為不便，電站距普格縣城直線距離約18km，距涼山州州首府西昌市直線距離約70km，升壓站至市區(qū)約4個(gè)小時(shí)的車程;場站平均海拔高度約3680m，常年氣溫低、冬季時(shí)間跨度長，極度嚴(yán)寒。該地區(qū)平均含氧量只有平原地區(qū)的60-70%，運(yùn)行維護(hù)人員長時(shí)間處于高海拔缺氧狀況，比較容易誘發(fā)心血管、呼吸道疾病;同時(shí)，惡劣的環(huán)境對設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行也存在一定考驗(yàn)。

通過部署智能巡檢機(jī)器人，擬達(dá)到智能巡檢的遠(yuǎn)期效果，主要有以下八點(diǎn)：一、解決現(xiàn)階段人手不足的現(xiàn)狀，調(diào)整人員工作分工;二、長期來看，節(jié)約人力資源成本，減少場站人員配置;三、解放監(jiān)盤人員，大力開展設(shè)備維護(hù)消缺工作;四、推行精細(xì)化管理，改變現(xiàn)階段的運(yùn)行模式;五、解決艱苦地區(qū)場站運(yùn)維人員的工作、生活環(huán)境，解決人員的工作環(huán)境;六、解決人員因條件艱苦，導(dǎo)致人才流失的情況;七、探索新能源場站的新的運(yùn)維模式，打造新名片;八、推廣新技術(shù)，將無人機(jī)、智能巡檢機(jī)器人等新技術(shù)與新能源場站將結(jié)合。

部署智能巡檢機(jī)器人，還能起到降本增效的作用，以該電站為例，目前運(yùn)行值守員工9 人，正常的的滿編是 12 個(gè)員工。每位員工投入工資、社保、生活費(fèi)、各種福利等成本，每個(gè)月需要 90000 元左右;每個(gè)月生活用電、運(yùn)維費(fèi)用等需要 30000 元。同時(shí)該站處于高海拔地區(qū)，交通道路是泥濘山路，車輛行駛有很大風(fēng)險(xiǎn)。智能運(yùn)維巡檢機(jī)器人最終實(shí)現(xiàn)的是該站無人值守，單是這兩項(xiàng)費(fèi)用公司每年可節(jié)約近 144 萬元，同時(shí)最大限度減少員工開車上山產(chǎn)生的人身風(fēng)險(xiǎn)。智能巡檢機(jī)器人巡檢前三年，投入 100 萬左右;后期投入少量維護(hù)費(fèi)用。10 年運(yùn)維成本不超過 150 萬。

五、總結(jié)：

在新能源光伏變電站智能運(yùn)維體系中采用巡檢機(jī)器人是希望利用巡檢機(jī)器人的強(qiáng)大巡檢能力，通過合理的運(yùn)維管理體系，實(shí)現(xiàn)包括光伏發(fā)電、固定巡檢、障礙物規(guī)避、遠(yuǎn)程遙控、視頻回傳等多方面智能化、自動(dòng)化巡視，有效提升光伏新能源的利用效率以及變電站的整體生產(chǎn)工作效率。

參考文獻(xiàn)：

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[2]李樹蔚，柴群峰，黃永強(qiáng)，等.智能技術(shù)在光伏電站的應(yīng)用[J].電力勘測設(shè)計(jì)，2018（12）：71-76.

[3]彭志遠(yuǎn)，趙昕，李星明.用于變電站安全監(jiān)測的智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)[Z].深圳市朗馳欣創(chuàng)科技有限公司.2013.