無人機在風電場設備巡檢中的應用

楊兆輝，王 鵬，林建維

(1. 國投廣西風電有限公司，廣西 欽州 535000；國投電力控股股份有限公司，北京 100034)

0 引言

隨著時代的高速發(fā)展，世界能源結構也在快速變化。近年來人們更加認識到風力發(fā)電在減輕環(huán)境污染、調整電網(wǎng)中的能源結構、解決偏遠地區(qū)居民用電問題等方面的突出貢獻，這些都促使了風電的大力發(fā)展。

風電場一般建設在人跡罕見的偏僻地區(qū)，尤其近幾年三北地區(qū)風電容量日漸飽和的情況下，風電建設逐漸向中東部地區(qū)和東南沿海地區(qū)擴散。尤其東南和南方地區(qū)風電建設因丘陵起伏連綿，地形復雜，導致風電場架空線路穿山越嶺，架設長度較長。欽州南臨北部灣，西北靠十萬大山，主要受海洋氣候影響，也受大陸氣團影響，海洋性氣候明顯，是中國濕熱多雨的地方之一，自然環(huán)境惡劣。風電場主要設備基本建設在戶外，隨著時間推移和自然環(huán)境因素影響更容易造成設備老化，較大可能發(fā)生設備地基塌陷、引線斷股、塔架變形、絕緣子污閃、金具破損、線路走廊植被過高等設備缺陷和安全隱患，如果設備隱患和設備缺陷發(fā)現(xiàn)不及時，未能得到有效的整治和處理，將會嚴重威脅風電安全運行，也會對風電場造成更多的經(jīng)濟損失。

1 無人機巡檢的背景

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，社會對電力能源提出了巨大需求，風電建設規(guī)模穩(wěn)步增長。我國建設的風電場規(guī)模越來越大，風機設備也越來越多，建設高度也越來越高。

我公司1個194 MW容量75臺風機的風電場，輸電線路已達到100 km，因為自然環(huán)境限制，線路沿著山脊建設穿越很多溝壑，大多數(shù)桿塔均在森林中。針對現(xiàn)代化智能風電場運行、檢修管理模式，傳統(tǒng)人工巡檢一般采用望遠鏡、目測進行巡檢，傳統(tǒng)人工巡檢方法已經(jīng)不能滿足智能風電場建設需求?，F(xiàn)代化智能風電建設需要安全、科學、智能、高效的設備巡檢作業(yè)流程和方法。

2 無人機巡檢發(fā)展的趨勢

2.1 成本優(yōu)勢

隨著無人機技術的快速發(fā)展，無人機的價格也在逐步下降，大致50 000元以內(nèi)可以配置一套專業(yè)巡檢無人機。而培養(yǎng)一名技術能力較強的巡檢人員需要時間，人力成本高昂，從性價比來講無人機巡檢更勝一籌。

2.2 安全提升

風電場建設在一些特別的地方，工作人員需要戰(zhàn)勝一些地理環(huán)境的約束，需要跋山涉水、穿越森林、爬上爬下，存在諸多安全風險，可能會發(fā)生不安全事件。而無人機巡檢代替人工巡檢后就可以提升巡檢人員的環(huán)境安全，減少了工作人員以身涉險的狀況，可以避免不安全事件發(fā)生，大大提高了安全系數(shù)。

2.3 效率提高

無人機具有較高的機動性，部分無人機時速可達100 km，無人機可安裝配置高清攝像頭和紅外成像儀等輔助設備，可以對設備實際情況和設備本體溫度進行成像，通過多角度紅外熱成像分析可發(fā)現(xiàn)設備內(nèi)在問題，大大提高巡檢的工作效率。

2.4 精確清晰

傳統(tǒng)人工巡檢，基本都是通過望遠鏡和目視巡視檢查設備，對于風電場風電機組、塔筒、葉片、架空線路、桿塔等設備巡檢時，存在觀察不夠清晰和準確的缺點。無人機配置高清攝像頭后可完美解決此類問題，可以多角度提供相關設備的實時狀態(tài)。

2.5 創(chuàng)新創(chuàng)效

結合風電場自身特點，應用新技術、新設備、新方法。創(chuàng)新以往傳統(tǒng)工作方式，解決安全生產(chǎn)中存在的問題，通過改變巡檢方式，達到了創(chuàng)新創(chuàng)效的結果。

無人機應用于風電場設備巡檢，無人機可以飛行在任意高度，不受地面環(huán)境限制，尤其適用于風電場這種環(huán)境偏僻，人煙稀少的場地開展設備巡檢工作。無人機配置的高清攝像頭可多方位對巡檢設備進行檢查拍照，無人機操作人員根據(jù)地面ipad實時回傳圖片隨時進行復查和拍照，及時發(fā)現(xiàn)設備隱患和設備缺陷。大大提高設備巡檢效率，同時也保證了巡檢人員的人身安全，高清攝像頭更能保證設備清晰照片實時回傳，并隨時留有記錄。采用無人機巡檢不僅提高了設備巡檢效率，也是現(xiàn)代化智能風電場建設的體現(xiàn)。

3 無人機巡檢的內(nèi)容

表1 無人機主要巡檢內(nèi)容Tab.1 main patrol inspection contents of UAV

4 無人機巡檢優(yōu)劣勢分析

4.1 客觀問題

功能質量：不同的無人機機型性能不同，所擁有的功能和質量參差不齊，風電場設備巡檢環(huán)境相對惡劣，建議采用抗風能力較強，功率較大的無人機。

天氣原因：如遇大風、雷雨、暴雪濃霧等天氣時，無人機嚴禁風行巡檢。無人機巡檢前應檢查天氣預報，目測天空狀態(tài)后再進行起飛巡檢。

空域管制：嚴禁在禁飛區(qū)域進行無人機飛行操作，風電場風機、架空線路、高壓設備均為敏感區(qū)域，起飛巡檢之前必須申請風電場負責人，經(jīng)批準后方可實施。

4.2 人員問題

無人機操作人員較少，我場取得AOPA頒發(fā)的無人機駕駛員合格證只有2人，還需進一步培養(yǎng)操作人員。

無人機巡檢工作開展較少，實際操作不夠熟練。

無人機操作人員對設備了解不足，不能精準尋找和發(fā)現(xiàn)問題。

飛行技術與設備知識結合度不足，還需加強設備技術培訓。

未編制無人機巡檢標準化作業(yè)流程，可能出現(xiàn)個人差錯。

4.3 優(yōu)勢分析

無人機的發(fā)展為風電場設備巡檢提供了新的方向和巡檢方法。無人機巡檢相比較傳統(tǒng)設備巡檢有著巨大的優(yōu)勢：

無人駕駛，人機分離，巡檢人員在安全區(qū)域內(nèi)，無安全危險因素，安全系數(shù)高；不受設備位置和高度限制，最高可以飛行至500 m高空巡檢，可以到達設備任意高度巡檢，解決了使用望遠鏡觀察不清晰的問題；不受自然環(huán)境限制，即使因自然環(huán)境問題，導致人員不能行動，無人機依然能夠開展設備巡檢工作；無人機飛行速度快，時速94 km/h，機動性高，巡檢效率大幅提高；無人機巡檢拍攝圖片清晰，可近距離觀察拍攝到設備實際狀態(tài)。

5 無人機巡檢的應用

5.1 架空線路巡檢

風電場架空線路巡檢難度較大，而無人機巡檢具備高空、遠距離、快速、自行作業(yè)的能力，可以穿越高山、森林、溝壑、河流對架空線路進行快速巡線，對架空線的鐵塔、支架、導線、絕緣子、防震錘、耐張線夾、懸垂線夾等進行全程攝像和故障檢查。

圖1 架空線路巡檢Fig.1 overhead line inspection

5.2 風機外部巡檢

應用無人機進行風機外部巡檢，可從外部接近風力發(fā)電機，解決風機外部巡檢難問題，無人機攜帶的高清攝像頭可拍攝高精度的圖片和視頻，清晰地辨識風機外部情況和運行狀態(tài)，還可以通過飛行器儲存的超高清視頻素材進行后續(xù)分析，讓風機外部巡檢變得安全、便捷。

圖2 風機葉片巡檢Fig.2 inspection for fan blades

6 無人機巡檢管理提升

6.1 建立健全組織機構

根據(jù)風電場實際，結合自身設備和地理環(huán)境特點，建立無人機巡檢管理組織體系，明確責任，落實到人。將公司高層、中層、基層人員納入組織機構。

6.2 制定無人機巡檢技術標準

參考風電場現(xiàn)有巡檢標準，篩選適用于無人機巡檢的設備和巡檢內(nèi)容，并制定本風電場無人機巡檢技術標準，審定下發(fā)后，無人機巡檢嚴格按照無人機巡檢技術標準開展巡檢工作。

6.3 無人機技術培訓

如風電場有取得AOPA頒發(fā)無人機駕駛員合格證的工作人員，可安排取得駕駛員合格證的人員開展無人機技術培訓，講授無人機飛行操作的基本方法和經(jīng)驗。如無取得駕駛員合格證人員，可以參加無人機駕駛培訓機構培訓，通過考試取得證書。風電場應根據(jù)自身擁有的無人機機型制定無人機技術培訓課件，詳細闡述無人機的功能、操作方法、安全注意事項等，組織全員學習。

6.4 無人機模擬巡檢

當操作人員取得試飛資格后，由有駕駛證和有經(jīng)驗的無人機駕駛員進行監(jiān)護模擬操作。經(jīng)過多次的模擬飛行巡檢，提高無人機操作人員的操作技術。

6.5 無人機巡檢數(shù)據(jù)分析

每次無人機巡檢工作結束后，巡檢人員應及時上報巡檢數(shù)據(jù)，設備責任人收到數(shù)據(jù)后應及時對比分析，通過無人機巡檢臺帳，對比查找問題，如有問題應進行復檢，檢查完畢后根據(jù)存在的問題進行缺陷和隱患分類處理。

6.6 無人機巡檢技術比武

風電場應不定開展無人機巡檢技術比武活動，提前制定無人機技術比武方案，制定規(guī)則，營造比學趕幫超的學習氛圍，讓更多的員工，掌握無人機巡檢的精髓。

7 無人機巡檢核心作業(yè)流程

無人機巡檢工作的主要工作內(nèi)容包括發(fā)布巡檢任務、接受巡檢任務、選擇巡檢路線/飛行場地選擇、無人機組裝測試/飛行前檢查、無人機巡檢/飛行航拍、數(shù)據(jù)檢查/降落。

圖3 無人機作業(yè)流程圖Fig.3 UAV operation flow chart

7.1 發(fā)布巡檢任務

班組根據(jù)生產(chǎn)管理部設備巡檢標準，根據(jù)巡檢標準期限要求，將巡檢標準上傳至智能兩票管理系統(tǒng)，通過智能兩票系統(tǒng)巡檢任務下發(fā)到設備責任人。

7.2 接受巡檢任務

設備責任人通過智能兩票系統(tǒng)或移動APP接受無人機巡檢任務，設備責任人查看并受理任務。

7.3 選擇巡檢路線

工作負責人接受巡檢任務后，根據(jù)巡檢任務在智能兩票系統(tǒng)，辦理無人機巡檢工作票，調用相關設備無人機巡檢標準，準備工作完成后，經(jīng)簽發(fā)人簽發(fā)，許可人許可后方可開展無人機巡檢工作。

7.4 無人機巡檢前準備

無人機巡檢前，首先應檢查天氣預報，是否會影響巡檢工作。

檢查無人機電源充足，可以正常起飛巡檢。

檢查確認巡檢范圍不屬于禁飛區(qū)域。

圖4 巡檢任務圖Fig.4 patrol inspection task diagram

圖5 巡檢功能Fig.5 patrol function

7.5 無人機巡檢

無人機巡檢工作必須嚴格按照無人機巡檢標準進行巡檢，不得漏項、跳項。

無人機巡檢過程中發(fā)現(xiàn)無人機有異常現(xiàn)象，首先應操作無人機正常降落。

無人機巡檢過程中如遇突發(fā)天氣情況，應立即停止飛行。

無人機巡檢過程中如發(fā)現(xiàn)重大設備隱患，應第一時間匯報值長。

嚴禁在開展無人機巡檢工作中將無人機摞做他用。

7.6 數(shù)據(jù)檢查

無人機巡檢過程中，巡檢人員應實時觀察巡檢數(shù)據(jù)是否正常。

無人機巡檢結束后應及時將數(shù)據(jù)導出，移交至設備負責人，由設備負責人進行分析總結。

8 結論

隨著科技快速發(fā)展，無人機技術應用也逐漸普及到各個行業(yè)和生活中。采用無人機巡檢，不僅可以降低企業(yè)在設備巡檢過程中的人力，同時用無人機巡檢代替人工巡檢保證了人身安全，無人機更具有高機動性，大大提高了設備巡檢工作效率。隨著機器視覺概念的提出，高清攝像頭成為無人機的標配，這也保證了我們對設備的清晰觀察，更能及時發(fā)現(xiàn)設備存在的問題。所以無人機會成為風電場巡檢工作中的中堅力量。