無人機(jī)智能巡檢在風(fēng)電光伏故障檢測中運(yùn)用分析

鄧曉峰

（中國電建集團(tuán)江西省水電工程局有限公司，江西南昌 337000）

0 引言

近年來，隨著各領(lǐng)域朝向無污染方向發(fā)展，電力領(lǐng)域開始大規(guī)模建設(shè)風(fēng)電光伏發(fā)電系統(tǒng)。但這類系統(tǒng)長時(shí)間發(fā)電運(yùn)行后可能發(fā)生故障，因而需要運(yùn)用科學(xué)手段開展故障檢測。

1 無人機(jī)設(shè)備概述

無人機(jī)設(shè)備為一種小型無人駕駛的飛行器，主要是通過遠(yuǎn)程控制來實(shí)現(xiàn)飛行，無人機(jī)系統(tǒng)的組成包括控制站、飛行器以及通信鏈路，由于技術(shù)上具有許多優(yōu)勢被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中。本文所研究的是風(fēng)電光伏故障檢測中的無人機(jī)設(shè)備，通常選用六旋翼無人機(jī)，如圖1所示，其具體性能特點(diǎn)包括：自動(dòng)進(jìn)行巡檢拍照、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及傳輸；在起飛、飛行以及降落等多個(gè)狀態(tài)時(shí)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)避障；若是在巡檢飛行時(shí)發(fā)現(xiàn)低電壓情況，無人機(jī)還可自動(dòng)進(jìn)行返航；在進(jìn)行栽飛時(shí)也具有較高的穩(wěn)定性且具有一定續(xù)航能力，維持巡檢工作的完成；本身具備了定位功能且實(shí)際定位具有較高精度水平；在飛行過程中的安全性良好，可以滿足現(xiàn)今各類系統(tǒng)的故障巡檢工作，具有較高應(yīng)用價(jià)值。

圖1 六旋翼無人機(jī)

2 風(fēng)電光伏故障檢測中無人機(jī)智能巡檢的運(yùn)用優(yōu)勢

2.1 傳統(tǒng)故障檢測方法的不足之處

結(jié)合傳統(tǒng)風(fēng)電光伏故障檢測的經(jīng)驗(yàn)來分析，傳統(tǒng)故障檢測方法存在許多不足，具體可總結(jié)為以下3 點(diǎn)。

（1）巡檢的工作量頗大且效率不高，隨著目前電力需求的不斷增加，風(fēng)電光伏發(fā)電規(guī)模也日益擴(kuò)大，其機(jī)組設(shè)備不僅在質(zhì)量方面得到飛躍，在數(shù)量上也逐漸增多，使得機(jī)組設(shè)備的檢修工作越來越復(fù)雜，檢修量越來越大，而傳統(tǒng)的故障檢測主要是人工執(zhí)行，面對這種新形勢則體現(xiàn)出效率偏低現(xiàn)狀，甚至是出現(xiàn)延后修理情況，影響到機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）實(shí)際檢修的難度頗高，采用傳統(tǒng)故障檢測會(huì)使檢修難度增高，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備本身處于較高位置運(yùn)行，若人工進(jìn)行故障檢測需搭攀登設(shè)施，同時(shí)檢測時(shí)人員也具有一定危險(xiǎn)，再加上當(dāng)前的發(fā)電系統(tǒng)越來越復(fù)雜，其產(chǎn)生的故障情況也是十分多樣，利用人工檢測很難完整并精準(zhǔn)識別故障問題，比如說光伏設(shè)備的熱斑情況，人工檢測對溫度敏感性不強(qiáng)，就可能忽視了故障。

（3）檢測受到氣候環(huán)境的影響較大，風(fēng)電光伏系統(tǒng)故障問題是動(dòng)態(tài)存在的，同時(shí)也具有實(shí)時(shí)性，因而故障檢測工作也要隨時(shí)進(jìn)行，但外部氣候較為惡劣的條件時(shí)，人工檢測工作也會(huì)受限，由于系統(tǒng)都是進(jìn)行發(fā)電的機(jī)組，若是在降雨天氣時(shí)會(huì)大幅度提升人工檢測的危險(xiǎn)系數(shù)，因而檢修工作不得不停止，這也會(huì)延遲故障的發(fā)現(xiàn)及處理。除此之外，人工檢測故障還具有成本較高的劣勢，不利于提升檢測工作的經(jīng)濟(jì)性[1]。

2.2 無人機(jī)智能巡檢故障檢測的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)人工故障檢測方法進(jìn)行比較，可發(fā)現(xiàn)無人機(jī)智能巡檢在風(fēng)電光伏故障檢測中具有著很多優(yōu)勢，具體總結(jié)為3 點(diǎn)內(nèi)容。

（1）巡檢具有高效性，利用無人機(jī)裝置對風(fēng)電光伏設(shè)備進(jìn)行檢測，可以一次性實(shí)現(xiàn)測繪、識別、數(shù)值檢測以及拍攝等功能，同時(shí)，在一段時(shí)間內(nèi)還可進(jìn)行多組數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)對檢測工作量不斷提升的狀況，無人機(jī)智能巡檢發(fā)揮出重要作用，相比于傳統(tǒng)人工檢測，效率可提升十倍左右。

（2）檢測的精度頗高，無人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電光伏組件的近距離檢測，針對于一些人工不方便檢測的盲區(qū)或死角位置，無人機(jī)也能夠有效拍攝，同時(shí)，無人機(jī)結(jié)合了紅外成像技術(shù)，具有較高熱敏感性，可以對人工難以判斷的發(fā)熱故障精準(zhǔn)識別，提升了故障檢測的效果。

（3）故障檢測受到環(huán)境的干擾與局限較小，不管是多么復(fù)雜的地形，無人機(jī)都可飛行到達(dá)，像是高山地形、陡坡地形以及湖泊地形等，人工檢測不方便達(dá)到，但無人機(jī)體積較小可順利到達(dá)，同時(shí)，在降雨天氣時(shí)，無人機(jī)受到的干擾也比較小，可以替代人工完成危險(xiǎn)檢測工作，有效保障系統(tǒng)的故障排除[2]。

3 風(fēng)電光伏故障檢測中無人機(jī)智能巡檢的有效運(yùn)用

無人機(jī)智能巡檢技術(shù)的運(yùn)用，主要是指在無人機(jī)上搭載拍攝設(shè)備、傳感器識別設(shè)備等，再控制無人機(jī)按照特定航線到達(dá)指定位置巡視檢測設(shè)備狀態(tài)。其整個(gè)系統(tǒng)還包括硬件與軟件部分，硬件部分包括測距模塊與實(shí)施控制模塊，控制著無人機(jī)的航行以及與目標(biāo)設(shè)備之間的距離；軟件部分主要是指MCU 框架，包括飛控?cái)?shù)據(jù)包、接收機(jī)數(shù)據(jù)包以及日志記錄。無人機(jī)智能巡檢運(yùn)用在風(fēng)電光伏故障檢測中，可實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)識別故障問題，再結(jié)合分析手段來判斷故障情況，為風(fēng)電光伏的維護(hù)處理提供有效幫助。

3.1 在風(fēng)電巡檢中的運(yùn)用

3.1.1 風(fēng)電葉片故障問題

風(fēng)電葉片在長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)故障問題，像是由于外部環(huán)境的強(qiáng)風(fēng)因素、大氣因素、沙粒因素以及潮濕度因素影響下，葉片會(huì)由于摩擦而出現(xiàn)損傷，若對這類情況不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，就可能造成風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)，甚至?xí)捎诓黄椒€(wěn)運(yùn)行停機(jī)，針對風(fēng)電葉片的不同損傷情況，可以將故障分為以下幾種類型。

（1）葉片表面出現(xiàn)裂紋，這類故障是比較常見的葉片損傷問題，大多是由于風(fēng)電機(jī)組受到外部干擾而自振引發(fā)葉片受力過強(qiáng)而出現(xiàn)裂紋。比如說風(fēng)電機(jī)組本身發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)時(shí)，其葉片也會(huì)產(chǎn)生大幅度抖動(dòng)作用，在產(chǎn)生裂紋后持續(xù)抖動(dòng)，裂痕還會(huì)發(fā)生漲縮作用，這時(shí)環(huán)境中空氣帶有的雜質(zhì)就會(huì)進(jìn)入到裂縫，因此在檢測裂痕時(shí)會(huì)呈現(xiàn)出黑色，這表明裂紋被污染，葉片的裂紋情況由于初期在表面呈現(xiàn)不顯著，因此常常在故障檢測中被技術(shù)人員忽視，導(dǎo)致后續(xù)更為嚴(yán)重的葉片裂損，而其變成黑色后就是較為嚴(yán)重的裂痕，這時(shí)也容易被人發(fā)現(xiàn)，但還需要注意的是，裂紋呈現(xiàn)明顯黑色，說明該葉片的裂損已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重，這時(shí)要及時(shí)進(jìn)行科學(xué)處理，處理不當(dāng)還可能出現(xiàn)葉片斷裂，不僅耗費(fèi)檢修資源，也影響風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行[3]。

（2）葉片的涂層脫落，這類問題的出現(xiàn)一般是受到外部環(huán)境影響，像是一些葉片長時(shí)間處于潮濕環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)，涂層受到水汽的侵蝕就可能會(huì)脫落，增加了葉片的磨損危害，簡單來說就是涂層受到腐蝕作用并逐漸脫離本體，而葉片在沒有了涂層后就會(huì)直接受到環(huán)境侵蝕，其使用壽命會(huì)大幅度縮短，因此，若檢測故障時(shí)發(fā)現(xiàn)該問題，都會(huì)及時(shí)開展處理。

（3）葉根螺栓斷裂問題，葉片長時(shí)間處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，會(huì)受到一定的阻力而損耗葉根，其相應(yīng)的螺栓也會(huì)存在斷裂風(fēng)險(xiǎn)，若是在故障巡檢時(shí)忽視該問題并延遲處理，則可能直接導(dǎo)致葉片整體折損掉落。

3.1.2 無人機(jī)智能識別檢測風(fēng)電故障

在風(fēng)電故障的巡檢當(dāng)中，通常是先使用人工巡檢方式將發(fā)生故障的設(shè)備篩選出來，然后再對各風(fēng)機(jī)設(shè)備使用無人機(jī)智能設(shè)備開展故障檢測，這個(gè)過程為機(jī)械自動(dòng)化檢測過程，最后將人工巡檢方式和無人機(jī)智能巡檢識別故障進(jìn)行對比，判斷該技術(shù)運(yùn)用的有效性。例如，某次使用無人機(jī)進(jìn)行風(fēng)電裝置葉片巡檢工作，通過控制無人機(jī)航線來來實(shí)現(xiàn)葉片背風(fēng)面巡檢與迎風(fēng)面的巡檢，保持無人機(jī)與葉片距離為10m，采用智能識別手段來判斷葉片是否存在故障情況，若發(fā)現(xiàn)異常情況，無人機(jī)會(huì)逐漸靠近葉片并拍攝故障位置，通過將無人機(jī)拍攝圖片放大分析發(fā)現(xiàn)機(jī)組葉片存在涂層脫落問題，其邊緣位置還存在裂紋，判斷最終具有10 處疑似故障，與人工巡檢方式對比，也發(fā)現(xiàn)無人機(jī)智能識別檢測故障的可靠性較高，同時(shí)具有節(jié)省時(shí)間與人工勞動(dòng)力的特點(diǎn)。此外，還需注意的是，無人機(jī)智能巡檢不可逆光拍攝，否則會(huì)出現(xiàn)拍攝不清晰情況，也難以有效辨識故障，其航線也需進(jìn)行人工控制，技術(shù)人員還需一邊操控一邊使用望遠(yuǎn)鏡工具觀察，以保證巡檢的效果更佳，圖2 為風(fēng)機(jī)葉片故障巡檢技術(shù)流程結(jié)構(gòu)。

圖2 風(fēng)機(jī)葉片故障巡檢技術(shù)流程結(jié)構(gòu)

3.2 在光伏巡檢中的運(yùn)用

一般的光伏電站也是長時(shí)間運(yùn)行，其光伏設(shè)備也經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)故障問題，存在的故障情況包括損壞故障、裂紋故障以及焊帶故障等。除此之外，光伏設(shè)備還會(huì)積灰、雜物或落葉堆擋，導(dǎo)致難以全面吸收太陽光并運(yùn)行發(fā)電，因此也需在巡檢中發(fā)現(xiàn)這類問題并采取處理手段。當(dāng)光伏設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，其內(nèi)部電流值和電壓值都會(huì)改變，光伏電池還可能會(huì)出現(xiàn)升溫情況，影響到穩(wěn)定運(yùn)行，結(jié)合光伏設(shè)備本身的特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，其升溫為局部形式，在設(shè)備上形成熱斑，若熱斑的實(shí)際溫度過高，達(dá)到某一限定值后就會(huì)燒毀內(nèi)部構(gòu)件，直接導(dǎo)致電池失去作用，即無法繼續(xù)發(fā)電?；诖?，光伏設(shè)備的故障巡檢工作十分關(guān)鍵，若使用無人機(jī)智能巡檢光伏機(jī)組時(shí)，需從多角度對設(shè)備開展拍攝，高效并準(zhǔn)確識別光伏電板的異常熱斑，確定熱斑位置并制定科學(xué)的維修處理計(jì)劃，及時(shí)派出專業(yè)人員維修，將光伏設(shè)備的熱斑完全消除，提升機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，也延長光伏電池的使用壽命[4]。

光伏巡檢故障時(shí)使用無人機(jī)智能檢測方法，還需注意以下4 點(diǎn)內(nèi)容。

（1）對樣本設(shè)備進(jìn)行拍攝時(shí)，需盡可能避開太陽光或強(qiáng)光的反射作用，以免拍攝圖片出現(xiàn)拉花情況，進(jìn)而影響到圖片的比對分析，難以有效找出熱斑故障位置，也影響到故障的及時(shí)處理。

（2）結(jié)合光伏故障特點(diǎn)來選擇合適的無人機(jī)紅外識別成像設(shè)備，一般是選擇熱敏感度頗高的設(shè)備，同時(shí)，為了保證無人機(jī)拍攝的對焦準(zhǔn)確，要保證拍攝鏡頭與光伏設(shè)備之間呈垂直關(guān)系，提升拍攝圖片的清晰度，以便于更好地分析故障。

（3）在調(diào)節(jié)溫感系數(shù)前，需先利用自動(dòng)模式來校準(zhǔn)溫度，然后手動(dòng)進(jìn)行參數(shù)的微調(diào)，合適的溫感有助于更精準(zhǔn)地識別設(shè)備溫斑。

（4）由于無人機(jī)設(shè)備本身體積不大，再加上巡檢時(shí)需搭建許多設(shè)備，導(dǎo)致整體承受很大重力，這也會(huì)使得無人機(jī)運(yùn)行的能耗增加，因而無人機(jī)的續(xù)航運(yùn)行時(shí)間會(huì)大幅度縮短，在實(shí)際進(jìn)行光伏巡檢時(shí)，一定要考慮無人機(jī)續(xù)航問題，充分保證能量充足，做好規(guī)劃，避免影響到巡檢的順利推進(jìn)。

3.3 無人機(jī)智能巡檢技術(shù)的未來展望

無人機(jī)智能巡檢技術(shù)在當(dāng)前的風(fēng)電光伏故障檢測中發(fā)揮了重要價(jià)值，其具有著效率高、操作簡便、成本低、維護(hù)便利以及識別精確等特點(diǎn)，可進(jìn)一步提升風(fēng)電光伏工作機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。但無人機(jī)智能巡檢技術(shù)的價(jià)值不止步于此，其還有更多未開發(fā)的優(yōu)勢，像是要不斷解決運(yùn)行時(shí)的高能耗問題，還要研究如何規(guī)避惡劣天氣下環(huán)境對無人機(jī)巡檢機(jī)組的干擾。在檢測風(fēng)電光伏故障的工作中，要考慮規(guī)劃出最優(yōu)航線、確定返航的合理路線，還要推動(dòng)實(shí)現(xiàn)一次性巡檢機(jī)組的所有組件，或是實(shí)現(xiàn)一次性多臺機(jī)組的同時(shí)巡檢，在圖像的處理方面提升水平，有助于實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的精準(zhǔn)定位，該項(xiàng)技術(shù)不斷推進(jìn)智能化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生成巡檢報(bào)告，進(jìn)一步降低人力投入，提升巡檢的成效。

4 結(jié)語

綜上所述，風(fēng)電光伏故障的檢測工作具有著工作量大、檢測難度高等特點(diǎn)，為了有效實(shí)現(xiàn)檢測，采用了無人機(jī)智能巡檢技術(shù)。由本文分析可知，無人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)可以有效識別風(fēng)電機(jī)組與光伏發(fā)電機(jī)組的多種故障問題，包括裂紋、發(fā)熱、涂層脫落等等，具有著及時(shí)性、效率高以及成本低的特點(diǎn)，因而目前得到廣泛運(yùn)用。