無(wú)人機(jī)巡檢在荒漠光伏電站中的應(yīng)用研究

王家萬(wàn)

(大唐青海能源開(kāi)發(fā)有限公司海西新能源事業(yè)部，格爾木 816000)

0 引言

隨著國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的部署，光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模將成倍增加，大規(guī)模的荒漠集中式光伏電站(下文簡(jiǎn)稱為“荒漠光伏電站”)越來(lái)越多。因?yàn)榛哪夥娬镜恼嫉孛娣e大，設(shè)備繁多且具有分散性，定期進(jìn)行光伏組件的巡檢運(yùn)維工作十分重要，且任務(wù)繁重。傳統(tǒng)的人工巡檢方式耗時(shí)長(zhǎng)、勞動(dòng)力成本高，且光伏組件熱斑等缺陷不易被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)前，如何有效提升荒漠光伏電站精細(xì)化運(yùn)維管理已成為光伏電站運(yùn)營(yíng)企業(yè)不斷探索的目標(biāo)。

近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，無(wú)人機(jī)在光伏電站智慧化運(yùn)維方面掀起了研究和應(yīng)用熱潮，利用無(wú)人機(jī)代替人工進(jìn)行光伏組件定期巡檢成功解決了荒漠光伏電站采用傳統(tǒng)人工巡檢時(shí)遇到的難題。無(wú)人機(jī)巡檢以全方位、全覆蓋作業(yè)的方式，有效適配了荒漠光伏電站占地面積大、設(shè)備繁多的特點(diǎn)。負(fù)責(zé)巡檢運(yùn)維作業(yè)的無(wú)人機(jī)應(yīng)用于光伏發(fā)電行業(yè)，能夠提供荒漠光伏電站中光伏組件的運(yùn)行狀況，保證了荒漠光伏電站在其全生命周期內(nèi)的高效精準(zhǔn)運(yùn)維，改變了傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)巡檢以人力巡檢為主的方式，節(jié)省了人力資源，提高了光伏電站運(yùn)營(yíng)企業(yè)的投資回報(bào)率。

本文對(duì)荒漠光伏電站中光伏組件的故障類型進(jìn)行分析，從無(wú)人機(jī)及其附件的配置要求，無(wú)人機(jī)智能診斷軟件，精準(zhǔn)的故障定位功能，自動(dòng)導(dǎo)航、避障和故障續(xù)航功能，高性能攝像系統(tǒng)的選擇，智能飛控系統(tǒng)，以及遠(yuǎn)程通信功能幾個(gè)方面對(duì)荒漠光伏電站中無(wú)人機(jī)巡檢的技術(shù)要求進(jìn)行研究，最后對(duì)某荒漠光伏電站的無(wú)人機(jī)巡檢實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行介紹。

1 荒漠光伏電站中光伏組件故障類型及分析

1.1 光伏組件的熱斑效應(yīng)

在同一光照強(qiáng)度下，當(dāng)光伏組件中的一片或部分太陽(yáng)電池被遮擋或存在內(nèi)部隱裂缺陷時(shí)，該太陽(yáng)電池所產(chǎn)生的電流會(huì)低于其周圍正常太陽(yáng)電池產(chǎn)生的電流，從而形成一定的電流差；因?yàn)殡娏鞔蟮碾娏髟磿?huì)向電流小的電流源倒灌電流，而電流小的電流源會(huì)接收倒灌電流，所以電流小的太陽(yáng)電池由輸出能量變?yōu)槲漳芰?，這部分能量就會(huì)在光伏組件上轉(zhuǎn)化成熱量，造成光伏組件局部溫度升高，形成熱斑，導(dǎo)致光伏組件輸出功率降低；溫度過(guò)高時(shí)的超溫情況，會(huì)導(dǎo)致光伏組件上的焊點(diǎn)熔化，燒毀柵線，甚至?xí)龤Ч夥M件，使整個(gè)光伏組件報(bào)廢。

近幾年由熱斑效應(yīng)引起的光伏電站火災(zāi)事故多有發(fā)生，不但會(huì)存在財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重的還會(huì)造成人員傷亡。但光伏組件熱斑效應(yīng)在日常人工巡檢工作中不易被發(fā)現(xiàn)，只有采用專業(yè)工具進(jìn)行巡檢才能發(fā)現(xiàn)。

1.2 光伏組件缺陷

荒漠光伏電站所處環(huán)境較為惡劣，且早晚溫差大、紫外線強(qiáng)烈，易造成光伏組件玻璃破碎、光伏組件滑落、焊帶斷裂、隱裂等缺陷。由于荒漠光伏電站中有上萬(wàn)塊光伏組件，這些缺陷不易被發(fā)現(xiàn)。

1.3 陰影遮擋影響

當(dāng)雜草、樹(shù)木等的生長(zhǎng)高度超過(guò)光伏組件高度時(shí)，若不及時(shí)處理，就會(huì)形成陰影遮擋，造成光伏組件接收的太陽(yáng)輻射不均；鳥糞、積灰、塑料垃圾等長(zhǎng)期附著在光伏組件表面，也會(huì)形成陰影遮擋，這些陰影遮擋會(huì)導(dǎo)致光伏組件局部溫度升高，形成熱斑效應(yīng)。

1.4 線路故障

當(dāng)匯流箱支路故障、光伏組件接線盒故障、接線插頭發(fā)生脫落、線頭松動(dòng)、直流匯線斷線、絕緣損壞發(fā)生接地等線路故障產(chǎn)生，會(huì)造成部分光伏方陣不發(fā)電。若荒漠光伏電站的通信系統(tǒng)異常時(shí)，這些線路故障不易被發(fā)現(xiàn)，會(huì)給光伏電站造成發(fā)電量損失。

2 荒漠光伏電站中無(wú)人機(jī)巡檢的技術(shù)要求

2.1 無(wú)人機(jī)及其附件的配置要求

為了能夠滿足荒漠光伏電站巡檢的要求，采用無(wú)人機(jī)巡檢時(shí)，無(wú)人機(jī)及其附件的配置要求如表1所示。

2.2 無(wú)人機(jī)智能診斷軟件

荒漠光伏電站中無(wú)人機(jī)巡檢應(yīng)采用具備后臺(tái)處理能力的軟件，即無(wú)人機(jī)智能診斷軟件，軟件需具備對(duì)無(wú)人機(jī)拍攝的海量照片的自動(dòng)識(shí)別和分析功能，從而盡量減少人工處理量。

無(wú)人機(jī)智能診斷軟件基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)算法開(kāi)發(fā)，將圖像識(shí)別軟件發(fā)現(xiàn)的故障特征信息、原始信息，通過(guò)軟件自動(dòng)識(shí)別計(jì)算，從不斷更新的光伏電站故障、污損特征值數(shù)據(jù)庫(kù)的海量數(shù)據(jù)中比對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)，自動(dòng)判斷光伏組件的故障、污損情況，并進(jìn)行位置標(biāo)定，數(shù)據(jù)結(jié)果自動(dòng)生成檢測(cè)報(bào)告；無(wú)人機(jī)智能診斷軟件同步記錄，并學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)處理過(guò)程，不斷更新知識(shí)庫(kù)[7]。

無(wú)人機(jī)巡檢結(jié)合圖像識(shí)別技術(shù)、紅外圖像同步定位與地圖繪制(SLAM)采集定位、圖像分割算法、故障識(shí)別算法、全圖拼接算法、云計(jì)算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載4K分辨率高清可見(jiàn)光相機(jī)和高清紅外熱成像相機(jī)同步拍攝光伏組件照片或視頻，然后采集數(shù)據(jù)，將拍攝的照片或視頻數(shù)據(jù)上傳至智能診斷軟件，通過(guò)對(duì)同一光伏方陣內(nèi)所有光伏組件由于溫度與發(fā)射率差異所產(chǎn)生的熱進(jìn)行對(duì)比，自動(dòng)識(shí)別光伏電站中光伏組件(或光伏組串)的故障情況，定位出故障光伏組件(或光伏組串)所在的位置，并生成檢測(cè)分析報(bào)告。

2.3 精準(zhǔn)的故障定位功能

無(wú)人機(jī)巡檢需具備精準(zhǔn)的故障定位功能?？梢罁?jù)光伏電站整體總平面圖、鳥瞰拍攝的全景圖，采用全球定位系統(tǒng)(GPS)或北斗高精度定位系統(tǒng)定位，標(biāo)記異常光伏組件的編號(hào)和光伏組件上紅外熱成像存在異常的位置并進(jìn)行保存，可以提供巡檢區(qū)域的光伏組件分布圖、異常光伏組件的分布及位置編號(hào)、熱斑故障點(diǎn)的準(zhǔn)確地理信息和位置。

無(wú)人機(jī)巡檢可支持GPS、北斗等2系統(tǒng)11頻點(diǎn)衛(wèi)星信號(hào)的接收，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)移動(dòng)站集成多種數(shù)據(jù)傳輸鏈路及高性能傳感器，可為無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)提供厘米級(jí)的三維定位和精準(zhǔn)定向。

無(wú)人機(jī)巡檢時(shí)，光伏電站應(yīng)建立實(shí)景3D模型，采用由實(shí)景照片生成3D模型的建模方式，在模型中標(biāo)識(shí)每塊光伏組件的位置，實(shí)現(xiàn)紅外熱成像照片與實(shí)景3D模型的對(duì)應(yīng)，以便精準(zhǔn)查詢光伏組件故障點(diǎn)位。

2.4 自動(dòng)導(dǎo)航、避障和故障續(xù)航功能[8]

無(wú)人機(jī)可以根據(jù)預(yù)設(shè)航跡路線進(jìn)行自主升降、飛行巡航，實(shí)現(xiàn)免手控操作的自主飛行。

在飛行中，為避免出現(xiàn)飛行事故，無(wú)人機(jī)需要具備一定的躲避障礙能力，可以識(shí)別出路線上存在的障礙物，采取主動(dòng)躲避動(dòng)作，空中剎車或繞開(kāi)障礙物飛行。在設(shè)置飛行航線時(shí)，無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)能夠?qū)⒐夥娬緢?chǎng)區(qū)外設(shè)置為禁止飛行區(qū)域，并在設(shè)置的飛行航線超范圍時(shí)進(jìn)行提示。

針對(duì)光伏電站的無(wú)人機(jī)巡檢在執(zhí)行長(zhǎng)時(shí)間任務(wù)時(shí)，若因續(xù)航、故障或人為原因?qū)е氯蝿?wù)中斷，應(yīng)可以自動(dòng)或手動(dòng)記錄斷點(diǎn)位置；恢復(fù)飛行時(shí)，應(yīng)能夠定位到斷點(diǎn)位置，繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。

2.5 高性能攝像系統(tǒng)的選擇

攝像機(jī)是拍攝光伏組件的核心設(shè)備，高性能的攝像系統(tǒng)是識(shí)別光伏組件熱斑的關(guān)鍵。因此在選擇無(wú)人機(jī)巡檢的攝像系統(tǒng)時(shí)，必須選擇高性能的攝像系統(tǒng)。

可見(jiàn)光攝像機(jī)的有效像素需不低于1400萬(wàn)，具備自動(dòng)變焦功能，攝像機(jī)在距離光伏組件中心距離不小于10 m處拍攝，拍攝的照片需能夠清楚分辨出光伏組件上的焊帶斷裂、熱斑、隱裂，以及光伏組件表面超過(guò)12 cm2的遮擋物及嚴(yán)重的積灰。搭配云臺(tái)使用的可見(jiàn)光傳感器，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和轉(zhuǎn)動(dòng)性能應(yīng)符合水平和俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)的要求?？梢?jiàn)光攝像機(jī)應(yīng)具備手動(dòng)和自動(dòng)成像功能，具備拍照模式、錄像模式、回放模式。

紅外熱成像相機(jī)的溫度靈敏度和測(cè)量范圍應(yīng)在-25～ 135 ℃之間，熱靈敏度在30 ℃時(shí)小于等于0.1 K；幾何分辨率應(yīng)大于等于640×480，支持全屏測(cè)溫(即每個(gè)像素測(cè)溫)；絕對(duì)測(cè)量誤差小于2 K；具備手動(dòng)和自動(dòng)拍攝、存儲(chǔ)功能。

2.6 智能飛控系統(tǒng)[8]

智能飛控系統(tǒng)能有效控制無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)，有自主飛行或半自主飛行兩種控制模式。飛行控制站應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)顯示經(jīng)緯度、飛行速度、飛行高度、蓄電池容量等信息。與飛行控制站成套配置的顯示器，應(yīng)能同時(shí)顯示遙控遙測(cè)數(shù)據(jù)和回傳影像，能夠存儲(chǔ)和導(dǎo)出飛行日志、拍攝的照片及視頻，以及其他任務(wù)信息，并能夠?qū)φ掌?、視頻、信息等進(jìn)行備份。智能飛控系統(tǒng)應(yīng)具備實(shí)景地圖加載功能。

針對(duì)光伏電站的無(wú)人機(jī)巡檢宜采用自動(dòng)飛行模式，實(shí)現(xiàn)一鍵起飛自動(dòng)巡檢和定點(diǎn)巡檢功能，可以實(shí)時(shí)傳輸飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)，保證飛行安全，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障等。

2.7 遠(yuǎn)程通信功能

與荒漠光伏電站中無(wú)人機(jī)巡檢相關(guān)的軟件應(yīng)具備后臺(tái)通信功能，實(shí)現(xiàn)與智慧化應(yīng)用平臺(tái)的遠(yuǎn)程通信，無(wú)人機(jī)巡檢后自動(dòng)生成缺陷工單，聯(lián)系兩票系統(tǒng)，完成無(wú)人機(jī)巡檢問(wèn)題庫(kù)的閉環(huán)管理，實(shí)現(xiàn)荒漠光伏電站的精細(xì)化管理。

無(wú)人機(jī)巡檢完成后，應(yīng)采用照片自動(dòng)傳輸功能，無(wú)人機(jī)上搭載的相機(jī)拍攝的照片可通過(guò)后臺(tái)軟件的WiFi傳輸功能，實(shí)現(xiàn)拍攝照片的自動(dòng)傳輸，從而可省去人工拔卡再讀取的步驟。

3 荒漠光伏電站中無(wú)人機(jī)巡檢的應(yīng)用案例

本文以青海大唐國(guó)際格爾木光伏發(fā)電有限責(zé)任公司的謙仁格爾木光伏電站為例，對(duì)其無(wú)人機(jī)巡檢應(yīng)用進(jìn)行介紹。該光伏電站位于格爾木光伏工業(yè)園區(qū)內(nèi)，占地面積約為504畝(1畝≈666.67 m2)，分4期、5期布置，總裝機(jī)容量為20 MW，包括10個(gè)光伏方陣，光伏組件總數(shù)量約為58852塊，光伏組串?dāng)?shù)量為1860串。謙仁格爾木光伏電站的光伏方陣分布情況如圖1所示。

2020年6月29日，采用無(wú)人機(jī)對(duì)謙仁格爾木光伏電站裝機(jī)容量為20 MW的10個(gè)光伏方陣進(jìn)行巡檢，巡檢的飛行時(shí)間約為180 min，共拍攝高清紅外照片42780張。

通過(guò)無(wú)人機(jī)圖像識(shí)別軟件對(duì)42780張照片進(jìn)行分析后，識(shí)別出有熱斑的光伏組件總數(shù)量為20塊，且均為普通熱斑。光伏電站的運(yùn)維人員可通過(guò)無(wú)人機(jī)智能診斷軟件定位熱斑光伏組件的位置，并從光伏電站中準(zhǔn)確找到該光伏組件。謙仁格爾木光伏電站的熱斑光伏組件巡檢報(bào)告如圖2所示。

圖2 謙仁格爾木光伏電站的熱斑光伏組件巡檢報(bào)告Fig. 2 Patrol Report on hot spot PV modules of Qianren Geermu PV power station

4 結(jié)論

本文對(duì)荒漠光伏電站中光伏組件的故障類型進(jìn)行了分析，然后從不同角度對(duì)荒漠光伏電站中無(wú)人機(jī)巡檢的技術(shù)要求進(jìn)行了研究，并對(duì)某荒漠光伏電站的無(wú)人機(jī)巡檢應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹。研究結(jié)果表明：相比于傳統(tǒng)的人工巡檢方式，荒漠光伏電站采用無(wú)人機(jī)巡檢方式的優(yōu)勢(shì)在于：1)可以大幅減少運(yùn)維人員的數(shù)量并縮短巡檢時(shí)間，實(shí)現(xiàn)減人增效，具有更高的經(jīng)濟(jì)效益；2)可以減少運(yùn)維人員到現(xiàn)場(chǎng)的次數(shù)，降低了人工巡檢可能帶來(lái)的人員觸電、交通事故等安全風(fēng)險(xiǎn)；3)無(wú)人機(jī)攜帶全屏測(cè)溫高靈敏紅外熱成像技術(shù)，識(shí)別能力強(qiáng)，有效解決了人工巡檢時(shí)不易發(fā)現(xiàn)的光伏組件熱斑、隱裂等缺陷，以及不易發(fā)現(xiàn)的部分光伏組件不發(fā)電等問(wèn)題；4)無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)可自動(dòng)結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析、設(shè)備健康評(píng)估、發(fā)電能力預(yù)測(cè)等，從而提高了荒漠光伏電站精細(xì)化科學(xué)管理水平。綜上所述，荒漠光伏電站采用無(wú)人機(jī)巡檢，對(duì)光伏電站運(yùn)營(yíng)企業(yè)利用科技手段提升大規(guī)模光伏電站的管理水平具有重要參考意義。