基于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的光伏電站智能運(yùn)維中巡檢裝備的應(yīng)用研究

張朋飛

(國(guó)網(wǎng)新能源云技術(shù)有限公司，北京 100071)

0 引言

隨著中國(guó)新能源行業(yè)，尤其是光伏行業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)于光伏電站運(yùn)維行業(yè)提出了更高要求。比如，運(yùn)維過程中需對(duì)光伏電站異常狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)警、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)高效采集等。

為了解決光伏電站運(yùn)維過程中存在的電站故障類型復(fù)雜多樣、數(shù)據(jù)采集難度大、單瓦運(yùn)維成本高等問題，同時(shí)為了體現(xiàn)光伏電站的智能化運(yùn)維，本文對(duì)基于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的光伏電站5 類智能巡檢裝備應(yīng)用于不同場(chǎng)景時(shí)的效果進(jìn)行分析。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、巡檢數(shù)據(jù)、生產(chǎn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)及環(huán)境資源數(shù)據(jù)的有效整合。將這些智能巡檢裝備應(yīng)用于實(shí)際運(yùn)維工作中，可大幅降低人力和財(cái)力成本，實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、系統(tǒng)間的交互感知與空地協(xié)同，形成立體化運(yùn)維體系，通過人、機(jī)、裝備協(xié)同優(yōu)化運(yùn)維調(diào)度策略，實(shí)現(xiàn)光伏電站的高效協(xié)同運(yùn)維。

1 基于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的光伏電站智能運(yùn)維體系的架構(gòu)

根據(jù)功能架構(gòu)，光伏電站的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可被劃分為云平臺(tái)、管層、邊緣層和端層這4 個(gè)部分。由邊緣層的數(shù)據(jù)采集智能裝備采集數(shù)據(jù)，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸集處理后，打包并傳輸至云平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)，再通過云平臺(tái)的算法處理數(shù)據(jù)，最后將計(jì)算結(jié)果下發(fā)至各個(gè)智能巡檢裝備，用于輔助指導(dǎo)光伏電站的運(yùn)維工作[1]。

云平臺(tái)通過人工智能技術(shù)及云計(jì)算，可以將大數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，運(yùn)維人員在光伏電站巡檢過程中使用智能巡檢裝備時(shí)，可通過云平臺(tái)的可視化界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)智能巡檢裝備使用狀態(tài)的實(shí)時(shí)觀測(cè)，例如無人機(jī)的飛行軌跡、機(jī)器人的行進(jìn)距離、裝置電池的電量等。通過平臺(tái)開放、數(shù)據(jù)共享、資源整合的方式構(gòu)建光伏電站運(yùn)維資源生態(tài)圈，從而實(shí)現(xiàn)人工運(yùn)維的低成本和高效率。

基于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的光伏電站智能運(yùn)維體系的架構(gòu)圖如圖1 所示。圖中：ARM 即ARM 處理器，是一款RISC 微處理器；DSP 為數(shù)字信號(hào)處理器；LoRa 為無線傳輸模塊；NB-IoT 為窄帶物聯(lián)網(wǎng)。

圖1 基于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的光伏電站智能運(yùn)維體系架構(gòu)圖Fig. 1 Architecture diagram of intelligence operation and maintenance system of PV power station based on monitoring system

2 基于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的光伏電站智能運(yùn)維中的巡檢裝備

為實(shí)現(xiàn)光伏電站的智能化運(yùn)維，下文對(duì)數(shù)據(jù)采集智能裝備、無人機(jī)、光伏組件缺陷圖像采集診斷智能巡檢裝備、可穿戴的智能巡檢裝備、智能巡檢與運(yùn)維機(jī)器人這5 類智能巡檢裝備進(jìn)行介紹。

2.1 數(shù)據(jù)采集智能裝備

為提高光伏電站的數(shù)據(jù)采集效率及其故障研判和預(yù)警能力，且同時(shí)降低數(shù)據(jù)采集裝備的安裝和維護(hù)成本，數(shù)據(jù)采集智能裝備借鑒“軟件定義終端”的思想，以硬件平臺(tái)化、軟件應(yīng)用程序(APP)化的方式實(shí)現(xiàn)軟、硬件的解耦，融合光伏電站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)及應(yīng)用等的邊緣計(jì)算服務(wù)功能；此外，該裝備還支持多種通信方式和協(xié)議轉(zhuǎn)換，能夠即插即用、快速部署、靈活升級(jí)。

數(shù)據(jù)采集智能裝備主要由主控模塊、電源模塊、公網(wǎng)4G 模塊、LoRa 無線模塊、NB-IoT 模塊、以太網(wǎng)模塊、WiFi 模塊、RS485 通信模塊、大容量存儲(chǔ)模塊和北斗定位模塊等組成[2]。此裝備支持多種設(shè)備類型和多種通信協(xié)議，采用數(shù)據(jù)庫(kù)分層和冷熱數(shù)據(jù)分級(jí)存儲(chǔ)技術(shù)，可以采集、處理和傳輸多種類型的數(shù)據(jù)，完成光伏組件、光伏組串、逆變器、環(huán)境監(jiān)測(cè)儀、無人機(jī)、光伏組件缺陷圖像采集診斷智能巡檢裝備、可穿戴的智能巡檢裝備、智能巡檢與運(yùn)維機(jī)器人等一系列裝備的全量數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析及傳輸工作。

通過對(duì)數(shù)據(jù)采集智能裝備的安裝部署，可實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電站運(yùn)行情況的全方位信息監(jiān)測(cè)，提高故障判斷正確率和預(yù)警準(zhǔn)確率，大幅縮短故障排查時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)運(yùn)維。該裝備通過對(duì)光伏電站設(shè)備數(shù)據(jù)的高頻采集與上傳，給云平臺(tái)的高階算法提供了有效的數(shù)據(jù)支撐，有助于提高光伏電站的運(yùn)行效率分析、實(shí)時(shí)調(diào)度和安全評(píng)估?！盁o線組網(wǎng)+總線通信”方案實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電數(shù)據(jù)的高效采集，極大減少了現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)和維護(hù)工作，提高了偏遠(yuǎn)地區(qū)光伏發(fā)電數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量和覆蓋率，降低了數(shù)據(jù)采集成本。

2.2 無人機(jī)

無人機(jī)由無人機(jī)本體、手持終端和地面站組成，其中，無人機(jī)本體由機(jī)架、動(dòng)力模塊、飛控模塊、導(dǎo)航模塊、避障激光雷達(dá)、機(jī)載相機(jī)、蓄電池等部件組成。無人機(jī)可在適飛條件下動(dòng)態(tài)部署于待檢光伏電站，通過在高空拍攝光伏組件的熱成像及可見光圖片支撐其他診斷模塊運(yùn)行。無人機(jī)執(zhí)行多航點(diǎn)飛行任務(wù)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)一鍵式運(yùn)維。通過規(guī)劃無人機(jī)自起始出發(fā)點(diǎn)、巡檢區(qū)域然后回到起始點(diǎn)途經(jīng)距離的最短路徑，可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的高效巡檢[3]。

由于光伏電站的分布特點(diǎn)，導(dǎo)致人工運(yùn)維成本高、效率低，亟需開展可適用于光伏電站應(yīng)用的無人機(jī)。通過利用最新的全國(guó)區(qū)域遙感地圖影像數(shù)據(jù)，并改進(jìn)、優(yōu)化目標(biāo)地物的識(shí)別算法，提高基于遙感地圖的光伏電站地物識(shí)別準(zhǔn)確率及坐標(biāo)準(zhǔn)確率。通過掃描全國(guó)區(qū)域遙感地圖數(shù)據(jù)，獲得全國(guó)的光伏電站位置。結(jié)合電子地圖工具，可以實(shí)現(xiàn)光伏電站的資源信息在電子地圖上的準(zhǔn)確顯示。基于光伏電站資源信息電子地圖，無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化最優(yōu)巡徑和避障控制功能，能夠以最短的飛行距離完成待檢區(qū)域的全覆蓋巡檢，并充分規(guī)避規(guī)劃路徑中當(dāng)前已知的障礙物[4]。

此外，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中構(gòu)建無人機(jī)遇障、避障信息反饋機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)避障告警。無人機(jī)在執(zhí)行避障任務(wù)時(shí)若檢測(cè)到障礙物，地面站可以顯示障礙物與無人機(jī)的相對(duì)距離及方位，且機(jī)載相機(jī)可以拍攝障礙物所處環(huán)境照片，便于運(yùn)維人員及時(shí)排除障礙物或調(diào)整巡檢航線。將無人機(jī)部署和應(yīng)用于光伏電站中，可大幅提升此類光伏電站的運(yùn)維效率，結(jié)合故障診斷模塊能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)光伏組件熱斑等故障隱患，為光伏電站的快速發(fā)展提供技術(shù)支持。

2.3 光伏組件缺陷圖像采集診斷智能巡檢裝備

光伏組件缺陷圖像采集診斷智能巡檢裝備由“熱成像-可見光”雙光采集模塊、嵌入式分析模塊、無線傳輸模塊、液晶顯示器(LCD)模塊、升降模塊、電源模塊、北斗定位模塊等組成，可有效獲取光伏組件的可見光、紅外及電致發(fā)光(EL)圖像，結(jié)合智能算法可對(duì)熱斑、隱裂、異常遮擋等缺陷進(jìn)行分析與診斷。采用圖像分割的深度學(xué)習(xí)模型U-Net，對(duì)紅外圖像中的光伏組件有效區(qū)域進(jìn)行識(shí)別與提取，避免了光伏電站復(fù)雜環(huán)境的干擾，提高了熱斑檢測(cè)的準(zhǔn)確率。根據(jù)多顆粒度隱裂檢測(cè)算法，通過自適應(yīng)閾值濾波、連通域分割等方法快速定位嚴(yán)重的EL 缺陷，可解決光伏電站現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的隱裂檢測(cè)問題。同時(shí)，采用基于PVT 算法的改進(jìn)型YOLOv5 模型和注意力機(jī)制方法，聚焦特征之間的紋理差異，對(duì)光伏組件異常遮擋特征進(jìn)行識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了對(duì)異常遮擋目標(biāo)的定位與分類識(shí)別。

光伏組件常出現(xiàn)的異常遮擋包括積灰、鳥糞、陰影等，長(zhǎng)期異常遮擋易形成熱斑，影響光伏組件的發(fā)電量和使用壽命，而且還會(huì)降低光伏玻璃的透光率。針對(duì)積灰遮擋影響光伏組件發(fā)電量的定量關(guān)系難題，采用圖像直接識(shí)別積灰與數(shù)據(jù)智能分析相結(jié)合的方法，可實(shí)現(xiàn)積灰遮擋的智能檢測(cè)，這是一種科學(xué)有效的光伏組件運(yùn)維手段。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)光伏組件的隱裂、熱斑等缺陷，可通過光伏組件缺陷圖像采集診斷智能巡檢裝備對(duì)光伏組件進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集與診斷，以提高光伏電站的發(fā)電量。

光伏組件缺陷圖像采集診斷智能巡檢裝備可與無人機(jī)相配合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)、近景圖像的同步采集。該裝備搭載智能診斷算法，可實(shí)現(xiàn)熱斑、隱裂等缺陷及異常遮擋的精確定位和高效診斷，并將診斷結(jié)果發(fā)送至云平臺(tái)，且同時(shí)可收集缺陷光伏組件的圖像及數(shù)據(jù)[5]。該裝備實(shí)現(xiàn)了光伏組件多功能診斷的高度集成，支持硬件模塊及內(nèi)置算法升級(jí)，可根據(jù)需求采用靈活多樣的應(yīng)用形式，通過該裝備在光伏電站中的應(yīng)用，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)光伏組件的熱斑、隱裂等缺陷及異常遮擋，便于運(yùn)維人員及時(shí)更換缺陷光伏組件、清理遮擋物，有助于提高光伏電站的發(fā)電量。

2.4 可穿戴的智能巡檢裝備

可穿戴的智能巡檢裝備由智能頭盔、視聽保障裝備和智能手持終端等組成，具有與遠(yuǎn)方語音、視頻互動(dòng)和錄像存檔的能力，同時(shí)具備設(shè)備身份識(shí)別、人員定位、電子工單受理、巡檢過程記錄等功能。其中，智能頭盔可以支持“4G+WiFi”的通信方式?？纱┐鞯闹悄苎矙z裝備為現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員提供遠(yuǎn)程指揮、操作指導(dǎo)、過程記錄等服務(wù)，提升了光伏電站的運(yùn)維水平，并為光伏電站的維護(hù)檢修提供了全過程監(jiān)督及閉環(huán)管理[6]。

隨著“云大物移智”等新興技術(shù)的融合式發(fā)展，具備實(shí)時(shí)信息互聯(lián)、語音視頻交互、地理定位等功能的便攜式可穿戴的智能巡檢裝備得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的人工光伏電站巡檢方式存在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備感知度低、信息交互效率低、單兵裝備實(shí)用性差等問題，而能夠及時(shí)有效地開展光伏組件、逆變器、匯流箱等設(shè)備的巡檢工作是保障光伏電站安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)，因此，可以將可穿戴的智能巡檢裝備用于光伏電站的運(yùn)維工作，并對(duì)運(yùn)維人員在巡檢時(shí)操作的正確性、安全性和完整性進(jìn)行規(guī)范，可為人工巡檢的安全與質(zhì)量提供有效保障。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)人工巡檢的全過程監(jiān)督及閉環(huán)管理具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義[7]。

可穿戴的智能巡檢裝備采用了低功耗、高壓縮率、穩(wěn)定可靠的語音視頻互動(dòng)技術(shù)，運(yùn)用遠(yuǎn)程指導(dǎo)和虛擬監(jiān)護(hù)技術(shù)，解決了巡檢作業(yè)人員專業(yè)能力不足的難題?；谝苿?dòng)式APP 的巡檢作業(yè)過程更加規(guī)范，可有效避免漏檢、誤檢等問題，從而可提高巡檢作業(yè)的質(zhì)量?；诙S碼的設(shè)備身份識(shí)別和定位，極大提高了光伏電站全生命周期內(nèi)的管理效率。通過跟蹤巡檢作業(yè)人員的巡檢軌跡和滯留時(shí)間，并搭配視頻回放功能，實(shí)現(xiàn)了巡檢作業(yè)人員的安全管理。

2.5 智能巡檢與運(yùn)維機(jī)器人

由于光伏電站的運(yùn)維工況復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的人工清洗光伏組件的方式會(huì)存在清洗成本高、清掃難度大的問題，因此亟需針對(duì)光伏電站智能運(yùn)維開展自主清掃業(yè)務(wù)。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能與移動(dòng)通信等新興技術(shù)的快速發(fā)展，利用圖像識(shí)別與人工智能技術(shù)，快速分析污染物對(duì)光伏組件的影響，在考慮發(fā)電量損失和清掃成本后，能夠構(gòu)建最優(yōu)的清掃周期。通過優(yōu)化智能巡檢與運(yùn)維機(jī)器人的清掃策略和清掃路徑，可提高其自主清掃效率，降低清掃成本。開發(fā)光伏組件清掃設(shè)備的運(yùn)行管理、導(dǎo)航與通信功能，并將其與光伏電站的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)互通，管理自主清掃業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)清掃過程的智能化。

智能巡檢與運(yùn)維機(jī)器人采用“軌道行進(jìn)+負(fù)壓吸附+盤刷清洗”的機(jī)器人架構(gòu)形式，集成了“行進(jìn)+清洗協(xié)同”控制系統(tǒng)，解決了機(jī)器人在光伏組件安裝傾角、坡度、間隙、障礙等復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景中無法行進(jìn)的難題。

該裝備采用可折疊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，輕便且易攜帶，可有效完成重點(diǎn)污染區(qū)的駐停、定點(diǎn)清洗，增強(qiáng)了頑固性污染物的清洗效果。其與光伏電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的互聯(lián)互通，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)維機(jī)器人的電池電量、運(yùn)行時(shí)間、清掃進(jìn)度等工作參數(shù)的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控，且具有遠(yuǎn)程啟動(dòng)和停止功能，可以滿足光伏電站的日常運(yùn)維需求[8]。

智能巡檢與運(yùn)維機(jī)器人具有操作簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，減輕了運(yùn)維人員的工作負(fù)擔(dān)。該裝備在無水條件下也能實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏組件積灰與邊框積灰等頑固性污染物的清潔，提升了光伏電站的發(fā)電效率。

3 結(jié)論

本文以數(shù)據(jù)采集智能裝備、無人機(jī)、光伏組件缺陷圖像采集診斷智能巡檢裝備、可穿戴的智能巡檢裝備、智能巡檢與運(yùn)維機(jī)器人這5 類智能巡檢裝備為例，對(duì)基于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的光伏電站智能運(yùn)維中的巡檢裝備進(jìn)行了分析。分析結(jié)果顯示：通過使用上述智能巡檢裝備，規(guī)范了運(yùn)維人員在巡檢操作中的正確性、安全性和完整性，有效保障了人工巡檢的安全與質(zhì)量，具有重要的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)意義；其還可替代人工巡檢，或降低人工巡檢的次數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)工作量，提高人工巡檢的針對(duì)性和巡檢效率，有效降低光伏電站的人工運(yùn)維成本。