無人機(jī)應(yīng)用于屋頂分布式光伏檢查的技術(shù)研究

摘 要：菏澤地區(qū)分布式光伏裝機(jī)容量高，報(bào)裝增速快，但供電企業(yè)對(duì)屋頂光伏現(xiàn)場(chǎng)巡檢仍以人工登高為主，存在光伏出現(xiàn)故障排查時(shí)間較長(zhǎng)、漏檢率高、設(shè)備隱性故障無法獲知等問題，容易導(dǎo)致故障升級(jí)，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行造成不利影響。鑒于此，提出通過無人機(jī)搭載高性能云臺(tái)拍攝紅外、高清可見光照片，結(jié)合人工智能算法和大數(shù)據(jù)管理，對(duì)分布式光伏及相關(guān)計(jì)量設(shè)備進(jìn)行快速巡檢，使得故障、違規(guī)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性明顯提升，可有效避免故障升級(jí)，從而提升分布式光伏發(fā)電水平和供電企業(yè)的供用電異常智能化檢查水平。

關(guān)鍵詞：屋頂分布式光伏；無人機(jī)；現(xiàn)場(chǎng)巡檢；人工智能；供用電異常

中圖分類號(hào)：TM615；V279" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）01-0023-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.01.006

0" " 引言

分布式光伏是新能源發(fā)電的重要方式之一，隨著分布式光伏裝機(jī)容量的不斷增長(zhǎng)，私自增容、故障頻發(fā)等問題也越來越凸顯，電力企業(yè)傳統(tǒng)的人工登高檢查方式存在危險(xiǎn)性高、效率低等缺點(diǎn)。為解決這些問題，隨著無人機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，無人機(jī)在分布式光伏智能化檢查領(lǐng)域的應(yīng)用得到了廣泛研究[1-3]。

1" " 菏澤分布式光伏發(fā)展現(xiàn)狀

截至2024年，菏澤地區(qū)公變臺(tái)區(qū)分布式光伏累計(jì)建設(shè)17 495個(gè)，總?cè)萘窟_(dá)1 630.2 MW；專變臺(tái)區(qū)分布式光伏累計(jì)建設(shè)230個(gè)，總?cè)萘窟_(dá)125.4 MW；光伏相對(duì)集中點(diǎn)累計(jì)建設(shè)25個(gè)，總?cè)萘窟_(dá)547 MW。目前，供電企業(yè)光伏現(xiàn)場(chǎng)檢查仍以人工登高為主，存在光伏出現(xiàn)故障排查時(shí)間較長(zhǎng)、危險(xiǎn)性及漏檢率高、設(shè)備隱性故障無法獲知等問題，容易導(dǎo)致故障升級(jí)[4]。因此，傳統(tǒng)人工現(xiàn)場(chǎng)檢查模式已經(jīng)無法滿足光伏故障預(yù)警與診斷、發(fā)電量考核、關(guān)鍵電氣設(shè)備運(yùn)行性能分析與評(píng)估、系統(tǒng)損耗、安全運(yùn)行等新要求。

2" " 菏澤分布式光伏檢查現(xiàn)狀

目前，供電企業(yè)對(duì)屋頂分布式光伏的檢查仍以人工登高為主，農(nóng)村地區(qū)的屋頂分布式光伏高度一般在3～5 m，人工攀爬危險(xiǎn)性高、效率低。登高后的檢查主要包括以下三個(gè)方面。

2.1" " 安全性檢查

檢查分布式光伏電池板與支架的接地情況、電氣連接是否牢固；檢測(cè)光伏支架和鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)安全性，包括支架的鉸鏈連接、螺栓和焊接連接的完整性等。

2.2" " 功能性檢查

檢查光伏組件之間的電氣連接，包括電纜、接頭、連接盒等，確保電氣連接牢固可靠，沒有松動(dòng)、脫落等問題；檢查光伏板上有無顆粒、灰塵等影響光伏發(fā)電效率的缺陷。

2.3" " 履約情況檢查

檢查是否存在私自增容、少裝、漏裝等情況，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際容量與系統(tǒng)備案容量不同，影響正常履約的情況；檢查是否存在分布式光伏未經(jīng)備案、驗(yàn)收，私自通過線路并網(wǎng)等違規(guī)情況。

通過實(shí)踐驗(yàn)證，對(duì)一處備案容量為1.5 MW的分布式光伏完成上述三個(gè)方面的檢查平均需要約2 h。

3" " 無人機(jī)在分布式光伏電站中的應(yīng)用分析

對(duì)用戶光伏設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查是供電企業(yè)重要的日常工作任務(wù)之一，若不及時(shí)檢查，一方面光伏組件中存在的缺陷將會(huì)造成安全隱患，另一方面若存在私自增容等情況，套取國家相關(guān)補(bǔ)貼，將會(huì)給國家造成經(jīng)濟(jì)損失[5-7]。

目前，無人機(jī)搭載紅外熱成像儀和可見光成像設(shè)備，基于人工智能圖像識(shí)別技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)光伏組件的熱斑檢測(cè)、表面積灰檢測(cè)、裂損檢測(cè)、表面遮擋物檢測(cè)等[8-9]。利用無人機(jī)開展分布式光伏巡查工作，能有效解決屋頂分布式光伏的檢查難題，顯著降低時(shí)間成本和勞動(dòng)力成本，并避免人工登高造成的安全作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3.1" " 問題篩選

依托供電企業(yè)用電信息采集系統(tǒng)，對(duì)包含分布式光伏的用戶的電能示值、電壓、電流、功率、功率因數(shù)、時(shí)間等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，形成基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)計(jì)量裝置及用戶設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，對(duì)電能計(jì)量設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的正常與否進(jìn)行判斷，并據(jù)此確定存在問題的臺(tái)區(qū)及可疑用戶，完成問題篩選。

利用無人機(jī)搭載全畫幅拍攝云臺(tái)，完成臺(tái)區(qū)范圍內(nèi)用戶地理信息采集，并使用專業(yè)的圖像集成軟件，完成臺(tái)區(qū)范圍地理信息圖的繪制。

以用電信息采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依托無人機(jī)搭載的可見光云臺(tái)和圖像傳感器，通過飛行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和圖像識(shí)別自動(dòng)識(shí)別線路狀態(tài)，檢測(cè)線路中是否存在私拉亂接等異常現(xiàn)象，同時(shí)實(shí)時(shí)獲取無人機(jī)狀態(tài)并控制無人機(jī)飛行，使用RTK高精度定位技術(shù)獲取無人機(jī)位置信息，并通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)保持無人機(jī)與服務(wù)器間的通信，將圖像回傳并進(jìn)行圖像識(shí)別，發(fā)現(xiàn)竊電行為及時(shí)將相關(guān)圖片導(dǎo)出取證，并指導(dǎo)檢修人員核查處理。

通過用戶信息采集系統(tǒng)，收集存在線損異?；蚩赡艽嬖趩栴}的臺(tái)區(qū)信息，梳理重要用戶臺(tái)區(qū)開展特巡。

3.2" " 無人機(jī)精準(zhǔn)測(cè)繪供電地理信息

依托無人機(jī)高空、遠(yuǎn)距離拍攝效率高、智能化水平高的優(yōu)勢(shì)，利用無人機(jī)搭載全畫幅拍攝云臺(tái)，完成計(jì)量裝置、分布式光伏等設(shè)備的地理信息及圖像采集，如圖1所示，并使用專業(yè)的圖像集成軟件完成供電地理信息圖的繪制，形成基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫[10]。供電地理信息圖中應(yīng)包含相應(yīng)設(shè)備的經(jīng)緯度及圖像信息，并可直觀地觀察到目標(biāo)設(shè)備，建立相關(guān)設(shè)備的基礎(chǔ)信息臺(tái)賬。

利用無人機(jī)搭載RTK設(shè)備進(jìn)行高精度的表箱點(diǎn)位采集，包括WGS84三維地理坐標(biāo)，根據(jù)無人機(jī)高程測(cè)量表箱高度，輸出用戶表箱位置信息，形成表箱位置信息臺(tái)賬。

3.3" " 無人機(jī)采集光伏電池組件紅外圖像

根據(jù)測(cè)繪地理信息，自動(dòng)規(guī)劃無人機(jī)飛行航線，在地理范圍內(nèi)，利用無人機(jī)搭載可見光云臺(tái)完成分布式光伏電池組件的高清可見光圖像采集。無人機(jī)端增加適用于配網(wǎng)工程的紅外及可見光云臺(tái)，將紅外技術(shù)、可見光技術(shù)整合，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)設(shè)備紅外及可見光一機(jī)巡檢，如圖2所示。

3.4" " 分布式光伏異常數(shù)據(jù)分析

結(jié)合分布式光伏電池組件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，根據(jù)所拍攝的分布式光伏電池組件高清可見光圖像，利用人工智能圖像識(shí)別技術(shù)，完成分布式光伏報(bào)裝容量與實(shí)際容量的整體核對(duì)，確定是否存在私自增容、少裝、漏裝等問題。

根據(jù)所拍攝的分布式光伏電池組件紅外圖像，利用圖像識(shí)別技術(shù)，完成分布式光伏電池組件異常數(shù)據(jù)分析，確定電池組件是否存在熱斑、樹木遮擋、鳥糞遮擋、二極管故障、組件開路等影響光伏組件發(fā)電的異常情況。

4" " 應(yīng)用案例分析

對(duì)菏澤皇鎮(zhèn)供電所范圍內(nèi)一光伏相對(duì)集中點(diǎn)進(jìn)行巡檢，通過無人機(jī)系統(tǒng)對(duì)分布式光伏進(jìn)行包括熱斑檢測(cè)等在內(nèi)的缺陷巡查，共發(fā)現(xiàn)缺陷3處，其中熱斑缺陷1處，二極管故障1處，組件開路故障1處，用時(shí)約30 min。此光伏站點(diǎn)容量為500 kW，主要步驟如下。

4.1" " 正射影像

通過無人機(jī)定位技術(shù)形成光伏正射影像，具體如圖3所示。

4.2" " 巡檢結(jié)果

通過巡檢發(fā)現(xiàn)光伏板上存在熱斑缺陷1處，如圖4所示，是物體遮擋或光伏組件自身原因?qū)е陆M件局部發(fā)熱，影響光伏輸出功率，嚴(yán)重情況下將存在安全隱患。

巡檢發(fā)現(xiàn)光伏組件存在二極管故障缺陷1處，如圖5所示，如果故障持續(xù)存在，二極管溫度會(huì)持續(xù)上升，引起反向電流增大，導(dǎo)致二極管溫度進(jìn)一步上升，形成惡性循環(huán)，影響光伏發(fā)電效率和安全穩(wěn)定運(yùn)行。

巡檢發(fā)現(xiàn)光伏組件存在開路缺陷1處，如圖6所示，主要表現(xiàn)為組件中電池回路開路，導(dǎo)致電流無法正常通過，影響光伏組件發(fā)電效率和使用壽命。

5" " 前景分析

應(yīng)用無人機(jī)巡檢技術(shù)，可以有效解決屋頂分布式光伏巡檢難題。和人工現(xiàn)場(chǎng)檢查分布式光伏相比，無人機(jī)巡檢技術(shù)速度快、效率高、安全系數(shù)高，對(duì)存在各種缺陷的光伏組件漏檢率極低，能夠很好地解決人工檢查帶來的危險(xiǎn)性高和人工成本增加等現(xiàn)實(shí)問題。目前，無人機(jī)巡檢技術(shù)在分布式光伏領(lǐng)域得到了快速推廣和應(yīng)用，隨著無人機(jī)地理精準(zhǔn)定位技術(shù)、人工智能識(shí)別算法、飛行路徑自動(dòng)規(guī)劃技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，無人機(jī)技術(shù)在屋頂分布式光伏巡檢中的應(yīng)用前景將越來越廣闊。

6" " 結(jié)論

本文對(duì)無人機(jī)應(yīng)用于屋頂分布式光伏檢查的技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，研究了可用于屋頂分布式光伏巡檢的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)應(yīng)用情況進(jìn)行了案例分析和前景展望，研究結(jié)果表明：對(duì)于屋頂分布式光伏的現(xiàn)場(chǎng)檢查工作，無人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)巡檢效率是人工巡檢的4倍，人工成本是人工巡檢的1/2左右。該方案可解決屋頂分布式光伏現(xiàn)場(chǎng)檢查中效率低、漏檢率高、安全性低等問題，為供電企業(yè)對(duì)屋頂分布式光伏的精細(xì)化、專業(yè)化管理提供一種新的技術(shù)方案。

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收稿日期：2024-09-18

作者簡(jiǎn)介：趙承楠（1987—），男，山東東明人，高級(jí)工程師，研究方向：電力市場(chǎng)營銷。