基于光伏電站的無人機全自動巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用研究

0 引言

隨著大量規(guī)?；夥娬镜穆涑?，光伏組件巡檢工作的體量也越來越大，引起了諸多學(xué)者和企業(yè)家的關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計，在光伏電站系統(tǒng)中，光伏組件污漬、遮擋、熱斑等問題占電站設(shè)備故障率的50%以上，若能及時發(fā)現(xiàn)這些問題并及時處理，電站的總體效率將大幅提升。

目前光伏組件的故障監(jiān)測一般通過以下2種方法進行：

1)通過監(jiān)測組件發(fā)電時的輸出電壓和輸出功率進行排查。該方法的不足之處在于只能進行粗略排查，難以精確定位到具體的光伏組件，更難以發(fā)現(xiàn)電池片的內(nèi)部故障。

2)借助所有故障均會表現(xiàn)為溫度異常的特性，通過人工攜帶溫度測量儀器，逐一對發(fā)熱組件進行測量記錄。該方法可以發(fā)現(xiàn)各種故障導(dǎo)致的熱斑，實現(xiàn)對光伏組件的精細(xì)檢查；但對于當(dāng)前建筑面積大、組件數(shù)量多的規(guī)模性光伏電站而言，這一方法效率非常低，并且人為檢查主觀性強、可靠性差。

針對以上2種巡檢方法的不足，近年來，業(yè)內(nèi)人士提出通過無人機搭載高清攝像頭或紅外熱像儀對光伏電站進行監(jiān)測的方法[1-3]。該新興方法或基于集群通信，可以高質(zhì)量、快速地檢測到光伏組件的熱斑、遮擋、隱裂等問題；但是由于整個巡檢系統(tǒng)復(fù)雜、投入大，對運維人員的專業(yè)技能要求高，較適合在超大規(guī)模光伏電站中使用，目前在絕大多數(shù)電站中還少有運用；有的巡檢系統(tǒng)還存在自動化程度不高的情況。

對于中、大規(guī)模電站而言，考慮到電站巡檢的經(jīng)濟性和實用性，本文提出脫離集群通信，僅利用無人機搭載紅外熱像儀對光伏電站進行全自動巡檢的方法，可在很大程度上提高中、大規(guī)模光伏電站的維護質(zhì)量和可靠性，提升電站的總體效率。

1 基于光伏電站的無人機全自動巡檢系統(tǒng)

圖1是基于光伏電站的無人機全自動巡檢系統(tǒng)示意圖，包括搭載紅外熱像儀的無人機、無人機地面站、地面充電設(shè)備和數(shù)據(jù)處理單元。其中，無人機負(fù)責(zé)通過紅外熱像儀采集光伏組件的紅外圖像；無人機地面站負(fù)責(zé)保障無人機與地面站的實時通信，并通過航跡規(guī)劃或手動控制無人機的飛行速度、高度和紅外熱像儀的拍攝角度，以獲取無人機的飛行信息和光伏組件的紅外圖像信息；地面充電設(shè)備負(fù)責(zé)無人機的自動充電，保證無人機的飛行動力；數(shù)據(jù)處理單元負(fù)責(zé)將采集到的紅外圖像信息進行處理，進而標(biāo)記太陽電池的故障情況，并生成對應(yīng)的故障報表。

圖1 基于光伏電站的無人機全自動巡檢系統(tǒng)示意圖

在無人機巡檢系統(tǒng)中，無人機采用自主研發(fā)的M1六旋翼機，搭載紅外熱像儀飛行巡檢。無人機的自航儀包括飛控、GPS和聲吶，并配置遙控器用于輔助控制。該無人機的速度可達(dá)80 km/h，飛行高度為120～200 m；在18 km/h風(fēng)速內(nèi)能自穩(wěn)或定點懸停；在40 km/h風(fēng)速時，定點懸停誤差在30 cm以內(nèi)，抗風(fēng)能力6級；30～60 min可以檢測完20 MW組件(理論上，在STC標(biāo)準(zhǔn)下，單排光伏組件的傾斜高度為4.8 m、長度為15 km的檢測面積)中每一塊組件的溫度，精度是0.2e。無人機的動力由大容量鋰電池和所配備的地面充電設(shè)備共同保障；其上的大容量存儲裝置保證了飛行過程中所拍攝到的影像資料的存儲，無人機地面站起落點設(shè)置了無線網(wǎng)絡(luò)，方便影像數(shù)據(jù)的傳輸。紅外熱像儀分辨率為640像素×480像素，測溫范圍為-20～250 ℃。

2 基于光伏電站的無人機全自動巡檢系統(tǒng)工作流程

應(yīng)用于光伏電站的無人機全自動巡檢系統(tǒng)進行巡檢作業(yè)時的工作流程如圖2所示。

圖2 基于光伏電站的無人機全自動巡檢系統(tǒng)流程圖

光伏電站在制定巡檢計劃時，首先要進行巡檢前期的準(zhǔn)備工作，工作人員應(yīng)參照現(xiàn)有資料進行現(xiàn)場勘察，確定所要巡檢的光伏電站的大小，結(jié)合紅外熱像儀的拍攝視角及分辨率來確定無人機的飛行高度和紅外熱像儀單次拍攝紅外圖像區(qū)域的大小，從而規(guī)劃、計算并制定無人機的飛行路線及懸停拍照位置；考察一天中各個時間段的光照強度，選擇光照較強的時間段確定為無人機的巡檢時間。

無人機起飛后，依據(jù)提前設(shè)定的路線開始巡檢，到懸停拍照位置時無人機自主懸停，同時調(diào)整紅外熱像儀拍攝鏡頭所在的平面，使其與光伏組件所在的平面保持平行，進行拍攝，拍攝所得的紅外圖像信息存儲在紅外熱像儀自帶的存儲空間；整個過程完成后無人機繼續(xù)按設(shè)置的路線飛行，到下一個懸停位置懸停、拍照、存儲紅外圖像，依次巡檢一周；完成后，無人機返回并降落到移動保障平臺上，并將拍攝的紅外圖像信息自動上傳到云存儲空間，完成數(shù)據(jù)采集工作，同時利用智能充電系統(tǒng)自主充電，等待下一次的巡檢。巡檢頻率可以根據(jù)具體需要自行設(shè)定。

3 基于光伏電站的無人機全自動巡檢故障自動識別

圖像的自動識別可以克服人為識別主觀性強、效率低等問題，但需要對云存儲中心的紅外圖像信息進行以下5個步驟的計算和處理：

1)紅外圖像拼接。采用圖像拼接技術(shù)，將分塊的紅外圖像信息拼接在一起，還原光伏組件區(qū)域的整體模樣。

2)光伏組件有效區(qū)域檢測。將圖像進行噪聲濾除，同時保留圖像的邊緣，采用相關(guān)算法提取并圈定組件的有效區(qū)域。

3)光伏組件溫度計算。對有效區(qū)域的圖像進行灰度拉伸增加對比度，利用相關(guān)算法將圖像的灰度值轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的溫度值，每塊組件取最高溫度。

4)組件溫度值分區(qū)域比較。將測得的溫度值與設(shè)定的閾值溫度進行比較，溫差在正常范圍內(nèi)的區(qū)域標(biāo)記為“0”，代表電池片正常，超過閾值溫度范圍的標(biāo)記為“1”，代表電池片故障。

5)打印輸出故障報表。最后生成一個包含“0”和“1”信息的、與整幅紅外圖像對應(yīng)的故障報表，并打印輸出。

工作人員可以根據(jù)輸出的故障報表對光伏電站進行維護。

4 基于光伏電站的無人機全自動巡檢系統(tǒng)與其他巡檢方法的比較

基于光伏電站的無人機全自動巡檢方法的優(yōu)點在于：

1)整個巡檢過程中故障判斷標(biāo)準(zhǔn)一致；

2)故障檢測快速、高效；

3)可在光伏組件工作狀態(tài)下檢測，巡檢過程不會損壞光伏組件；

4)可及時提供數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析，巡檢結(jié)果直觀明了，維護操作性強；

5)可根據(jù)需要設(shè)定巡檢時間，整個巡檢過程全自動。

相較于基于集群通信的光伏電站故障檢測方法而言，無人機全自動巡檢系統(tǒng)靈活性強，資本和人力投入較少，可操作性強。經(jīng)分析，若采用綜合能效比PR值來評價光伏電站的系統(tǒng)性能指標(biāo)，采用無人機全自動巡檢系統(tǒng)可直接減少4%的因組件污漬造成的損失、4%的陣列遮擋及1%的溫度損失；可間接減少10%的清洗數(shù)量、30%的接線盒故障，以及50%的陣列火災(zāi)。

5 總結(jié)

綜上所述，本文所介紹的基于光伏電站的無人機全自動巡檢系統(tǒng)通過無人機、紅外熱像儀對光伏電站進行巡檢，全程自動化處理，可以準(zhǔn)確、快速地發(fā)現(xiàn)光伏電站中光伏組件的遮擋熱斑、污漬及太陽電池故障現(xiàn)象，結(jié)合GPS定位，可直接生成故障報表，方便后續(xù)維護人員處理。該系統(tǒng)極大地提高了光伏電站運維效率的同時，還提高了可操作性，為中、大規(guī)模光伏電站的光伏組件巡檢提供了可靠的經(jīng)濟保障。