高海拔新能源光伏電站智能運維體系探索及研究

喻洋 高秉文 董明知

摘要：在國家新能源政策大力推行背景下，以高海拔光伏發電站在國內各個地區紛紛建立，光伏發電技術提高了傳統電力行業的整體發電量與發電水平，先進的新能源光伏智能化運維技術體系也應運而生。本文中主要探索了高海拔新能源光伏電站智能運維體系中的諸多生產管理技術內容與模式，并著重研究了站內巡檢機器人的相關技術應用。

關鍵詞：巡檢機器人;高海拔新能源光伏電站;智能運維體系;環境感知模組

太陽能光伏發電系統（Solar power system）是一種利用太陽電池半導體材料的光伏效應，將太陽光輻射能直接轉換為電能的一種新型發電系統，有獨立運行和并網運行兩種方式。大型地面集中式光伏電站采用集中建設、集中管理、集中送電的模式，充分利用戈壁、荒山等利用率極低的地塊進行建設。組成部分包括光伏板、匯流箱、逆變器、箱變、開關站、升壓站和輸電線路等。

近年來，國家高度重視新能源產業的發展，光伏發電技術已十分成熟，國內優質光伏資源已基本被開發殆盡，隨著國家政策的調整，光伏平價時代已到來，高海拔地區的光伏資源開發也提上日程，以四川某基地規劃為例，該基地計劃在該省某“三州一市”規劃1200萬千瓦的光伏平價基地，該基地均在交通不便、高海拔、生存條件艱苦地區;一旦基地項目落地，光伏電站的運維模式將面臨從傳統的運維模式逐步向“無人值班、少人值守”的新型智能運維模式轉變。

高海拔電站智能運維體系擁有獨立系統，它與云存儲、大數據、巡檢機器人等等技術相互關聯銜接，并全部引入到電站管理終端中，可實現GW+量級的電站接入，能夠滿足電站全部系統設備的集中管控需求，提升電站整體運行效率與生產效能。在該過程中，系統本身也會對電站及設備運行數據進行深度挖掘，提出諸多技術支持策略，確保生產管理方式多元化、有序化。

一、新能源光伏電站的智能運維管理技術概述

高海拔電站的智能運維管理技術豐富，它主要從時間、空間、設備等方面實現了對站內智能運維系統的多維度監控、多環節維護、多層次管理與多角度分析，可實現智能化判斷、報警、評價與信息處理等功能，滿足光伏電站的一體化生產運行要求。具體來講，光伏電站的智能運維管理技術內容包括以下四點。

第一，能判斷新能源光伏電站的建設質量是否達標以及是否達到設計要求。

第二，能實現自動狀態自檢，及時發現隱患問題，并第一時間面向運維人員通報設備運行健康狀況，分析確定故障的基本發生類型與發生位置。

第四，新能源光伏電站在設計建設與電站設備規劃方面已經接入了大量新設備、新系統部件，這些系統部件能夠做到智能化匹配，為早期預判故障提供科學依據。

高海拔光伏電站為了實現電力設備安全穩定運行，滿足技術應用與生產需求，主要基于上述技術內容展開生產運作，同時也通過電力設備巡檢機器人的智能、高效運營提高變電站設備巡檢能力，降低人為事故因素，為站內生產工作安全系數提高創造諸多有利條件[1]。

根據現場的實際生產需要，結合場站實際情況，組織開發的智能運維管理系統綜合考慮了以下功能：

1、統一接口服務實現與機器人、外部系統通訊。開發制定統一接口規范，支持符合規范要求的智能巡檢機器人接入，實現對各種機器人運行進行統一協調管理，管控平臺能夠遠程控制巡檢機器人，監測和評估機器人的實時運行狀態，制定自動巡檢方案并下發至巡檢機器人控制系統。

2、實現站內設備實時監測：實現對站內人員、異物、裝置指示燈、壓板、局放、儀表、開關、氫氣、熱缺陷、噪聲、溫濕度、六氟化硫、氧氣、煙霧等內容的監測。存儲、分析、管理機器人采集的監測數據，對有異常的處理結果及時推送告警，對數據進行趨勢分析，提前預警可能發生的故障。

3、與業務系統互聯互動：結合現有變電站綜合自動化系統、輔助監控、移動作業平臺、變電站智能輔助系統等系統的運行，實現系統告警聯動等功能。

4、大數據分析：針對機器人系統自身的數據，采用聚類分析等手段，尋找異常數據，分析潛在風險。通過關聯分析，尋找異常狀況的關聯指標，挖掘風險的成因。依托外部的大數據應用，融合機器人采集的數據和其它系統的相關數據，針對具體問題建模分析，分析結果返回機器人系統，提高機器人系統的智能分析能力。

5、與業務系統數據共享、互為聯動，實現跨專業多系統海量數據融合，加強機器人的觸覺、視覺、嗅覺作用，實現從信息羅列向場景融合、多維展示、操作聯動過渡，促進巡檢工作由“人工巡檢”向“自動巡檢”、“協同立體巡檢”的轉變。

二、新能源光伏電站的智能運維管理體系中的巡檢機器人應用模式

隨著國內高新技術的大力發展，目前，智能巡檢設備種類眾多，相應的單一技術也很成熟，但缺少統一的智能運維平臺，需要結合場站不同的智能巡檢設備，打造一個綜合處理系統，該系統將應用智能巡檢機器人、無人機，配合其配套設備，開展升壓站內的一、二次設備、35kV集電線路、場區設備（光伏組件、箱變、匯流箱、逆變器、風機等）、送出線路等設備的巡查;該系統將具有圖像識別、無線通訊、激光自主導航算法、視覺識別等多種技術，通過搭建數字化、可視化、智能化的操作及遠程診斷交互平臺，將AI技術運用于電力生產過程，實現智能巡檢在新能源場站的全覆蓋，以高科技推進智慧場站建設，真正實現室內外一體化巡檢、事故預判、故障分析排查、可見光表計識別、紅外測溫、二次設備告警信息篩選及檢測、信息推送、各類報表自動生成等。

三、新能源光伏電站的智能運維管理體系中的巡檢機器人應用技術

在新能源光伏電站的智能運維管理體系中，巡檢機器人能夠發揮重大作用，它的多模塊多應用技術內容表現突出，主要包括：

（一）紅外線成像儀測溫模塊技術應用

站內的巡檢機器人是具備紅外線成像儀測溫模塊技術系統的，它的技術優勢在于在溫度分布不均勻的大面積目標下進行表面溫度場測量，同時也能在有限的區域內快速確定過熱點與過熱區域，實現精確化測量。這一模塊技術系統的優勢主要體現在以下五點：第一，不會破壞被測物體的溫度場，不需要與被測物體直接接觸;第二，具有較高的靈敏度;第三，可在幾毫秒內測出目標溫度，且反應速度非常快;第四，測溫范圍較寬，測溫范圍能達到-50℃～1000℃;第五，完全不受檢測距離限制，可實現遠近各種距離檢測。在測溫過程中，該模塊采用到了普朗克定律，它所揭示的是黑體輻射能量在不同溫度環境下按照波長的分布規律，它的數學表達式應該如下：

上述算式是對黑體光譜輻射通量密度的計算。

（二）多維環境感知模組技術應用

通過采用舵機可有效控制巡檢機器人傳感器升降過程。在障礙檢測過程中則主要采用紅外傳感器與超聲波檢測兩種方法結合對可檢測半徑內的障礙物進行偵察檢測。多維環境感知模組技術應用具有較強的抗干擾能力，利用激光傳感器為巡檢機器人定位，通過機器人內置的SLAM定位算法，進行定位導航，此時超聲波傳感器會配合紅外傳感器技術確保完成避障任務。多維環境感知模組能夠有效規劃路線、驅動電機動作，在巡檢機器人上搭載一架高清可視光攝像機和一臺紅外測溫儀，可實現對監控投影范圍內畫面的長期監控。而攝像機本身由步進電機驅動旋轉，可實現平面范圍內0～360°的全方位轉向操作，整體監控范圍廣[2][3]。

（三）人工智能技術在巡檢機器人中的應用。

智能巡檢機器人將利用分類和聚類算法，通過分析，對各設備進行建模識別，通過一種有效的語義哈希算法和基于稀疏自編碼的人工智能深度學習網絡，識別效果好、學習速度快，進而實現在物體識別中的相似圖像快速查找，準確高效地對圖像進行預處理、定位、配準、識別等步驟，適應性強。

針對電力設備特征，采取以下方法進行設備運行狀態識別：（1）對電力設備的圖像，分別使用去噪、銳化算法，根據已研究的結果得到最佳的預處理方案。（2）主要電力設備都具有明顯的特征，通過顏色、紋理、模板匹配進行圖像識別，結合本站電力設備時間情況，通過采用閾值分割算法找到指針后，采用模板匹配算法進行指針表盤識別、采用SVM（支持向量機）算法進行數碼表識別。

隨著計算機視覺技術的不斷發展，將圖像處理的方法運用到電力設備的自動檢測中的實踐逐步在國內外電力行業中開展。在電力設備的檢測方法中加入深度學習和計算機視覺的方法，使得不再需要人工去對監測的設備信息進行判別，系統可以直接判斷電力設備的運行狀態，減少人員的工作強度和人為的監測事故。隨著深度學習技術的不斷發展，將卷積神經網絡（CNN）算法理論應用到目標檢測中取得了巨大突破，在檢測性能上得到顯著提升。智能巡檢機器人通過在計算機服務器上部署基于Faster-RCNN算法、在巡檢機器人本體上部署YOLOv3算法，完美平衡計算實時性與計算精度，實現對電力設備故障特征的提取，可迅速監測設備破損、設備漏油、柜門未關、鳥巢、異物等異常現象。

四、光伏電站應用智能巡檢機器人實例

以四川涼山州某高海拔光伏電站為例，該光伏電站位于涼山州普格縣洛烏溝鄉甘天地村，處于彝族聚居區深處，項目交通極為不便，電站距普格縣城直線距離約18km，距涼山州州首府西昌市直線距離約70km，升壓站至市區約4個小時的車程;場站平均海拔高度約3680m，常年氣溫低、冬季時間跨度長，極度嚴寒。該地區平均含氧量只有平原地區的60-70%，運行維護人員長時間處于高海拔缺氧狀況，比較容易誘發心血管、呼吸道疾病;同時，惡劣的環境對設備的安全穩定運行也存在一定考驗。

通過部署智能巡檢機器人，擬達到智能巡檢的遠期效果，主要有以下八點：一、解決現階段人手不足的現狀，調整人員工作分工;二、長期來看，節約人力資源成本，減少場站人員配置;三、解放監盤人員，大力開展設備維護消缺工作;四、推行精細化管理，改變現階段的運行模式;五、解決艱苦地區場站運維人員的工作、生活環境，解決人員的工作環境;六、解決人員因條件艱苦，導致人才流失的情況;七、探索新能源場站的新的運維模式，打造新名片;八、推廣新技術，將無人機、智能巡檢機器人等新技術與新能源場站將結合。

部署智能巡檢機器人，還能起到降本增效的作用，以該電站為例，目前運行值守員工9 人，正常的的滿編是 12 個員工。每位員工投入工資、社保、生活費、各種福利等成本，每個月需要 90000 元左右;每個月生活用電、運維費用等需要 30000 元。同時該站處于高海拔地區，交通道路是泥濘山路，車輛行駛有很大風險。智能運維巡檢機器人最終實現的是該站無人值守，單是這兩項費用公司每年可節約近 144 萬元，同時最大限度減少員工開車上山產生的人身風險。智能巡檢機器人巡檢前三年，投入 100 萬左右;后期投入少量維護費用。10 年運維成本不超過 150 萬。

五、總結：

在新能源光伏變電站智能運維體系中采用巡檢機器人是希望利用巡檢機器人的強大巡檢能力，通過合理的運維管理體系，實現包括光伏發電、固定巡檢、障礙物規避、遠程遙控、視頻回傳等多方面智能化、自動化巡視，有效提升光伏新能源的利用效率以及變電站的整體生產工作效率。

參考文獻：

[1]國網天津市電力公司， 國家電網公司.一種支持深度學習工作原理的人工智能機房巡檢機器人：CN201810492283.4[P].2018-09-04.

[2]李樹蔚，柴群峰，黃永強，等.智能技術在光伏電站的應用[J].電力勘測設計，2018（12）：71-76.

[3]彭志遠，趙昕，李星明.用于變電站安全監測的智能機器人巡檢系統[Z].深圳市朗馳欣創科技有限公司.2013.