無人機智能巡檢在檢測風電光伏故障中的應用研究

陸成龍，劉忠德，張皖軍，楊祖球，朱繼濤

（1.國家電投集團江西電力有限公司，江西南昌 330096；2.國家電投集團信息技術有限公司，北京 100080）

在新能源行業(yè)發(fā)展進程中，我國風力發(fā)電以及光伏發(fā)電裝機容量也迅猛增長，進一步提升了風電光伏的科技水平。隨著葉片長度的不斷增長，風電機組生命周期的不斷延長，容易導致葉片出現(xiàn)損傷和故障，同時，受到葉片結構以及環(huán)境復雜性的影響，風電光伏運行維護難度較大[1]。傳統(tǒng)人工巡檢中，工人勞動強度較大、時間長、成本高、效率低等，無法滿足現(xiàn)代風電光伏故障檢測需求。為了提升工作效率，降低維護成本，在智能化水平發(fā)展中，無人機智能巡檢技術隨之出現(xiàn)并得到應用。文中對無人機智能巡檢在風電葉片損傷等相關故障檢測中的應用展開分析，探討無人機智能巡檢的應用價值。

1 無人機智能巡檢應用價值

無人機智能巡檢在風電光伏故障檢測中的應用，有助于顯著降低巡檢成本。通常風電葉片是在具有豐富風力資源的區(qū)域內安裝，這些區(qū)域一般人跡罕至，人工巡檢難度較大。人工巡檢本身也需要專業(yè)人才以及大量資金的投入，成本高、效率低。無人機巡檢對于地形和環(huán)境的要求不高，在遠程操控下就可以記錄目標風電葉片巡檢內容，顯著降低了人工參與工作量，降低了檢測成本，同時也提升了巡檢安全性。另外，在無人機智能化科學技術的應用下，構建了完善的無人機智能巡檢系統(tǒng)，功能隨之完善，進一步提升了無人機工作全面性以及工作效率，也有助于降低葉片故障發(fā)生率，為風電光伏系統(tǒng)運行安全性提供了有效保障[2-3]。

2 無人機及其故障識別路線

2.1 無人機

在當前智能巡檢中，主要應用六旋翼無人機，其自主巡檢系統(tǒng)組成包括有：無人機設別、RTK 精確定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳感器系統(tǒng)以及集成地面站系統(tǒng)等。實物具體見圖1。在應用中，通過RTK 差分精確定位，可以將定位精確度控制在2 cm 范圍內；完成巡檢拍照任務；連續(xù)作業(yè)時間可達到35～40 min；可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸和存儲，完成無人機監(jiān)視以及數(shù)據(jù)展示功能；執(zhí)行任務過程中可全自主避障飛行，同時可以將三維航線顯示出來；運行穩(wěn)定，具有較高的安全性[4]。

圖1 六旋翼無人機

2.2 無人機故障識別路線

無人機識別風機葉片故障前，先要在人工巡檢下確定樣本風機，也就是確定存在故障的風機，在無人機應用下實施巡檢，以此探討無人機識別風機葉片故障的應用價值。其中風機葉片故障識別技術路線見圖2。

圖2 風機葉片故障識別技術路線

2.2.1 確定巡檢區(qū)域

無人機在針對風電光伏機電葉片實施巡檢前，先要全面了解葉片實際工作情況、所處位置等信息，依照具體需求確定相應的巡檢方向和內容，其中無人機智能巡檢工作內容主要針對葉片主體、工作線路和相關附屬設備等[5]。對于葉片的工作情況和異常問題應用無人機高清相機，可以對其實施近距離拍照，完成相關信息的記錄和存儲，針對葉片中存在的異常情況和損傷位置實施計算分析，工作人員可以結合巡檢拍攝的照片及視頻確定故障位置及其原因，提出相應的處理維護策略。

2.2.2 巡檢流程

在無人機智能巡檢中，先要在無人機的應用下排查葉片周圍環(huán)境及其相關影響因素，審核相關數(shù)據(jù)，最后，完成無人機系統(tǒng)程序的設置，保證在無人機工作范圍內不存在密集樹林和高大構筑物，以免影響無人機的正常工作。在針對無人機檢測程序實施設計以及優(yōu)化后，還需要對其相關工作進行調試，確保各項工作均合格后即可確定相應飛行路線以及檢測項目，在飛行過程中必須由專業(yè)技術人員實施操作和控制，也需要設置相應的飛行警戒線。在完成無人機的起飛準備工作后，可以依照技術人員的指令進行起飛和巡檢，在此過程中詳細記錄無人機的起飛情況。巡檢過程中，技術人員依照設定的路線采用遙控器對無人機飛行路線實施控制，一旦出現(xiàn)飛行偏離情況，則可以立即對其實施手動操控，需要有效確保無人機始終在預定線路中飛行[6-8]。飛行速度需要結合當?shù)氐牡匦魏铜h(huán)境情況來確定，如果需要對輸電線路實施精細化巡檢，則可以適當放慢飛行速度，控制在4 m/s 范圍內。其中，飛行控制相關偽代碼為：

emit sendOneKeyFlyData(data)；//將編碼后的指令發(fā)送至通信鏈路模塊

getInformayionMsg(data[6])；//顯示已發(fā)送的指令信息，等待回復

if(isOpen){

this-＞port-＞write(data)；//通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至無人機

}

//接收回復指令并發(fā)送至飛行控制模塊

if(a[i+2]==char(0xC4) &&a[i+3]==char(0x02)&&isHandShaked){

int type_1=a[i+4]；int type_2=a[i+5]；

emit instructReply(type_1,type_2)；

}

3 無人機智能巡檢系統(tǒng)設計

3.1 硬件設計

無人機智能巡檢系統(tǒng)硬件設計中，主要包括兩部分，分別為控制模塊以及測距模塊。該系統(tǒng)設計中選用8 MHz 晶振，設置2 路LED 燈以及1 個SD 卡插槽共3 個串口。在此過程中，LED 燈的作用主要是指示說明，反映無人機工作狀態(tài)，以便能夠及時發(fā)現(xiàn)其異常情況等；SD 卡則能夠實現(xiàn)對無人機飛行日志的記錄[9-13]。以上串口主要是在數(shù)據(jù)包接收和測量數(shù)值中應用，在一路PWM 輸出口的接入應用下，可以有效實現(xiàn)對云臺拍照過程的控制[14-16]。系統(tǒng)硬件接線方案設計見圖3。為進一步減少產品成本，系統(tǒng)設計針對兩個模塊輸出數(shù)據(jù)實施同一串口處理，在應用過程中必須要和軟件配合，才能夠有效完成兩者測量距離的準確解析以及記錄。其中無人機模型智能選件見圖4。

3.2 軟件設計

結合無人機型號、系列和云臺拍照速度等相關情況，在無人機智能巡檢系統(tǒng)中的控制模塊為STMFI 以及MCU，在運行中具有較快通信速度，可以實現(xiàn)信息的及時傳遞，在風電葉片巡檢過程中能夠有效滿足實際需求。

圖3 系統(tǒng)硬件接線方案設計

圖4 激光模塊

無人機智能巡檢工作中，在軟件系統(tǒng)的應用下可以實現(xiàn)對葉片損傷相關信息的迅速處理，例如可以在軟件的應用下，實現(xiàn)對葉片損傷大小和邊界所占比例實施計算，同時和超聲波以及激光測量距離所得數(shù)值結合應用，可以實現(xiàn)對機電葉片實際損傷情況確定和分析，有助于降低計算誤差，提升檢測結果準確性。實際計算過程中，為提升計算準確性，可以采用超聲波和激光測量距離值兩者的平均值。其中無人機智能巡檢系統(tǒng)的MCU 框架設計見圖5。

圖5 MCU框圖設計

4 無人機智能巡檢的應用效果

在無人機智能巡檢中，針對樣本葉片采用無人機進行檢測，無人機運行過程中通過手動控制飛行航線，包括有兩個飛行路線分別為背風面順光飛行以及迎風面逆光飛行。在和葉片距離保持在10 m時對其實施智能識別，發(fā)現(xiàn)異常則懸停實施近距離拍照。在實驗過程中，無人機的迎風面逆光飛行巡檢結果效果不佳，背風面順光飛行巡檢工作順利完成，巡檢結果顯示，其中無人機葉片巡檢疑似故障見圖6，放大后故障信息見圖7，從圖中能夠發(fā)現(xiàn)，葉片邊緣存在有長裂紋，葉尖處也存在有葉片涂層脫落，存在劃痕。無人機巡測結果顯示熱斑識別存在10處疑似故障。

圖6 無人機巡檢疑似故障

圖7 光伏組件熱板識別

在以上兩種方法巡檢中可以發(fā)現(xiàn)，無人機智能巡檢結果中能夠準確發(fā)現(xiàn)光伏組件上的異常熱斑情況，由此可見，在風電光伏故障診斷中無人機能夠準確識別異常熱斑，為工作人員針對風電光伏運行維護提供了重要的參考依據(jù)。其中光伏電站在長時間運行中，容易出現(xiàn)各種裂紋、損壞等異常問題，也會存在落葉、塵土等覆蓋情況，如果一旦對光伏組件造成影響，則會導致存在局部陰影，引發(fā)組件內部部分電池單片電流和電壓出現(xiàn)改變，即會加大太陽電池組件布局電流和電壓之積，提升局部溫度。另外，太陽能組件中部分電池單片如果具有缺陷，也會引發(fā)組件出現(xiàn)局部溫度升高，發(fā)生熱斑。在熱斑效應下，溫度持續(xù)升高達到極限，則會導致電池組出現(xiàn)焊點熔化，造成柵線損傷，導致出現(xiàn)嚴重后果。因此，無人機智能巡檢在風電光伏故障診斷中的應用，更有助于提升檢測準確性，為風電光伏穩(wěn)定運行提供了有效保障。

5 結束語

通過以上研究得出以下結論：

第一，無人機智能巡檢在風電光伏故障診斷中具有重要應用價值，在完成無人機智能巡檢系統(tǒng)硬件和軟件設計后，可以依照相關的巡檢路線實施檢測，彌補了高倍望遠鏡在應用中精細化不足的問題，有助于保障風電光伏的正常穩(wěn)定運行。

第二，無人機智能巡檢和人工巡檢結果相比，能夠實現(xiàn)對光伏組件異常熱斑的有效檢測，能夠有效防范異常熱斑對光伏組件的損傷，為相關工作人員運行維護提供相關參考依據(jù)，確保風電光伏的穩(wěn)定運行，提升運行安全性和可靠性。

第三，無人機在風電光伏故障檢測中的應用，操作簡單、維護便利，具有較高性價比，同時也能夠進一步提升檢測結果全面性和準確率，提高工作質量和效率，可以有效滿足用戶需求，是當前風電光伏故障檢測中的一個重要選擇。