無(wú)人機(jī)在風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備巡檢中的應(yīng)用

楊兆輝，王 鵬，林建維

(1. 國(guó)投廣西風(fēng)電有限公司，廣西 欽州 535000；國(guó)投電力控股股份有限公司，北京 100034)

0 引言

隨著時(shí)代的高速發(fā)展，世界能源結(jié)構(gòu)也在快速變化。近年來(lái)人們更加認(rèn)識(shí)到風(fēng)力發(fā)電在減輕環(huán)境污染、調(diào)整電網(wǎng)中的能源結(jié)構(gòu)、解決偏遠(yuǎn)地區(qū)居民用電問(wèn)題等方面的突出貢獻(xiàn)，這些都促使了風(fēng)電的大力發(fā)展。

風(fēng)電場(chǎng)一般建設(shè)在人跡罕見(jiàn)的偏僻地區(qū)，尤其近幾年三北地區(qū)風(fēng)電容量日漸飽和的情況下，風(fēng)電建設(shè)逐漸向中東部地區(qū)和東南沿海地區(qū)擴(kuò)散。尤其東南和南方地區(qū)風(fēng)電建設(shè)因丘陵起伏連綿，地形復(fù)雜，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)架空線(xiàn)路穿山越嶺，架設(shè)長(zhǎng)度較長(zhǎng)。欽州南臨北部灣，西北靠十萬(wàn)大山，主要受海洋氣候影響，也受大陸氣團(tuán)影響，海洋性氣候明顯，是中國(guó)濕熱多雨的地方之一，自然環(huán)境惡劣。風(fēng)電場(chǎng)主要設(shè)備基本建設(shè)在戶(hù)外，隨著時(shí)間推移和自然環(huán)境因素影響更容易造成設(shè)備老化，較大可能發(fā)生設(shè)備地基塌陷、引線(xiàn)斷股、塔架變形、絕緣子污閃、金具破損、線(xiàn)路走廊植被過(guò)高等設(shè)備缺陷和安全隱患，如果設(shè)備隱患和設(shè)備缺陷發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，未能得到有效的整治和處理，將會(huì)嚴(yán)重威脅風(fēng)電安全運(yùn)行，也會(huì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)造成更多的經(jīng)濟(jì)損失。

1 無(wú)人機(jī)巡檢的背景

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會(huì)對(duì)電力能源提出了巨大需求，風(fēng)電建設(shè)規(guī)模穩(wěn)步增長(zhǎng)。我國(guó)建設(shè)的風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模越來(lái)越大，風(fēng)機(jī)設(shè)備也越來(lái)越多，建設(shè)高度也越來(lái)越高。

我公司1個(gè)194 MW容量75臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)，輸電線(xiàn)路已達(dá)到100 km，因?yàn)樽匀画h(huán)境限制，線(xiàn)路沿著山脊建設(shè)穿越很多溝壑，大多數(shù)桿塔均在森林中。針對(duì)現(xiàn)代化智能風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行、檢修管理模式，傳統(tǒng)人工巡檢一般采用望遠(yuǎn)鏡、目測(cè)進(jìn)行巡檢，傳統(tǒng)人工巡檢方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足智能風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)需求。現(xiàn)代化智能風(fēng)電建設(shè)需要安全、科學(xué)、智能、高效的設(shè)備巡檢作業(yè)流程和方法。

2 無(wú)人機(jī)巡檢發(fā)展的趨勢(shì)

2.1 成本優(yōu)勢(shì)

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)的價(jià)格也在逐步下降，大致50 000元以?xún)?nèi)可以配置一套專(zhuān)業(yè)巡檢無(wú)人機(jī)。而培養(yǎng)一名技術(shù)能力較強(qiáng)的巡檢人員需要時(shí)間，人力成本高昂，從性?xún)r(jià)比來(lái)講無(wú)人機(jī)巡檢更勝一籌。

2.2 安全提升

風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)在一些特別的地方，工作人員需要戰(zhàn)勝一些地理環(huán)境的約束，需要跋山涉水、穿越森林、爬上爬下，存在諸多安全風(fēng)險(xiǎn)，可能會(huì)發(fā)生不安全事件。而無(wú)人機(jī)巡檢代替人工巡檢后就可以提升巡檢人員的環(huán)境安全，減少了工作人員以身涉險(xiǎn)的狀況，可以避免不安全事件發(fā)生，大大提高了安全系數(shù)。

2.3 效率提高

無(wú)人機(jī)具有較高的機(jī)動(dòng)性，部分無(wú)人機(jī)時(shí)速可達(dá)100 km，無(wú)人機(jī)可安裝配置高清攝像頭和紅外成像儀等輔助設(shè)備，可以對(duì)設(shè)備實(shí)際情況和設(shè)備本體溫度進(jìn)行成像，通過(guò)多角度紅外熱成像分析可發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)在問(wèn)題，大大提高巡檢的工作效率。

2.4 精確清晰

傳統(tǒng)人工巡檢，基本都是通過(guò)望遠(yuǎn)鏡和目視巡視檢查設(shè)備，對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組、塔筒、葉片、架空線(xiàn)路、桿塔等設(shè)備巡檢時(shí)，存在觀察不夠清晰和準(zhǔn)確的缺點(diǎn)。無(wú)人機(jī)配置高清攝像頭后可完美解決此類(lèi)問(wèn)題，可以多角度提供相關(guān)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

2.5 創(chuàng)新創(chuàng)效

結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)自身特點(diǎn)，應(yīng)用新技術(shù)、新設(shè)備、新方法。創(chuàng)新以往傳統(tǒng)工作方式，解決安全生產(chǎn)中存在的問(wèn)題，通過(guò)改變巡檢方式，達(dá)到了創(chuàng)新創(chuàng)效的結(jié)果。

無(wú)人機(jī)應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備巡檢，無(wú)人機(jī)可以飛行在任意高度，不受地面環(huán)境限制，尤其適用于風(fēng)電場(chǎng)這種環(huán)境偏僻，人煙稀少的場(chǎng)地開(kāi)展設(shè)備巡檢工作。無(wú)人機(jī)配置的高清攝像頭可多方位對(duì)巡檢設(shè)備進(jìn)行檢查拍照，無(wú)人機(jī)操作人員根據(jù)地面ipad實(shí)時(shí)回傳圖片隨時(shí)進(jìn)行復(fù)查和拍照，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患和設(shè)備缺陷。大大提高設(shè)備巡檢效率，同時(shí)也保證了巡檢人員的人身安全，高清攝像頭更能保證設(shè)備清晰照片實(shí)時(shí)回傳，并隨時(shí)留有記錄。采用無(wú)人機(jī)巡檢不僅提高了設(shè)備巡檢效率，也是現(xiàn)代化智能風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的體現(xiàn)。

3 無(wú)人機(jī)巡檢的內(nèi)容

表1 無(wú)人機(jī)主要巡檢內(nèi)容Tab.1 main patrol inspection contents of UAV

4 無(wú)人機(jī)巡檢優(yōu)劣勢(shì)分析

4.1 客觀問(wèn)題

功能質(zhì)量：不同的無(wú)人機(jī)機(jī)型性能不同，所擁有的功能和質(zhì)量參差不齊，風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備巡檢環(huán)境相對(duì)惡劣，建議采用抗風(fēng)能力較強(qiáng)，功率較大的無(wú)人機(jī)。

天氣原因：如遇大風(fēng)、雷雨、暴雪濃霧等天氣時(shí)，無(wú)人機(jī)嚴(yán)禁風(fēng)行巡檢。無(wú)人機(jī)巡檢前應(yīng)檢查天氣預(yù)報(bào)，目測(cè)天空狀態(tài)后再進(jìn)行起飛巡檢。

空域管制：嚴(yán)禁在禁飛區(qū)域進(jìn)行無(wú)人機(jī)飛行操作，風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)、架空線(xiàn)路、高壓設(shè)備均為敏感區(qū)域，起飛巡檢之前必須申請(qǐng)風(fēng)電場(chǎng)負(fù)責(zé)人，經(jīng)批準(zhǔn)后方可實(shí)施。

4.2 人員問(wèn)題

無(wú)人機(jī)操作人員較少，我場(chǎng)取得AOPA頒發(fā)的無(wú)人機(jī)駕駛員合格證只有2人，還需進(jìn)一步培養(yǎng)操作人員。

無(wú)人機(jī)巡檢工作開(kāi)展較少，實(shí)際操作不夠熟練。

無(wú)人機(jī)操作人員對(duì)設(shè)備了解不足，不能精準(zhǔn)尋找和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

飛行技術(shù)與設(shè)備知識(shí)結(jié)合度不足，還需加強(qiáng)設(shè)備技術(shù)培訓(xùn)。

未編制無(wú)人機(jī)巡檢標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程，可能出現(xiàn)個(gè)人差錯(cuò)。

4.3 優(yōu)勢(shì)分析

無(wú)人機(jī)的發(fā)展為風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備巡檢提供了新的方向和巡檢方法。無(wú)人機(jī)巡檢相比較傳統(tǒng)設(shè)備巡檢有著巨大的優(yōu)勢(shì)：

無(wú)人駕駛，人機(jī)分離，巡檢人員在安全區(qū)域內(nèi)，無(wú)安全危險(xiǎn)因素，安全系數(shù)高；不受設(shè)備位置和高度限制，最高可以飛行至500 m高空巡檢，可以到達(dá)設(shè)備任意高度巡檢，解決了使用望遠(yuǎn)鏡觀察不清晰的問(wèn)題；不受自然環(huán)境限制，即使因自然環(huán)境問(wèn)題，導(dǎo)致人員不能行動(dòng)，無(wú)人機(jī)依然能夠開(kāi)展設(shè)備巡檢工作；無(wú)人機(jī)飛行速度快，時(shí)速94 km/h，機(jī)動(dòng)性高，巡檢效率大幅提高；無(wú)人機(jī)巡檢拍攝圖片清晰，可近距離觀察拍攝到設(shè)備實(shí)際狀態(tài)。

5 無(wú)人機(jī)巡檢的應(yīng)用

5.1 架空線(xiàn)路巡檢

風(fēng)電場(chǎng)架空線(xiàn)路巡檢難度較大，而無(wú)人機(jī)巡檢具備高空、遠(yuǎn)距離、快速、自行作業(yè)的能力，可以穿越高山、森林、溝壑、河流對(duì)架空線(xiàn)路進(jìn)行快速巡線(xiàn)，對(duì)架空線(xiàn)的鐵塔、支架、導(dǎo)線(xiàn)、絕緣子、防震錘、耐張線(xiàn)夾、懸垂線(xiàn)夾等進(jìn)行全程攝像和故障檢查。

圖1 架空線(xiàn)路巡檢Fig.1 overhead line inspection

5.2 風(fēng)機(jī)外部巡檢

應(yīng)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行風(fēng)機(jī)外部巡檢，可從外部接近風(fēng)力發(fā)電機(jī)，解決風(fēng)機(jī)外部巡檢難問(wèn)題，無(wú)人機(jī)攜帶的高清攝像頭可拍攝高精度的圖片和視頻，清晰地辨識(shí)風(fēng)機(jī)外部情況和運(yùn)行狀態(tài)，還可以通過(guò)飛行器儲(chǔ)存的超高清視頻素材進(jìn)行后續(xù)分析，讓風(fēng)機(jī)外部巡檢變得安全、便捷。

圖2 風(fēng)機(jī)葉片巡檢Fig.2 inspection for fan blades

6 無(wú)人機(jī)巡檢管理提升

6.1 建立健全組織機(jī)構(gòu)

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際，結(jié)合自身設(shè)備和地理環(huán)境特點(diǎn)，建立無(wú)人機(jī)巡檢管理組織體系，明確責(zé)任，落實(shí)到人。將公司高層、中層、基層人員納入組織機(jī)構(gòu)。

6.2 制定無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

參考風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)有巡檢標(biāo)準(zhǔn)，篩選適用于無(wú)人機(jī)巡檢的設(shè)備和巡檢內(nèi)容，并制定本風(fēng)電場(chǎng)無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，審定下發(fā)后，無(wú)人機(jī)巡檢嚴(yán)格按照無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展巡檢工作。

6.3 無(wú)人機(jī)技術(shù)培訓(xùn)

如風(fēng)電場(chǎng)有取得AOPA頒發(fā)無(wú)人機(jī)駕駛員合格證的工作人員，可安排取得駕駛員合格證的人員開(kāi)展無(wú)人機(jī)技術(shù)培訓(xùn)，講授無(wú)人機(jī)飛行操作的基本方法和經(jīng)驗(yàn)。如無(wú)取得駕駛員合格證人員，可以參加無(wú)人機(jī)駕駛培訓(xùn)機(jī)構(gòu)培訓(xùn)，通過(guò)考試取得證書(shū)。風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)根據(jù)自身?yè)碛械臒o(wú)人機(jī)機(jī)型制定無(wú)人機(jī)技術(shù)培訓(xùn)課件，詳細(xì)闡述無(wú)人機(jī)的功能、操作方法、安全注意事項(xiàng)等，組織全員學(xué)習(xí)。

6.4 無(wú)人機(jī)模擬巡檢

當(dāng)操作人員取得試飛資格后，由有駕駛證和有經(jīng)驗(yàn)的無(wú)人機(jī)駕駛員進(jìn)行監(jiān)護(hù)模擬操作。經(jīng)過(guò)多次的模擬飛行巡檢，提高無(wú)人機(jī)操作人員的操作技術(shù)。

6.5 無(wú)人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)分析

每次無(wú)人機(jī)巡檢工作結(jié)束后，巡檢人員應(yīng)及時(shí)上報(bào)巡檢數(shù)據(jù)，設(shè)備責(zé)任人收到數(shù)據(jù)后應(yīng)及時(shí)對(duì)比分析，通過(guò)無(wú)人機(jī)巡檢臺(tái)帳，對(duì)比查找問(wèn)題，如有問(wèn)題應(yīng)進(jìn)行復(fù)檢，檢查完畢后根據(jù)存在的問(wèn)題進(jìn)行缺陷和隱患分類(lèi)處理。

6.6 無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)比武

風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)不定開(kāi)展無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)比武活動(dòng)，提前制定無(wú)人機(jī)技術(shù)比武方案，制定規(guī)則，營(yíng)造比學(xué)趕幫超的學(xué)習(xí)氛圍，讓更多的員工，掌握無(wú)人機(jī)巡檢的精髓。

7 無(wú)人機(jī)巡檢核心作業(yè)流程

無(wú)人機(jī)巡檢工作的主要工作內(nèi)容包括發(fā)布巡檢任務(wù)、接受巡檢任務(wù)、選擇巡檢路線(xiàn)/飛行場(chǎng)地選擇、無(wú)人機(jī)組裝測(cè)試/飛行前檢查、無(wú)人機(jī)巡檢/飛行航拍、數(shù)據(jù)檢查/降落。

圖3 無(wú)人機(jī)作業(yè)流程圖Fig.3 UAV operation flow chart

7.1 發(fā)布巡檢任務(wù)

班組根據(jù)生產(chǎn)管理部設(shè)備巡檢標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)巡檢標(biāo)準(zhǔn)期限要求，將巡檢標(biāo)準(zhǔn)上傳至智能兩票管理系統(tǒng)，通過(guò)智能兩票系統(tǒng)巡檢任務(wù)下發(fā)到設(shè)備責(zé)任人。

7.2 接受巡檢任務(wù)

設(shè)備責(zé)任人通過(guò)智能兩票系統(tǒng)或移動(dòng)APP接受無(wú)人機(jī)巡檢任務(wù)，設(shè)備責(zé)任人查看并受理任務(wù)。

7.3 選擇巡檢路線(xiàn)

工作負(fù)責(zé)人接受巡檢任務(wù)后，根據(jù)巡檢任務(wù)在智能兩票系統(tǒng)，辦理無(wú)人機(jī)巡檢工作票，調(diào)用相關(guān)設(shè)備無(wú)人機(jī)巡檢標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)備工作完成后，經(jīng)簽發(fā)人簽發(fā)，許可人許可后方可開(kāi)展無(wú)人機(jī)巡檢工作。

7.4 無(wú)人機(jī)巡檢前準(zhǔn)備

無(wú)人機(jī)巡檢前，首先應(yīng)檢查天氣預(yù)報(bào)，是否會(huì)影響巡檢工作。

檢查無(wú)人機(jī)電源充足，可以正常起飛巡檢。

檢查確認(rèn)巡檢范圍不屬于禁飛區(qū)域。

圖4 巡檢任務(wù)圖Fig.4 patrol inspection task diagram

圖5 巡檢功能Fig.5 patrol function

7.5 無(wú)人機(jī)巡檢

無(wú)人機(jī)巡檢工作必須嚴(yán)格按照無(wú)人機(jī)巡檢標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行巡檢，不得漏項(xiàng)、跳項(xiàng)。

無(wú)人機(jī)巡檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)有異常現(xiàn)象，首先應(yīng)操作無(wú)人機(jī)正常降落。

無(wú)人機(jī)巡檢過(guò)程中如遇突發(fā)天氣情況，應(yīng)立即停止飛行。

無(wú)人機(jī)巡檢過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)重大設(shè)備隱患，應(yīng)第一時(shí)間匯報(bào)值長(zhǎng)。

嚴(yán)禁在開(kāi)展無(wú)人機(jī)巡檢工作中將無(wú)人機(jī)摞做他用。

7.6 數(shù)據(jù)檢查

無(wú)人機(jī)巡檢過(guò)程中，巡檢人員應(yīng)實(shí)時(shí)觀察巡檢數(shù)據(jù)是否正常。

無(wú)人機(jī)巡檢結(jié)束后應(yīng)及時(shí)將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，移交至設(shè)備負(fù)責(zé)人，由設(shè)備負(fù)責(zé)人進(jìn)行分析總結(jié)。

8 結(jié)論

隨著科技快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用也逐漸普及到各個(gè)行業(yè)和生活中。采用無(wú)人機(jī)巡檢，不僅可以降低企業(yè)在設(shè)備巡檢過(guò)程中的人力，同時(shí)用無(wú)人機(jī)巡檢代替人工巡檢保證了人身安全，無(wú)人機(jī)更具有高機(jī)動(dòng)性，大大提高了設(shè)備巡檢工作效率。隨著機(jī)器視覺(jué)概念的提出，高清攝像頭成為無(wú)人機(jī)的標(biāo)配，這也保證了我們對(duì)設(shè)備的清晰觀察，更能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的問(wèn)題。所以無(wú)人機(jī)會(huì)成為風(fēng)電場(chǎng)巡檢工作中的中堅(jiān)力量。