山地光伏電站復雜地形下自動無人機巡檢系統的開發

張大為　曹丕　陳勇　王偉林　孫傲　張會

摘要：隨著光伏電站數量逐年增加，光照充足、地形平坦等建設條件較好地區的土地資源日益減少，而在農牧業、湖泊、山地等具有次之建設條件的區域建設光伏電站，已成為光伏電站建設的優先考慮形式，特別是地形地貌復雜的山地光伏電站最為突出。基于此，本文詳細探討了山地光伏電站自動無人機巡檢系統的應用。

關鍵詞：光伏電站;無人機;自動巡檢

山地光伏電站作為一種大型電站，其占地面積廣，地勢復雜，組件排布不一致，致使電站運維環境復雜，日常工作量大，設備運行狀態監測困難，易出現紕漏。如何實現高效的電站巡檢已成為光伏行業關注的一個熱點。與傳統的光伏電站巡檢方法相比，無人機巡檢能有效解決光伏電站長期的巡檢問題，采用無人機高程和靈活的作業方式能有效克服光伏電站復雜的應用環境。

一、山地光伏電站特點

山地光伏電站是指在山地、丘陵等復雜地形條件下建設的光伏電站。

1、山坡朝向差異大，易受山體陰影影響。山區地形復雜，高差變化大，陰影部分大部分是由于山體陰影產生，所以合理的選區布置區域較為重要。

2、山地地形本身或陣列間的局部遮擋。山區地勢高低不一，若施工過程中未合理設計支架高度，將會出現陣列局部互相遮擋的現象。

3、光伏陣列分散、分區復雜，難以實現設計和設備選型的標準化。所以山地光伏電站地形復雜、高差變化大，合理選取陣列布置區域、設置陣列間距、傾角、方位角，均是設計的重難點。

二、光伏電站無人機巡檢性能要求

目前，光伏電站要求的生命周期為25年，能及時有效的排除故障是提高電站收益的重要因素。當電站某塊組件出現電池片破損隱裂等情況或部分發電組件被云、樹葉鳥糞等物體遮擋導致接收到的太陽光輻照強度不一致時或連接故障不良會導致局部過熱情況。

在無人機上掛載可視光和紅外光設備，按巡航路線采集電站設備的運轉情況，快速檢查光伏組件表面有無破損、污漬，并通過紅外熱量信息直觀觀察電站工作狀態和輸電設備是否在異常工作。要求在200W/m～1000W/m輻照度范圍內，拍攝的影像能清楚識別光伏組件焊帶、電池片及組件表面的12cm白色不透明遮擋物，圖像清晰無雪花點、閃爍、拖尾等。紅外熱成像設備需能手動和自動拍攝存儲功能，能設置最高溫差限制，可顯示最高點溫度位置及溫度值。

三、基于光伏電站的無人機自動巡檢系統

圖1為基于光伏電站的無人機自動巡檢系統示意圖，包括搭載紅外熱像儀的無人機、無人機地面站、地面充電設備、數據處理單元。其中，無人機負責通過紅外熱像儀采集光伏組件的紅外圖像;無人機地面站負責確保無人機與地面站的實時通信，通過航跡規劃或手動控制無人機的飛行速度、高度、紅外熱像儀的拍攝角度，獲取無人機的飛行信息及光伏組件的紅外圖像信息;地面充電設備負責無人機的自動充電，確保無人機的飛行動力;數據處理單元負責處理采集到的紅外圖像信息，標記太陽能電池的故障情況，并生成相應的故障報表。

在無人機巡測系統中，無人機采用自主研發的M1六旋翼機，搭載紅外熱像儀飛行巡檢。無人機自航儀包括飛控、GPS、聲納，并配有遙控器進行輔助控制。無人機速度可達80km/h，飛行高度120～200m;可在18km/h風速范圍內自穩或定點懸停;風速為40km/h時，定點懸停誤差在30cm以內，抗風等級為6級;在30～60min內，可檢測完20MW組件中各組件的溫度（理論上，在STC標準下，單列光伏伏組件傾斜高度為4.8m，檢測面積長為15km），精度為0.2°。無人機的動力由大容量鋰電池及配備的地面充電設備共同保證;其上的大容量存儲裝置確保飛行期間拍攝的影像資料的存儲，無人機地面站起落點設置無線網絡，方便傳輸影像數據。紅外熱像儀的分辨率為640像素×480像素，測溫范圍為-20～250℃。

四、基于光伏電站的無人機自動巡檢系統工作流程

在制定光伏電站巡檢計劃時，應先做好巡檢的前期準備工作，工作人員應參照現有數據進行現場勘察，以確定待巡檢光伏電站的規模，結合紅外熱像儀拍攝視角和分辨率，確定無人機的飛行高度及紅外熱像儀單次拍攝的紅外圖像區域大小，以規劃、計算、制定無人機的飛行路線和懸停拍照位置;考察一天各時段的光照強度，選擇光照強時段作為無人機巡檢時間。

起飛后，無人機按預先設定的路線開始巡檢，當到達懸停拍照位置時，無人機自主懸停。同時調整紅外熱像儀拍攝鏡頭所在平面，使其與光伏組件所在平面平行并進行拍攝，拍攝的紅外圖像信息存儲在紅外熱像儀的存儲空間;整個過程完成后，無人機繼續按設定的航線飛行，在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，無人機返回并降落在移動保障平臺上，并自動將拍攝的紅外圖像信息上傳到云存儲空間，完成數據采集。同時采用智能充電系統自立充電，等待下次巡檢。巡檢頻率可根據具體需要自行設定。

五、基于光伏電站的無人機自動巡檢故障自動識別

自動圖像識別能克服人類識別主觀性強、效率低等問題，但云存儲中心的紅外圖像信息需通過以下步驟計算處理：

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

2、光伏組件的有效區域檢測。濾除圖像噪聲，保留圖像邊緣，利用相關算法提取并圈定組件有效區域。

3、光伏組件溫度計算。對有效區域內的圖像灰度進行拉伸以增加對比度，使用相關算法將圖像灰度值轉換為相應的溫度值，每塊組件取最高溫度。

4、組件溫度值按區域比較。將測量的溫度值與設定的閾值溫度進行比較，溫差在正常范圍內的區域標記為“0”，表示電池片正常，超過閾值溫度范圍標記為“1”，表示電池片故障。

5、打印輸出故障報表。最后，生成并打印包含“0”和“1”信息的整幅紅外圖像相對應的故障報表。

工作人員可根據輸出故障報表對光伏電站進行維護。

六、基于光伏電站的無人機自動巡檢系統與其他巡檢方法的比較

光伏電站無人機自動巡檢方法的優點包括：①整個巡檢過程中故障判斷標準一致;②快速有效的故障檢測;③可在光伏組件工作狀態下檢測，巡檢時光伏組件不會損壞;④能及時提供數據處理與分析，巡檢結果直觀清晰，維護可操作性強;⑤巡檢時間可根據需要設置，整個巡檢過程為自動化。

與基于集群通信的光伏電站故障檢測方法相比，無人機自動巡檢系統具有靈活性強、資本與人力投入少、可操作性強等優點。經分析，若采用綜合能效比PR值來評價光伏電站的系統性能指標，使用無人機自動巡檢系統可直接降低組件污漬損失4%，陣列遮擋4%，溫度損失1%;可減少清洗量10%，接線盒故障30%，陣列火災50%。

參考文獻：

[1]王斌.紅外熱像儀搭載無人機在光伏電站中的應用[J].青海科技，2017（02）.

[2]常慧.基于光伏電站的無人機全自動巡檢系統的應用研究[J].太陽能，2019（01）.