徐 進(jìn)，丁 顯，宮永立，許恒雷

（魯能新能源（集團(tuán)）有限公司，北京 100020）

0 引言

隨著新能源行業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電裝機(jī)容量迅速增長(zhǎng)，科技水平也不斷提高。

在風(fēng)力發(fā)電方面，市場(chǎng)上出現(xiàn)長(zhǎng)葉片、大容量風(fēng)機(jī)，葉片長(zhǎng)度也由原來(lái)的（30～40）m 增加至（60～70）m。風(fēng)電機(jī)組的生命周期是20年，在生命周期內(nèi)，風(fēng)機(jī)葉片難免會(huì)出現(xiàn)損傷，出現(xiàn)故障，由于葉片的結(jié)構(gòu)、所處環(huán)境的復(fù)雜性，給風(fēng)機(jī)葉片的運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)很大困難，尤其是葉片長(zhǎng)度的增長(zhǎng)和葉片重量的增加給葉片的運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的葉片損傷、故障的檢測(cè)手段是使用望遠(yuǎn)鏡觀察和繩索垂降人工檢測(cè)，存在檢測(cè)效率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大；高空作業(yè)，檢測(cè)成本高；檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，停機(jī)發(fā)電量損失大等缺點(diǎn)[1]。

在光伏發(fā)電方面，存在光伏陣列布置分散，光伏區(qū)面積大的場(chǎng)站，對(duì)于組件灰塵、污垢、裂痕、遮擋、發(fā)熱等異常情況的檢查，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法是人工巡檢。人工巡檢存在對(duì)異常的光伏組件定位難，工作效率低、運(yùn)維成本高等缺陷[2]。

為提高工作效率，降低運(yùn)維成本，提高風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電相應(yīng)的運(yùn)維水平，在能源互聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)的背景下，一些智能化運(yùn)維手段應(yīng)運(yùn)而生。近幾年，在風(fēng)機(jī)葉片和光伏組件巡檢中，無(wú)人機(jī)智能巡檢技術(shù)浮出水面，其實(shí)，無(wú)人機(jī)智能巡檢早有應(yīng)用，如文獻(xiàn)[3]提到的配網(wǎng)架空輸電線路無(wú)人機(jī)綜合巡檢技術(shù)、文獻(xiàn)[4]提到的基于4旋翼無(wú)人機(jī)的橋梁裂縫檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將無(wú)人機(jī)用于架空輸電線路的巡檢、橋梁裂紋的檢測(cè)。本文將無(wú)人機(jī)用于風(fēng)機(jī)葉片損傷（如裂紋、腐蝕、斷裂等）和光伏組件的污垢、裂痕、遮擋和發(fā)熱等異常情況的巡檢，提高工作效率，提高運(yùn)維水平，降低運(yùn)維成本。

1 無(wú)人機(jī)簡(jiǎn)介

應(yīng)用六旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)智能巡檢工作，無(wú)人機(jī)自主巡檢系統(tǒng)主要由無(wú)人機(jī)設(shè)備、數(shù)據(jù)采集傳感器系統(tǒng)(雙光系統(tǒng))、基于RTK的精確定位系統(tǒng)、雙目視覺(jué)自動(dòng)避障系統(tǒng)和集成地面站系統(tǒng)組成[5]。圖1是六旋翼無(wú)人機(jī)示意圖。

6旋翼無(wú)人機(jī)具有以下性能：①RTK差分精準(zhǔn)定位，定位精度達(dá)到±2 cm；②執(zhí)行自動(dòng)拍照任務(wù)；③續(xù)航時(shí)間（35～40）min（攜帶作業(yè)載荷），空機(jī)續(xù)航時(shí)間（50～55）min；④能實(shí)現(xiàn)從起飛、巡航執(zhí)行任務(wù)、返航降落全自主自動(dòng)避障飛行，且可顯示三維航線；⑤能實(shí)現(xiàn)失控返航、低電壓返航；⑥能實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的傳輸、存儲(chǔ)，并有地面站監(jiān)視系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)監(jiān)視、指令控制、數(shù)據(jù)展示等功能；⑦性能穩(wěn)定、可靠、安全性高。其他主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 六旋翼無(wú)人機(jī)

表1 6旋翼無(wú)人機(jī)技術(shù)參數(shù)

2 風(fēng)電巡檢

2.1 葉片故障情況

葉片在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，也經(jīng)常受到強(qiáng)風(fēng)負(fù)荷，沙粒沖刷，潮濕空氣腐蝕與大氣氧化等因素的影響，難免會(huì)造成葉片表面受損，如果不及時(shí)處理會(huì)造成葉片斷裂，嚴(yán)重威脅機(jī)組安全運(yùn)行，葉片損傷情況大致分5類[6]。

（1）涂層脫落。葉片長(zhǎng)期受潮濕空氣腐蝕會(huì)造成葉片涂層脫落，如不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，會(huì)造成更大面積的涂層脫落，影響葉片的使用壽命。

（2）表面裂紋。葉片表面出現(xiàn)裂痕比較常見，多數(shù)是由于風(fēng)機(jī)自振引起的，在裂紋形成初期，很難被發(fā)現(xiàn)。只有在因風(fēng)機(jī)自振、葉片抖動(dòng)時(shí)，裂紋處的每次漲縮瞬間，外界污物乘機(jī)而入，裂紋內(nèi)形成葉片上黑色橫紋時(shí)，才容易被發(fā)現(xiàn)，它的發(fā)展迅速，如不及時(shí)修補(bǔ)，容易造成葉片折斷，造成經(jīng)濟(jì)損失。

（3）雷擊損傷。在雨水多的地區(qū)，雖然葉片有防雷系統(tǒng)，但葉片遭受雷擊現(xiàn)象比較常見，雷擊會(huì)給葉片帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p傷，甚至使葉片直接報(bào)廢。

（4）排水孔堵塞。葉片被污染后，容易使葉尖的排水孔堵塞，影響葉片排水，長(zhǎng)期積水會(huì)使葉片轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生噪聲，同時(shí)會(huì)造成葉片腐蝕。

（5）螺栓斷裂。葉根螺栓斷裂會(huì)導(dǎo)致葉片脫落。

2.2 無(wú)人機(jī)識(shí)別故障

在使用無(wú)人機(jī)識(shí)別風(fēng)機(jī)葉片故障前，首先通過(guò)人工巡檢方式選擇樣本風(fēng)機(jī)，即選擇風(fēng)機(jī)葉片有故障的風(fēng)機(jī)，然后使用無(wú)人機(jī)對(duì)其巡檢，最后對(duì)比分析無(wú)人機(jī)識(shí)別風(fēng)機(jī)葉片故障的可靠性。風(fēng)機(jī)葉片故障識(shí)別技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)葉片故障識(shí)別技術(shù)路線

2.2.1 人工巡檢

在某投運(yùn)已久的風(fēng)電場(chǎng)，對(duì)某定槳距風(fēng)機(jī)葉片開展人工巡檢工作，現(xiàn)場(chǎng)檢修人員通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀察和繩索垂降相結(jié)合的人工巡檢法，確立1臺(tái)樣本風(fēng)機(jī)，該樣本風(fēng)機(jī)葉片存在以下故障（3支葉片編號(hào)分別為RH24AB055Ⅺ，RH24AB056Ⅺ和RH24AB057Ⅺ），其中葉片RHAB057Ⅺ未發(fā)現(xiàn)異常。

圖3 葉片RH24AB055Ⅺ人工巡檢結(jié)果

圖3為葉片RH24AB055Ⅺ的人工巡檢結(jié)果，結(jié)果是出現(xiàn)碳管定位銷松動(dòng)1處，碳管定位銷裂痕1處，未見其他故障。圖4為葉片RH24AB056Ⅺ人工巡檢結(jié)果，其中圖4a是風(fēng)機(jī)葉片出現(xiàn)裂紋，裂紋長(zhǎng)度大約40 cm，圖4b是檢查碳管定位銷出現(xiàn)松動(dòng)。

2.2.2 無(wú)人機(jī)巡檢

應(yīng)用無(wú)人機(jī)對(duì)確立的樣本風(fēng)機(jī)開展智能巡檢工作[7]，通過(guò)手動(dòng)航線飛行，實(shí)現(xiàn)迎風(fēng)面逆光飛行和背風(fēng)面順光飛行。距離風(fēng)機(jī)葉片10 m，通過(guò)無(wú)人機(jī)對(duì)故障的智能辨識(shí)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障信息，控制無(wú)人機(jī)懸停對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行近距離拍攝。經(jīng)試驗(yàn)，迎風(fēng)逆光飛行的巡檢效果不佳，背風(fēng)順光飛行可完成正常巡檢，其巡檢結(jié)果如下：

圖5是葉片RH24AB055Ⅺ、葉片RH24AB056Ⅺ和葉片RH24AB056Ⅺ的無(wú)人機(jī)巡檢結(jié)果，圖5a是無(wú)人機(jī)葉片巡檢中疑似故障的辨識(shí)，圖6b是經(jīng)過(guò)放大后的風(fēng)機(jī)葉片故障信息。從圖中可以看出，第一組圖中，在葉片邊緣，出現(xiàn)長(zhǎng)裂紋；第二組圖中，同樣在葉片邊緣處，出現(xiàn)裂紋；第三組圖中，在葉尖處出現(xiàn)葉片涂層脫落，并伴有劃痕。

圖4 葉片RH24AB056Ⅺ巡檢結(jié)果

3 光伏巡檢

圖5 樣本風(fēng)機(jī)3支葉片的無(wú)人機(jī)巡檢結(jié)果

運(yùn)營(yíng)已久的光伏電站，在光伏組件等設(shè)備上會(huì)出現(xiàn)龜裂、蝸牛紋、損壞、焊帶故障等問(wèn)題，也難免落上飛鳥、塵土、落葉等遮擋物。光伏組件如果落上遮擋物，由于局部陰影的存在，太陽(yáng)電池組件中某些電池單片的電流、電壓發(fā)生了變化，其結(jié)果使太陽(yáng)電池組件局部電流與電壓之積增大，從而在這些電池組件上產(chǎn)生了局部溫升。太陽(yáng)電池組件中某些電池單片本身缺陷也可能使組件在工作時(shí)局部發(fā)熱，而出現(xiàn)熱斑。若熱斑效應(yīng)產(chǎn)生的溫度超過(guò)了一定極限將會(huì)使電池組件上的焊點(diǎn)熔化并毀壞柵線，從而導(dǎo)致整個(gè)太陽(yáng)電池組件的報(bào)廢，可見，光伏組件智能巡檢的重要性[8]。

圖6 光伏組件熱斑識(shí)別

通過(guò)無(wú)人機(jī)對(duì)某光伏電站進(jìn)行智能巡檢，發(fā)現(xiàn)光伏組件存在異常熱斑情況（圖6）。其中，圖6a是通過(guò)無(wú)人機(jī)紅外查找的異常熱斑，圖6b是可見光的對(duì)比圖。可知，無(wú)人機(jī)準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)了異常熱斑的識(shí)別。運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)對(duì)熱斑所在的光伏組件進(jìn)行處理，如圖7所示，處理完畢后熱斑消失。

圖7 光伏組件熱斑處理

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

本次無(wú)人機(jī)在風(fēng)電、光伏的智能巡檢工作中完成了手動(dòng)航線飛行，對(duì)1臺(tái)機(jī)組和部分光伏組件進(jìn)行了智能巡檢工作，得出以下結(jié)論。

（1）對(duì)于風(fēng)電巡檢：①巡檢拍照時(shí)，需要調(diào)整風(fēng)機(jī)方位，拍攝時(shí)不能逆光拍照；②該系統(tǒng)設(shè)備滿足對(duì)葉片編號(hào)的拍照需求；③相對(duì)于人工巡檢，無(wú)人機(jī)巡檢優(yōu)勢(shì)明顯，能更全面的發(fā)現(xiàn)缺陷，但無(wú)人機(jī)巡檢對(duì)碳管類缺陷很難排查；④無(wú)人機(jī)對(duì)于有些疑似故障信息會(huì)出現(xiàn)不能有效識(shí)別情況，例如輕微劃痕。

（2）對(duì)于光伏巡檢：在有充足光照的情況下，當(dāng)無(wú)人機(jī)飛行高度為15 m時(shí)，通過(guò)無(wú)人機(jī)巡檢，運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)光伏組件不少異常熱斑，且經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)處理后，異常熱斑消失，證明了無(wú)人機(jī)巡檢的準(zhǔn)確性。

4.2 展望

雖然已經(jīng)能完成對(duì)風(fēng)機(jī)葉片和光伏組件的故障辨識(shí)，但還沒(méi)有發(fā)揮其最大的價(jià)值，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃航線飛行、規(guī)劃航線返航、一次性多臺(tái)機(jī)組巡檢、一次性整個(gè)光伏電站組件的巡檢、圖像處理、故障自動(dòng)識(shí)別、故障點(diǎn)定位、自動(dòng)生成巡檢報(bào)告是最終目標(biāo)。針對(duì)巡檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的疑似故障信息，如輕微劃痕，在圖像處理技術(shù)上需要進(jìn)一步探究。