李碩

【摘 要】隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，結(jié)合風(fēng)電管理特色，利用無(wú)人機(jī)技術(shù)能提高風(fēng)電設(shè)備的管理水平，助力安全生產(chǎn)。文章通過(guò)分析無(wú)人機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)無(wú)人機(jī)技術(shù)在風(fēng)電設(shè)備管理中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了闡述，提出了技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)和需要改進(jìn)的方向，為進(jìn)一步做好預(yù)知性檢修奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】無(wú)人機(jī);風(fēng)電場(chǎng);設(shè)備管理

【中圖分類號(hào)】V279 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）06-0158-02

0 引言

隨著風(fēng)電市場(chǎng)的逐漸成熟，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相繼出現(xiàn)，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，葉片長(zhǎng)度的增長(zhǎng)和葉片重量的增加也給葉片的運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

風(fēng)電場(chǎng)輸電線路是連接風(fēng)電機(jī)組、變電所與電力網(wǎng)的一個(gè)傳送電能的系統(tǒng)。由于架空線路具有線路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工周期短、建設(shè)費(fèi)用低、輸送容量大及維護(hù)檢修方便的優(yōu)點(diǎn)，所以在風(fēng)電場(chǎng)得到廣泛應(yīng)用。然而我國(guó)國(guó)土幅員遼闊，地形復(fù)雜，丘陵較多，平原較少，加上氣象條件復(fù)雜多變，因此在實(shí)際的電力巡檢過(guò)程中遇到很大的阻礙，現(xiàn)有的檢查手段和常規(guī)測(cè)試已經(jīng)不能滿足電力巡檢的要求。

中國(guó)大唐集團(tuán)有限公司赤峰分公司目前是大唐集團(tuán)公司風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模最大的直屬企業(yè)，截至2017年末，該公司總裝機(jī)容量已達(dá)1 510.3 MW，風(fēng)機(jī)共1 136臺(tái)，已投產(chǎn)風(fēng)電場(chǎng)10座，分布在赤峰市四旗、一縣、一區(qū)。為了不斷提高風(fēng)電場(chǎng)的集約化、自動(dòng)化、智能化、專業(yè)化管理水平，該公司于2018年開始采用無(wú)人機(jī)可見光、紅外及雷達(dá)系統(tǒng)用于風(fēng)機(jī)葉片和集電線路的精細(xì)化巡檢。為了進(jìn)一步深化運(yùn)行管理工作，在目前硬件系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合集控中心已經(jīng)積累了一定的巡檢歷史數(shù)據(jù)及分析經(jīng)驗(yàn)的實(shí)際情況，具備了開展深入研究的基本條件。通過(guò)對(duì)已積累的大數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，可以不斷摸索風(fēng)機(jī)葉片和集電線路的故障規(guī)律，為進(jìn)一步做好預(yù)知性檢修奠定堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。

1 無(wú)人機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

無(wú)人機(jī)多為旋翼直升機(jī)（也有固定翼直升機(jī)），以旋翼為推動(dòng)方式，具有垂直起降和空中懸停的特點(diǎn)，可分為旋翼帶尾槳、共軸反槳和多旋翼等形式，多旋翼無(wú)人直升機(jī)通常有四旋翼、六旋翼和八旋翼等結(jié)構(gòu)。無(wú)人機(jī)按照空機(jī)質(zhì)量又分為大型無(wú)人機(jī)、中型無(wú)人機(jī)和小型無(wú)人機(jī)。當(dāng)任務(wù)設(shè)備搭載在無(wú)人機(jī)上用于檢測(cè)、采集和記錄風(fēng)機(jī)設(shè)備及架空輸電線路信息時(shí)，可為轉(zhuǎn)塔式光電吊艙，也可為云臺(tái)搭載光電傳感器。光電吊艙通過(guò)減振器能有效地降低無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)對(duì)檢測(cè)設(shè)備的影響，通過(guò)陀螺增穩(wěn)系統(tǒng)的反饋控制，對(duì)無(wú)人機(jī)產(chǎn)生的晃動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，使輸出的視頻在高振動(dòng)環(huán)境下穩(wěn)定輸出，獲得相對(duì)慣性空間穩(wěn)定的平臺(tái)空間，以保持視角的有效性，滿足對(duì)被檢測(cè)系統(tǒng)的定位要求。在控制指令的驅(qū)動(dòng)下，可實(shí)現(xiàn)吊艙對(duì)輸電線路、桿塔和線路走廊的搜索和定位，同時(shí)進(jìn)行監(jiān)視、拍照并記錄。有些吊艙還采用圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢測(cè)設(shè)備的跟蹤和凝視，具有較好的檢測(cè)效果。云臺(tái)的主要功能是通過(guò)穩(wěn)定平臺(tái)隔離載機(jī)的搖擺、振動(dòng)，使輸出的視頻在高振動(dòng)環(huán)境下保持穩(wěn)定;其增穩(wěn)控制主要由速度控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)和編碼器旋轉(zhuǎn)速度構(gòu)成速度環(huán)，由目標(biāo)位置、前饋控制器、位置控制器、編碼器位置信息構(gòu)成位置環(huán)實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)終端可為可見光、紅外、紫外等成像設(shè)備，也可為激光雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)等，功能是為地面飛行控制人員和任務(wù)操控人員提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)提供高清晰度的靜態(tài)照片供后期分析輸電線路、桿塔和線路走廊的故障和缺陷，其檢測(cè)精度、效果及檢測(cè)系統(tǒng)的集成度是影響無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵因素。地面控制模塊由地面站、通信天線及控制軟件等組成，通過(guò)遙控方式對(duì)無(wú)人機(jī)和任務(wù)設(shè)備進(jìn)行控制。無(wú)人機(jī)通過(guò)地面站與機(jī)載通信天線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號(hào)發(fā)送、接收及遙控遙測(cè)。信號(hào)傳輸主要是實(shí)時(shí)傳輸可見光視頻和紅外視頻，任務(wù)人員通過(guò)控制軟件操作無(wú)人機(jī)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，獲得最合適的角度進(jìn)行視頻拍攝。地面站和通信天線應(yīng)實(shí)時(shí)性好，可靠性高，以便任務(wù)人員及時(shí)觀察風(fēng)機(jī)設(shè)備及輸電線路巡檢的現(xiàn)場(chǎng)情況;對(duì)高壓線及高壓設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾具有很強(qiáng)的抗干擾能力;能在城區(qū)、城郊、建筑物內(nèi)等非通視和有阻擋的環(huán)境下使用時(shí)，仍然具有卓越的繞障和穿透能力;能在高速移動(dòng)的環(huán)境中，仍然可以提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)和視頻傳輸。

2 實(shí)踐成效

2.1 無(wú)人機(jī)在風(fēng)電行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用

無(wú)人機(jī)采用搭載可見光相機(jī)、紅外相機(jī)、三維激光掃描儀等任務(wù)設(shè)備對(duì)風(fēng)機(jī)本體和輸電線路進(jìn)行飛行巡檢，并實(shí)時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)情況傳回地面監(jiān)控系統(tǒng)，以便做出正確判斷，以及時(shí)排除故障，這種巡檢方式以無(wú)人機(jī)裝備本身的控制程序?yàn)橹?，輔以無(wú)線遙控。在進(jìn)行巡檢之前，無(wú)人機(jī)需要根據(jù)待巡檢設(shè)備的不同情況設(shè)定最佳的飛行路線，有利于工作人員從不同的角度對(duì)風(fēng)機(jī)葉片和輸電線路進(jìn)行觀察，提升巡檢質(zhì)量。采用無(wú)人機(jī)結(jié)合定焦和變焦相機(jī)圍繞風(fēng)機(jī)拍攝葉片動(dòng)態(tài)圖像，通過(guò)獲取風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低或停止運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下發(fā)指令給圖像捕捉控制以最大限度地降低風(fēng)機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)葉片圖像質(zhì)量的影響，定期將無(wú)人機(jī)獲取的風(fēng)機(jī)葉片高清圖像并通過(guò)光纖將數(shù)據(jù)傳回服務(wù)器進(jìn)行處理分析，檢測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以在控制中心大屏檢測(cè)缺陷圖像或者直接報(bào)警。同時(shí)，結(jié)合人工智能與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以對(duì)無(wú)人機(jī)獲取的巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)/半自動(dòng)分析，甚至對(duì)設(shè)備隱患進(jìn)行量化分析和測(cè)量，最終生成指導(dǎo)運(yùn)維人員工作的巡檢報(bào)告。

2.2 主要技術(shù)創(chuàng)新

（1）激光輔助測(cè)量相機(jī)，使得無(wú)人機(jī)拍攝的風(fēng)機(jī)葉片缺陷長(zhǎng)度可測(cè)量，解決了從照片中測(cè)量缺陷長(zhǎng)度的難題。

（2）基于機(jī)器視覺輔助的無(wú)人機(jī)導(dǎo)航避障技術(shù)應(yīng)用，使得無(wú)人機(jī)巡檢操作流程簡(jiǎn)化，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員的操作技巧要求大大降低，提高了作業(yè)效率。

（3）采用激光掃描技術(shù)對(duì)風(fēng)場(chǎng)集電線路及走廊掃描建模，實(shí)現(xiàn)了線路和通道的三維場(chǎng)景重現(xiàn)，可視化完成樹障、弧垂的安全預(yù)警和測(cè)量。

（4）采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法自動(dòng)化識(shí)別無(wú)人機(jī)圖像中的缺陷類型，目前實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片砂眼、涂料損傷、表面不良和裂紋等缺陷的自動(dòng)化輔助識(shí)別。

（5）采用智能巡檢無(wú)人機(jī)作為葉片檢測(cè)手段，每天可檢測(cè)12臺(tái)風(fēng)機(jī)，檢測(cè)效率與傳統(tǒng)“蜘蛛人”和“吊籃”巡檢方式相比，提升了6倍。

（6）地形復(fù)雜地區(qū)風(fēng)場(chǎng)集電線路采用智能無(wú)人機(jī)巡檢每天可檢測(cè)30～50個(gè)基塔，效率相比傳統(tǒng)人工線路巡檢提升了3～5倍。

2.3 存在的問(wèn)題

（1）無(wú)人機(jī)專業(yè)人才緊缺。據(jù)初步判斷，我國(guó)在2018年需要無(wú)人機(jī)從業(yè)人員達(dá)40萬(wàn)人次，截至2016年10月，國(guó)內(nèi)持證從業(yè)的飛手、維修、研發(fā)等人員卻不到10 000人。中國(guó)大唐集團(tuán)有限公司赤峰分公司截至目前只有兩名人員通過(guò)了航空協(xié)會(huì)AOPA多旋翼無(wú)人機(jī)駕駛員執(zhí)照。

（2）旋翼無(wú)人機(jī)航程較短。當(dāng)前，無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間為30 min左右，一塊外接電池的重量在250 g左右，只能滿足短時(shí)風(fēng)機(jī)及線路巡檢需要。

2.4 下一步努力方向

（1）線路掛接物處置。通過(guò)無(wú)人機(jī)還可以進(jìn)行一些代替人工的操作性工作，比如對(duì)導(dǎo)線上外飄物隱患的處理，這類事情以往傳統(tǒng)的人工操作需要5～8 h完成，且需要停電作業(yè)，無(wú)人機(jī)則可以帶電作業(yè)，并且完成時(shí)間僅需15～20 min。

（2）升壓站紅外成像。通過(guò)無(wú)人機(jī)紅外吊艙定期對(duì)升壓站進(jìn)行熱成像掃描，利用水平360°及俯視的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)視場(chǎng)范圍內(nèi)的熱故障的搜尋及設(shè)備的外觀狀態(tài)、工作狀態(tài)、溫度場(chǎng)分布情況的監(jiān)控。

（3）智能化應(yīng)用。無(wú)人機(jī)的智能化顧名思義就是讓無(wú)人機(jī)根據(jù)儲(chǔ)存在核心的程序可以自主定位目標(biāo)進(jìn)行故障巡檢，同時(shí)依托已建成無(wú)線專用網(wǎng)絡(luò)及大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)互傳、實(shí)時(shí)分析，進(jìn)一步提升智能化應(yīng)用水平。

（4）系統(tǒng)化應(yīng)用。無(wú)人機(jī)目前的狀態(tài)需要人進(jìn)行定向定點(diǎn)操作，達(dá)到系統(tǒng)化以后，無(wú)人機(jī)之間的協(xié)調(diào)合作能力將大幅提升，呈現(xiàn)集群式大規(guī)模的應(yīng)用模式，代替人工節(jié)省人力，在一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)下，無(wú)人機(jī)群合作協(xié)作配合天衣無(wú)縫，明確分工，實(shí)現(xiàn)分批次、分重點(diǎn)、分強(qiáng)度的智能化應(yīng)用模式。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為了提高風(fēng)機(jī)及風(fēng)場(chǎng)輸電線路運(yùn)行的安全性與可靠性，可采用具有體積小、重量輕、便于攜帶和制造、使用成本低及操作性和靈活性高等特點(diǎn)的無(wú)人機(jī)，通過(guò)在無(wú)人機(jī)上搭載相關(guān)的光學(xué)檢測(cè)儀器，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路工作狀態(tài)的檢測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。采用無(wú)人機(jī)技術(shù)能有效彌補(bǔ)人工巡檢和直升機(jī)巡檢的弊端，是未來(lái)用于檢測(cè)風(fēng)電機(jī)組及風(fēng)電場(chǎng)集電線路的主要手段和發(fā)展趨勢(shì)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]楊祥，王希彬.無(wú)人機(jī)主動(dòng)SLAM技術(shù)研究[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2015（4）.

[2]徐展.一種激光雷達(dá)導(dǎo)航的全自助智能無(wú)人機(jī)巡線系統(tǒng)[J].浙江電力，2017，36（6）.

[3]彭向陽(yáng)，徐文學(xué)，王柯，等.基于無(wú)人機(jī)激光掃描的輸電通道安全距離診斷技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014（11）.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]