中國電建集團江西省電力建設(shè)有限公司 張 龍

為保障人類社會的可持續(xù)性發(fā)展，新能源逐步取代傳統(tǒng)化石能源是一個必然趨勢。在新能源行業(yè)結(jié)構(gòu)中，我國風(fēng)電、光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展尤為迅速，截至2022年第一季度，全國風(fēng)力發(fā)電裝機容量約為3.4億kW（同比增幅17.7%）、光伏發(fā)電裝機容量約為3.2億kW（同比增幅23.6%），排名均為世界首位?？陀^上，我國風(fēng)電光伏產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展與國家新能源政策引領(lǐng)密不可分，如國家能源局發(fā)布的《關(guān)于2021年風(fēng)電、光伏發(fā)電開發(fā)建設(shè)有關(guān)事項的通知》中，明確了風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電在實現(xiàn)“碳達峰”戰(zhàn)略上的重要性，國務(wù)院印發(fā)的《2030年前碳達峰行動方案》也明確指出，風(fēng)電光伏兩種新能源產(chǎn)業(yè)是“節(jié)能降碳增效行動”的基礎(chǔ)和保障。

1 無人機智能巡檢概述

廣義上來講，無人機是一種航空設(shè)備，按其用構(gòu)型劃分種類豐富、形態(tài)各異，如旋翼無人機、固定翼無人機、撲翼無人機等。狹義上來講，無人機是一種載具[1]，在風(fēng)電光伏故障檢測中的應(yīng)用的類型主要是多旋翼無人機（如四旋翼、六旋翼無人機）。多旋翼無人機的優(yōu)勢在于，其能夠在各種復(fù)雜的環(huán)境中實現(xiàn)高操控性，如在特定高度懸停、在不平整的地面垂直起降、能夠低空低速飛行等。因此，要執(zhí)行無人機智能巡檢工作，一臺功能效用符合需求的多旋翼無人機設(shè)備是不可或缺的，除此之外，還需要在無人機設(shè)備上搭載數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、紅外識別系統(tǒng)、RTK（real-time kinematic）定位系統(tǒng)、動態(tài)圖像識別系統(tǒng)、人工智能（AI自動化）系統(tǒng)等。在此基礎(chǔ)上，無人機及所搭載的各種裝備，與地面站（客戶端+控制平臺）建立起數(shù)據(jù)鏈，實現(xiàn)風(fēng)電光伏故障檢測數(shù)據(jù)的傳輸、存儲、處理等（如圖1所示）。

圖1 無人機智能巡檢系統(tǒng)示意圖

其中，無人機智能巡檢過程中數(shù)據(jù)收集工作，主要由高清紅外攝像頭完成，需要滿足白晝、夜間不同亮度條件下的工作需求。RTK定位技術(shù)即“實時動態(tài)定位技術(shù)”，相比傳統(tǒng)的GPS定位技術(shù)適應(yīng)性更強、精準度更高，利用兩個測量站載波相位觀測的方法，為無人機實時提供三維定位，尤其在山地、丘陵等障礙要素較多的環(huán)境下，可以較好地解決信號干擾、噪聲過大的問題[2]。動態(tài)圖像識別系統(tǒng)用于處理故障信息，該系統(tǒng)內(nèi)部包括了無線傳輸、動態(tài)圖像處理、逐幀抽取、圖像增強等模塊，能夠精準定位高速運轉(zhuǎn)的風(fēng)電機組葉片缺陷。人工智能系統(tǒng)包括飛行自動化、處理自動化、“AI云”等要素，其中人工智能算法是關(guān)鍵，可用于自動識別、提取關(guān)鍵檢測點，如風(fēng)葉、風(fēng)筒、絕緣子等，按照預(yù)先場景設(shè)定，可自動分揀處裂紋、破損、無電等故障形式。

2 風(fēng)電光伏故障檢測的共同點與差異性

電力能源是現(xiàn)代文明的基石，在維系科技進步、促進經(jīng)濟增長、服務(wù)國計民生等各領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。隨著“綠色環(huán)?！薄肮?jié)能低碳”“生態(tài)保護”等概念興起，傳統(tǒng)電力生產(chǎn)方式逐步瓦解，新能源電力（風(fēng)電、光電、水電等）生產(chǎn)因為具有可再生的優(yōu)勢，已然成為全球電力能源的發(fā)展潮流。我國風(fēng)電光伏產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了系統(tǒng)性技術(shù)沉淀、激烈的市場競爭，從產(chǎn)業(yè)規(guī)模及產(chǎn)品性價比上分析，已然是處在全球領(lǐng)導(dǎo)者地位。但這種優(yōu)勢主要表現(xiàn)在技術(shù)、產(chǎn)能、價格等頭部領(lǐng)域，在風(fēng)電光伏故障檢測方面仍然有較大的提升空間。通過詳析分析風(fēng)電與光伏設(shè)備故障檢測的共同之處、差異之處，有利于更高效地運用無人機智能巡檢技術(shù)。

2.1 風(fēng)電光伏故障檢測的共同點

直觀上看，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備與光伏發(fā)電設(shè)備所處的空間均為自然環(huán)境，在故障檢測過程中，工作人員的場景切換較為頻繁、物理距離的絕對值偏大，由此導(dǎo)致了如下共同問題。

一是單位時間內(nèi)的工作量較大，平均檢測效率較低。近年來，我國風(fēng)電光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大，總裝機容量不斷提升，這一現(xiàn)象對于故障檢測提出了巨大挑戰(zhàn)。以風(fēng)電為例，為了更好地利用風(fēng)力資源，主要建設(shè)在海上、草原、戈壁等地區(qū)，龐大的風(fēng)電產(chǎn)面積本身就造成了故障檢測壓力，再加上復(fù)雜的地理、水文等環(huán)境因素，采取人工方式很難高效地進行檢測工作。

二是人工故障檢測方式面臨難度高、質(zhì)量差的問題。無論風(fēng)電還是光伏，很多故障隱患并不明顯，如多晶硅太陽能電池板出現(xiàn)裂紋、損傷，但很容易被植被、灰塵等覆蓋住，又如風(fēng)葉的涂層脫落、表面裂紋等，在高速運轉(zhuǎn)的狀態(tài)下并不容易察覺，必須停機后借助攀爬設(shè)備近距離觀察。這無疑會導(dǎo)致風(fēng)電光伏故障檢測的復(fù)雜度提高，無法進行經(jīng)常性的巡視[3]。同時，風(fēng)電光伏的供電系統(tǒng)也較為復(fù)雜，即便人工檢測的過程中，也需要用到大量設(shè)備，而自然環(huán)境下的溫度、壓力等變化，也會干擾到檢測的精準度。

三是傳統(tǒng)人工故障檢測受到的限制條件過多，如后勤保障不到位、突發(fā)天氣情況、數(shù)據(jù)記錄誤差等，這樣就很難滿足風(fēng)電光伏故障檢測的實時性。

2.2 風(fēng)電光伏故障檢測的差異性

一個風(fēng)力發(fā)電機的構(gòu)成包括地基、電網(wǎng)接口、梯子、風(fēng)塔、風(fēng)葉、測量裝置、風(fēng)向追蹤裝置等，從結(jié)構(gòu)上來看，故障檢測是基于主要“垂直方向”進行的（如圖2所示）。一個光伏發(fā)電機組包括多個光伏組件（太陽能電池方陣），再經(jīng)由充電控制器、逆變器、配電柜、電子限荷保護裝置、防雷電隔離裝置等，最終并入到電網(wǎng)。從結(jié)構(gòu)上來看，故障檢測是基于“水平方向”進行的（如圖3所示）。很顯然，風(fēng)電與光伏故障檢測方面，由于設(shè)備布局的不同，造成了巡檢路線模式的差異。

圖2 風(fēng)力發(fā)電設(shè)備故障巡檢路線（垂直）

圖3 光伏發(fā)電設(shè)備故障巡檢路線（水平）

3 無人機智能巡檢在風(fēng)電故障檢測中的應(yīng)用

3.1 無人機的機型及參數(shù)

作為風(fēng)電故障檢測裝置的搭載設(shè)備，無人機要能夠充分應(yīng)對風(fēng)電場的復(fù)雜環(huán)境，并對風(fēng)葉干擾具有一定的修正能力。適用機型的整體要求如下：一是具備較長續(xù)航能力，由于風(fēng)力發(fā)電機組間隔距離較大，需要無人機長時間滯空，因此續(xù)航能力必須有所保障，可選擇油電混合動力機型。二是配備高精度相機，為了避免風(fēng)葉與無人機碰撞，兩者之間必須保持一定的安全距離，可搭載30倍光學(xué)變焦相機（包括紅外功能），在20～30m左右的距離進行監(jiān)控。三是無人機內(nèi)置巡檢路線規(guī)劃功能，即再終端控制平臺上，能夠基于電子地圖、定位系統(tǒng)等，同時安排多個檢測目標，無人機能夠做到自主規(guī)劃最優(yōu)路線。四是基于人工智能技術(shù)，自動識別各種故障及潛在隱患，尤其要確保部件細節(jié)的檢測，如合?？p、扇葉形變、葉尖檢測等，具體參數(shù)見表1。

表1 風(fēng)電故障檢測無人機參數(shù)

3.2 無人機智能巡檢流程

無人機智能巡檢應(yīng)用在風(fēng)電設(shè)備之前，需要先為人工智能系統(tǒng)提供足夠的人工檢驗樣本，簡單地說，就是從已經(jīng)存在各種類型故障的風(fēng)機設(shè)備上，挑出具有代表性的，然后由無人機進行巡檢并記錄信息，通過這種深度學(xué)習(xí)的方式，可以避免后期人工分析的麻煩。以風(fēng)葉為例，具體流程如圖4所示。

圖4 風(fēng)葉故障檢測識別模式

利用電子地圖，標注一定區(qū)域內(nèi)風(fēng)電機組的位置，在執(zhí)行智能巡檢的過程中，由人工智能系統(tǒng)自動規(guī)劃最優(yōu)路線。需要注意的是，這一過程中風(fēng)力發(fā)電機組并不需要停機，因此除了考慮外部環(huán)境的影響外，還要選擇一個適當?shù)臅r間點，確保風(fēng)葉運轉(zhuǎn)處在較容易識別的狀態(tài)下，如10:00～14:00時間段內(nèi)，外部光線的條件較為優(yōu)越。整個巡檢流程為：首先，確定初始化的風(fēng)機位置信息，基于人工智能自動展開風(fēng)機位置建模，并規(guī)劃巡檢路線。其次，根據(jù)反饋到客戶端的圖像數(shù)據(jù)，確定風(fēng)機朝向。再次，進行定點圖片的拍攝，主要滯空位置是風(fēng)葉正向，下沉、上浮的區(qū)間為風(fēng)葉最低點和最高點，并從最高點繞道風(fēng)葉背面進行觀測。最后，根據(jù)實現(xiàn)設(shè)計好的路線返航。

3.3 無人機智能巡檢路徑

對于一般風(fēng)電場的故障檢測而言，無人機智能巡檢路徑的設(shè)計不是一蹴而就的，需要在實踐過程中不斷調(diào)整算法，如基于遺傳算法、退火算法、蟻群算法等規(guī)劃無人機智能巡檢路徑，最后對比單次巡檢的實踐與故障檢測效果。比較有效的巡檢路線規(guī)劃方式，首先可以利用聚類系數(shù)調(diào)整無標度網(wǎng)絡(luò)，獲得較為完整的風(fēng)電設(shè)備節(jié)點圖，再將平均風(fēng)力、海拔、濕度等平均值代入到數(shù)學(xué)模型中，如風(fēng)口位置應(yīng)該放在節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的哪一個位置最為優(yōu)越，可以基于蟻群算法達到最佳收斂速度效果；對于較為復(fù)雜的風(fēng)電場，首先可以執(zhí)行個體交叉，再執(zhí)行個體變異，由此模擬出退貨狀態(tài)函數(shù)產(chǎn)生的新個體。在此基礎(chǔ)上，執(zhí)行個體模擬退火操作，判斷抽樣的穩(wěn)定性，如果這種算法下的路徑較為穩(wěn)定，則可以進行個體復(fù)制，輸出當前最優(yōu)的個體。

4 無人機智能巡檢在光伏故障檢測中的應(yīng)用

4.1 無人機的機型及參數(shù)

由于光伏發(fā)電設(shè)備的垂直高度較低，對于無人機的飛行高度沒有太大要求，因此常規(guī)的多旋翼無人機都能很好地滿足要求。應(yīng)用于光伏故障檢測的無人機設(shè)備需要滿足以下的條件[4]：一是在光伏電場執(zhí)行智能巡檢任務(wù)時，能夠自動避讓障礙物。二是在起飛、返航、落地等過程中，對于地面環(huán)境的要求較小。三是由于光伏發(fā)電設(shè)備以水平方向、大面積化鋪開，因此也需要無人機具有出色的續(xù)航能力。四是在巡檢過程中可以自動拍照、存儲、傳輸數(shù)據(jù)。五是為了便于在大空間內(nèi)定位無人機，自身要搭載較高精度的定位系統(tǒng)；具體參數(shù)見表2。

表2 光伏故障檢測無人機參數(shù)

4.2 無人機智能巡檢流程

針對光伏故障檢測，同樣需要人工檢測確立故障樣本，然后由無人機進行智能巡檢，以提高故障檢測識別度，整個流程與風(fēng)葉故障檢測識別模式類似。但區(qū)別之處在于，無人機智能巡檢光伏電場的過程中，是基于一定區(qū)域進行的，這就需要考慮每個區(qū)域的光伏組件數(shù)量與如何分布。如太陽能電池板以“n×n”的方式分布，為了快速進行遍歷，比較適合采用螺旋形（由外向內(nèi)）的巡檢流程，這樣可以節(jié)省大量的飛行時間。如果太陽能電池板以“m×n”的方式分布，需要考慮平面坐標系內(nèi)X軸、Y軸的長度比，在單位長度內(nèi)的節(jié)點數(shù)量相同，如果X軸遠超過Y軸的長度（反之亦然），則比較適合采取“蛇形路線”，如果X軸與Y軸的長度接近1:1，則比較適合采用“往復(fù)路線”。

4.3 無人機智能巡檢路徑

首先，在電子地圖上圈定光伏電場的范圍，按照太陽能電池板的排列緊密程度，大致劃分出若干個區(qū)域。其次，在起飛之后獲取某一個區(qū)域的視頻、圖片數(shù)據(jù)，判斷該組數(shù)據(jù)中是否存在光伏組串。再次，如果存在光伏組串的問題，需要重新計算巡檢列數(shù)、重新設(shè)計轉(zhuǎn)彎策略，然后直線起飛重新開始新一輪的檢測。最后，直到全部規(guī)避數(shù)據(jù)中的光伏組串問題，確定最優(yōu)化的巡檢路徑。

5 結(jié)語

綜上所述，我國風(fēng)電光伏發(fā)展已經(jīng)突破了主要的技術(shù)壁壘與產(chǎn)能局限，且具有較強的市場、法律、政策等風(fēng)險抵御能力，而影響風(fēng)電產(chǎn)業(yè)、光伏產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定的主要因素集中于運維領(lǐng)域。因為風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電的核心元件（如風(fēng)葉、葉輪鼓、太陽能電池板、并網(wǎng)逆變器）長期暴露在自然環(huán)境狀態(tài)下，隨著作業(yè)周期的延長出現(xiàn)故障、損傷的概率隨之增加。因此，如何高效率、高質(zhì)量地實現(xiàn)風(fēng)電光伏故障檢測，是確保我國新能源產(chǎn)業(yè)平穩(wěn)發(fā)展的關(guān)鍵所在。