(國華能源投資有限公司,北京 100007)
隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷創(chuàng)新與革新,風(fēng)電建設(shè)成本逐年降低,同時(shí)在國家的鼓勵(lì)下越來越多的風(fēng)電場建成并投入使用,同時(shí)也將伴隨著很多設(shè)備的老化,這使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的巡檢和運(yùn)維工作變得越來越復(fù)雜,給風(fēng)電場日常巡檢工作帶了極大困難。隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展和滲透,能源行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型步伐逐步加快,網(wǎng)絡(luò)化、智能化需求迫切。風(fēng)電行業(yè)基于此大背景,迫切需要建立一個(gè)不依賴于人工長期穩(wěn)定作業(yè),及時(shí)響應(yīng)、智能巡檢系統(tǒng),能對風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況、故障數(shù)據(jù)及時(shí)采集和診斷,以促進(jìn)我國風(fēng)電行業(yè)的長期發(fā)展[1]。
風(fēng)場一般處于人煙稀少、位置偏僻、環(huán)境惡劣的地區(qū),而且隨著風(fēng)電規(guī)模不斷增加,巡檢人員不方便進(jìn)行頻繁、全面的檢查和維修工作,導(dǎo)致效率和質(zhì)量不能得到保證,如在偏遠(yuǎn)山區(qū)或者靠海的地區(qū)就更不方便操作,而且人工檢測成本較高。同時(shí),因風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的老化,大部分風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入了設(shè)備故障多發(fā)期,傳統(tǒng)線路巡視存在安全風(fēng)險(xiǎn)高,易造成人員摔傷、扭傷,車輛事故;人工視角范圍窄、巡視存在死角。風(fēng)電場人員少、工作強(qiáng)度大,雨雪天氣過后,特殊地形人工巡視無法進(jìn)行等問題,傳統(tǒng)的以人工為主的檢修模式已經(jīng)不能完全適應(yīng)當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)維需求。為了排除風(fēng)電機(jī)組故障和安全隱患,特別是風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)的故障,風(fēng)力發(fā)電場一般采用定期人工巡檢的方式,而巡檢人員在對機(jī)艙做定期巡檢及檢維修時(shí)須攀爬到近80米高的風(fēng)電機(jī)艙內(nèi),這對工作人員的體能提出了較大的要求,也存在較大的安全隱患[2]。
由于風(fēng)電行業(yè)前期跳躍式發(fā)展、參與方良莠不齊等原因,導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)維中容易存在故障頻發(fā)等問題,運(yùn)維成本無形增加。另一方面,由于風(fēng)電場所在環(huán)境大多氣候復(fù)雜多變,長期工作在野外、暴曬和雷雨等惡劣環(huán)境中,易發(fā)生多種機(jī)械或電氣故障。而且隨著野外裝機(jī)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的故障診斷成本也越來越高了。特別對海上風(fēng)電來說,后期運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用占到總成本的一半以上。
同時(shí),目前巡檢作業(yè)主要是人工巡檢,統(tǒng)計(jì)數(shù)量大,信息傳輸慢,巡檢周期長,問題發(fā)現(xiàn)不及時(shí)。而傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集周期長、成本高、精度低,難以滿足風(fēng)場精細(xì)化運(yùn)營需求,所以,風(fēng)電運(yùn)維智能化程度低,不得不仍以糾正型運(yùn)維為主。
2.1.1 無人機(jī)能滿足風(fēng)電行業(yè)巡檢環(huán)境復(fù)雜性需求,并大大提高巡檢的質(zhì)量和效率,巡檢成本相對較低,安全性較高
無人機(jī)可載有4K高清相機(jī)、紅外光相機(jī)、三維激光掃描儀、聲音感知、滅火彈等任務(wù)設(shè)備,對風(fēng)機(jī)和輸電線路進(jìn)行飛行巡檢。在無人機(jī)使用期間,風(fēng)電場團(tuán)隊(duì)在線路巡視基礎(chǔ)上,逐步探索拓展無人機(jī)多功能技術(shù)的應(yīng)用,如可利用風(fēng)電場無線局域網(wǎng),實(shí)現(xiàn)無人機(jī)視頻圖像時(shí)時(shí)回傳集控中心,集控中心根據(jù)回傳圖像,進(jìn)行集中分析診斷,并制定方案傳遞至檢修班,檢修班接受集控中心的信息,開展檢修、消缺作業(yè)。當(dāng)架空線路纏繞異物時(shí),無人機(jī)操控人員可遠(yuǎn)程啟動(dòng)噴火裝置,對纏繞在架空線路的異物進(jìn)行燒毀消除,實(shí)現(xiàn)了不停電作業(yè),減少設(shè)備停電時(shí)長,提高設(shè)備可利用率。對無人機(jī)加裝拓展模塊掛載消防滅火彈,在人員無法及時(shí)到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場的情況下,進(jìn)行滅火撲救,使風(fēng)電場的安全管控得到有效提升。所以,無論是何種情況下,無人機(jī)都大大提高風(fēng)機(jī)行業(yè)巡檢的質(zhì)量和效率,降低巡檢成本,也可以比較安全地進(jìn)行巡檢作業(yè)。
2.1.2 無人機(jī)能滿足數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)、全面、精細(xì)要求,以及跨應(yīng)用系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的需求
為保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常安全運(yùn)行,避免因故障造成意外停電,減少設(shè)備停機(jī)維護(hù)帶來的損失,需要巡檢人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)并預(yù)測、診斷故障。所以開展對風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障診斷的研究,及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的早期故障并進(jìn)行維修具有重大的實(shí)際意義。
隨著智能傳感器和通信技術(shù)的興起,無人機(jī)讓更加實(shí)時(shí)、全面、精細(xì)的數(shù)據(jù)采集成為可能,也讓對風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障診斷的研究,及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的早期故障并進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)管理成為可能。
通過無人機(jī)對風(fēng)機(jī)主體和輸電線路巡檢,并實(shí)時(shí)將現(xiàn)場情況傳回地面服務(wù)器,然后對設(shè)備巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析,實(shí)現(xiàn)跨應(yīng)用系統(tǒng)關(guān)聯(lián),能對故障的快速定位和根因分析,以便做出正確判斷,及時(shí)排除故障,提高運(yùn)維數(shù)字化、智能化水平。比如,無人機(jī)定期獲取的風(fēng)機(jī)葉片高清圖像,將數(shù)據(jù)傳回服務(wù)器進(jìn)行處理分析,檢測結(jié)果存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中[4]。同時(shí),結(jié)合人工智能與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以對無人機(jī)獲取的風(fēng)機(jī)葉片巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,甚至對設(shè)備隱患進(jìn)行量化分析和測量,高效了解風(fēng)機(jī)葉片的運(yùn)行狀態(tài)。
基于無人機(jī)的風(fēng)電巡檢對數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、遠(yuǎn)程控制、設(shè)備協(xié)同、人工智能等帶來比原來更強(qiáng)的時(shí)效性,發(fā)生故障的幾率更低,控制的精度更高,將從整體上提升信息采集、收集的智慧化水平。
由于風(fēng)電行業(yè)的巡檢自然環(huán)境非常復(fù)雜,有偏遠(yuǎn)山區(qū)又有海上,對安全要求也極高,而且隨著風(fēng)電市場的逐漸成熟,大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相繼出現(xiàn),風(fēng)電巡檢的工作環(huán)境也會(huì)變得更加復(fù)雜,所以,無人機(jī)要能適應(yīng)風(fēng)電巡檢復(fù)雜場景,需要更多的技術(shù)創(chuàng)新,現(xiàn)僅以下四點(diǎn)為例論述。
2.2.1 復(fù)雜電磁環(huán)境下的高精度定位技術(shù)
由于風(fēng)機(jī)內(nèi)部布滿了電線,風(fēng)機(jī)發(fā)電過程中電線會(huì)有大電流流過從而產(chǎn)生了磁塊。同時(shí)風(fēng)機(jī)內(nèi)部主要為鋼結(jié)構(gòu)件,對地磁信號(hào)產(chǎn)生了巨大的干擾,因此,傳統(tǒng)的基于指南針的航向在此環(huán)境下不被適用。必須借助視覺等其它傳感器來實(shí)現(xiàn)航向的估計(jì),視覺傳感器在使用之前需要對其內(nèi)參進(jìn)行標(biāo)定,準(zhǔn)確的視覺傳感器內(nèi)參將對定位精度產(chǎn)生很高的影響。此外基于視覺-慣導(dǎo)等多傳感器融合的定位方案對傳感器之間的外參較為敏感,當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí),無人機(jī)支架可能發(fā)生形變,進(jìn)一步改變傳感器之間的外部參數(shù)。需要引入傳感器外參在線實(shí)時(shí)標(biāo)定機(jī)制,保障無人值守過程中,因碰撞等情況導(dǎo)致傳感器外參發(fā)生變化時(shí),不會(huì)影響到無人機(jī)的定位精度。除視覺傳感器以外,ToF、紅外、超聲波等其它傳感器也會(huì)用于融合定位,需要采用更精確的傳感器模型與更優(yōu)的融合算法,降低傳感器的噪聲,為無人機(jī)提供更加穩(wěn)定、精準(zhǔn)的定位結(jié)果。
2.2.2 全局軌跡規(guī)劃技術(shù)
為使無人機(jī)自動(dòng)巡檢線路既能覆蓋風(fēng)機(jī)巡檢過程中工人期望的所有檢查點(diǎn),又能提供最高效的規(guī)劃軌跡,需全局軌跡規(guī)劃技術(shù)。比如,可在離線地圖上通過遙控虛擬無人機(jī)的方式設(shè)置不同的巡檢軌跡,系統(tǒng)將根據(jù)不同的輸入生成不同的巡檢軌跡??紤]到無人機(jī)在對風(fēng)機(jī)巡檢過程中,需要對特定的物體以特定的角度進(jìn)行停留拍照。所以需要考慮無人機(jī)的拍攝角度,而傳統(tǒng)的軌跡規(guī)劃多聚焦在巡檢目標(biāo)的位置、速度以及加速度狀態(tài),而并沒有考慮角度,所以,應(yīng)優(yōu)化無人機(jī)偏航角,將偏航角作為一個(gè)變量加入到目標(biāo)函數(shù)中進(jìn)行優(yōu)化。
2.2.3 局部環(huán)境改變及碰撞下的軌跡重規(guī)劃技術(shù)
由于工作環(huán)境不是一成不變的,巡檢環(huán)境可能隨多種情況發(fā)生變化。當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化之后,如果全局地圖尚未更新,那么將存在預(yù)先設(shè)置的軌跡與新障礙發(fā)生碰撞的情況,嚴(yán)重影響飛行安全。故采用軌跡重規(guī)劃技術(shù),當(dāng)檢測到未來軌跡與實(shí)時(shí)檢測的環(huán)境將會(huì)發(fā)生碰撞時(shí),將自動(dòng)對局部軌跡進(jìn)行重新規(guī)劃,躲避障礙,保證飛行安全[5]。同時(shí)為保障巡檢任務(wù)的順利進(jìn)行,避開障礙物后,無人機(jī)還應(yīng)從局部軌跡過渡回全局軌跡,保證后續(xù)任務(wù)的完整性。當(dāng)巡檢過程中因?yàn)榕R時(shí)的設(shè)備添加及人員走動(dòng),無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)避障與局部重規(guī)劃,可在模擬環(huán)境中臨時(shí)添加設(shè)備、障礙,無人機(jī)可以在沒有更新全局地圖的情況下自動(dòng)重新規(guī)劃軌跡,避開障礙物,完成巡檢任務(wù)。同時(shí),無人機(jī)巡檢的第一要?jiǎng)?wù)是要保證風(fēng)機(jī)的絕度安全,正常情況下可以做到無人機(jī)與風(fēng)機(jī)不發(fā)生任何接觸。為了以防萬一,需要對無人機(jī)的失效形式做好必要的應(yīng)急預(yù)案。比如因定位精度或其它異常問題,導(dǎo)致在巡檢過程中發(fā)生了碰撞或剮蹭等問題,無人機(jī)可以自動(dòng)識(shí)別此類問題,并完成控制策略的切換與局部的重規(guī)劃。
2.2.4 適應(yīng)狹長通道及復(fù)雜地效的控制技術(shù)
對于風(fēng)機(jī)的巡檢,除了風(fēng)機(jī)葉片外,還有風(fēng)機(jī)塔筒。風(fēng)機(jī)塔筒是一個(gè)穿越狹長通道,無人機(jī)會(huì)受到螺旋槳下洗氣流與機(jī)身的相互作用,此作用力被視為一種外界擾動(dòng)作用在無人機(jī)上,將嚴(yán)重影響無人機(jī)的位置精度控制,從而引起無人機(jī)偏離運(yùn)動(dòng)軌跡從而發(fā)生碰撞與剮蹭事故。針對外界擾動(dòng),擾動(dòng)觀察器為一種有效的控制技術(shù)。無人機(jī)需要適應(yīng)狹長通道及復(fù)雜地效的控制技術(shù),提高無人機(jī)平臺(tái)的控制精度。
綜上所述,為了解決風(fēng)電行業(yè)的運(yùn)維痛點(diǎn),提高風(fēng)機(jī)及風(fēng)場輸電線路運(yùn)行的安全性、可靠性、智能化,以及數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性與全面性,可通過在無人機(jī)上載相關(guān)的任務(wù)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)及輸電線工作狀態(tài)的巡檢,及時(shí)發(fā)現(xiàn)與排除安全隱患。采用無人機(jī)技術(shù)能有效彌補(bǔ)人工巡檢的不足,隨著技術(shù)人員對無人機(jī)高精度定位、軌跡規(guī)劃、控制等技術(shù)的進(jìn)一步研究與應(yīng)用,未來無人機(jī)將成為用于風(fēng)電機(jī)組及風(fēng)電場輸電線路巡檢的主要手段。