陸成龍，劉忠德，張皖軍，楊祖球，朱繼濤

（1.國(guó)家電投集團(tuán)江西電力有限公司，江西南昌 330096；2.國(guó)家電投集團(tuán)信息技術(shù)有限公司，北京 100080）

在新能源行業(yè)發(fā)展進(jìn)程中，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電以及光伏發(fā)電裝機(jī)容量也迅猛增長(zhǎng)，進(jìn)一步提升了風(fēng)電光伏的科技水平。隨著葉片長(zhǎng)度的不斷增長(zhǎng)，風(fēng)電機(jī)組生命周期的不斷延長(zhǎng)，容易導(dǎo)致葉片出現(xiàn)損傷和故障，同時(shí)，受到葉片結(jié)構(gòu)以及環(huán)境復(fù)雜性的影響，風(fēng)電光伏運(yùn)行維護(hù)難度較大[1]。傳統(tǒng)人工巡檢中，工人勞動(dòng)強(qiáng)度較大、時(shí)間長(zhǎng)、成本高、效率低等，無(wú)法滿足現(xiàn)代風(fēng)電光伏故障檢測(cè)需求。為了提升工作效率，降低維護(hù)成本，在智能化水平發(fā)展中，無(wú)人機(jī)智能巡檢技術(shù)隨之出現(xiàn)并得到應(yīng)用。文中對(duì)無(wú)人機(jī)智能巡檢在風(fēng)電葉片損傷等相關(guān)故障檢測(cè)中的應(yīng)用展開分析，探討無(wú)人機(jī)智能巡檢的應(yīng)用價(jià)值。

1 無(wú)人機(jī)智能巡檢應(yīng)用價(jià)值

無(wú)人機(jī)智能巡檢在風(fēng)電光伏故障檢測(cè)中的應(yīng)用，有助于顯著降低巡檢成本。通常風(fēng)電葉片是在具有豐富風(fēng)力資源的區(qū)域內(nèi)安裝，這些區(qū)域一般人跡罕至，人工巡檢難度較大。人工巡檢本身也需要專業(yè)人才以及大量資金的投入，成本高、效率低。無(wú)人機(jī)巡檢對(duì)于地形和環(huán)境的要求不高，在遠(yuǎn)程操控下就可以記錄目標(biāo)風(fēng)電葉片巡檢內(nèi)容，顯著降低了人工參與工作量，降低了檢測(cè)成本，同時(shí)也提升了巡檢安全性。另外，在無(wú)人機(jī)智能化科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用下，構(gòu)建了完善的無(wú)人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)，功能隨之完善，進(jìn)一步提升了無(wú)人機(jī)工作全面性以及工作效率，也有助于降低葉片故障發(fā)生率，為風(fēng)電光伏系統(tǒng)運(yùn)行安全性提供了有效保障[2-3]。

2 無(wú)人機(jī)及其故障識(shí)別路線

2.1 無(wú)人機(jī)

在當(dāng)前智能巡檢中，主要應(yīng)用六旋翼無(wú)人機(jī)，其自主巡檢系統(tǒng)組成包括有：無(wú)人機(jī)設(shè)別、RTK 精確定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳感器系統(tǒng)以及集成地面站系統(tǒng)等。實(shí)物具體見圖1。在應(yīng)用中，通過(guò)RTK 差分精確定位，可以將定位精確度控制在2 cm 范圍內(nèi)；完成巡檢拍照任務(wù)；連續(xù)作業(yè)時(shí)間可達(dá)到35～40 min；可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸和存儲(chǔ)，完成無(wú)人機(jī)監(jiān)視以及數(shù)據(jù)展示功能；執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中可全自主避障飛行，同時(shí)可以將三維航線顯示出來(lái)；運(yùn)行穩(wěn)定，具有較高的安全性[4]。

圖1 六旋翼無(wú)人機(jī)

2.2 無(wú)人機(jī)故障識(shí)別路線

無(wú)人機(jī)識(shí)別風(fēng)機(jī)葉片故障前，先要在人工巡檢下確定樣本風(fēng)機(jī)，也就是確定存在故障的風(fēng)機(jī)，在無(wú)人機(jī)應(yīng)用下實(shí)施巡檢，以此探討無(wú)人機(jī)識(shí)別風(fēng)機(jī)葉片故障的應(yīng)用價(jià)值。其中風(fēng)機(jī)葉片故障識(shí)別技術(shù)路線見圖2。

圖2 風(fēng)機(jī)葉片故障識(shí)別技術(shù)路線

2.2.1 確定巡檢區(qū)域

無(wú)人機(jī)在針對(duì)風(fēng)電光伏機(jī)電葉片實(shí)施巡檢前，先要全面了解葉片實(shí)際工作情況、所處位置等信息，依照具體需求確定相應(yīng)的巡檢方向和內(nèi)容，其中無(wú)人機(jī)智能巡檢工作內(nèi)容主要針對(duì)葉片主體、工作線路和相關(guān)附屬設(shè)備等[5]。對(duì)于葉片的工作情況和異常問(wèn)題應(yīng)用無(wú)人機(jī)高清相機(jī)，可以對(duì)其實(shí)施近距離拍照，完成相關(guān)信息的記錄和存儲(chǔ)，針對(duì)葉片中存在的異常情況和損傷位置實(shí)施計(jì)算分析，工作人員可以結(jié)合巡檢拍攝的照片及視頻確定故障位置及其原因，提出相應(yīng)的處理維護(hù)策略。

2.2.2 巡檢流程

在無(wú)人機(jī)智能巡檢中，先要在無(wú)人機(jī)的應(yīng)用下排查葉片周圍環(huán)境及其相關(guān)影響因素，審核相關(guān)數(shù)據(jù)，最后，完成無(wú)人機(jī)系統(tǒng)程序的設(shè)置，保證在無(wú)人機(jī)工作范圍內(nèi)不存在密集樹林和高大構(gòu)筑物，以免影響無(wú)人機(jī)的正常工作。在針對(duì)無(wú)人機(jī)檢測(cè)程序?qū)嵤┰O(shè)計(jì)以及優(yōu)化后，還需要對(duì)其相關(guān)工作進(jìn)行調(diào)試，確保各項(xiàng)工作均合格后即可確定相應(yīng)飛行路線以及檢測(cè)項(xiàng)目，在飛行過(guò)程中必須由專業(yè)技術(shù)人員實(shí)施操作和控制，也需要設(shè)置相應(yīng)的飛行警戒線。在完成無(wú)人機(jī)的起飛準(zhǔn)備工作后，可以依照技術(shù)人員的指令進(jìn)行起飛和巡檢，在此過(guò)程中詳細(xì)記錄無(wú)人機(jī)的起飛情況。巡檢過(guò)程中，技術(shù)人員依照設(shè)定的路線采用遙控器對(duì)無(wú)人機(jī)飛行路線實(shí)施控制，一旦出現(xiàn)飛行偏離情況，則可以立即對(duì)其實(shí)施手動(dòng)操控，需要有效確保無(wú)人機(jī)始終在預(yù)定線路中飛行[6-8]。飛行速度需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦魏铜h(huán)境情況來(lái)確定，如果需要對(duì)輸電線路實(shí)施精細(xì)化巡檢，則可以適當(dāng)放慢飛行速度，控制在4 m/s 范圍內(nèi)。其中，飛行控制相關(guān)偽代碼為：

emit sendOneKeyFlyData(data)；//將編碼后的指令發(fā)送至通信鏈路模塊

getInformayionMsg(data[6])；//顯示已發(fā)送的指令信息，等待回復(fù)

if(isOpen){

this-＞port-＞write(data)；//通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至無(wú)人機(jī)

}

//接收回復(fù)指令并發(fā)送至飛行控制模塊

if(a[i+2]==char(0xC4) &&a[i+3]==char(0x02)&&isHandShaked){

int type_1=a[i+4]；int type_2=a[i+5]；

emit instructReply(type_1,type_2)；

}

3 無(wú)人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，主要包括兩部分，分別為控制模塊以及測(cè)距模塊。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用8 MHz 晶振，設(shè)置2 路LED 燈以及1 個(gè)SD 卡插槽共3 個(gè)串口。在此過(guò)程中，LED 燈的作用主要是指示說(shuō)明，反映無(wú)人機(jī)工作狀態(tài)，以便能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)其異常情況等；SD 卡則能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行日志的記錄[9-13]。以上串口主要是在數(shù)據(jù)包接收和測(cè)量數(shù)值中應(yīng)用，在一路PWM 輸出口的接入應(yīng)用下，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)云臺(tái)拍照過(guò)程的控制[14-16]。系統(tǒng)硬件接線方案設(shè)計(jì)見圖3。為進(jìn)一步減少產(chǎn)品成本，系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對(duì)兩個(gè)模塊輸出數(shù)據(jù)實(shí)施同一串口處理，在應(yīng)用過(guò)程中必須要和軟件配合，才能夠有效完成兩者測(cè)量距離的準(zhǔn)確解析以及記錄。其中無(wú)人機(jī)模型智能選件見圖4。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

結(jié)合無(wú)人機(jī)型號(hào)、系列和云臺(tái)拍照速度等相關(guān)情況，在無(wú)人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)中的控制模塊為STMFI 以及MCU，在運(yùn)行中具有較快通信速度，可以實(shí)現(xiàn)信息的及時(shí)傳遞，在風(fēng)電葉片巡檢過(guò)程中能夠有效滿足實(shí)際需求。

圖3 系統(tǒng)硬件接線方案設(shè)計(jì)

圖4 激光模塊

無(wú)人機(jī)智能巡檢工作中，在軟件系統(tǒng)的應(yīng)用下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片損傷相關(guān)信息的迅速處理，例如可以在軟件的應(yīng)用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片損傷大小和邊界所占比例實(shí)施計(jì)算，同時(shí)和超聲波以及激光測(cè)量距離所得數(shù)值結(jié)合應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電葉片實(shí)際損傷情況確定和分析，有助于降低計(jì)算誤差，提升檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性。實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，為提升計(jì)算準(zhǔn)確性，可以采用超聲波和激光測(cè)量距離值兩者的平均值。其中無(wú)人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)的MCU 框架設(shè)計(jì)見圖5。

圖5 MCU框圖設(shè)計(jì)

4 無(wú)人機(jī)智能巡檢的應(yīng)用效果

在無(wú)人機(jī)智能巡檢中，針對(duì)樣本葉片采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)人機(jī)運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)手動(dòng)控制飛行航線，包括有兩個(gè)飛行路線分別為背風(fēng)面順光飛行以及迎風(fēng)面逆光飛行。在和葉片距離保持在10 m時(shí)對(duì)其實(shí)施智能識(shí)別，發(fā)現(xiàn)異常則懸停實(shí)施近距離拍照。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，無(wú)人機(jī)的迎風(fēng)面逆光飛行巡檢結(jié)果效果不佳，背風(fēng)面順光飛行巡檢工作順利完成，巡檢結(jié)果顯示，其中無(wú)人機(jī)葉片巡檢疑似故障見圖6，放大后故障信息見圖7，從圖中能夠發(fā)現(xiàn)，葉片邊緣存在有長(zhǎng)裂紋，葉尖處也存在有葉片涂層脫落，存在劃痕。無(wú)人機(jī)巡測(cè)結(jié)果顯示熱斑識(shí)別存在10處疑似故障。

圖6 無(wú)人機(jī)巡檢疑似故障

圖7 光伏組件熱板識(shí)別

在以上兩種方法巡檢中可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)智能巡檢結(jié)果中能夠準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)光伏組件上的異常熱斑情況，由此可見，在風(fēng)電光伏故障診斷中無(wú)人機(jī)能夠準(zhǔn)確識(shí)別異常熱斑，為工作人員針對(duì)風(fēng)電光伏運(yùn)行維護(hù)提供了重要的參考依據(jù)。其中光伏電站在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中，容易出現(xiàn)各種裂紋、損壞等異常問(wèn)題，也會(huì)存在落葉、塵土等覆蓋情況，如果一旦對(duì)光伏組件造成影響，則會(huì)導(dǎo)致存在局部陰影，引發(fā)組件內(nèi)部部分電池單片電流和電壓出現(xiàn)改變，即會(huì)加大太陽(yáng)電池組件布局電流和電壓之積，提升局部溫度。另外，太陽(yáng)能組件中部分電池單片如果具有缺陷，也會(huì)引發(fā)組件出現(xiàn)局部溫度升高，發(fā)生熱斑。在熱斑效應(yīng)下，溫度持續(xù)升高達(dá)到極限，則會(huì)導(dǎo)致電池組出現(xiàn)焊點(diǎn)熔化，造成柵線損傷，導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重后果。因此，無(wú)人機(jī)智能巡檢在風(fēng)電光伏故障診斷中的應(yīng)用，更有助于提升檢測(cè)準(zhǔn)確性，為風(fēng)電光伏穩(wěn)定運(yùn)行提供了有效保障。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上研究得出以下結(jié)論：

第一，無(wú)人機(jī)智能巡檢在風(fēng)電光伏故障診斷中具有重要應(yīng)用價(jià)值，在完成無(wú)人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)后，可以依照相關(guān)的巡檢路線實(shí)施檢測(cè)，彌補(bǔ)了高倍望遠(yuǎn)鏡在應(yīng)用中精細(xì)化不足的問(wèn)題，有助于保障風(fēng)電光伏的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

第二，無(wú)人機(jī)智能巡檢和人工巡檢結(jié)果相比，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光伏組件異常熱斑的有效檢測(cè)，能夠有效防范異常熱斑對(duì)光伏組件的損傷，為相關(guān)工作人員運(yùn)行維護(hù)提供相關(guān)參考依據(jù)，確保風(fēng)電光伏的穩(wěn)定運(yùn)行，提升運(yùn)行安全性和可靠性。

第三，無(wú)人機(jī)在風(fēng)電光伏故障檢測(cè)中的應(yīng)用，操作簡(jiǎn)單、維護(hù)便利，具有較高性價(jià)比，同時(shí)也能夠進(jìn)一步提升檢測(cè)結(jié)果全面性和準(zhǔn)確率，提高工作質(zhì)量和效率，可以有效滿足用戶需求，是當(dāng)前風(fēng)電光伏故障檢測(cè)中的一個(gè)重要選擇。