宋卿堯

（深能北方(通遼)能源開(kāi)發(fā)有限公司，內(nèi)蒙古通遼，028000）

1 光伏熱斑研究現(xiàn)狀

當(dāng)前在太陽(yáng)能利用中經(jīng)常會(huì)遇到光伏熱斑的困擾，目前關(guān)于光伏熱斑的研究與探討也取得了一定進(jìn)展，光伏熱斑的成因已經(jīng)探明，其是光伏組件在全光照的條件下因組件遮擋導(dǎo)致局部溫度升高從而演變?yōu)楣夥鼰岚叩默F(xiàn)象。光伏熱斑危害性較大，不僅干擾光伏陣列運(yùn)行，也威脅光伏電站的運(yùn)行。光伏熱斑的成因較多，其一，光伏組件因?yàn)檎趽醭霈F(xiàn)組件功率匹配失衡的問(wèn)題，引發(fā)熱斑。其二，光伏組件搬運(yùn)組裝的過(guò)程中因疏忽引發(fā)組件斷裂，影響組件功能的正常發(fā)揮，產(chǎn)生熱斑。其三，在惡劣的天氣環(huán)境下組件內(nèi)部發(fā)生阻抗失衡引發(fā)光伏熱斑。針對(duì)第一種情況引發(fā)的光伏熱斑是可以提前預(yù)測(cè)與防范的，目前常用的光伏熱斑診斷方法為紅外檢測(cè)和電氣量法，紅外檢測(cè)原理是根據(jù)不同狀態(tài)下光伏組件的溫度差異進(jìn)行熱斑檢測(cè)，并配合紅外識(shí)別、圖形處理達(dá)到故障定位的目的。其也支持熱斑檢測(cè)報(bào)告的自動(dòng)生成，是光伏電站運(yùn)維人員運(yùn)維管理的主要參考，但其也有應(yīng)用局限，往往需要較高的圖片分辨率，且容易受環(huán)境因素干擾，對(duì)應(yīng)的技術(shù)要求也較高。但從應(yīng)用效果看，紅外檢測(cè)效果要優(yōu)于電氣量法。目前主推的是基于無(wú)人機(jī)的光伏電站熱斑檢測(cè)系統(tǒng)，其能提高數(shù)據(jù)采集與熱斑檢測(cè)效率，能實(shí)現(xiàn)熱斑檢測(cè)的自動(dòng)化，對(duì)應(yīng)較高的檢測(cè)準(zhǔn)確率。支持后臺(tái)生成熱斑檢測(cè)報(bào)告，為光伏電站維護(hù)人員提供智能決策支持。

2 光伏熱斑的紅外溫度特性及成像特性

■2.1 光伏熱斑的紅外溫度特性

熱斑是因?yàn)楸徽趽豕夥M件局部區(qū)域發(fā)熱所造成的，它對(duì)應(yīng)的紅外溫度特性體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面，熱斑的最高溫度明顯高于光伏組件平均溫度，這是由熱斑的產(chǎn)生機(jī)理所決定的。借助紅外圖像可以準(zhǔn)確觀察到熱斑。另一方面，熱斑的最高溫度與熱斑平均溫度差差異大，且即使是在同一個(gè)熱斑范圍內(nèi)中心點(diǎn)的溫度要高于周邊溫度，此外背景最高溫度與平均溫度差值會(huì)小于熱斑最高溫度與熱斑平均溫度差值，我們可以據(jù)此規(guī)避錯(cuò)誤地將背景區(qū)域作為高溫斑塊的風(fēng)險(xiǎn)，使得熱斑檢測(cè)更準(zhǔn)確。

■2.2 光伏熱斑紅外成像特性

光伏陣列區(qū)域中熱斑紅外輻射能力強(qiáng)且溫度高，其紅外成像特征體現(xiàn)在四個(gè)方面。其一，熱斑的面積較小，熱斑是光伏組件局部發(fā)熱形成的，因此其面積通常較小?；谄涿娣e較小的屬性可以區(qū)分熱斑與地面背景區(qū)域的局部高溫塊。其二，熱斑灰度值偏高。熱斑的溫度明顯高于光伏陣列內(nèi)其他部分溫度，對(duì)應(yīng)到紅外灰度圖像中熱斑灰度值也高于光伏陣列中其他區(qū)域灰度值。其三，熱斑邊緣明顯。熱斑的邊緣溫度是明顯高于光伏陣列區(qū)域的溫度的，因此熱斑邊緣的灰度值要高于光伏陣列區(qū)域的灰度值，使得熱斑邊緣十分明顯。其四，熱斑多分布于光伏組件邊緣位置。目前光伏電站多建立在郊區(qū)、荒漠等地區(qū)，多用傾斜安裝的方式安裝光伏陣列，長(zhǎng)期運(yùn)行下沙土、固體物在光伏組件的下邊緣處堆積，因此使得熱斑多分布在光伏組件邊緣位置。

3 熱斑檢測(cè)系統(tǒng)模塊介紹

熱斑檢測(cè)系統(tǒng)主要有機(jī)載部分和地面站兩大部分，其中機(jī)載部分的構(gòu)成是飛行控制模塊、溫度采集模塊、GPS 定位模塊、巡航控制模塊，機(jī)載部分可以控制無(wú)人機(jī)的飛行路線并支持光伏電站紅外溫度數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集，以此獲取紅外圖像位置信息，用于熱斑的檢測(cè)與判斷。而地面站的主要構(gòu)成是通訊模塊、系統(tǒng)管理模塊、圖像處理模塊以及UI 模塊。整體說(shuō)來(lái)，其負(fù)責(zé)熱斑檢測(cè)、定位以及報(bào)告生成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)人機(jī)航拍應(yīng)用系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

■3.1 機(jī)載模塊

3.1.1 飛行控制模塊

飛行控制模塊是機(jī)載模塊部分的核心控制模塊，主要負(fù)責(zé)進(jìn)行無(wú)人機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)整，下發(fā)具體的飛行任務(wù)并管理，也進(jìn)行應(yīng)急控制。

3.1.2 巡航控制模塊

該模塊不僅能及時(shí)收集到傳感器的相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)，也能接收到控制站發(fā)出的關(guān)鍵信息，并起著指令傳輸?shù)闹薪樽饔茫瑢⑺邮盏降男畔⑦M(jìn)行提取，并發(fā)出輸出指令以指導(dǎo)無(wú)人機(jī)運(yùn)行。

3.1.3 溫度采集模塊

溫度采集模塊又叫圖像采集模塊，主要側(cè)重溫度數(shù)據(jù)的采集。其可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)特定高度與方向數(shù)據(jù)的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給圖像處理模塊進(jìn)行圖像的處理與利用。

3.1.4 GPS 定位模塊

GPS 定位模塊則主要負(fù)責(zé)進(jìn)行熱斑位置的判斷，可以精確到具體的經(jīng)度和緯度。其也使得飛行控制模塊有精準(zhǔn)的方向指導(dǎo)，明確的位置診斷，使得熱斑定位更精準(zhǔn)，更高效。

■3.2 地面站模塊

3.2.1 系統(tǒng)管理模塊

系統(tǒng)管理模塊一般主要負(fù)責(zé)進(jìn)行系統(tǒng)功能和參數(shù)的設(shè)置，其可以被認(rèn)為是參數(shù)系統(tǒng)的集合。在系統(tǒng)運(yùn)行前做好參數(shù)設(shè)置，讓設(shè)備系統(tǒng)達(dá)到規(guī)范運(yùn)行的條件,因此被認(rèn)為是其他模塊功能運(yùn)行的基礎(chǔ)。

3.2.2 圖像處理模塊

圖像處理模塊在地面站模塊中處于核心地位，主要負(fù)責(zé)圖像的精準(zhǔn)處理，輔助進(jìn)行光伏陣列區(qū)域范圍的判斷與識(shí)別，在進(jìn)行光伏陣列區(qū)域識(shí)別之后進(jìn)行熱斑檢測(cè)。圖像處理模塊的精準(zhǔn)分析功能，使得熱斑檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)準(zhǔn)確率更高。目前圖像處理模塊可以識(shí)別到具體的紋理細(xì)節(jié)，即使在不接觸的情況下也能做到對(duì)區(qū)域熱斑的精準(zhǔn)定位。

3.2.3 UI 模塊

UI 模塊是用戶界面模塊，主要負(fù)責(zé)顯示熱斑檢測(cè)結(jié)果，并生成熱斑檢測(cè)報(bào)告，熱斑檢測(cè)報(bào)告是光伏電站維護(hù)人員進(jìn)行熱斑故障排查與處理時(shí)的主要參考，能有效降低熱斑負(fù)面效應(yīng)，讓運(yùn)維管理更具實(shí)效，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

4 熱斑檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

目前無(wú)人機(jī)航拍熱斑檢測(cè)系統(tǒng)工作原理清晰簡(jiǎn)單，主要涉及五大流程。第一流程是科學(xué)合理地規(guī)劃無(wú)人機(jī)的航拍路線，使得無(wú)人機(jī)運(yùn)行方向、軌跡正確。第二流程是基于特定需求及時(shí)抓取信息，拍攝圖像，生成光伏場(chǎng)區(qū)域紅外圖像。第三流程是建立光伏熱斑檢測(cè)模型。第四流程是基于獲得的圖像進(jìn)行熱斑檢測(cè)分析。第五流程是輸出檢測(cè)分析后的數(shù)據(jù)并生成檢測(cè)報(bào)告。下面根據(jù)這五大流程進(jìn)行具體論述。

■4.1 科學(xué)規(guī)劃路線

路線規(guī)劃是否合理直接關(guān)系到無(wú)人機(jī)的運(yùn)行軌跡、運(yùn)行穩(wěn)定性，更牽涉到無(wú)人機(jī)溫度數(shù)據(jù)的采集效率、準(zhǔn)確性以及路線航拍的安全性，本著數(shù)據(jù)高效采集、航拍安全的原則，應(yīng)確保路線規(guī)劃的合理性，避免重復(fù)拍攝，規(guī)避遺漏拍攝風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)踐中常常根據(jù)光伏電站的原始設(shè)計(jì)圖紙來(lái)擬定無(wú)人機(jī)的最佳飛行路線，使得無(wú)人機(jī)在特定的拍攝區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。在路線規(guī)劃時(shí)應(yīng)提前進(jìn)行小型無(wú)人機(jī)的運(yùn)行檢查，小型無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡航包括起飛檢查、光伏組件換行、著陸等系列操作，于現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行小型無(wú)人機(jī)巡航線的調(diào)試，高度角度參數(shù)的調(diào)整，讓小型無(wú)人機(jī)巡航路線根據(jù)GPS 傳感器聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行科學(xué)設(shè)定，在設(shè)定GPS 傳感器時(shí)需要確保無(wú)人機(jī)上兩個(gè)攝像頭所拍攝的光伏組件處于圖像的正中心位置。

■4.2 及時(shí)拍攝圖像

路線規(guī)劃完成后則對(duì)應(yīng)著圖像的拍攝，一般是將紅外線熱成像儀器裝載在無(wú)人機(jī)上，基于飛行控制模塊的調(diào)控，讓無(wú)人機(jī)按照預(yù)先設(shè)計(jì)進(jìn)行光伏組件圖像的抓取抓拍，并在紅外圖像采集模塊的輔助下實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)到地面控制系統(tǒng)的傳輸，生成清晰的圖像。

■4.3 建立光伏熱斑檢測(cè)模型

優(yōu)化處理采集到的數(shù)據(jù)，拋除明顯異常數(shù)據(jù)，使用灰色關(guān)聯(lián)投影的方法選出與待測(cè)日相同的環(huán)境要素，其中光照、溫度等作為主要的選擇條件。選取與待測(cè)日比較接近的數(shù)據(jù)作為歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行隔離森林算法的訓(xùn)練，采集各個(gè)支路上的數(shù)據(jù)作為實(shí)時(shí)輸入數(shù)據(jù)予以診斷，及時(shí)判定各支路是否有異常情況，評(píng)分越大的支路其故障可能性越大。具體的光伏熱斑檢測(cè)流程如圖2 所示。先是環(huán)境信息采集，接著是灰色關(guān)聯(lián)投影選擇相似日，接著是歷史樣本輸入與數(shù)據(jù)預(yù)處理，接著是生成決策樹(shù)，再次輸入采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)異常預(yù)測(cè)。之所以選擇隔離森林算法是因?yàn)槠溽槍?duì)異常數(shù)據(jù)檢測(cè)效果好且時(shí)間復(fù)雜度低、計(jì)算速度快，在處理高危和海量數(shù)據(jù)方面優(yōu)勢(shì)明顯，目前該算法在光伏組件熱斑檢測(cè)系統(tǒng)中得到了成熟運(yùn)用。

圖2 光伏熱斑預(yù)測(cè)流程圖

■4.4 展開(kāi)圖像分析

對(duì)于拍攝的圖像進(jìn)行分析，主要由圖像處理模塊進(jìn)行，通過(guò)對(duì)光伏組件拍攝的紅外圖像溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析了解，進(jìn)而評(píng)判光伏陣列中熱斑的具體位置。

■4.5 生成檢測(cè)報(bào)告

生成熱斑檢測(cè)報(bào)告是最后一環(huán)，UI 模塊將獲取到的熱斑信息呈現(xiàn)在報(bào)告中，讓光伏電站工作人員了解光伏組件的熱斑情況，評(píng)估其故障狀態(tài)，指導(dǎo)維修，以保證光伏電站正常運(yùn)營(yíng)。

5 熱斑檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用前景

基于無(wú)人機(jī)航拍的熱斑檢測(cè)系統(tǒng)綜合了無(wú)人機(jī)技術(shù)、紅外圖像處理技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，支持無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡航，使得熱斑檢測(cè)更高效、更精準(zhǔn)。無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡航中收集的圖像在無(wú)線傳輸渠道的支持下及時(shí)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)測(cè)站，以機(jī)器視覺(jué)算法識(shí)別有缺陷的光伏組件，達(dá)到自動(dòng)化檢測(cè)的目的。著眼于未來(lái)，熱斑檢測(cè)的應(yīng)用將更為成熟與廣泛，檢測(cè)系統(tǒng)的性能也將大大提升，不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)人工檢測(cè)數(shù)據(jù)丟失的問(wèn)題，使得熱斑檢測(cè)自動(dòng)化、智能化程度更高，而熱斑檢測(cè)系統(tǒng)能更及時(shí)地發(fā)現(xiàn)光伏組件中的故障，為維修人員故障排查與處理提供有效參考，指導(dǎo)他們及時(shí)維修設(shè)備。目前熱斑檢測(cè)系統(tǒng)在其他領(lǐng)域也“小試牛刀”，如在高壓電路、變電站等行業(yè)中發(fā)揮實(shí)效。

6 結(jié)語(yǔ)

基于無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)、紅外圖像處理技術(shù)的綜合性的光伏熱斑檢測(cè)系統(tǒng)能有效解決人工巡檢盲點(diǎn)多、低效化的問(wèn)題，不僅能識(shí)別熱斑故障，而且具有檢測(cè)效率高、檢測(cè)準(zhǔn)確率高的特征，更好地滿足光伏電站的實(shí)際工作需要，大大降低光伏熱斑效應(yīng)的危害。