王家萬

(大唐青海能源開發(fā)有限公司海西新能源事業(yè)部，格爾木 816000)

0 引言

隨著國家碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的部署，光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模將成倍增加，大規(guī)模的荒漠集中式光伏電站(下文簡稱為“荒漠光伏電站”)越來越多。因?yàn)榛哪夥娬镜恼嫉孛娣e大，設(shè)備繁多且具有分散性，定期進(jìn)行光伏組件的巡檢運(yùn)維工作十分重要，且任務(wù)繁重。傳統(tǒng)的人工巡檢方式耗時長、勞動力成本高，且光伏組件熱斑等缺陷不易被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)前，如何有效提升荒漠光伏電站精細(xì)化運(yùn)維管理已成為光伏電站運(yùn)營企業(yè)不斷探索的目標(biāo)。

近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，無人機(jī)在光伏電站智慧化運(yùn)維方面掀起了研究和應(yīng)用熱潮，利用無人機(jī)代替人工進(jìn)行光伏組件定期巡檢成功解決了荒漠光伏電站采用傳統(tǒng)人工巡檢時遇到的難題。無人機(jī)巡檢以全方位、全覆蓋作業(yè)的方式，有效適配了荒漠光伏電站占地面積大、設(shè)備繁多的特點(diǎn)。負(fù)責(zé)巡檢運(yùn)維作業(yè)的無人機(jī)應(yīng)用于光伏發(fā)電行業(yè)，能夠提供荒漠光伏電站中光伏組件的運(yùn)行狀況，保證了荒漠光伏電站在其全生命周期內(nèi)的高效精準(zhǔn)運(yùn)維，改變了傳統(tǒng)的現(xiàn)場巡檢以人力巡檢為主的方式，節(jié)省了人力資源，提高了光伏電站運(yùn)營企業(yè)的投資回報率。

本文對荒漠光伏電站中光伏組件的故障類型進(jìn)行分析，從無人機(jī)及其附件的配置要求，無人機(jī)智能診斷軟件，精準(zhǔn)的故障定位功能，自動導(dǎo)航、避障和故障續(xù)航功能，高性能攝像系統(tǒng)的選擇，智能飛控系統(tǒng)，以及遠(yuǎn)程通信功能幾個方面對荒漠光伏電站中無人機(jī)巡檢的技術(shù)要求進(jìn)行研究，最后對某荒漠光伏電站的無人機(jī)巡檢實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行介紹。

1 荒漠光伏電站中光伏組件故障類型及分析

1.1 光伏組件的熱斑效應(yīng)

在同一光照強(qiáng)度下，當(dāng)光伏組件中的一片或部分太陽電池被遮擋或存在內(nèi)部隱裂缺陷時，該太陽電池所產(chǎn)生的電流會低于其周圍正常太陽電池產(chǎn)生的電流，從而形成一定的電流差；因?yàn)殡娏鞔蟮碾娏髟磿螂娏餍〉碾娏髟吹构嚯娏?，而電流小的電流源會接收倒灌電流，所以電流小的太陽電池由輸出能量變?yōu)槲漳芰?，這部分能量就會在光伏組件上轉(zhuǎn)化成熱量，造成光伏組件局部溫度升高，形成熱斑，導(dǎo)致光伏組件輸出功率降低；溫度過高時的超溫情況，會導(dǎo)致光伏組件上的焊點(diǎn)熔化，燒毀柵線，甚至?xí)龤Ч夥M件，使整個光伏組件報廢。

近幾年由熱斑效應(yīng)引起的光伏電站火災(zāi)事故多有發(fā)生，不但會存在財產(chǎn)損失，嚴(yán)重的還會造成人員傷亡。但光伏組件熱斑效應(yīng)在日常人工巡檢工作中不易被發(fā)現(xiàn)，只有采用專業(yè)工具進(jìn)行巡檢才能發(fā)現(xiàn)。

1.2 光伏組件缺陷

荒漠光伏電站所處環(huán)境較為惡劣，且早晚溫差大、紫外線強(qiáng)烈，易造成光伏組件玻璃破碎、光伏組件滑落、焊帶斷裂、隱裂等缺陷。由于荒漠光伏電站中有上萬塊光伏組件，這些缺陷不易被發(fā)現(xiàn)。

1.3 陰影遮擋影響

當(dāng)雜草、樹木等的生長高度超過光伏組件高度時，若不及時處理，就會形成陰影遮擋，造成光伏組件接收的太陽輻射不均；鳥糞、積灰、塑料垃圾等長期附著在光伏組件表面，也會形成陰影遮擋，這些陰影遮擋會導(dǎo)致光伏組件局部溫度升高，形成熱斑效應(yīng)。

1.4 線路故障

當(dāng)匯流箱支路故障、光伏組件接線盒故障、接線插頭發(fā)生脫落、線頭松動、直流匯線斷線、絕緣損壞發(fā)生接地等線路故障產(chǎn)生，會造成部分光伏方陣不發(fā)電。若荒漠光伏電站的通信系統(tǒng)異常時，這些線路故障不易被發(fā)現(xiàn)，會給光伏電站造成發(fā)電量損失。

2 荒漠光伏電站中無人機(jī)巡檢的技術(shù)要求

2.1 無人機(jī)及其附件的配置要求

為了能夠滿足荒漠光伏電站巡檢的要求，采用無人機(jī)巡檢時，無人機(jī)及其附件的配置要求如表1所示。

2.2 無人機(jī)智能診斷軟件

荒漠光伏電站中無人機(jī)巡檢應(yīng)采用具備后臺處理能力的軟件，即無人機(jī)智能診斷軟件，軟件需具備對無人機(jī)拍攝的海量照片的自動識別和分析功能，從而盡量減少人工處理量。

無人機(jī)智能診斷軟件基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)算法開發(fā)，將圖像識別軟件發(fā)現(xiàn)的故障特征信息、原始信息，通過軟件自動識別計算，從不斷更新的光伏電站故障、污損特征值數(shù)據(jù)庫的海量數(shù)據(jù)中比對檢測數(shù)據(jù)，自動判斷光伏組件的故障、污損情況，并進(jìn)行位置標(biāo)定，數(shù)據(jù)結(jié)果自動生成檢測報告；無人機(jī)智能診斷軟件同步記錄，并學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)處理過程，不斷更新知識庫[7]。

無人機(jī)巡檢結(jié)合圖像識別技術(shù)、紅外圖像同步定位與地圖繪制(SLAM)采集定位、圖像分割算法、故障識別算法、全圖拼接算法、云計算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，通過無人機(jī)搭載4K分辨率高清可見光相機(jī)和高清紅外熱成像相機(jī)同步拍攝光伏組件照片或視頻，然后采集數(shù)據(jù)，將拍攝的照片或視頻數(shù)據(jù)上傳至智能診斷軟件，通過對同一光伏方陣內(nèi)所有光伏組件由于溫度與發(fā)射率差異所產(chǎn)生的熱進(jìn)行對比，自動識別光伏電站中光伏組件(或光伏組串)的故障情況，定位出故障光伏組件(或光伏組串)所在的位置，并生成檢測分析報告。

2.3 精準(zhǔn)的故障定位功能

無人機(jī)巡檢需具備精準(zhǔn)的故障定位功能。可依據(jù)光伏電站整體總平面圖、鳥瞰拍攝的全景圖，采用全球定位系統(tǒng)(GPS)或北斗高精度定位系統(tǒng)定位，標(biāo)記異常光伏組件的編號和光伏組件上紅外熱成像存在異常的位置并進(jìn)行保存，可以提供巡檢區(qū)域的光伏組件分布圖、異常光伏組件的分布及位置編號、熱斑故障點(diǎn)的準(zhǔn)確地理信息和位置。

無人機(jī)巡檢可支持GPS、北斗等2系統(tǒng)11頻點(diǎn)衛(wèi)星信號的接收，實(shí)時動態(tài)測量技術(shù)移動站集成多種數(shù)據(jù)傳輸鏈路及高性能傳感器，可為無人機(jī)飛行平臺提供厘米級的三維定位和精準(zhǔn)定向。

無人機(jī)巡檢時，光伏電站應(yīng)建立實(shí)景3D模型，采用由實(shí)景照片生成3D模型的建模方式，在模型中標(biāo)識每塊光伏組件的位置，實(shí)現(xiàn)紅外熱成像照片與實(shí)景3D模型的對應(yīng)，以便精準(zhǔn)查詢光伏組件故障點(diǎn)位。

2.4 自動導(dǎo)航、避障和故障續(xù)航功能[8]

無人機(jī)可以根據(jù)預(yù)設(shè)航跡路線進(jìn)行自主升降、飛行巡航，實(shí)現(xiàn)免手控操作的自主飛行。

在飛行中，為避免出現(xiàn)飛行事故，無人機(jī)需要具備一定的躲避障礙能力，可以識別出路線上存在的障礙物，采取主動躲避動作，空中剎車或繞開障礙物飛行。在設(shè)置飛行航線時，無人機(jī)巡檢系統(tǒng)能夠?qū)⒐夥娬緢鰠^(qū)外設(shè)置為禁止飛行區(qū)域，并在設(shè)置的飛行航線超范圍時進(jìn)行提示。

針對光伏電站的無人機(jī)巡檢在執(zhí)行長時間任務(wù)時，若因續(xù)航、故障或人為原因?qū)е氯蝿?wù)中斷，應(yīng)可以自動或手動記錄斷點(diǎn)位置；恢復(fù)飛行時，應(yīng)能夠定位到斷點(diǎn)位置，繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。

2.5 高性能攝像系統(tǒng)的選擇

攝像機(jī)是拍攝光伏組件的核心設(shè)備，高性能的攝像系統(tǒng)是識別光伏組件熱斑的關(guān)鍵。因此在選擇無人機(jī)巡檢的攝像系統(tǒng)時，必須選擇高性能的攝像系統(tǒng)。

可見光攝像機(jī)的有效像素需不低于1400萬，具備自動變焦功能，攝像機(jī)在距離光伏組件中心距離不小于10 m處拍攝，拍攝的照片需能夠清楚分辨出光伏組件上的焊帶斷裂、熱斑、隱裂，以及光伏組件表面超過12 cm2的遮擋物及嚴(yán)重的積灰。搭配云臺使用的可見光傳感器，轉(zhuǎn)動角速度和轉(zhuǎn)動性能應(yīng)符合水平和俯仰轉(zhuǎn)動的要求?？梢姽鈹z像機(jī)應(yīng)具備手動和自動成像功能，具備拍照模式、錄像模式、回放模式。

紅外熱成像相機(jī)的溫度靈敏度和測量范圍應(yīng)在-25～ 135 ℃之間，熱靈敏度在30 ℃時小于等于0.1 K；幾何分辨率應(yīng)大于等于640×480，支持全屏測溫(即每個像素測溫)；絕對測量誤差小于2 K；具備手動和自動拍攝、存儲功能。

2.6 智能飛控系統(tǒng)[8]

智能飛控系統(tǒng)能有效控制無人機(jī)的飛行姿態(tài)，有自主飛行或半自主飛行兩種控制模式。飛行控制站應(yīng)能夠?qū)崟r顯示經(jīng)緯度、飛行速度、飛行高度、蓄電池容量等信息。與飛行控制站成套配置的顯示器，應(yīng)能同時顯示遙控遙測數(shù)據(jù)和回傳影像，能夠存儲和導(dǎo)出飛行日志、拍攝的照片及視頻，以及其他任務(wù)信息，并能夠?qū)φ掌?、視頻、信息等進(jìn)行備份。智能飛控系統(tǒng)應(yīng)具備實(shí)景地圖加載功能。

針對光伏電站的無人機(jī)巡檢宜采用自動飛行模式，實(shí)現(xiàn)一鍵起飛自動巡檢和定點(diǎn)巡檢功能，可以實(shí)時傳輸飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)，保證飛行安全，實(shí)現(xiàn)自動避障等。

2.7 遠(yuǎn)程通信功能

與荒漠光伏電站中無人機(jī)巡檢相關(guān)的軟件應(yīng)具備后臺通信功能，實(shí)現(xiàn)與智慧化應(yīng)用平臺的遠(yuǎn)程通信，無人機(jī)巡檢后自動生成缺陷工單，聯(lián)系兩票系統(tǒng)，完成無人機(jī)巡檢問題庫的閉環(huán)管理，實(shí)現(xiàn)荒漠光伏電站的精細(xì)化管理。

無人機(jī)巡檢完成后，應(yīng)采用照片自動傳輸功能，無人機(jī)上搭載的相機(jī)拍攝的照片可通過后臺軟件的WiFi傳輸功能，實(shí)現(xiàn)拍攝照片的自動傳輸，從而可省去人工拔卡再讀取的步驟。

3 荒漠光伏電站中無人機(jī)巡檢的應(yīng)用案例

本文以青海大唐國際格爾木光伏發(fā)電有限責(zé)任公司的謙仁格爾木光伏電站為例，對其無人機(jī)巡檢應(yīng)用進(jìn)行介紹。該光伏電站位于格爾木光伏工業(yè)園區(qū)內(nèi)，占地面積約為504畝(1畝≈666.67 m2)，分4期、5期布置，總裝機(jī)容量為20 MW，包括10個光伏方陣，光伏組件總數(shù)量約為58852塊，光伏組串?dāng)?shù)量為1860串。謙仁格爾木光伏電站的光伏方陣分布情況如圖1所示。

2020年6月29日，采用無人機(jī)對謙仁格爾木光伏電站裝機(jī)容量為20 MW的10個光伏方陣進(jìn)行巡檢，巡檢的飛行時間約為180 min，共拍攝高清紅外照片42780張。

通過無人機(jī)圖像識別軟件對42780張照片進(jìn)行分析后，識別出有熱斑的光伏組件總數(shù)量為20塊，且均為普通熱斑。光伏電站的運(yùn)維人員可通過無人機(jī)智能診斷軟件定位熱斑光伏組件的位置，并從光伏電站中準(zhǔn)確找到該光伏組件。謙仁格爾木光伏電站的熱斑光伏組件巡檢報告如圖2所示。

圖2 謙仁格爾木光伏電站的熱斑光伏組件巡檢報告Fig. 2 Patrol Report on hot spot PV modules of Qianren Geermu PV power station

4 結(jié)論

本文對荒漠光伏電站中光伏組件的故障類型進(jìn)行了分析，然后從不同角度對荒漠光伏電站中無人機(jī)巡檢的技術(shù)要求進(jìn)行了研究，并對某荒漠光伏電站的無人機(jī)巡檢應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹。研究結(jié)果表明：相比于傳統(tǒng)的人工巡檢方式，荒漠光伏電站采用無人機(jī)巡檢方式的優(yōu)勢在于：1)可以大幅減少運(yùn)維人員的數(shù)量并縮短巡檢時間，實(shí)現(xiàn)減人增效，具有更高的經(jīng)濟(jì)效益；2)可以減少運(yùn)維人員到現(xiàn)場的次數(shù)，降低了人工巡檢可能帶來的人員觸電、交通事故等安全風(fēng)險；3)無人機(jī)攜帶全屏測溫高靈敏紅外熱成像技術(shù)，識別能力強(qiáng)，有效解決了人工巡檢時不易發(fā)現(xiàn)的光伏組件熱斑、隱裂等缺陷，以及不易發(fā)現(xiàn)的部分光伏組件不發(fā)電等問題；4)無人機(jī)巡檢系統(tǒng)可自動結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析、設(shè)備健康評估、發(fā)電能力預(yù)測等，從而提高了荒漠光伏電站精細(xì)化科學(xué)管理水平。綜上所述，荒漠光伏電站采用無人機(jī)巡檢，對光伏電站運(yùn)營企業(yè)利用科技手段提升大規(guī)模光伏電站的管理水平具有重要參考意義。