李碩

【摘 要】隨著無人機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，結(jié)合風(fēng)電管理特色，利用無人機技術(shù)能提高風(fēng)電設(shè)備的管理水平，助力安全生產(chǎn)。文章通過分析無人機技術(shù)的優(yōu)勢，對無人機技術(shù)在風(fēng)電設(shè)備管理中的實際應(yīng)用進行了闡述，提出了技術(shù)創(chuàng)新點和需要改進的方向，為進一步做好預(yù)知性檢修奠定了堅實的科學(xué)基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】無人機;風(fēng)電場;設(shè)備管理

【中圖分類號】V279 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）06-0158-02

0 引言

隨著風(fēng)電市場的逐漸成熟，大型風(fēng)力發(fā)電機組相繼出現(xiàn)，葉片長度也由原來的30～40 m增加至60～70 m。風(fēng)電機組的生命周期是20年，葉片長度的增長和葉片重量的增加也給葉片的運行維護帶來了挑戰(zhàn)。

風(fēng)電場輸電線路是連接風(fēng)電機組、變電所與電力網(wǎng)的一個傳送電能的系統(tǒng)。由于架空線路具有線路結(jié)構(gòu)簡單、施工周期短、建設(shè)費用低、輸送容量大及維護檢修方便的優(yōu)點，所以在風(fēng)電場得到廣泛應(yīng)用。然而我國國土幅員遼闊，地形復(fù)雜，丘陵較多，平原較少，加上氣象條件復(fù)雜多變，因此在實際的電力巡檢過程中遇到很大的阻礙，現(xiàn)有的檢查手段和常規(guī)測試已經(jīng)不能滿足電力巡檢的要求。

中國大唐集團有限公司赤峰分公司目前是大唐集團公司風(fēng)電裝機規(guī)模最大的直屬企業(yè)，截至2017年末，該公司總裝機容量已達1 510.3 MW，風(fēng)機共1 136臺，已投產(chǎn)風(fēng)電場10座，分布在赤峰市四旗、一縣、一區(qū)。為了不斷提高風(fēng)電場的集約化、自動化、智能化、專業(yè)化管理水平，該公司于2018年開始采用無人機可見光、紅外及雷達系統(tǒng)用于風(fēng)機葉片和集電線路的精細化巡檢。為了進一步深化運行管理工作，在目前硬件系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合集控中心已經(jīng)積累了一定的巡檢歷史數(shù)據(jù)及分析經(jīng)驗的實際情況，具備了開展深入研究的基本條件。通過對已積累的大數(shù)據(jù)進行深入分析，可以不斷摸索風(fēng)機葉片和集電線路的故障規(guī)律，為進一步做好預(yù)知性檢修奠定堅實的科學(xué)基礎(chǔ)。

1 無人機的技術(shù)優(yōu)勢

無人機多為旋翼直升機（也有固定翼直升機），以旋翼為推動方式，具有垂直起降和空中懸停的特點，可分為旋翼帶尾槳、共軸反槳和多旋翼等形式，多旋翼無人直升機通常有四旋翼、六旋翼和八旋翼等結(jié)構(gòu)。無人機按照空機質(zhì)量又分為大型無人機、中型無人機和小型無人機。當(dāng)任務(wù)設(shè)備搭載在無人機上用于檢測、采集和記錄風(fēng)機設(shè)備及架空輸電線路信息時，可為轉(zhuǎn)塔式光電吊艙，也可為云臺搭載光電傳感器。光電吊艙通過減振器能有效地降低無人機發(fā)動機振動對檢測設(shè)備的影響，通過陀螺增穩(wěn)系統(tǒng)的反饋控制，對無人機產(chǎn)生的晃動進行補償，使輸出的視頻在高振動環(huán)境下穩(wěn)定輸出，獲得相對慣性空間穩(wěn)定的平臺空間，以保持視角的有效性，滿足對被檢測系統(tǒng)的定位要求。在控制指令的驅(qū)動下，可實現(xiàn)吊艙對輸電線路、桿塔和線路走廊的搜索和定位，同時進行監(jiān)視、拍照并記錄。有些吊艙還采用圖像處理技術(shù)，實現(xiàn)對被檢測設(shè)備的跟蹤和凝視，具有較好的檢測效果。云臺的主要功能是通過穩(wěn)定平臺隔離載機的搖擺、振動，使輸出的視頻在高振動環(huán)境下保持穩(wěn)定;其增穩(wěn)控制主要由速度控制器、電機驅(qū)動器、電機和編碼器旋轉(zhuǎn)速度構(gòu)成速度環(huán)，由目標(biāo)位置、前饋控制器、位置控制器、編碼器位置信息構(gòu)成位置環(huán)實現(xiàn)。檢測終端可為可見光、紅外、紫外等成像設(shè)備，也可為激光雷達、合成孔徑雷達等，功能是為地面飛行控制人員和任務(wù)操控人員提供實時數(shù)據(jù)，同時提供高清晰度的靜態(tài)照片供后期分析輸電線路、桿塔和線路走廊的故障和缺陷，其檢測精度、效果及檢測系統(tǒng)的集成度是影響無人機巡檢系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵因素。地面控制模塊由地面站、通信天線及控制軟件等組成，通過遙控方式對無人機和任務(wù)設(shè)備進行控制。無人機通過地面站與機載通信天線實現(xiàn)遠距離信號發(fā)送、接收及遙控遙測。信號傳輸主要是實時傳輸可見光視頻和紅外視頻，任務(wù)人員通過控制軟件操作無人機云臺轉(zhuǎn)動，獲得最合適的角度進行視頻拍攝。地面站和通信天線應(yīng)實時性好，可靠性高，以便任務(wù)人員及時觀察風(fēng)機設(shè)備及輸電線路巡檢的現(xiàn)場情況;對高壓線及高壓設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾具有很強的抗干擾能力;能在城區(qū)、城郊、建筑物內(nèi)等非通視和有阻擋的環(huán)境下使用時，仍然具有卓越的繞障和穿透能力;能在高速移動的環(huán)境中，仍然可以提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)和視頻傳輸。

2 實踐成效

2.1 無人機在風(fēng)電行業(yè)的實際應(yīng)用

無人機采用搭載可見光相機、紅外相機、三維激光掃描儀等任務(wù)設(shè)備對風(fēng)機本體和輸電線路進行飛行巡檢，并實時將現(xiàn)場情況傳回地面監(jiān)控系統(tǒng)，以便做出正確判斷，以及時排除故障，這種巡檢方式以無人機裝備本身的控制程序為主，輔以無線遙控。在進行巡檢之前，無人機需要根據(jù)待巡檢設(shè)備的不同情況設(shè)定最佳的飛行路線，有利于工作人員從不同的角度對風(fēng)機葉片和輸電線路進行觀察，提升巡檢質(zhì)量。采用無人機結(jié)合定焦和變焦相機圍繞風(fēng)機拍攝葉片動態(tài)圖像，通過獲取風(fēng)機運行狀態(tài)信號，在風(fēng)機轉(zhuǎn)速較低或停止運轉(zhuǎn)的狀態(tài)下發(fā)指令給圖像捕捉控制以最大限度地降低風(fēng)機高速轉(zhuǎn)動對葉片圖像質(zhì)量的影響，定期將無人機獲取的風(fēng)機葉片高清圖像并通過光纖將數(shù)據(jù)傳回服務(wù)器進行處理分析，檢測結(jié)果存儲在數(shù)據(jù)庫中，可以在控制中心大屏檢測缺陷圖像或者直接報警。同時，結(jié)合人工智能與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以對無人機獲取的巡檢數(shù)據(jù)進行自動/半自動分析，甚至對設(shè)備隱患進行量化分析和測量，最終生成指導(dǎo)運維人員工作的巡檢報告。

2.2 主要技術(shù)創(chuàng)新

（1）激光輔助測量相機，使得無人機拍攝的風(fēng)機葉片缺陷長度可測量，解決了從照片中測量缺陷長度的難題。

（2）基于機器視覺輔助的無人機導(dǎo)航避障技術(shù)應(yīng)用，使得無人機巡檢操作流程簡化，對現(xiàn)場運維人員的操作技巧要求大大降低，提高了作業(yè)效率。

（3）采用激光掃描技術(shù)對風(fēng)場集電線路及走廊掃描建模，實現(xiàn)了線路和通道的三維場景重現(xiàn)，可視化完成樹障、弧垂的安全預(yù)警和測量。

（4）采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法自動化識別無人機圖像中的缺陷類型，目前實現(xiàn)對葉片砂眼、涂料損傷、表面不良和裂紋等缺陷的自動化輔助識別。

（5）采用智能巡檢無人機作為葉片檢測手段，每天可檢測12臺風(fēng)機，檢測效率與傳統(tǒng)“蜘蛛人”和“吊籃”巡檢方式相比，提升了6倍。

（6）地形復(fù)雜地區(qū)風(fēng)場集電線路采用智能無人機巡檢每天可檢測30～50個基塔，效率相比傳統(tǒng)人工線路巡檢提升了3～5倍。

2.3 存在的問題

（1）無人機專業(yè)人才緊缺。據(jù)初步判斷，我國在2018年需要無人機從業(yè)人員達40萬人次，截至2016年10月，國內(nèi)持證從業(yè)的飛手、維修、研發(fā)等人員卻不到10 000人。中國大唐集團有限公司赤峰分公司截至目前只有兩名人員通過了航空協(xié)會AOPA多旋翼無人機駕駛員執(zhí)照。

（2）旋翼無人機航程較短。當(dāng)前，無人機的續(xù)航時間為30 min左右，一塊外接電池的重量在250 g左右，只能滿足短時風(fēng)機及線路巡檢需要。

2.4 下一步努力方向

（1）線路掛接物處置。通過無人機還可以進行一些代替人工的操作性工作，比如對導(dǎo)線上外飄物隱患的處理，這類事情以往傳統(tǒng)的人工操作需要5～8 h完成，且需要停電作業(yè)，無人機則可以帶電作業(yè)，并且完成時間僅需15～20 min。

（2）升壓站紅外成像。通過無人機紅外吊艙定期對升壓站進行熱成像掃描，利用水平360°及俯視的優(yōu)勢，實現(xiàn)對整個視場范圍內(nèi)的熱故障的搜尋及設(shè)備的外觀狀態(tài)、工作狀態(tài)、溫度場分布情況的監(jiān)控。

（3）智能化應(yīng)用。無人機的智能化顧名思義就是讓無人機根據(jù)儲存在核心的程序可以自主定位目標(biāo)進行故障巡檢，同時依托已建成無線專用網(wǎng)絡(luò)及大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的開發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時互傳、實時分析，進一步提升智能化應(yīng)用水平。

（4）系統(tǒng)化應(yīng)用。無人機目前的狀態(tài)需要人進行定向定點操作，達到系統(tǒng)化以后，無人機之間的協(xié)調(diào)合作能力將大幅提升，呈現(xiàn)集群式大規(guī)模的應(yīng)用模式，代替人工節(jié)省人力，在一個統(tǒng)一的系統(tǒng)下，無人機群合作協(xié)作配合天衣無縫，明確分工，實現(xiàn)分批次、分重點、分強度的智能化應(yīng)用模式。

3 結(jié)語

綜上所述，為了提高風(fēng)機及風(fēng)場輸電線路運行的安全性與可靠性，可采用具有體積小、重量輕、便于攜帶和制造、使用成本低及操作性和靈活性高等特點的無人機，通過在無人機上搭載相關(guān)的光學(xué)檢測儀器，實現(xiàn)對線路工作狀態(tài)的檢測，以便及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。采用無人機技術(shù)能有效彌補人工巡檢和直升機巡檢的弊端，是未來用于檢測風(fēng)電機組及風(fēng)電場集電線路的主要手段和發(fā)展趨勢。

參 考 文 獻

[1]楊祥，王希彬.無人機主動SLAM技術(shù)研究[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2015（4）.

[2]徐展.一種激光雷達導(dǎo)航的全自助智能無人機巡線系統(tǒng)[J].浙江電力，2017，36（6）.

[3]彭向陽，徐文學(xué)，王柯，等.基于無人機激光掃描的輸電通道安全距離診斷技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014（11）.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]