張軍 鐘定江 洛桑珠巴 王永亮 李猛

（1.西藏職業(yè)技術(shù)學(xué)院 西藏自治區(qū)拉薩市 850000 2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 天津市 300222）

1 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，隨著我國(guó)電網(wǎng)信息化，時(shí)代化的發(fā)展，越來(lái)越多的光伏變電站人工巡檢的方式已經(jīng)不再適應(yīng)其快速的發(fā)展。在高原的惡劣環(huán)境下，人工巡檢不僅容易造成人員受傷，還會(huì)帶來(lái)一些觀察不仔細(xì)的隱患問(wèn)題。在此大環(huán)境下，高原光伏變電站智能巡檢設(shè)備的提出便是一種順應(yīng)時(shí)代的產(chǎn)物，此應(yīng)用技術(shù)一旦被深入開(kāi)發(fā)，光伏變電站巡檢工作將會(huì)有美好的發(fā)展前景

本系統(tǒng)針對(duì)高原地區(qū)的惡劣環(huán)境下的光伏變電站設(shè)備的巡檢問(wèn)題，研發(fā)了光伏電站智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要分為以下幾個(gè)單元：參數(shù)檢測(cè)單元、路徑規(guī)劃單元、圖像處理與識(shí)別單元、數(shù)據(jù)傳輸單元等主要部分，實(shí)現(xiàn)全自主，全方位和全天候光伏巡檢，通過(guò)搭建監(jiān)控平臺(tái)，構(gòu)建基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大數(shù)據(jù)處理視頻圖像數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)快速的自巡檢，代替人工檢查設(shè)備真正實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的重要設(shè)備。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該高原光伏電站智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)、圖像識(shí)別與處理系統(tǒng)，環(huán)境與設(shè)備信息采集系統(tǒng)和信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)構(gòu)成，其系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.1 監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

巡檢控制界面采用螢石云開(kāi)發(fā)平臺(tái)的開(kāi)源框架進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，將設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)及環(huán)境視頻傳輸?shù)轿炇崎_(kāi)發(fā)平臺(tái)，并集成到軟件中，此實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)是為后面創(chuàng)建歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取特征值做好了充足的準(zhǔn)備，比那些SDK 源碼程序，可以大大提升了視頻傳輸?shù)乃俾?，可以滿足后續(xù)的實(shí)時(shí)圖像處理，可以達(dá)到對(duì)巡檢機(jī)器人的實(shí)時(shí)監(jiān)控要求。

2.2 圖像識(shí)別與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖像處理系統(tǒng)通過(guò)云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)得到大量的圖像信息，再構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，模型由多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正反向訓(xùn)練，通過(guò)深度學(xué)習(xí)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能提取出圖像的特征單元，根據(jù)這些特征單元可以很好的做到分類處理，即設(shè)備各種運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)識(shí)別。

如圖2所示，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由以下部分組成。每個(gè)部分的具體作用說(shuō)明如下。

輸入層：用于數(shù)據(jù)的輸入，對(duì)于該系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，輸入數(shù)據(jù)為實(shí)時(shí)圖像。

卷積層：用于特征提取。

全連接層：可以有多層結(jié)構(gòu)，就是多層感知機(jī)的隱含層部分。

圖1：系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

圖2：卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)架

輸出層：一般輸出層有多個(gè)輸出網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)任務(wù)的需要可以設(shè)置最后一層的激活函數(shù)來(lái)得到最終的輸出，此巡檢機(jī)器人任務(wù)就是輸出光伏變電站的運(yùn)行情況是否正常，即該系統(tǒng)中卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層即相當(dāng)于一個(gè)二分類器。

根據(jù)以上理論分析，將CNN 的圖像識(shí)別模型加入高原光伏變電站巡檢機(jī)器人中，具體運(yùn)用如下：

將圖像從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取出來(lái)，并通過(guò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，進(jìn)行圖像分析、相關(guān)分析，識(shí)別出圖像特定特征。并從中辨別是否故障。

2.3 環(huán)境與設(shè)備信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)融合非接觸式測(cè)量技術(shù)和多傳感器融合技術(shù)，將光伏電站運(yùn)行參數(shù)及周圍環(huán)境參數(shù)檢測(cè)并集中處理，最終傳輸給電腦端進(jìn)行處理，構(gòu)建預(yù)測(cè)模型。

圖3：光伏變電站巡檢系統(tǒng)原理框圖

圖4：MQTT 協(xié)議實(shí)現(xiàn)方式

2.4 信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

將傳感器采集的信號(hào)儲(chǔ)存在云平臺(tái)上，云平臺(tái)自動(dòng)對(duì)采集的信息自動(dòng)備份，云平臺(tái)采用的是阿里云的數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存的圖像信息為構(gòu)造圖像處理系統(tǒng)的輸入提供了數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制模塊

光伏電站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)采用的是32 位ARM 處理器STM32F103ZET6 為主控芯片，該微處理器相會(huì)于其他處理器處理速度很快，具有豐富的內(nèi)部資源，該系統(tǒng)利用了Wi-Fi 通信接口、PWM 接口、AD 轉(zhuǎn)換接口和簡(jiǎn)單的I/O 口，能很好地滿足控制光伏電站巡檢機(jī)器人的性能需求。

3.2 傳感器模塊

多種傳感器對(duì)高原光伏電站輸出的功率、電壓、電流進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)高原光伏電站周圍環(huán)境光照強(qiáng)度、火焰、溫濕度等進(jìn)行檢測(cè)，最后處理器并將這些參數(shù)傳給PC 端進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.3 無(wú)線通信主控

光伏電站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)利用ESP8266 Wi-Fi 模塊完成數(shù)據(jù)信息的接收和發(fā)送，進(jìn)而形成將光伏電站巡檢機(jī)器人載體與PC 端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信息結(jié)網(wǎng)，使各個(gè)傳感器采集的信息很精準(zhǔn)的傳輸?shù)絇C 端，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)監(jiān)控的效果。如圖3所示，變電站巡檢系統(tǒng)原理框圖。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)軟件采用可視化集成開(kāi)發(fā)工具QT5.11 進(jìn)行開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)GUI 界面，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為MQTT 與TCP/IP。

MQTT 協(xié)議由客戶端、代理和訂購(gòu)者組成，其中發(fā)布者完成消息發(fā)布的廣播，代理經(jīng)過(guò)消息分級(jí)處理作為中間整合站，訂閱者則向代理訂閱消息，代理則完成推送消息的任務(wù)，最終完成一級(jí)一級(jí)的數(shù)據(jù)交換。如圖4所示是MQTT 協(xié)議實(shí)現(xiàn)方式。

該系統(tǒng)中，光伏電站監(jiān)測(cè)裝置、遙控、巡檢機(jī)器人等作為信息發(fā)布者，經(jīng)過(guò)多級(jí)代理分級(jí)處理和數(shù)據(jù)交換，發(fā)送給不同的訂閱者。同時(shí)使用中國(guó)移動(dòng)Onenet 云平臺(tái)作為協(xié)議的Broker，上位機(jī)采用集中控制方式，可以監(jiān)控下位所有信息，收到數(shù)據(jù)后會(huì)將數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和顯示，圖片數(shù)據(jù)則用于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模型，電壓、電流、功率等信息以更加直觀的方式呈現(xiàn)到用戶面板上。為了防止數(shù)據(jù)丟失，最后使用阿里云數(shù)據(jù)自動(dòng)儲(chǔ)存、備份數(shù)據(jù)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目研究提出的基于高原環(huán)境的光伏電站智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)，將在環(huán)境惡劣的高原光伏變電站上代替繁瑣的人工巡檢，能夠更精細(xì)化的檢測(cè)，不僅可以解決勞動(dòng)力的問(wèn)題，還可以降低變電站的事故頻率，可以及時(shí)有效的發(fā)現(xiàn)變電站的微小變化和突發(fā)異常，從而保障光伏變電站的運(yùn)行安全，更快地推進(jìn)變電站無(wú)人值守的進(jìn)程。