（國華能源投資有限公司，北京 100007）

0 引言

隨著風力發(fā)電技術的不斷創(chuàng)新與革新，風電建設成本逐年降低，同時在國家的鼓勵下越來越多的風電場建成并投入使用，同時也將伴隨著很多設備的老化，這使風力發(fā)電機組的巡檢和運維工作變得越來越復雜，給風電場日常巡檢工作帶了極大困難。隨著新一代信息技術的發(fā)展和滲透，能源行業(yè)數字化轉型步伐逐步加快，網絡化、智能化需求迫切。風電行業(yè)基于此大背景，迫切需要建立一個不依賴于人工長期穩(wěn)定作業(yè)，及時響應、智能巡檢系統(tǒng)，能對風機運行狀況、故障數據及時采集和診斷，以促進我國風電行業(yè)的長期發(fā)展[1]。

1 智能化巡檢必要性

1.1 傳統(tǒng)的人工巡檢方式逐漸無法滿足需求

風場一般處于人煙稀少、位置偏僻、環(huán)境惡劣的地區(qū)，而且隨著風電規(guī)模不斷增加，巡檢人員不方便進行頻繁、全面的檢查和維修工作，導致效率和質量不能得到保證，如在偏遠山區(qū)或者靠海的地區(qū)就更不方便操作，而且人工檢測成本較高。同時，因風電機組設備的老化，大部分風電機組進入了設備故障多發(fā)期，傳統(tǒng)線路巡視存在安全風險高，易造成人員摔傷、扭傷，車輛事故；人工視角范圍窄、巡視存在死角。風電場人員少、工作強度大，雨雪天氣過后，特殊地形人工巡視無法進行等問題，傳統(tǒng)的以人工為主的檢修模式已經不能完全適應當前風電機組的安全運維需求。為了排除風電機組故障和安全隱患，特別是風電機組機艙內的故障，風力發(fā)電場一般采用定期人工巡檢的方式，而巡檢人員在對機艙做定期巡檢及檢維修時須攀爬到近80米高的風電機艙內，這對工作人員的體能提出了較大的要求，也存在較大的安全隱患[2]。

1.2 后期設備維護成本較高，智能化程度低

由于風電行業(yè)前期跳躍式發(fā)展、參與方良莠不齊等原因，導致風電機組在實際運維中容易存在故障頻發(fā)等問題，運維成本無形增加。另一方面，由于風電場所在環(huán)境大多氣候復雜多變，長期工作在野外、暴曬和雷雨等惡劣環(huán)境中，易發(fā)生多種機械或電氣故障。而且隨著野外裝機規(guī)模的不斷擴大，風力發(fā)電機系統(tǒng)的故障診斷成本也越來越高了。特別對海上風電來說，后期運營維護費用占到總成本的一半以上。

同時，目前巡檢作業(yè)主要是人工巡檢，統(tǒng)計數量大，信息傳輸慢，巡檢周期長，問題發(fā)現不及時。而傳統(tǒng)數據采集周期長、成本高、精度低，難以滿足風場精細化運營需求，所以，風電運維智能化程度低，不得不仍以糾正型運維為主。

2 無人機在風電巡檢應用

2.1 無人機在風電巡檢的優(yōu)勢

2.1.1 無人機能滿足風電行業(yè)巡檢環(huán)境復雜性需求，并大大提高巡檢的質量和效率，巡檢成本相對較低，安全性較高

無人機可載有4K高清相機、紅外光相機、三維激光掃描儀、聲音感知、滅火彈等任務設備，對風機和輸電線路進行飛行巡檢。在無人機使用期間，風電場團隊在線路巡視基礎上，逐步探索拓展無人機多功能技術的應用，如可利用風電場無線局域網，實現無人機視頻圖像時時回傳集控中心，集控中心根據回傳圖像，進行集中分析診斷，并制定方案傳遞至檢修班，檢修班接受集控中心的信息，開展檢修、消缺作業(yè)。當架空線路纏繞異物時，無人機操控人員可遠程啟動噴火裝置，對纏繞在架空線路的異物進行燒毀消除，實現了不停電作業(yè)，減少設備停電時長，提高設備可利用率。對無人機加裝拓展模塊掛載消防滅火彈，在人員無法及時到達火災現場的情況下，進行滅火撲救，使風電場的安全管控得到有效提升。所以，無論是何種情況下，無人機都大大提高風機行業(yè)巡檢的質量和效率，降低巡檢成本，也可以比較安全地進行巡檢作業(yè)。

2.1.2 無人機能滿足數據采集的實時、全面、精細要求，以及跨應用系統(tǒng)關聯(lián)的需求

為保證風力發(fā)電機的正常安全運行，避免因故障造成意外停電，減少設備停機維護帶來的損失，需要巡檢人員能夠實時監(jiān)測風機的運行狀態(tài)并預測、診斷故障。所以開展對風力發(fā)電機故障診斷的研究，及時發(fā)現系統(tǒng)的早期故障并進行維修具有重大的實際意義。

隨著智能傳感器和通信技術的興起，無人機讓更加實時、全面、精細的數據采集成為可能，也讓對風力發(fā)電機故障診斷的研究，及時發(fā)現系統(tǒng)的早期故障并進行預測性維護管理成為可能。

通過無人機對風機主體和輸電線路巡檢，并實時將現場情況傳回地面服務器，然后對設備巡檢數據進行大數據分析，實現跨應用系統(tǒng)關聯(lián)，能對故障的快速定位和根因分析，以便做出正確判斷，及時排除故障，提高運維數字化、智能化水平。比如，無人機定期獲取的風機葉片高清圖像，將數據傳回服務器進行處理分析，檢測結果存儲在數據庫中[4]。同時，結合人工智能與大數據分析技術可以對無人機獲取的風機葉片巡檢數據進行分析，甚至對設備隱患進行量化分析和測量，高效了解風機葉片的運行狀態(tài)。

基于無人機的風電巡檢對數據實時采集、遠程控制、設備協(xié)同、人工智能等帶來比原來更強的時效性，發(fā)生故障的幾率更低，控制的精度更高，將從整體上提升信息采集、收集的智慧化水平。

2.2 目前待創(chuàng)新點

由于風電行業(yè)的巡檢自然環(huán)境非常復雜，有偏遠山區(qū)又有海上，對安全要求也極高，而且隨著風電市場的逐漸成熟，大型風力發(fā)電機組相繼出現，風電巡檢的工作環(huán)境也會變得更加復雜，所以，無人機要能適應風電巡檢復雜場景，需要更多的技術創(chuàng)新，現僅以下四點為例論述。

2.2.1 復雜電磁環(huán)境下的高精度定位技術

由于風機內部布滿了電線，風機發(fā)電過程中電線會有大電流流過從而產生了磁塊。同時風機內部主要為鋼結構件，對地磁信號產生了巨大的干擾，因此，傳統(tǒng)的基于指南針的航向在此環(huán)境下不被適用。必須借助視覺等其它傳感器來實現航向的估計，視覺傳感器在使用之前需要對其內參進行標定，準確的視覺傳感器內參將對定位精度產生很高的影響。此外基于視覺-慣導等多傳感器融合的定位方案對傳感器之間的外參較為敏感，當碰撞發(fā)生時，無人機支架可能發(fā)生形變，進一步改變傳感器之間的外部參數。需要引入傳感器外參在線實時標定機制，保障無人值守過程中，因碰撞等情況導致傳感器外參發(fā)生變化時，不會影響到無人機的定位精度。除視覺傳感器以外，ToF、紅外、超聲波等其它傳感器也會用于融合定位，需要采用更精確的傳感器模型與更優(yōu)的融合算法，降低傳感器的噪聲，為無人機提供更加穩(wěn)定、精準的定位結果。

2.2.2 全局軌跡規(guī)劃技術

為使無人機自動巡檢線路既能覆蓋風機巡檢過程中工人期望的所有檢查點，又能提供最高效的規(guī)劃軌跡，需全局軌跡規(guī)劃技術。比如，可在離線地圖上通過遙控虛擬無人機的方式設置不同的巡檢軌跡，系統(tǒng)將根據不同的輸入生成不同的巡檢軌跡?？紤]到無人機在對風機巡檢過程中，需要對特定的物體以特定的角度進行停留拍照。所以需要考慮無人機的拍攝角度，而傳統(tǒng)的軌跡規(guī)劃多聚焦在巡檢目標的位置、速度以及加速度狀態(tài)，而并沒有考慮角度，所以，應優(yōu)化無人機偏航角，將偏航角作為一個變量加入到目標函數中進行優(yōu)化。

2.2.3 局部環(huán)境改變及碰撞下的軌跡重規(guī)劃技術

由于工作環(huán)境不是一成不變的，巡檢環(huán)境可能隨多種情況發(fā)生變化。當環(huán)境發(fā)生變化之后，如果全局地圖尚未更新，那么將存在預先設置的軌跡與新障礙發(fā)生碰撞的情況，嚴重影響飛行安全。故采用軌跡重規(guī)劃技術，當檢測到未來軌跡與實時檢測的環(huán)境將會發(fā)生碰撞時，將自動對局部軌跡進行重新規(guī)劃，躲避障礙，保證飛行安全[5]。同時為保障巡檢任務的順利進行，避開障礙物后，無人機還應從局部軌跡過渡回全局軌跡，保證后續(xù)任務的完整性。當巡檢過程中因為臨時的設備添加及人員走動，無人機可實現避障與局部重規(guī)劃，可在模擬環(huán)境中臨時添加設備、障礙，無人機可以在沒有更新全局地圖的情況下自動重新規(guī)劃軌跡，避開障礙物，完成巡檢任務。同時，無人機巡檢的第一要務是要保證風機的絕度安全，正常情況下可以做到無人機與風機不發(fā)生任何接觸。為了以防萬一，需要對無人機的失效形式做好必要的應急預案。比如因定位精度或其它異常問題，導致在巡檢過程中發(fā)生了碰撞或剮蹭等問題，無人機可以自動識別此類問題，并完成控制策略的切換與局部的重規(guī)劃。

2.2.4 適應狹長通道及復雜地效的控制技術

對于風機的巡檢，除了風機葉片外，還有風機塔筒。風機塔筒是一個穿越狹長通道，無人機會受到螺旋槳下洗氣流與機身的相互作用，此作用力被視為一種外界擾動作用在無人機上，將嚴重影響無人機的位置精度控制，從而引起無人機偏離運動軌跡從而發(fā)生碰撞與剮蹭事故。針對外界擾動，擾動觀察器為一種有效的控制技術。無人機需要適應狹長通道及復雜地效的控制技術，提高無人機平臺的控制精度。

3 結語

綜上所述，為了解決風電行業(yè)的運維痛點，提高風機及風場輸電線路運行的安全性、可靠性、智能化，以及數據采集實時性與全面性，可通過在無人機上載相關的任務設備，實現對風機及輸電線工作狀態(tài)的巡檢，及時發(fā)現與排除安全隱患。采用無人機技術能有效彌補人工巡檢的不足，隨著技術人員對無人機高精度定位、軌跡規(guī)劃、控制等技術的進一步研究與應用，未來無人機將成為用于風電機組及風電場輸電線路巡檢的主要手段。