張朋飛

(國網新能源云技術有限公司，北京 100071)

0 引言

隨著中國新能源行業(yè)，尤其是光伏行業(yè)的蓬勃發(fā)展，對于光伏電站運維行業(yè)提出了更高要求。比如，運維過程中需對光伏電站異常狀態(tài)進行精準預警、實時數據高效采集等。

為了解決光伏電站運維過程中存在的電站故障類型復雜多樣、數據采集難度大、單瓦運維成本高等問題，同時為了體現(xiàn)光伏電站的智能化運維，本文對基于監(jiān)測系統(tǒng)的光伏電站5 類智能巡檢裝備應用于不同場景時的效果進行分析。該監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)對設備運行數據、巡檢數據、生產業(yè)務數據、生產管理數據及環(huán)境資源數據的有效整合。將這些智能巡檢裝備應用于實際運維工作中，可大幅降低人力和財力成本，實現(xiàn)人、機、系統(tǒng)間的交互感知與空地協(xié)同，形成立體化運維體系，通過人、機、裝備協(xié)同優(yōu)化運維調度策略，實現(xiàn)光伏電站的高效協(xié)同運維。

1 基于監(jiān)測系統(tǒng)的光伏電站智能運維體系的架構

根據功能架構，光伏電站的監(jiān)測系統(tǒng)可被劃分為云平臺、管層、邊緣層和端層這4 個部分。由邊緣層的數據采集智能裝備采集數據，對原始數據進行歸集處理后，打包并傳輸至云平臺進行存儲，再通過云平臺的算法處理數據，最后將計算結果下發(fā)至各個智能巡檢裝備，用于輔助指導光伏電站的運維工作[1]。

云平臺通過人工智能技術及云計算，可以將大數據進行可視化展示，運維人員在光伏電站巡檢過程中使用智能巡檢裝備時，可通過云平臺的可視化界面，實現(xiàn)對各個智能巡檢裝備使用狀態(tài)的實時觀測，例如無人機的飛行軌跡、機器人的行進距離、裝置電池的電量等。通過平臺開放、數據共享、資源整合的方式構建光伏電站運維資源生態(tài)圈，從而實現(xiàn)人工運維的低成本和高效率。

基于監(jiān)測系統(tǒng)的光伏電站智能運維體系的架構圖如圖1 所示。圖中：ARM 即ARM 處理器，是一款RISC 微處理器；DSP 為數字信號處理器；LoRa 為無線傳輸模塊；NB-IoT 為窄帶物聯(lián)網。

圖1 基于監(jiān)測系統(tǒng)的光伏電站智能運維體系架構圖Fig. 1 Architecture diagram of intelligence operation and maintenance system of PV power station based on monitoring system

2 基于監(jiān)測系統(tǒng)的光伏電站智能運維中的巡檢裝備

為實現(xiàn)光伏電站的智能化運維，下文對數據采集智能裝備、無人機、光伏組件缺陷圖像采集診斷智能巡檢裝備、可穿戴的智能巡檢裝備、智能巡檢與運維機器人這5 類智能巡檢裝備進行介紹。

2.1 數據采集智能裝備

為提高光伏電站的數據采集效率及其故障研判和預警能力，且同時降低數據采集裝備的安裝和維護成本，數據采集智能裝備借鑒“軟件定義終端”的思想，以硬件平臺化、軟件應用程序(APP)化的方式實現(xiàn)軟、硬件的解耦，融合光伏電站系統(tǒng)網絡、計算、存儲及應用等的邊緣計算服務功能；此外，該裝備還支持多種通信方式和協(xié)議轉換，能夠即插即用、快速部署、靈活升級。

數據采集智能裝備主要由主控模塊、電源模塊、公網4G 模塊、LoRa 無線模塊、NB-IoT 模塊、以太網模塊、WiFi 模塊、RS485 通信模塊、大容量存儲模塊和北斗定位模塊等組成[2]。此裝備支持多種設備類型和多種通信協(xié)議，采用數據庫分層和冷熱數據分級存儲技術，可以采集、處理和傳輸多種類型的數據，完成光伏組件、光伏組串、逆變器、環(huán)境監(jiān)測儀、無人機、光伏組件缺陷圖像采集診斷智能巡檢裝備、可穿戴的智能巡檢裝備、智能巡檢與運維機器人等一系列裝備的全量數據采集、存儲、分析及傳輸工作。

通過對數據采集智能裝備的安裝部署，可實現(xiàn)對光伏電站運行情況的全方位信息監(jiān)測，提高故障判斷正確率和預警準確率，大幅縮短故障排查時間，從而實現(xiàn)精準運維。該裝備通過對光伏電站設備數據的高頻采集與上傳，給云平臺的高階算法提供了有效的數據支撐，有助于提高光伏電站的運行效率分析、實時調度和安全評估。“無線組網+總線通信”方案實現(xiàn)了光伏發(fā)電數據的高效采集，極大減少了現(xiàn)場建設和維護工作，提高了偏遠地區(qū)光伏發(fā)電數據的采集質量和覆蓋率，降低了數據采集成本。

2.2 無人機

無人機由無人機本體、手持終端和地面站組成，其中，無人機本體由機架、動力模塊、飛控模塊、導航模塊、避障激光雷達、機載相機、蓄電池等部件組成。無人機可在適飛條件下動態(tài)部署于待檢光伏電站，通過在高空拍攝光伏組件的熱成像及可見光圖片支撐其他診斷模塊運行。無人機執(zhí)行多航點飛行任務時，可實現(xiàn)一鍵式運維。通過規(guī)劃無人機自起始出發(fā)點、巡檢區(qū)域然后回到起始點途經距離的最短路徑，可實現(xiàn)無人機的高效巡檢[3]。

由于光伏電站的分布特點，導致人工運維成本高、效率低，亟需開展可適用于光伏電站應用的無人機。通過利用最新的全國區(qū)域遙感地圖影像數據，并改進、優(yōu)化目標地物的識別算法，提高基于遙感地圖的光伏電站地物識別準確率及坐標準確率。通過掃描全國區(qū)域遙感地圖數據，獲得全國的光伏電站位置。結合電子地圖工具，可以實現(xiàn)光伏電站的資源信息在電子地圖上的準確顯示?；诠夥娬举Y源信息電子地圖，無人機可實現(xiàn)自動化最優(yōu)巡徑和避障控制功能，能夠以最短的飛行距離完成待檢區(qū)域的全覆蓋巡檢，并充分規(guī)避規(guī)劃路徑中當前已知的障礙物[4]。

此外，在監(jiān)測系統(tǒng)中構建無人機遇障、避障信息反饋機制，可以實現(xiàn)避障告警。無人機在執(zhí)行避障任務時若檢測到障礙物，地面站可以顯示障礙物與無人機的相對距離及方位，且機載相機可以拍攝障礙物所處環(huán)境照片，便于運維人員及時排除障礙物或調整巡檢航線。將無人機部署和應用于光伏電站中，可大幅提升此類光伏電站的運維效率，結合故障診斷模塊能夠及時發(fā)現(xiàn)光伏組件熱斑等故障隱患，為光伏電站的快速發(fā)展提供技術支持。

2.3 光伏組件缺陷圖像采集診斷智能巡檢裝備

光伏組件缺陷圖像采集診斷智能巡檢裝備由“熱成像-可見光”雙光采集模塊、嵌入式分析模塊、無線傳輸模塊、液晶顯示器(LCD)模塊、升降模塊、電源模塊、北斗定位模塊等組成，可有效獲取光伏組件的可見光、紅外及電致發(fā)光(EL)圖像，結合智能算法可對熱斑、隱裂、異常遮擋等缺陷進行分析與診斷。采用圖像分割的深度學習模型U-Net，對紅外圖像中的光伏組件有效區(qū)域進行識別與提取，避免了光伏電站復雜環(huán)境的干擾，提高了熱斑檢測的準確率。根據多顆粒度隱裂檢測算法，通過自適應閾值濾波、連通域分割等方法快速定位嚴重的EL 缺陷，可解決光伏電站現(xiàn)場環(huán)境下的隱裂檢測問題。同時，采用基于PVT 算法的改進型YOLOv5 模型和注意力機制方法，聚焦特征之間的紋理差異，對光伏組件異常遮擋特征進行識別，實現(xiàn)了對異常遮擋目標的定位與分類識別。

光伏組件常出現(xiàn)的異常遮擋包括積灰、鳥糞、陰影等，長期異常遮擋易形成熱斑，影響光伏組件的發(fā)電量和使用壽命，而且還會降低光伏玻璃的透光率。針對積灰遮擋影響光伏組件發(fā)電量的定量關系難題，采用圖像直接識別積灰與數據智能分析相結合的方法，可實現(xiàn)積灰遮擋的智能檢測，這是一種科學有效的光伏組件運維手段。為了及時發(fā)現(xiàn)光伏組件的隱裂、熱斑等缺陷，可通過光伏組件缺陷圖像采集診斷智能巡檢裝備對光伏組件進行圖像數據采集與診斷，以提高光伏電站的發(fā)電量。

光伏組件缺陷圖像采集診斷智能巡檢裝備可與無人機相配合，實現(xiàn)遠、近景圖像的同步采集。該裝備搭載智能診斷算法，可實現(xiàn)熱斑、隱裂等缺陷及異常遮擋的精確定位和高效診斷，并將診斷結果發(fā)送至云平臺，且同時可收集缺陷光伏組件的圖像及數據[5]。該裝備實現(xiàn)了光伏組件多功能診斷的高度集成，支持硬件模塊及內置算法升級，可根據需求采用靈活多樣的應用形式，通過該裝備在光伏電站中的應用，可及時發(fā)現(xiàn)光伏組件的熱斑、隱裂等缺陷及異常遮擋，便于運維人員及時更換缺陷光伏組件、清理遮擋物，有助于提高光伏電站的發(fā)電量。

2.4 可穿戴的智能巡檢裝備

可穿戴的智能巡檢裝備由智能頭盔、視聽保障裝備和智能手持終端等組成，具有與遠方語音、視頻互動和錄像存檔的能力，同時具備設備身份識別、人員定位、電子工單受理、巡檢過程記錄等功能。其中，智能頭盔可以支持“4G+WiFi”的通信方式?？纱┐鞯闹悄苎矙z裝備為現(xiàn)場運維人員提供遠程指揮、操作指導、過程記錄等服務，提升了光伏電站的運維水平，并為光伏電站的維護檢修提供了全過程監(jiān)督及閉環(huán)管理[6]。

隨著“云大物移智”等新興技術的融合式發(fā)展，具備實時信息互聯(lián)、語音視頻交互、地理定位等功能的便攜式可穿戴的智能巡檢裝備得到了廣泛應用。傳統(tǒng)的人工光伏電站巡檢方式存在現(xiàn)場設備感知度低、信息交互效率低、單兵裝備實用性差等問題，而能夠及時有效地開展光伏組件、逆變器、匯流箱等設備的巡檢工作是保障光伏電站安全生產的基礎，因此，可以將可穿戴的智能巡檢裝備用于光伏電站的運維工作，并對運維人員在巡檢時操作的正確性、安全性和完整性進行規(guī)范，可為人工巡檢的安全與質量提供有效保障。這對于實現(xiàn)人工巡檢的全過程監(jiān)督及閉環(huán)管理具有重要的經濟和社會意義[7]。

可穿戴的智能巡檢裝備采用了低功耗、高壓縮率、穩(wěn)定可靠的語音視頻互動技術，運用遠程指導和虛擬監(jiān)護技術，解決了巡檢作業(yè)人員專業(yè)能力不足的難題?；谝苿邮紸PP 的巡檢作業(yè)過程更加規(guī)范，可有效避免漏檢、誤檢等問題，從而可提高巡檢作業(yè)的質量?；诙S碼的設備身份識別和定位，極大提高了光伏電站全生命周期內的管理效率。通過跟蹤巡檢作業(yè)人員的巡檢軌跡和滯留時間，并搭配視頻回放功能，實現(xiàn)了巡檢作業(yè)人員的安全管理。

2.5 智能巡檢與運維機器人

由于光伏電站的運維工況復雜，采用傳統(tǒng)的人工清洗光伏組件的方式會存在清洗成本高、清掃難度大的問題，因此亟需針對光伏電站智能運維開展自主清掃業(yè)務。隨著大數據、人工智能與移動通信等新興技術的快速發(fā)展，利用圖像識別與人工智能技術，快速分析污染物對光伏組件的影響，在考慮發(fā)電量損失和清掃成本后，能夠構建最優(yōu)的清掃周期。通過優(yōu)化智能巡檢與運維機器人的清掃策略和清掃路徑，可提高其自主清掃效率，降低清掃成本。開發(fā)光伏組件清掃設備的運行管理、導航與通信功能，并將其與光伏電站的監(jiān)測系統(tǒng)進行互聯(lián)互通，管理自主清掃業(yè)務，實現(xiàn)清掃過程的智能化。

智能巡檢與運維機器人采用“軌道行進+負壓吸附+盤刷清洗”的機器人架構形式，集成了“行進+清洗協(xié)同”控制系統(tǒng)，解決了機器人在光伏組件安裝傾角、坡度、間隙、障礙等復雜應用場景中無法行進的難題。

該裝備采用可折疊式結構設計，輕便且易攜帶，可有效完成重點污染區(qū)的駐停、定點清洗，增強了頑固性污染物的清洗效果。其與光伏電站監(jiān)測系統(tǒng)的互聯(lián)互通，可以實現(xiàn)對運維機器人的電池電量、運行時間、清掃進度等工作參數的遠程智能監(jiān)控，且具有遠程啟動和停止功能，可以滿足光伏電站的日常運維需求[8]。

智能巡檢與運維機器人具有操作簡單、體積小、質量輕等優(yōu)點，減輕了運維人員的工作負擔。該裝備在無水條件下也能實現(xiàn)對光伏組件積灰與邊框積灰等頑固性污染物的清潔，提升了光伏電站的發(fā)電效率。

3 結論

本文以數據采集智能裝備、無人機、光伏組件缺陷圖像采集診斷智能巡檢裝備、可穿戴的智能巡檢裝備、智能巡檢與運維機器人這5 類智能巡檢裝備為例，對基于監(jiān)測系統(tǒng)的光伏電站智能運維中的巡檢裝備進行了分析。分析結果顯示：通過使用上述智能巡檢裝備，規(guī)范了運維人員在巡檢操作中的正確性、安全性和完整性，有效保障了人工巡檢的安全與質量，具有重要的經濟、社會意義；其還可替代人工巡檢，或降低人工巡檢的次數和現(xiàn)場工作量，提高人工巡檢的針對性和巡檢效率，有效降低光伏電站的人工運維成本。