基于光伏电站的无人机全自动巡检系统的应用研究

刘星宇 胡云宝

天津华电北宸分布式能源有限公司 天津北辰 300400

摘要：随着大量规模化光伏电站的落成，光伏组件巡检工作的体量也越来越大，引起了诸多学者和企业家的关注。据统计，在光伏电站系统中，光伏组件污渍、遮挡、热斑等问题占电站设备故障率的50％以上，若能及时发现这些问题并及时处理，电站的总体效率将大幅提升。

关键词：光伏电站；无人机；全自动巡检

目前光伏组件的故障监测一般通过以下2种方法进行：

1通过监测组件发电时的输出电压和输出功率进行排查。该方法的不足之处在于只能进行粗略排查，难以精确定位到具体的光伏组件，更难以发现电池片的内部故障。

2）借助所有故障均会表现为温度异常的特性，通过人工携带温度测量仪器，逐一对发热组件进行测量记录。该方法可以发现各种故障导致的热斑，实现对光伏组件的精细检查；但对于当前建筑面积大、组件数量多的规模性光伏电站而言，这一方法效率非常低，并且人为检查主观性强、可靠性差。

针对以上2种巡检方法的不足，天津华电北宸分布式能源有限公司通过无人机搭载高清摄像头或红外热像仪对光伏电站进行监测的方法。该方法或基于集群通信，可以高质量、快速地检测到光伏组件的热斑、遮挡、隐裂等问题；尤其适合在天津华电北宸分布式能源有限公司超大规模光伏电站中使用。

对于中、大规模电站而言，考虑到电站巡检的经济性和实用性，本文利用无人机搭载红外热像仪对光伏电站进行全自动巡检的方法，可在很大程度上提高中、大规模光伏电站的维护质量和可靠性，提升电站的总体效率。

1 基于光伏电站的无人机全自动巡检系统

图1是基于光伏电站的无人机全自动巡检系统示意图，包括搭载红外热像仪的无人机、无人机地面站、地面充电设备和数据处理单元。其中，无人机负责通过红外热像仪采集光伏组件的红外图像；无人机地面站负责保障无人机与地面站的实时通信，并通过航迹规划或手动控制无人机的飞行速度、高度和红外热像仪的拍摄角度，以获取无人机的飞行信息和光伏组件的红外图像信息；地面充电设备负责无人机的充电，保证无人机的飞行动力；数据处理单元负责将采集到的红外图像信息进行处理，进而标记太阳电池的故障情况，并生成对应的故障报表及巡检报告。

图1基于光伏电站的无人机全自动巡检系统示意图

在无人机巡检系统中，无人机采用大疆的M210四旋翼无人机，搭载红外热像仪飞行巡检。无人机的自航仪包括飞控、GPS和声呐，并配置遥控器用于辅助控制。该无人机GPS定位悬停精度绝对值：垂直≤0.5 m，水平≤1.5 m，视觉定位悬停精度绝对值：垂直≤0.1 m，水平≤0.3 m，最大水平飞行速度：≥80km/h，最大飞行海拔高度：≥3000m，最大可承受风速：5级风，最长飞行时间（空载、大容量电池）：≥38分钟，前视避障：飞行器支持前视视觉系统，可探测前方30米距离以内的障碍物。发现障碍物时，飞行器能保持悬停；同时通过地面站软件发出警示信息，顶部避障：飞行器支持顶部避障功能，能够探测2.5m距离以内的障碍物。发现障碍物时，飞行器能保持悬停；同时通过地面站软件向用户发出警示信息，下视视觉：飞行器支持下视视觉定位系统，可探测下方10米以内的障碍物，降落保护：在自主降落过程中，无人机飞行器能够检测下方地形.当下方地形为不平整地面或水面，飞行器保持悬停，同时通过地面站软件向用户发出警示信息，FPV摄像头：飞行器配置FPV镜头，画面分辨率：608×448 ；俯仰角度： 0～60°；通过地面站可显示FPV摄像头面，并可控制FPV镜头的俯仰，无人机防雨等级：IP43防护等级，夜航灯：具备夜航灯，并可通过App控制夜航灯开关，提升夜间飞行的安全性，图传加密：为保证数据安全，图传链路需通过AES-256技术进行加密。

2 基于光伏电站的无人机全自动巡检系统工作流程

应用于光伏电站的无人机全自动巡检系统进行巡检作业时的工作流程如图2所示。

图2 基于光伏电站的无人机全自动巡检系统流程图

光伏电站在制定巡检计划时，首先要进行巡检前期的准备工作，工作人员应参照现有资料进行现场勘察，确定所要巡检的光伏电站区域的大小，结合红外热像仪的拍摄视角及分辨率来确定无人机的飞行高度和红外热像仪单次拍摄红外图像区域的大小，从而规划、计算并制定无人机的飞行路线及悬停拍照位置；考察一天中各个时间段的光照强度，选择光照较强的时间段确定为无人机的巡检时间。

无人机起飞后，依据提前设定的路线开始巡检，到悬停拍照位置时无人机自主悬停，同时调整红外热像仪拍摄镜头所在的平面，使其与光伏组件所在的平面保持平行，进行拍摄，拍摄所得的红外图像信息存储在红外热像仪自带的存储空间；整个过程完成后无人机继续按设置的路线飞行，到下一个悬停位置悬停、拍照、存储红外图像，依次巡检一周；完成后，无人机返回并降落到起飞平台上，并将拍摄的红外图像信息上传到数据处理软件，完成数据采集工作。巡检频率可以根据具体需要自行设定。

3 基于光伏电站的无人机全自动巡检故障自动识别

3.1底图数据的管理

光伏组件（板）巡检自动分析软件内置的GIS系统能够管理多种格式（栅格、适量）的底图数据。当光伏没有实测底图数据时，该系统能够自动采集在线遥感影像，为故障点的定位提供依据。同时，该系统具有离线缓存功能，适用于无网络的现场作业。系统在联网后可自动下载的Google卫星影像并具备导入高精度测绘底图的功能。

3.2 航线与相片覆盖范围显示

通过读无人机记录的图像数据覆盖范围的显示，能够清晰地看到一次飞行过程中飞行轨迹，以及所覆盖的光伏电站区域，有效防止漏拍。

巡检区域划分

3.3 航线回放

除了静态的覆盖范围显示，光伏组件（板）巡检自动分析软件还能以任意速度对飞行过程进行回放，清楚地展示每次拍照点无人机的位置，以及本次图像所覆盖的范围。

3.4 热红外照片查看及颜色更改

热红外相机实际记录的为灰度图像，目视不易看出故障点。为此光伏组件（板）巡检自动分析软件需要提供多种颜色方案，能够适用于不同的场景。

3.5实时温度显示

光伏组件（板）巡检自动分析软件利用测得的热辐射信息，能够实时显示当前照片中的最高温度，以及每个像素点对应的温度值，为故障的检测提供准确的信息。

3.6 设备故障手工标记

通过对热红外照片的浏览，可以手工标出照片中故障点的位置以及类型。该信息被自动保存下来，用于故障点实际地理位置的自动计算。

3.7设备故障严重程度识别

光伏组件（板）巡检自动分析软件可根据巡检辐照度情况，可人工选择识别严重程度热斑、轻微程度热斑，并自动标记和记录位置信息。可设定组件热斑识别标准，例如同一组件外表面电池正上方的温度超过摄氏20℃，可自动识别为热斑。

3.8故障点实际位置计算

光伏组件（板）巡检自动分析软件能够增加标记的故障点信息，结合GIS底图，计算出每个故障点的实际地理位置，并显示在底图上，方便运维人员根据故障位置进行光伏板维护。

光伏板编号

3.9报告导出及查询

巡检报告

4 基于光伏电站的无人机全自动巡检系统与其他巡检方法的比较

基于光伏电站的无人机全自动巡检方法的优点在于：

1）整个巡检过程中故障判断标准一致；

2）故障检测快速、高效；

3）可在光伏组件工作状态下检测，巡检过程不会损坏光伏组件；

4）可及时提供数据处理和数据分析，巡检结果直观明了，维护操作性强；

5）可根据需要设定巡检时间，整个巡检过程全自动。无人机全自动巡检系统灵活性强，资本和人力投入较少，可操作性强。经分析采用综合能效比PR值来评价光伏电站的系统性能指标，采用无人机全自动巡检系统可直接减少4％的因组件污渍造成的损失、4％的阵列遮挡及1％的温度损失；可间接减少10％的清洗数量、30％的接线盒故障，以及50％的阵列火灾。

5 总结

综上所述，天津华电北宸分布式能源有限公司的基于光伏电站的无人机全自动巡检系统通过无人机、红外热像仪对光伏电站进行巡检，全程自动化处理，可以准确、快速地发现光伏电站中光伏组件的遮挡热斑、污渍及太阳电池故障现象，结合GPS定位，可直接生成故障报表，方便后续维护人员处理。该系统极大地提高了光伏电站运维效率的同时，还提高了可操作性，为中、大规模光伏电站的光伏组件巡检提供了可靠的经济保障及示范。

参考文献：

1. 常慧;;基于光伏电站的无人机全自动巡检系统的应用研究[J];太阳能;2019年

2. 罗雪静;颜文俊;;大型光伏电站无人机巡检中的路径规划方法研究[J];工业控制计算机;2018年09期