无人机在风电场设备巡检中的应用

杨兆辉，王 鹏，林建维

(1. 国投广西风电有限公司，广西 钦州 535000；国投电力控股股份有限公司，北京 100034)

0 引言

随着时代的高速发展，世界能源结构也在快速变化。近年来人们更加认识到风力发电在减轻环境污染、调整电网中的能源结构、解决偏远地区居民用电问题等方面的突出贡献，这些都促使了风电的大力发展。

风电场一般建设在人迹罕见的偏僻地区，尤其近几年三北地区风电容量日渐饱和的情况下，风电建设逐渐向中东部地区和东南沿海地区扩散。尤其东南和南方地区风电建设因丘陵起伏连绵，地形复杂，导致风电场架空线路穿山越岭，架设长度较长。钦州南临北部湾，西北靠十万大山，主要受海洋气候影响，也受大陆气团影响，海洋性气候明显，是中国湿热多雨的地方之一，自然环境恶劣。风电场主要设备基本建设在户外，随着时间推移和自然环境因素影响更容易造成设备老化，较大可能发生设备地基塌陷、引线断股、塔架变形、绝缘子污闪、金具破损、线路走廊植被过高等设备缺陷和安全隐患，如果设备隐患和设备缺陷发现不及时，未能得到有效的整治和处理，将会严重威胁风电安全运行，也会对风电场造成更多的经济损失。

1 无人机巡检的背景

随着我国经济的快速发展，社会对电力能源提出了巨大需求，风电建设规模稳步增长。我国建设的风电场规模越来越大，风机设备也越来越多，建设高度也越来越高。

我公司1个194 MW容量75台风机的风电场，输电线路已达到100 km，因为自然环境限制，线路沿着山脊建设穿越很多沟壑，大多数杆塔均在森林中。针对现代化智能风电场运行、检修管理模式，传统人工巡检一般采用望远镜、目测进行巡检，传统人工巡检方法已经不能满足智能风电场建设需求。现代化智能风电建设需要安全、科学、智能、高效的设备巡检作业流程和方法。

2 无人机巡检发展的趋势

2.1 成本优势

随着无人机技术的快速发展，无人机的价格也在逐步下降，大致50 000元以内可以配置一套专业巡检无人机。而培养一名技术能力较强的巡检人员需要时间，人力成本高昂，从性价比来讲无人机巡检更胜一筹。

2.2 安全提升

风电场建设在一些特别的地方，工作人员需要战胜一些地理环境的约束，需要跋山涉水、穿越森林、爬上爬下，存在诸多安全风险，可能会发生不安全事件。而无人机巡检代替人工巡检后就可以提升巡检人员的环境安全，减少了工作人员以身涉险的状况，可以避免不安全事件发生，大大提高了安全系数。

2.3 效率提高

无人机具有较高的机动性，部分无人机时速可达100 km，无人机可安装配置高清摄像头和红外成像仪等辅助设备，可以对设备实际情况和设备本体温度进行成像，通过多角度红外热成像分析可发现设备内在问题，大大提高巡检的工作效率。

2.4 精确清晰

传统人工巡检，基本都是通过望远镜和目视巡视检查设备，对于风电场风电机组、塔筒、叶片、架空线路、杆塔等设备巡检时，存在观察不够清晰和准确的缺点。无人机配置高清摄像头后可完美解决此类问题，可以多角度提供相关设备的实时状态。

2.5 创新创效

结合风电场自身特点，应用新技术、新设备、新方法。创新以往传统工作方式，解决安全生产中存在的问题，通过改变巡检方式，达到了创新创效的结果。

无人机应用于风电场设备巡检，无人机可以飞行在任意高度，不受地面环境限制，尤其适用于风电场这种环境偏僻，人烟稀少的场地开展设备巡检工作。无人机配置的高清摄像头可多方位对巡检设备进行检查拍照，无人机操作人员根据地面ipad实时回传图片随时进行复查和拍照，及时发现设备隐患和设备缺陷。大大提高设备巡检效率，同时也保证了巡检人员的人身安全，高清摄像头更能保证设备清晰照片实时回传，并随时留有记录。采用无人机巡检不仅提高了设备巡检效率，也是现代化智能风电场建设的体现。

3 无人机巡检的内容

表1 无人机主要巡检内容Tab.1 main patrol inspection contents of UAV

4 无人机巡检优劣势分析

4.1 客观问题

功能质量：不同的无人机机型性能不同，所拥有的功能和质量参差不齐，风电场设备巡检环境相对恶劣，建议采用抗风能力较强，功率较大的无人机。

天气原因：如遇大风、雷雨、暴雪浓雾等天气时，无人机严禁风行巡检。无人机巡检前应检查天气预报，目测天空状态后再进行起飞巡检。

空域管制：严禁在禁飞区域进行无人机飞行操作，风电场风机、架空线路、高压设备均为敏感区域，起飞巡检之前必须申请风电场负责人，经批准后方可实施。

4.2 人员问题

无人机操作人员较少，我场取得AOPA颁发的无人机驾驶员合格证只有2人，还需进一步培养操作人员。

无人机巡检工作开展较少，实际操作不够熟练。

无人机操作人员对设备了解不足，不能精准寻找和发现问题。

飞行技术与设备知识结合度不足，还需加强设备技术培训。

未编制无人机巡检标准化作业流程，可能出现个人差错。

4.3 优势分析

无人机的发展为风电场设备巡检提供了新的方向和巡检方法。无人机巡检相比较传统设备巡检有着巨大的优势：

无人驾驶，人机分离，巡检人员在安全区域内，无安全危险因素，安全系数高；不受设备位置和高度限制，最高可以飞行至500 m高空巡检，可以到达设备任意高度巡检，解决了使用望远镜观察不清晰的问题；不受自然环境限制，即使因自然环境问题，导致人员不能行动，无人机依然能够开展设备巡检工作；无人机飞行速度快，时速94 km/h，机动性高，巡检效率大幅提高；无人机巡检拍摄图片清晰，可近距离观察拍摄到设备实际状态。

5 无人机巡检的应用

5.1 架空线路巡检

风电场架空线路巡检难度较大，而无人机巡检具备高空、远距离、快速、自行作业的能力，可以穿越高山、森林、沟壑、河流对架空线路进行快速巡线，对架空线的铁塔、支架、导线、绝缘子、防震锤、耐张线夹、悬垂线夹等进行全程摄像和故障检查。

图1 架空线路巡检Fig.1 overhead line inspection

5.2 风机外部巡检

应用无人机进行风机外部巡检，可从外部接近风力发电机，解决风机外部巡检难问题，无人机携带的高清摄像头可拍摄高精度的图片和视频，清晰地辨识风机外部情况和运行状态，还可以通过飞行器储存的超高清视频素材进行后续分析，让风机外部巡检变得安全、便捷。

图2 风机叶片巡检Fig.2 inspection for fan blades

6 无人机巡检管理提升

6.1 建立健全组织机构

根据风电场实际，结合自身设备和地理环境特点，建立无人机巡检管理组织体系，明确责任，落实到人。将公司高层、中层、基层人员纳入组织机构。

6.2 制定无人机巡检技术标准

参考风电场现有巡检标准，筛选适用于无人机巡检的设备和巡检内容，并制定本风电场无人机巡检技术标准，审定下发后，无人机巡检严格按照无人机巡检技术标准开展巡检工作。

6.3 无人机技术培训

如风电场有取得AOPA颁发无人机驾驶员合格证的工作人员，可安排取得驾驶员合格证的人员开展无人机技术培训，讲授无人机飞行操作的基本方法和经验。如无取得驾驶员合格证人员，可以参加无人机驾驶培训机构培训，通过考试取得证书。风电场应根据自身拥有的无人机机型制定无人机技术培训课件，详细阐述无人机的功能、操作方法、安全注意事项等，组织全员学习。

6.4 无人机模拟巡检

当操作人员取得试飞资格后，由有驾驶证和有经验的无人机驾驶员进行监护模拟操作。经过多次的模拟飞行巡检，提高无人机操作人员的操作技术。

6.5 无人机巡检数据分析

每次无人机巡检工作结束后，巡检人员应及时上报巡检数据，设备责任人收到数据后应及时对比分析，通过无人机巡检台帐，对比查找问题，如有问题应进行复检，检查完毕后根据存在的问题进行缺陷和隐患分类处理。

6.6 无人机巡检技术比武

风电场应不定开展无人机巡检技术比武活动，提前制定无人机技术比武方案，制定规则，营造比学赶帮超的学习氛围，让更多的员工，掌握无人机巡检的精髓。

7 无人机巡检核心作业流程

无人机巡检工作的主要工作内容包括发布巡检任务、接受巡检任务、选择巡检路线/飞行场地选择、无人机组装测试/飞行前检查、无人机巡检/飞行航拍、数据检查/降落。

图3 无人机作业流程图Fig.3 UAV operation flow chart

7.1 发布巡检任务

班组根据生产管理部设备巡检标准，根据巡检标准期限要求，将巡检标准上传至智能两票管理系统，通过智能两票系统巡检任务下发到设备责任人。

7.2 接受巡检任务

设备责任人通过智能两票系统或移动APP接受无人机巡检任务，设备责任人查看并受理任务。

7.3 选择巡检路线

工作负责人接受巡检任务后，根据巡检任务在智能两票系统，办理无人机巡检工作票，调用相关设备无人机巡检标准，准备工作完成后，经签发人签发，许可人许可后方可开展无人机巡检工作。

7.4 无人机巡检前准备

无人机巡检前，首先应检查天气预报，是否会影响巡检工作。

检查无人机电源充足，可以正常起飞巡检。

检查确认巡检范围不属于禁飞区域。

图4 巡检任务图Fig.4 patrol inspection task diagram

图5 巡检功能Fig.5 patrol function

7.5 无人机巡检

无人机巡检工作必须严格按照无人机巡检标准进行巡检，不得漏项、跳项。

无人机巡检过程中发现无人机有异常现象，首先应操作无人机正常降落。

无人机巡检过程中如遇突发天气情况，应立即停止飞行。

无人机巡检过程中如发现重大设备隐患，应第一时间汇报值长。

严禁在开展无人机巡检工作中将无人机摞做他用。

7.6 数据检查

无人机巡检过程中，巡检人员应实时观察巡检数据是否正常。

无人机巡检结束后应及时将数据导出，移交至设备负责人，由设备负责人进行分析总结。

8 结论

随着科技快速发展，无人机技术应用也逐渐普及到各个行业和生活中。采用无人机巡检，不仅可以降低企业在设备巡检过程中的人力，同时用无人机巡检代替人工巡检保证了人身安全，无人机更具有高机动性，大大提高了设备巡检工作效率。随着机器视觉概念的提出，高清摄像头成为无人机的标配，这也保证了我们对设备的清晰观察，更能及时发现设备存在的问题。所以无人机会成为风电场巡检工作中的中坚力量。