一种基于GPS定位技术的无人机智能光伏巡检系统

吕德利，王 旋

（1.中电科技扬州宝军电子有限公司，江苏 扬州 225003；2.天津航大数据有限公司，天津 300300）

光伏产业是基于新能源需求而融合发展、快速兴起的朝阳产业，也是实现制造强国和能源革命的重大关键领域。本文为光伏电站提供集智慧运维、智能巡检、运行监控、故障诊断及现场安防于一体的智慧化方案，建立移动化、流程化的运维管理机制，提升运维管理水平；通过无人机智能巡检，实现巡检无人化；通过大数据分析，实现设备故障监测诊断；通过实时监控生产数据，实现多个光伏电站集中管控。加快实现智能制造、智能应用、智能运维和智能调度，全面提升我国光伏产业发展质量和效率。

目前光伏巡检面临着较大的生产、管理和信息化问题，生产现状方面的问题主要有场站面积大、设备多及光伏组件复杂等；集中监控平台不能对生产数据进行有效分析；巡检工作量大、检修运维效率低、设备问题难以发现。光伏现场管理方面的问题主要有场站设备检修、巡视点检、运行数据统计工作量大；点多面广、人员分散，资源不能有效利用；多种运检模式并存，不能满足管理要求。光伏设备信息化方面的问题主要有系统相互独立，基础数据不能共享，信息孤岛严重；已有信息化系统数据缺乏规范化、标准化手段，不能支撑数据应用的需求。针对以上问题，本文提出了一种基于GPS定位技术的无人机智能光伏巡检系统，有效解决光伏巡检过程中所面临的生产、管理和运行问题。

1 系统介绍

1.1 系统简介

该系统主要由多源协同侦查平台、多源协同任务规划平台和智慧光伏运维管控平台组成。多源协同侦查平台包含无人机和便携式检测设备，具备小体积、大载重、长续航和快拆设计等特点，适配三光载荷，可快速响应。多源协同任务规划技术包含协同任务规划和协同任务监控，协同任务规划支持任务规划和控制，并运行任务规划算法，提供多机协同任务的路径及飞行指令，支持三光载荷的指控；协同任务监视提供双屏显示，具备与载荷和指控中心的双向交互。系统架构图如图1所示，系统功能模块图如图2所示。

图1 一种基于GPS定位技术的无人机智能光伏巡检系统架构图

图2 一种基于GPS定位技术的无人机智能光伏巡检系统功能模块图

1.2 系统功能亮点

系统各载荷的设计具备高度的独立性。各载荷的功能调试可独立进行，直接获取载荷数据，完成协同任务监视、智慧运维决策和智慧运维评价，检测结果及图片上传至指控中心和任务规划软件。各载荷如需生成无人机控制指令，须通过Mavlink协议将指令发送给任务规划软件，硬件结构如图3所示。

图3 系统智能检测技术数据流程图

2 多源协同侦查平台设计

多源协同侦查平台提供小型旋翼无人机，用于空中巡检，同时搭载三光载荷侦查系统。提供手持云台相机，用于地面巡检。平台主要应用于对地面光伏发电设备的全天候检查及异常数据采集，整个平台作为光伏发电多源信息协同感知的智能检测技术的数据采集端。

无人机编组集成模块主要负责无人机平台与任务载荷的集成工作，能通过控制器控制无人机飞行和载荷执行任务，能在控制器或地面显控台显示无人机平台、载荷状态和视频，每套系统分别包含无人机平台（包含数传图传、导航定位等）、任务载荷、控制器和地面显控台，并可按照多无人机承载车辆的要求进行无人机的运输和放飞，模块架构如图4所示。

图4 无人机平台与任务载荷集成示意图

3 多源协同任务规划平台

多源协同任务规划平台主要由光伏区域起降点精准定位模块、光伏区域巡检路径规划模块组成，其中光伏区域起降点精准定位模块提供所有光伏区域的位置先验信息，在此基础上光伏区域巡检路径规划模块与无人机编组集成系统组合能够完成后续巡检的所有关键任务，包括路径规划、载荷任务规划、载荷控制和状态数据监控等。

3.1 光伏区域起降点精准定位模块

光伏区域位置信息的获取是整个光伏巡检任务的首要任务，可依据电站所拥有光伏组串分布，来获取无人机巡检的先验位置信息。以谷歌地球等卫星遥感数据为基础，获取整个电站的GIS地图，进一步通过GPS定位技术来进行无人机导航，依据二维、三维重建等方式重建出物理场景，还原高精度光伏区域性地图。

通过图像识别算法识别图片中的光伏区域，排除了背景的冗余信息，再在此基础上进行光伏区域的定位，对广域光伏进行分区分块，为集群无人机提供巡检起降点信息，此策略可保证光伏区域起降定位点的可靠性，大大减少计算资源的消耗，提高了整个智能化流程的经济性。

3.2 光伏区域巡检路径规划模块

利用光伏区域起降点精准定位模块对广域光伏区域分区之后，需要在单个分区内对无人机路径进行规划。首先根据图像的完整性需要，提出基于覆盖式算法组串坐标的巡检方式，并基于相机视野的自适应方法解决不同组串大小不一的情况，也使用遗传算法来解决不同分区之间的先后巡检顺序问题。

覆盖式算法的基本思路是根据初始方向、路径间隔和路径线型等因素在封闭图形内规划出一条充满整个图形的路径；利用光伏区域起降点精准定位模块决定路径的初始点及其行进方向，根据路线的密集程度决定路径间隔，根据路径的形状决定路径的线型。常用的路径线型有2种，分别为“S”型和“回”型。

4 智慧光伏运维管控平台

4.1 智慧运维管理

通过多源协同侦查平台以及多源协同任务规划平台实时监控光伏厂区组件、箱逆变、线路和升压站等设备的运行情况，为生产运营中心运行人员、现场维检人员提供精准的预警、告警信息。现场维检人员根据无人机巡检结果并借助智能手持终端接收任务工单，自动生成现场作业方案，作业方案一般包括无人机操作票、备品备件信息、风险点和作业路线等信息。

作业人员携带所需备品备件及相应工具到工作现场，还可通过智能穿戴设备与监督人员进行实时交互，对检修点进行确认。遇到难题实时获取后台专家知识库支撑，提高运维效率。故障原因及措施自动收入安全生产运维资源库，检修过程形成闭环管理。

4.2 光伏设备健康状况监测与智能预警

运行人员及多源协同感知系统在巡检过程中记录生产、设备、管理信息，监测实际运行状况，生成运行报表。实现损耗分析、系统效率分析、电站日负荷曲线、智能光跟踪和阴影遮挡分析等功能。实现电能量转化设备监控、环境参数监控、辅助生产监控。

应用移动互联网、物联网及大数据技术，全面覆盖、在线智能监测光伏电站所有设备，实时定位并准确判别故障，避免“无目的例行巡查”，指导开展人工现场检测核验消缺。将人工智能引入运维辅助决策，根据巡检星系拓扑情况，分析判断态势变化，对比因状态、时间、气象和地理等因素变化产生的结果，经过模拟推演和自动评估，形成有利于当前环境的解决方案。

5 结束语

本文详细介绍了一种基于GPS定位技术的无人机智能光伏巡检系统设计方案，重点对系统组成、平台设计、路径规划算法和运维管理等进行详细描述。在未来的发展中，无人机智能光伏巡检系统将进一步与互联网、物联网、大数据、云计算和人工智能等现代信息技术进行深度融合。无人机智能巡检将会进一步突破信息感知、环境决策、智能控制、精准运维和个性化服务等技术，进一步推动我国光伏产业的数字化、智能化和生态化，推进我国智慧光伏战略的快速实现。