基于监测系统的光伏电站智能运维中巡检装备的应用研究

张朋飞

(国网新能源云技术有限公司，北京 100071)

0 引言

随着中国新能源行业，尤其是光伏行业的蓬勃发展，对于光伏电站运维行业提出了更高要求。比如，运维过程中需对光伏电站异常状态进行精准预警、实时数据高效采集等。

为了解决光伏电站运维过程中存在的电站故障类型复杂多样、数据采集难度大、单瓦运维成本高等问题，同时为了体现光伏电站的智能化运维，本文对基于监测系统的光伏电站5 类智能巡检装备应用于不同场景时的效果进行分析。该监测系统可实现对设备运行数据、巡检数据、生产业务数据、生产管理数据及环境资源数据的有效整合。将这些智能巡检装备应用于实际运维工作中，可大幅降低人力和财力成本，实现人、机、系统间的交互感知与空地协同，形成立体化运维体系，通过人、机、装备协同优化运维调度策略，实现光伏电站的高效协同运维。

1 基于监测系统的光伏电站智能运维体系的架构

根据功能架构，光伏电站的监测系统可被划分为云平台、管层、边缘层和端层这4 个部分。由边缘层的数据采集智能装备采集数据，对原始数据进行归集处理后，打包并传输至云平台进行存储，再通过云平台的算法处理数据，最后将计算结果下发至各个智能巡检装备，用于辅助指导光伏电站的运维工作[1]。

云平台通过人工智能技术及云计算，可以将大数据进行可视化展示，运维人员在光伏电站巡检过程中使用智能巡检装备时，可通过云平台的可视化界面，实现对各个智能巡检装备使用状态的实时观测，例如无人机的飞行轨迹、机器人的行进距离、装置电池的电量等。通过平台开放、数据共享、资源整合的方式构建光伏电站运维资源生态圈，从而实现人工运维的低成本和高效率。

基于监测系统的光伏电站智能运维体系的架构图如图1 所示。图中：ARM 即ARM 处理器，是一款RISC 微处理器；DSP 为数字信号处理器；LoRa 为无线传输模块；NB-IoT 为窄带物联网。

图1 基于监测系统的光伏电站智能运维体系架构图Fig. 1 Architecture diagram of intelligence operation and maintenance system of PV power station based on monitoring system

2 基于监测系统的光伏电站智能运维中的巡检装备

为实现光伏电站的智能化运维，下文对数据采集智能装备、无人机、光伏组件缺陷图像采集诊断智能巡检装备、可穿戴的智能巡检装备、智能巡检与运维机器人这5 类智能巡检装备进行介绍。

2.1 数据采集智能装备

为提高光伏电站的数据采集效率及其故障研判和预警能力，且同时降低数据采集装备的安装和维护成本，数据采集智能装备借鉴“软件定义终端”的思想，以硬件平台化、软件应用程序(APP)化的方式实现软、硬件的解耦，融合光伏电站系统网络、计算、存储及应用等的边缘计算服务功能；此外，该装备还支持多种通信方式和协议转换，能够即插即用、快速部署、灵活升级。

数据采集智能装备主要由主控模块、电源模块、公网4G 模块、LoRa 无线模块、NB-IoT 模块、以太网模块、WiFi 模块、RS485 通信模块、大容量存储模块和北斗定位模块等组成[2]。此装备支持多种设备类型和多种通信协议，采用数据库分层和冷热数据分级存储技术，可以采集、处理和传输多种类型的数据，完成光伏组件、光伏组串、逆变器、环境监测仪、无人机、光伏组件缺陷图像采集诊断智能巡检装备、可穿戴的智能巡检装备、智能巡检与运维机器人等一系列装备的全量数据采集、存储、分析及传输工作。

通过对数据采集智能装备的安装部署，可实现对光伏电站运行情况的全方位信息监测，提高故障判断正确率和预警准确率，大幅缩短故障排查时间，从而实现精准运维。该装备通过对光伏电站设备数据的高频采集与上传，给云平台的高阶算法提供了有效的数据支撑，有助于提高光伏电站的运行效率分析、实时调度和安全评估。“无线组网+总线通信”方案实现了光伏发电数据的高效采集，极大减少了现场建设和维护工作，提高了偏远地区光伏发电数据的采集质量和覆盖率，降低了数据采集成本。

2.2 无人机

无人机由无人机本体、手持终端和地面站组成，其中，无人机本体由机架、动力模块、飞控模块、导航模块、避障激光雷达、机载相机、蓄电池等部件组成。无人机可在适飞条件下动态部署于待检光伏电站，通过在高空拍摄光伏组件的热成像及可见光图片支撑其他诊断模块运行。无人机执行多航点飞行任务时，可实现一键式运维。通过规划无人机自起始出发点、巡检区域然后回到起始点途经距离的最短路径，可实现无人机的高效巡检[3]。

由于光伏电站的分布特点，导致人工运维成本高、效率低，亟需开展可适用于光伏电站应用的无人机。通过利用最新的全国区域遥感地图影像数据，并改进、优化目标地物的识别算法，提高基于遥感地图的光伏电站地物识别准确率及坐标准确率。通过扫描全国区域遥感地图数据，获得全国的光伏电站位置。结合电子地图工具，可以实现光伏电站的资源信息在电子地图上的准确显示。基于光伏电站资源信息电子地图，无人机可实现自动化最优巡径和避障控制功能，能够以最短的飞行距离完成待检区域的全覆盖巡检，并充分规避规划路径中当前已知的障碍物[4]。

此外，在监测系统中构建无人机遇障、避障信息反馈机制，可以实现避障告警。无人机在执行避障任务时若检测到障碍物，地面站可以显示障碍物与无人机的相对距离及方位，且机载相机可以拍摄障碍物所处环境照片，便于运维人员及时排除障碍物或调整巡检航线。将无人机部署和应用于光伏电站中，可大幅提升此类光伏电站的运维效率，结合故障诊断模块能够及时发现光伏组件热斑等故障隐患，为光伏电站的快速发展提供技术支持。

2.3 光伏组件缺陷图像采集诊断智能巡检装备

光伏组件缺陷图像采集诊断智能巡检装备由“热成像-可见光”双光采集模块、嵌入式分析模块、无线传输模块、液晶显示器(LCD)模块、升降模块、电源模块、北斗定位模块等组成，可有效获取光伏组件的可见光、红外及电致发光(EL)图像，结合智能算法可对热斑、隐裂、异常遮挡等缺陷进行分析与诊断。采用图像分割的深度学习模型U-Net，对红外图像中的光伏组件有效区域进行识别与提取，避免了光伏电站复杂环境的干扰，提高了热斑检测的准确率。根据多颗粒度隐裂检测算法，通过自适应阈值滤波、连通域分割等方法快速定位严重的EL 缺陷，可解决光伏电站现场环境下的隐裂检测问题。同时，采用基于PVT 算法的改进型YOLOv5 模型和注意力机制方法，聚焦特征之间的纹理差异，对光伏组件异常遮挡特征进行识别，实现了对异常遮挡目标的定位与分类识别。

光伏组件常出现的异常遮挡包括积灰、鸟粪、阴影等，长期异常遮挡易形成热斑，影响光伏组件的发电量和使用寿命，而且还会降低光伏玻璃的透光率。针对积灰遮挡影响光伏组件发电量的定量关系难题，采用图像直接识别积灰与数据智能分析相结合的方法，可实现积灰遮挡的智能检测，这是一种科学有效的光伏组件运维手段。为了及时发现光伏组件的隐裂、热斑等缺陷，可通过光伏组件缺陷图像采集诊断智能巡检装备对光伏组件进行图像数据采集与诊断，以提高光伏电站的发电量。

光伏组件缺陷图像采集诊断智能巡检装备可与无人机相配合，实现远、近景图像的同步采集。该装备搭载智能诊断算法，可实现热斑、隐裂等缺陷及异常遮挡的精确定位和高效诊断，并将诊断结果发送至云平台，且同时可收集缺陷光伏组件的图像及数据[5]。该装备实现了光伏组件多功能诊断的高度集成，支持硬件模块及内置算法升级，可根据需求采用灵活多样的应用形式，通过该装备在光伏电站中的应用，可及时发现光伏组件的热斑、隐裂等缺陷及异常遮挡，便于运维人员及时更换缺陷光伏组件、清理遮挡物，有助于提高光伏电站的发电量。

2.4 可穿戴的智能巡检装备

可穿戴的智能巡检装备由智能头盔、视听保障装备和智能手持终端等组成，具有与远方语音、视频互动和录像存档的能力，同时具备设备身份识别、人员定位、电子工单受理、巡检过程记录等功能。其中，智能头盔可以支持“4G+WiFi”的通信方式。可穿戴的智能巡检装备为现场运维人员提供远程指挥、操作指导、过程记录等服务，提升了光伏电站的运维水平，并为光伏电站的维护检修提供了全过程监督及闭环管理[6]。

随着“云大物移智”等新兴技术的融合式发展，具备实时信息互联、语音视频交互、地理定位等功能的便携式可穿戴的智能巡检装备得到了广泛应用。传统的人工光伏电站巡检方式存在现场设备感知度低、信息交互效率低、单兵装备实用性差等问题，而能够及时有效地开展光伏组件、逆变器、汇流箱等设备的巡检工作是保障光伏电站安全生产的基础，因此，可以将可穿戴的智能巡检装备用于光伏电站的运维工作，并对运维人员在巡检时操作的正确性、安全性和完整性进行规范，可为人工巡检的安全与质量提供有效保障。这对于实现人工巡检的全过程监督及闭环管理具有重要的经济和社会意义[7]。

可穿戴的智能巡检装备采用了低功耗、高压缩率、稳定可靠的语音视频互动技术，运用远程指导和虚拟监护技术，解决了巡检作业人员专业能力不足的难题。基于移动式APP 的巡检作业过程更加规范，可有效避免漏检、误检等问题，从而可提高巡检作业的质量。基于二维码的设备身份识别和定位，极大提高了光伏电站全生命周期内的管理效率。通过跟踪巡检作业人员的巡检轨迹和滞留时间，并搭配视频回放功能，实现了巡检作业人员的安全管理。

2.5 智能巡检与运维机器人

由于光伏电站的运维工况复杂，采用传统的人工清洗光伏组件的方式会存在清洗成本高、清扫难度大的问题，因此亟需针对光伏电站智能运维开展自主清扫业务。随着大数据、人工智能与移动通信等新兴技术的快速发展，利用图像识别与人工智能技术，快速分析污染物对光伏组件的影响，在考虑发电量损失和清扫成本后，能够构建最优的清扫周期。通过优化智能巡检与运维机器人的清扫策略和清扫路径，可提高其自主清扫效率，降低清扫成本。开发光伏组件清扫设备的运行管理、导航与通信功能，并将其与光伏电站的监测系统进行互联互通，管理自主清扫业务，实现清扫过程的智能化。

智能巡检与运维机器人采用“轨道行进+负压吸附+盘刷清洗”的机器人架构形式，集成了“行进+清洗协同”控制系统，解决了机器人在光伏组件安装倾角、坡度、间隙、障碍等复杂应用场景中无法行进的难题。

该装备采用可折叠式结构设计，轻便且易携带，可有效完成重点污染区的驻停、定点清洗，增强了顽固性污染物的清洗效果。其与光伏电站监测系统的互联互通，可以实现对运维机器人的电池电量、运行时间、清扫进度等工作参数的远程智能监控，且具有远程启动和停止功能，可以满足光伏电站的日常运维需求[8]。

智能巡检与运维机器人具有操作简单、体积小、质量轻等优点，减轻了运维人员的工作负担。该装备在无水条件下也能实现对光伏组件积灰与边框积灰等顽固性污染物的清洁，提升了光伏电站的发电效率。

3 结论

本文以数据采集智能装备、无人机、光伏组件缺陷图像采集诊断智能巡检装备、可穿戴的智能巡检装备、智能巡检与运维机器人这5 类智能巡检装备为例，对基于监测系统的光伏电站智能运维中的巡检装备进行了分析。分析结果显示：通过使用上述智能巡检装备，规范了运维人员在巡检操作中的正确性、安全性和完整性，有效保障了人工巡检的安全与质量，具有重要的经济、社会意义；其还可替代人工巡检，或降低人工巡检的次数和现场工作量，提高人工巡检的针对性和巡检效率，有效降低光伏电站的人工运维成本。