无人机巡检在荒漠光伏电站中的应用研究

王家万

(大唐青海能源开发有限公司海西新能源事业部，格尔木 816000)

0 引言

随着国家碳达峰、碳中和战略目标的部署，光伏发电装机规模将成倍增加，大规模的荒漠集中式光伏电站(下文简称为“荒漠光伏电站”)越来越多。因为荒漠光伏电站的占地面积大，设备繁多且具有分散性，定期进行光伏组件的巡检运维工作十分重要，且任务繁重。传统的人工巡检方式耗时长、劳动力成本高，且光伏组件热斑等缺陷不易被发现。当前，如何有效提升荒漠光伏电站精细化运维管理已成为光伏电站运营企业不断探索的目标。

近年来，随着无人机技术的高速发展，无人机在光伏电站智慧化运维方面掀起了研究和应用热潮，利用无人机代替人工进行光伏组件定期巡检成功解决了荒漠光伏电站采用传统人工巡检时遇到的难题。无人机巡检以全方位、全覆盖作业的方式，有效适配了荒漠光伏电站占地面积大、设备繁多的特点。负责巡检运维作业的无人机应用于光伏发电行业，能够提供荒漠光伏电站中光伏组件的运行状况，保证了荒漠光伏电站在其全生命周期内的高效精准运维，改变了传统的现场巡检以人力巡检为主的方式，节省了人力资源，提高了光伏电站运营企业的投资回报率。

本文对荒漠光伏电站中光伏组件的故障类型进行分析，从无人机及其附件的配置要求，无人机智能诊断软件，精准的故障定位功能，自动导航、避障和故障续航功能，高性能摄像系统的选择，智能飞控系统，以及远程通信功能几个方面对荒漠光伏电站中无人机巡检的技术要求进行研究，最后对某荒漠光伏电站的无人机巡检实际应用情况进行介绍。

1 荒漠光伏电站中光伏组件故障类型及分析

1.1 光伏组件的热斑效应

在同一光照强度下，当光伏组件中的一片或部分太阳电池被遮挡或存在内部隐裂缺陷时，该太阳电池所产生的电流会低于其周围正常太阳电池产生的电流，从而形成一定的电流差；因为电流大的电流源会向电流小的电流源倒灌电流，而电流小的电流源会接收倒灌电流，所以电流小的太阳电池由输出能量变为吸收能量，这部分能量就会在光伏组件上转化成热量，造成光伏组件局部温度升高，形成热斑，导致光伏组件输出功率降低；温度过高时的超温情况，会导致光伏组件上的焊点熔化，烧毁栅线，甚至会烧毁光伏组件，使整个光伏组件报废。

近几年由热斑效应引起的光伏电站火灾事故多有发生，不但会存在财产损失，严重的还会造成人员伤亡。但光伏组件热斑效应在日常人工巡检工作中不易被发现，只有采用专业工具进行巡检才能发现。

1.2 光伏组件缺陷

荒漠光伏电站所处环境较为恶劣，且早晚温差大、紫外线强烈，易造成光伏组件玻璃破碎、光伏组件滑落、焊带断裂、隐裂等缺陷。由于荒漠光伏电站中有上万块光伏组件，这些缺陷不易被发现。

1.3 阴影遮挡影响

当杂草、树木等的生长高度超过光伏组件高度时，若不及时处理，就会形成阴影遮挡，造成光伏组件接收的太阳辐射不均；鸟粪、积灰、塑料垃圾等长期附着在光伏组件表面，也会形成阴影遮挡，这些阴影遮挡会导致光伏组件局部温度升高，形成热斑效应。

1.4 线路故障

当汇流箱支路故障、光伏组件接线盒故障、接线插头发生脱落、线头松动、直流汇线断线、绝缘损坏发生接地等线路故障产生，会造成部分光伏方阵不发电。若荒漠光伏电站的通信系统异常时，这些线路故障不易被发现，会给光伏电站造成发电量损失。

2 荒漠光伏电站中无人机巡检的技术要求

2.1 无人机及其附件的配置要求

为了能够满足荒漠光伏电站巡检的要求，采用无人机巡检时，无人机及其附件的配置要求如表1所示。

2.2 无人机智能诊断软件

荒漠光伏电站中无人机巡检应采用具备后台处理能力的软件，即无人机智能诊断软件，软件需具备对无人机拍摄的海量照片的自动识别和分析功能，从而尽量减少人工处理量。

无人机智能诊断软件基于神经网络深度学习算法开发，将图像识别软件发现的故障特征信息、原始信息，通过软件自动识别计算，从不断更新的光伏电站故障、污损特征值数据库的海量数据中比对检测数据，自动判断光伏组件的故障、污损情况，并进行位置标定，数据结果自动生成检测报告；无人机智能诊断软件同步记录，并学习数据处理过程，不断更新知识库[7]。

无人机巡检结合图像识别技术、红外图像同步定位与地图绘制(SLAM)采集定位、图像分割算法、故障识别算法、全图拼接算法、云计算、神经网络算法，通过无人机搭载4K分辨率高清可见光相机和高清红外热成像相机同步拍摄光伏组件照片或视频，然后采集数据，将拍摄的照片或视频数据上传至智能诊断软件，通过对同一光伏方阵内所有光伏组件由于温度与发射率差异所产生的热进行对比，自动识别光伏电站中光伏组件(或光伏组串)的故障情况，定位出故障光伏组件(或光伏组串)所在的位置，并生成检测分析报告。

2.3 精准的故障定位功能

无人机巡检需具备精准的故障定位功能。可依据光伏电站整体总平面图、鸟瞰拍摄的全景图，采用全球定位系统(GPS)或北斗高精度定位系统定位，标记异常光伏组件的编号和光伏组件上红外热成像存在异常的位置并进行保存，可以提供巡检区域的光伏组件分布图、异常光伏组件的分布及位置编号、热斑故障点的准确地理信息和位置。

无人机巡检可支持GPS、北斗等2系统11频点卫星信号的接收，实时动态测量技术移动站集成多种数据传输链路及高性能传感器，可为无人机飞行平台提供厘米级的三维定位和精准定向。

无人机巡检时，光伏电站应建立实景3D模型，采用由实景照片生成3D模型的建模方式，在模型中标识每块光伏组件的位置，实现红外热成像照片与实景3D模型的对应，以便精准查询光伏组件故障点位。

2.4 自动导航、避障和故障续航功能[8]

无人机可以根据预设航迹路线进行自主升降、飞行巡航，实现免手控操作的自主飞行。

在飞行中，为避免出现飞行事故，无人机需要具备一定的躲避障碍能力，可以识别出路线上存在的障碍物，采取主动躲避动作，空中刹车或绕开障碍物飞行。在设置飞行航线时，无人机巡检系统能够将光伏电站场区外设置为禁止飞行区域，并在设置的飞行航线超范围时进行提示。

针对光伏电站的无人机巡检在执行长时间任务时，若因续航、故障或人为原因导致任务中断，应可以自动或手动记录断点位置；恢复飞行时，应能够定位到断点位置，继续执行任务。

2.5 高性能摄像系统的选择

摄像机是拍摄光伏组件的核心设备，高性能的摄像系统是识别光伏组件热斑的关键。因此在选择无人机巡检的摄像系统时，必须选择高性能的摄像系统。

可见光摄像机的有效像素需不低于1400万，具备自动变焦功能，摄像机在距离光伏组件中心距离不小于10 m处拍摄，拍摄的照片需能够清楚分辨出光伏组件上的焊带断裂、热斑、隐裂，以及光伏组件表面超过12 cm2的遮挡物及严重的积灰。搭配云台使用的可见光传感器，转动角速度和转动性能应符合水平和俯仰转动的要求。可见光摄像机应具备手动和自动成像功能，具备拍照模式、录像模式、回放模式。

红外热成像相机的温度灵敏度和测量范围应在-25～ 135 ℃之间，热灵敏度在30 ℃时小于等于0.1 K；几何分辨率应大于等于640×480，支持全屏测温(即每个像素测温)；绝对测量误差小于2 K；具备手动和自动拍摄、存储功能。

2.6 智能飞控系统[8]

智能飞控系统能有效控制无人机的飞行姿态，有自主飞行或半自主飞行两种控制模式。飞行控制站应能够实时显示经纬度、飞行速度、飞行高度、蓄电池容量等信息。与飞行控制站成套配置的显示器，应能同时显示遥控遥测数据和回传影像，能够存储和导出飞行日志、拍摄的照片及视频，以及其他任务信息，并能够对照片、视频、信息等进行备份。智能飞控系统应具备实景地图加载功能。

针对光伏电站的无人机巡检宜采用自动飞行模式，实现一键起飞自动巡检和定点巡检功能，可以实时传输飞行状态数据，保证飞行安全，实现自动避障等。

2.7 远程通信功能

与荒漠光伏电站中无人机巡检相关的软件应具备后台通信功能，实现与智慧化应用平台的远程通信，无人机巡检后自动生成缺陷工单，联系两票系统，完成无人机巡检问题库的闭环管理，实现荒漠光伏电站的精细化管理。

无人机巡检完成后，应采用照片自动传输功能，无人机上搭载的相机拍摄的照片可通过后台软件的WiFi传输功能，实现拍摄照片的自动传输，从而可省去人工拔卡再读取的步骤。

3 荒漠光伏电站中无人机巡检的应用案例

本文以青海大唐国际格尔木光伏发电有限责任公司的谦仁格尔木光伏电站为例，对其无人机巡检应用进行介绍。该光伏电站位于格尔木光伏工业园区内，占地面积约为504亩(1亩≈666.67 m2)，分4期、5期布置，总装机容量为20 MW，包括10个光伏方阵，光伏组件总数量约为58852块，光伏组串数量为1860串。谦仁格尔木光伏电站的光伏方阵分布情况如图1所示。

2020年6月29日，采用无人机对谦仁格尔木光伏电站装机容量为20 MW的10个光伏方阵进行巡检，巡检的飞行时间约为180 min，共拍摄高清红外照片42780张。

通过无人机图像识别软件对42780张照片进行分析后，识别出有热斑的光伏组件总数量为20块，且均为普通热斑。光伏电站的运维人员可通过无人机智能诊断软件定位热斑光伏组件的位置，并从光伏电站中准确找到该光伏组件。谦仁格尔木光伏电站的热斑光伏组件巡检报告如图2所示。

图2 谦仁格尔木光伏电站的热斑光伏组件巡检报告Fig. 2 Patrol Report on hot spot PV modules of Qianren Geermu PV power station

4 结论

本文对荒漠光伏电站中光伏组件的故障类型进行了分析，然后从不同角度对荒漠光伏电站中无人机巡检的技术要求进行了研究，并对某荒漠光伏电站的无人机巡检应用情况进行了介绍。研究结果表明：相比于传统的人工巡检方式，荒漠光伏电站采用无人机巡检方式的优势在于：1)可以大幅减少运维人员的数量并缩短巡检时间，实现减人增效，具有更高的经济效益；2)可以减少运维人员到现场的次数，降低了人工巡检可能带来的人员触电、交通事故等安全风险；3)无人机携带全屏测温高灵敏红外热成像技术，识别能力强，有效解决了人工巡检时不易发现的光伏组件热斑、隐裂等缺陷，以及不易发现的部分光伏组件不发电等问题；4)无人机巡检系统可自动结合历史数据进行对比分析、设备健康评估、发电能力预测等，从而提高了荒漠光伏电站精细化科学管理水平。综上所述，荒漠光伏电站采用无人机巡检，对光伏电站运营企业利用科技手段提升大规模光伏电站的管理水平具有重要参考意义。