高海拔新能源光伏电站智能运维体系探索及研究

摘要：在国家新能源政策大力推行背景下，以高海拔光伏发电站在国内各个地区纷纷建立，光伏发电技术提高了传统电力行业的整体发电量与发电水平，先进的新能源光伏智能化运维技术体系也应运而生。本文中主要探索了高海拔新能源光伏电站智能运维体系中的诸多生产管理技术内容与模式，并着重研究了站内巡检机器人的相关技术应用。

关键词：巡检机器人;高海拔新能源光伏电站;智能运维体系;环境感知模组

太阳能光伏发电系统（Solar power system）是一种利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。大型地面集中式光伏电站采用集中建设、集中管理、集中送电的模式，充分利用戈壁、荒山等利用率极低的地块进行建设。组成部分包括光伏板、匯流箱、逆变器、箱变、开关站、升压站和输电线路等。

近年来，国家高度重视新能源产业的发展，光伏发电技术已十分成熟，国内优质光伏资源已基本被开发殆尽，随着国家政策的调整，光伏平价时代已到来，高海拔地区的光伏资源开发也提上日程，以四川某基地规划为例，该基地计划在该省某“三州一市”规划1200万千瓦的光伏平价基地，该基地均在交通不便、高海拔、生存条件艰苦地区;一旦基地项目落地，光伏电站的运维模式将面临从传统的运维模式逐步向“无人值班、少人值守”的新型智能运维模式转变。

高海拔电站智能运维体系拥有独立系统，它与云存储、大数据、巡检机器人等等技术相互关联衔接，并全部引入到电站管理终端中，可实现GW+量级的电站接入，能够满足电站全部系统设备的集中管控需求，提升电站整体运行效率与生产效能。在该过程中，系统本身也会对电站及设备运行数据进行深度挖掘，提出诸多技术支持策略，确保生产管理方式多元化、有序化。

一、新能源光伏电站的智能运维管理技术概述

高海拔电站的智能运维管理技术丰富，它主要从时间、空间、设备等方面实现了对站内智能运维系统的多维度监控、多环节维护、多层次管理与多角度分析，可实现智能化判断、报警、评价与信息处理等功能，满足光伏电站的一体化生产运行要求。具体来讲，光伏电站的智能运维管理技术内容包括以下四点。

第一，能判断新能源光伏电站的建设质量是否达标以及是否达到设计要求。

第二，能实现自动状态自检，及时发现隐患问题，并第一时间面向运维人员通报设备运行健康状况，分析确定故障的基本发生类型与发生位置。

第四，新能源光伏电站在设计建设与电站设备规划方面已经接入了大量新设备、新系统部件，这些系统部件能够做到智能化匹配，为早期预判故障提供科学依据。

高海拔光伏电站为了实现电力设备安全稳定运行，满足技术应用与生产需求，主要基于上述技术内容展开生产运作，同时也通过电力设备巡检机器人的智能、高效运营提高变电站设备巡检能力，降低人为事故因素，为站内生产工作安全系数提高创造诸多有利条件[1]。

根据现场的实际生产需要，结合场站实际情况，组织开发的智能运维管理系统综合考虑了以下功能：

1、统一接口服务实现与机器人、外部系统通讯。开发制定统一接口规范，支持符合规范要求的智能巡检机器人接入，实现对各种机器人运行进行统一协调管理，管控平台能够远程控制巡检机器人，监测和评估机器人的实时运行状态，制定自动巡检方案并下发至巡检机器人控制系统。

2、实现站内设备实时监测：实现对站内人员、异物、装置指示灯、压板、局放、仪表、开关、氢气、热缺陷、噪声、温湿度、六氟化硫、氧气、烟雾等内容的监测。存储、分析、管理机器人采集的监测数据，对有异常的处理结果及时推送告警，对数据进行趋势分析，提前预警可能发生的故障。

3、与业务系统互联互动：结合现有变电站综合自动化系统、辅助监控、移动作业平台、变电站智能辅助系统等系统的运行，实现系统告警联动等功能。

4、大数据分析：针对机器人系统自身的数据，采用聚类分析等手段，寻找异常数据，分析潜在风险。通过关联分析，寻找异常状况的关联指标，挖掘风险的成因。依托外部的大数据应用，融合机器人采集的数据和其它系统的相关数据，针对具体问题建模分析，分析结果返回机器人系统，提高机器人系统的智能分析能力。

5、与业务系统数据共享、互为联动，实现跨专业多系统海量数据融合，加强机器人的触觉、视觉、嗅觉作用，实现从信息罗列向场景融合、多维展示、操作联动过渡，促进巡检工作由“人工巡检”向“自动巡检”、“协同立体巡检”的转变。

二、新能源光伏电站的智能运维管理体系中的巡检机器人应用模式

随着国内高新技术的大力发展，目前，智能巡检设备种类众多，相应的单一技术也很成熟，但缺少统一的智能运维平台，需要结合场站不同的智能巡检设备，打造一个综合处理系统，该系统将应用智能巡检机器人、无人机，配合其配套设备，开展升压站内的一、二次设备、35kV集电线路、场区设备（光伏组件、箱变、汇流箱、逆变器、风机等）、送出线路等设备的巡查;该系统将具有图像识别、无线通讯、激光自主导航算法、视觉识别等多种技术，通过搭建数字化、可视化、智能化的操作及远程诊断交互平台，将AI技术运用于电力生产过程，实现智能巡检在新能源场站的全覆盖，以高科技推进智慧场站建设，真正实现室内外一体化巡检、事故预判、故障分析排查、可见光表计识别、红外测温、二次设备告警信息筛选及检测、信息推送、各类报表自动生成等。

三、新能源光伏电站的智能运维管理体系中的巡检机器人应用技术

在新能源光伏电站的智能运维管理体系中，巡检机器人能够发挥重大作用，它的多模块多应用技术内容表现突出，主要包括：

（一）红外线成像仪测温模块技术应用

站内的巡检机器人是具备红外线成像仪测温模块技术系统的，它的技术优势在于在温度分布不均匀的大面积目标下进行表面温度场测量，同时也能在有限的区域内快速确定过热点与过热区域，实现精确化测量。这一模块技术系统的优势主要体现在以下五点：第一，不会破坏被测物体的温度场，不需要与被测物体直接接触;第二，具有较高的灵敏度;第三，可在几毫秒内测出目标温度，且反应速度非常快;第四，测温范围较宽，测温范围能达到-50℃～1000℃;第五，完全不受检测距离限制，可实现远近各种距离检测。在测温过程中，该模块采用到了普朗克定律，它所揭示的是黑体辐射能量在不同温度环境下按照波长的分布规律，它的数学表达式应该如下：

上述算式是对黑体光谱辐射通量密度的计算。

（二）多维环境感知模组技术应用

通过采用舵机可有效控制巡检机器人传感器升降过程。在障碍检测过程中则主要采用红外传感器与超声波检测两种方法结合对可检测半径内的障碍物进行侦察检测。多维环境感知模组技术应用具有较强的抗干扰能力，利用激光传感器为巡检机器人定位，通过机器人内置的SLAM定位算法，进行定位导航，此时超声波传感器会配合红外传感器技术确保完成避障任务。多维环境感知模组能够有效规划路线、驱动电机动作，在巡检机器人上搭载一架高清可视光摄像机和一台红外测温仪，可实现对监控投影范围内画面的长期监控。而摄像机本身由步进电机驱动旋转，可实现平面范围内0～360°的全方位转向操作，整体监控范围广[2][3]。

（三）人工智能技术在巡检机器人中的应用。

智能巡检机器人将利用分类和聚类算法，通过分析，对各设备进行建模识别，通过一种有效的语义哈希算法和基于稀疏自编码的人工智能深度学习网络，识别效果好、学习速度快，进而实现在物体识别中的相似图像快速查找，准确高效地对图像进行预处理、定位、配准、识别等步骤，适应性强。

针对电力设备特征，采取以下方法进行设备运行状态识别：（1）对电力设备的图像，分别使用去噪、锐化算法，根据已研究的结果得到最佳的预处理方案。（2）主要电力设备都具有明显的特征，通过颜色、纹理、模板匹配进行图像识别，结合本站电力设备时间情况，通过采用閾值分割算法找到指针后，采用模板匹配算法进行指针表盘识别、采用SVM（支持向量机）算法进行数码表识别。

随着计算机视觉技术的不断发展，将图像处理的方法运用到电力设备的自动检测中的实践逐步在国内外电力行业中开展。在电力设备的检测方法中加入深度学习和计算机视觉的方法，使得不再需要人工去对监测的设备信息进行判别，系统可以直接判断电力设备的运行状态，减少人员的工作强度和人为的监测事故。随着深度学习技术的不断发展，将卷积神经网络（CNN）算法理论应用到目标检测中取得了巨大突破，在检测性能上得到显著提升。智能巡检机器人通过在计算机服务器上部署基于Faster-RCNN算法、在巡检机器人本体上部署YOLOv3算法，完美平衡计算实时性与计算精度，实现对电力设备故障特征的提取，可迅速监测设备破损、设备漏油、柜门未关、鸟巢、异物等异常现象。

四、光伏电站应用智能巡检机器人实例

以四川凉山州某高海拔光伏电站为例，该光伏电站位于凉山州普格县洛乌沟乡甘天地村，处于彝族聚居区深处，项目交通极为不便，电站距普格县城直线距离约18km，距凉山州州首府西昌市直线距离约70km，升压站至市区约4个小时的车程;场站平均海拔高度约3680m，常年气温低、冬季时间跨度长，极度严寒。该地区平均含氧量只有平原地区的60-70%，运行维护人员长时间处于高海拔缺氧状况，比较容易诱发心血管、呼吸道疾病;同时，恶劣的环境对设备的安全稳定运行也存在一定考验。

通过部署智能巡检机器人，拟达到智能巡检的远期效果，主要有以下八点：一、解决现阶段人手不足的现状，调整人员工作分工;二、长期来看，节约人力资源成本，减少场站人员配置;三、解放监盘人员，大力开展设备维护消缺工作;四、推行精细化管理，改变现阶段的运行模式;五、解决艰苦地区场站运维人员的工作、生活环境，解决人员的工作环境;六、解决人员因条件艰苦，导致人才流失的情况;七、探索新能源场站的新的运维模式，打造新名片;八、推广新技术，将无人机、智能巡检机器人等新技术与新能源场站将结合。

部署智能巡检机器人，还能起到降本增效的作用，以该电站为例，目前运行值守员工9 人，正常的的满编是 12 个员工。每位员工投入工资、社保、生活费、各种福利等成本，每个月需要 90000 元左右;每个月生活用电、运维费用等需要 30000 元。同时该站处于高海拔地区，交通道路是泥泞山路，车辆行驶有很大风险。智能运维巡检机器人最终实现的是该站无人值守，单是这两项费用公司每年可节约近 144 万元，同时最大限度减少员工开车上山产生的人身风险。智能巡检机器人巡检前三年，投入 100 万左右;后期投入少量维护费用。10 年运维成本不超过 150 万。

五、总结：

在新能源光伏变电站智能运维体系中采用巡检机器人是希望利用巡检机器人的强大巡检能力，通过合理的运维管理体系，实现包括光伏发电、固定巡检、障碍物规避、远程遥控、视频回传等多方面智能化、自动化巡视，有效提升光伏新能源的利用效率以及变电站的整体生产工作效率。

参考文献：

[1]国网天津市电力公司， 国家电网公司.一种支持深度学习工作原理的人工智能机房巡检机器人：CN201810492283.4[P].2018-09-04.

[2]李树蔚，柴群峰，黄永强，等.智能技术在光伏电站的应用[J].电力勘测设计，2018（12）：71-76.

[3]彭志远，赵昕，李星明.用于变电站安全监测的智能机器人巡检系统[Z].深圳市朗驰欣创科技有限公司.2013.

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