基于無(wú)人機(jī)的抽水蓄能電站巡檢方案分析

樊遠(yuǎn)冬 馬正杰

摘要：隨著新能源行業(yè)的快速發(fā)展，近年來(lái)，業(yè)內(nèi)人士提出通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載高清攝像頭或紅外熱像儀對(duì)抽水蓄能電站進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法。該新興方法或基于集群通信，可以高質(zhì)量、快速地檢測(cè)到抽水蓄能組件的熱斑、遮擋、隱裂等問(wèn)題;但是由于整個(gè)巡檢系統(tǒng)復(fù)雜、投入大，對(duì)運(yùn)維人員的專業(yè)技能要求高，較適合在超大規(guī)模抽水蓄能電站中使用，目前在絕大多數(shù)電站中還少有運(yùn)用;有的巡檢系統(tǒng)還存在自動(dòng)化程度不高的情況。對(duì)于中、大規(guī)模電站而言，考慮到電站巡檢的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，本文提出脫離集群通信，僅利用無(wú)人機(jī)搭載紅外熱像儀對(duì)抽水蓄能電站進(jìn)行全自動(dòng)巡檢的方法，可在很大程度上提高中、大規(guī)模抽水蓄能電站的維護(hù)質(zhì)量和可靠性，提升電站的總體效率。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電廠;巡檢;多旋翼無(wú)人機(jī)

引言

抽水蓄能電廠具有地勢(shì)起伏較大、覆蓋面積廣闊的特點(diǎn)，抽水蓄能電廠采用傳統(tǒng)的人工巡檢模式，體現(xiàn)出巡檢效率緩慢、巡檢頻次較少等問(wèn)題，此類問(wèn)題對(duì)于抽水蓄能電廠的運(yùn)行狀態(tài)而言具有一定的負(fù)面影響。為了提高抽水蓄能電廠巡檢工作質(zhì)量，在自動(dòng)化視角下，采用互聯(lián)網(wǎng)+無(wú)人機(jī)自動(dòng)化巡檢模式來(lái)改善巡檢工作。以互聯(lián)網(wǎng)作為平臺(tái)，通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路傳輸技術(shù)，將中繼網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與無(wú)人機(jī)連接，再通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)閾值預(yù)設(shè)使互聯(lián)網(wǎng)能夠自動(dòng)控制無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)則代替了傳統(tǒng)巡檢中的人工角色，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化巡檢。此外，為了保障巡檢工作的安全性、穩(wěn)定性，主要采用了多旋翼無(wú)人機(jī)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)四翼無(wú)人機(jī)。

1無(wú)人機(jī)簡(jiǎn)介

應(yīng)用六旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)智能巡檢工作，無(wú)人機(jī)自主巡檢系統(tǒng)主要由無(wú)人機(jī)設(shè)備、數(shù)據(jù)采集傳感器系統(tǒng)（雙光系統(tǒng)）、基于RTK的精確定位系統(tǒng)、雙目視覺(jué)自動(dòng)避障系統(tǒng)和集成地面站系統(tǒng)組成。6旋翼無(wú)人機(jī)具有以下性能：①RTK差分精準(zhǔn)定位，定位精度達(dá)到±2cm;②執(zhí)行自動(dòng)拍照任務(wù);③續(xù)航時(shí)間（35～40）min（攜帶作業(yè)載荷），空機(jī)續(xù)航時(shí)間（50～55）min;④能實(shí)現(xiàn)從起飛、巡航執(zhí)行任務(wù)、返航降落全自主自動(dòng)避障飛行，且可顯示三維航線;⑤能實(shí)現(xiàn)失控返航、低電壓返航;⑥能實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的傳輸、存儲(chǔ)，并有地面站監(jiān)視系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)監(jiān)視、指令控制、數(shù)據(jù)展示等功能;⑦性能穩(wěn)定、可靠、安全性高。

2基于抽水蓄能電站的無(wú)人機(jī)全自動(dòng)巡檢系統(tǒng)

基于抽水蓄能電站的無(wú)人機(jī)全自動(dòng)巡檢系統(tǒng)包括搭載紅外熱像儀的無(wú)人機(jī)、無(wú)人機(jī)地面站、地面充電設(shè)備和數(shù)據(jù)處理單元。其中，無(wú)人機(jī)負(fù)責(zé)通過(guò)紅外熱像儀采集抽水蓄能組件的紅外圖像;無(wú)人機(jī)地面站負(fù)責(zé)保障無(wú)人機(jī)與地面站的實(shí)時(shí)通信，并通過(guò)航跡規(guī)劃或手動(dòng)控制無(wú)人機(jī)的飛行速度、高度和紅外熱像儀的拍攝角度，以獲取無(wú)人機(jī)的飛行信息和抽水蓄能組件的紅外圖像信息;地面充電設(shè)備負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)的自動(dòng)充電，保證無(wú)人機(jī)的飛行動(dòng)力;數(shù)據(jù)處理單元負(fù)責(zé)將采集到的紅外圖像信息進(jìn)行處理，進(jìn)而標(biāo)記太陽(yáng)電池的故障情況，并生成對(duì)應(yīng)的故障報(bào)表。在無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)中，無(wú)人機(jī)采用自主研發(fā)的M1六旋翼機(jī)，搭載紅外熱像儀飛行巡檢。無(wú)人機(jī)的自航儀包括飛控、GPS和聲吶，并配置遙控器用于輔助控制。該無(wú)人機(jī)的速度可達(dá)80km/h，飛行高度為120～200m;在18km/h風(fēng)速內(nèi)能自穩(wěn)或定點(diǎn)懸停;在40km/h風(fēng)速時(shí)，定點(diǎn)懸停誤差在30cm以內(nèi)，抗風(fēng)能力6級(jí);30～60min可以檢測(cè)完20MW組件（理論上，在STC標(biāo)準(zhǔn)下，單排抽水蓄能組件的傾斜高度為4.8m、長(zhǎng)度為15km的檢測(cè)面積）中每一塊組件的溫度，精度是0.2°。無(wú)人機(jī)的動(dòng)力由大容量鋰電池和所配備的地面充電設(shè)備共同保障;其上的大容量存儲(chǔ)裝置保證了飛行過(guò)程中所拍攝到的影像資料的存儲(chǔ)，無(wú)人機(jī)地面站起落點(diǎn)設(shè)置了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，方便影像數(shù)據(jù)的傳輸。紅外熱像儀分辨率為640像素×480像素，測(cè)溫范圍為-20～250℃。

3結(jié)果分析

3.1網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

要求人工針對(duì)每項(xiàng)控制功能進(jìn)行5次操作，發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)在每次單項(xiàng)控制功能中的表現(xiàn)一致，說(shuō)明無(wú)人機(jī)功能控制有效，而在指令傳輸方面，首先針對(duì)實(shí)例電廠的892m、896m、899m等電磁信號(hào)較強(qiáng)的部分進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在此環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)指令傳輸速度在1.2s左右，滿足合理需求，在其他電磁信號(hào)較弱的部分，網(wǎng)絡(luò)指令傳輸速度在0.9s-1.0s左右，同樣滿足合理需求，因此說(shuō)明本文系統(tǒng)的速度、穩(wěn)定性較好。

3.2基于抽水蓄能電站的無(wú)人機(jī)全自動(dòng)巡檢故障自動(dòng)識(shí)別

圖像的自動(dòng)識(shí)別可以克服人為識(shí)別主觀性強(qiáng)、效率低等問(wèn)題，但需要對(duì)云存儲(chǔ)中心的紅外圖像信息進(jìn)行以下5個(gè)步驟的計(jì)算和處理：1）紅外圖像拼接。采用圖像拼接技術(shù)，將分塊的紅外圖像信息拼接在一起，還原抽水蓄能組件區(qū)域的整體模樣。2）抽水蓄能組件有效區(qū)域檢測(cè)。將圖像進(jìn)行噪聲濾除，同時(shí)保留圖像的邊緣，采用相關(guān)算法提取并圈定組件的有效區(qū)域。3）抽水蓄能組件溫度計(jì)算。對(duì)有效區(qū)域的圖像進(jìn)行灰度拉伸增加對(duì)比度，利用相關(guān)算法將圖像的灰度值轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的溫度值，每塊組件取最高溫度。4）組件溫度值分區(qū)域比較。將測(cè)得的溫度值與設(shè)定的閾值溫度進(jìn)行比較，溫差在正常范圍內(nèi)的區(qū)域標(biāo)記為“0”，代表電池片正常，超過(guò)閾值溫度范圍的標(biāo)記為“1”，代表電池片故障。5）打印輸出故障報(bào)表。最后生成一個(gè)包含“0”和“1”信息的、與整幅紅外圖像對(duì)應(yīng)的故障報(bào)表，并打印輸出。

3.3飛行航路設(shè)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在飛行當(dāng)中，互聯(lián)網(wǎng)+無(wú)人機(jī)自動(dòng)化巡檢系統(tǒng)出現(xiàn)了1次較大的路徑偏移現(xiàn)象，具體數(shù)值為2m，針對(duì)此現(xiàn)象，監(jiān)控人員及時(shí)的停止了無(wú)人機(jī)飛行，并針對(duì)異常地點(diǎn)進(jìn)行了分析，分析后發(fā)現(xiàn)因?yàn)楫?dāng)時(shí)風(fēng)力過(guò)大，到達(dá)了7.5m/s左右的分離，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)飛行受阻，此現(xiàn)象出于自然原因，并不能說(shuō)明本文系統(tǒng)有誤，所以無(wú)人機(jī)分析的正確性依舊得到了保障。同時(shí)在飛行速度與高度上，無(wú)人機(jī)直線飛行速度為1.3m/s-1.5m/s、直線拔高速度為0.9m/s～1.1m/s，說(shuō)明其速率性較高;無(wú)人機(jī)飛行最低高度為1.2m，最高高度為456m左右，基本滿足實(shí)例電廠的地勢(shì)要求，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化無(wú)人機(jī)巡檢。

4展望

雖然已經(jīng)能完成對(duì)風(fēng)機(jī)葉片和抽水蓄能組件的故障辨識(shí)，但還沒(méi)有發(fā)揮其最大的價(jià)值，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃航線飛行、規(guī)劃航線返航、一次性多臺(tái)機(jī)組巡檢、一次性整個(gè)抽水蓄能電站組件的巡檢、圖像處理、故障自動(dòng)識(shí)別、故障點(diǎn)定位、自動(dòng)生成巡檢報(bào)告是最終目標(biāo)。針對(duì)巡檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的疑似故障信息，如輕微劃痕，在圖像處理技術(shù)上需要進(jìn)一步探究。

結(jié)語(yǔ)

智能無(wú)人機(jī)在電力巡檢中已充分運(yùn)用，如今國(guó)內(nèi)多地的電網(wǎng)電力線巡檢都采用了無(wú)人機(jī)，并取得了不錯(cuò)的效果。但是，智能無(wú)人機(jī)在抽水蓄能電站巡檢中的應(yīng)用還是鮮有耳聞。事實(shí)上，在抽水蓄能電站巡檢中，由于抽水蓄能電站設(shè)備數(shù)量龐大，人工巡檢抽水蓄能電站往往很難發(fā)現(xiàn)其存在的隱患。而且，人工巡檢常常受地形影響，無(wú)法到達(dá)一些區(qū)域，從而產(chǎn)生巡檢盲點(diǎn)。與此同時(shí)，人工巡檢遇到大型抽水蓄能電站時(shí)，巡檢頻次很難達(dá)到要求，導(dǎo)致很多電站故障無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，而這些難題遇到無(wú)人機(jī)都將迎刃而解。

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