如何利用無人機技術提升風電設備管理水平

李碩

【摘 要】隨著無人機技術的廣泛應用，結合風電管理特色，利用無人機技術能提高風電設備的管理水平，助力安全生產。文章通過分析無人機技術的優勢，對無人機技術在風電設備管理中的實際應用進行了闡述，提出了技術創新點和需要改進的方向，為進一步做好預知性檢修奠定了堅實的科學基礎。

【關鍵詞】無人機;風電場;設備管理

【中圖分類號】V279 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）06-0158-02

0 引言

隨著風電市場的逐漸成熟，大型風力發電機組相繼出現，葉片長度也由原來的30～40 m增加至60～70 m。風電機組的生命周期是20年，葉片長度的增長和葉片重量的增加也給葉片的運行維護帶來了挑戰。

風電場輸電線路是連接風電機組、變電所與電力網的一個傳送電能的系統。由于架空線路具有線路結構簡單、施工周期短、建設費用低、輸送容量大及維護檢修方便的優點，所以在風電場得到廣泛應用。然而我國國土幅員遼闊，地形復雜，丘陵較多，平原較少，加上氣象條件復雜多變，因此在實際的電力巡檢過程中遇到很大的阻礙，現有的檢查手段和常規測試已經不能滿足電力巡檢的要求。

中國大唐集團有限公司赤峰分公司目前是大唐集團公司風電裝機規模最大的直屬企業，截至2017年末，該公司總裝機容量已達1 510.3 MW，風機共1 136臺，已投產風電場10座，分布在赤峰市四旗、一縣、一區。為了不斷提高風電場的集約化、自動化、智能化、專業化管理水平，該公司于2018年開始采用無人機可見光、紅外及雷達系統用于風機葉片和集電線路的精細化巡檢。為了進一步深化運行管理工作，在目前硬件系統功能的基礎上，結合集控中心已經積累了一定的巡檢歷史數據及分析經驗的實際情況，具備了開展深入研究的基本條件。通過對已積累的大數據進行深入分析，可以不斷摸索風機葉片和集電線路的故障規律，為進一步做好預知性檢修奠定堅實的科學基礎。

1 無人機的技術優勢

無人機多為旋翼直升機（也有固定翼直升機），以旋翼為推動方式，具有垂直起降和空中懸停的特點，可分為旋翼帶尾槳、共軸反槳和多旋翼等形式，多旋翼無人直升機通常有四旋翼、六旋翼和八旋翼等結構。無人機按照空機質量又分為大型無人機、中型無人機和小型無人機。當任務設備搭載在無人機上用于檢測、采集和記錄風機設備及架空輸電線路信息時，可為轉塔式光電吊艙，也可為云臺搭載光電傳感器。光電吊艙通過減振器能有效地降低無人機發動機振動對檢測設備的影響，通過陀螺增穩系統的反饋控制，對無人機產生的晃動進行補償，使輸出的視頻在高振動環境下穩定輸出，獲得相對慣性空間穩定的平臺空間，以保持視角的有效性，滿足對被檢測系統的定位要求。在控制指令的驅動下，可實現吊艙對輸電線路、桿塔和線路走廊的搜索和定位，同時進行監視、拍照并記錄。有些吊艙還采用圖像處理技術，實現對被檢測設備的跟蹤和凝視，具有較好的檢測效果。云臺的主要功能是通過穩定平臺隔離載機的搖擺、振動，使輸出的視頻在高振動環境下保持穩定;其增穩控制主要由速度控制器、電機驅動器、電機和編碼器旋轉速度構成速度環，由目標位置、前饋控制器、位置控制器、編碼器位置信息構成位置環實現。檢測終端可為可見光、紅外、紫外等成像設備，也可為激光雷達、合成孔徑雷達等，功能是為地面飛行控制人員和任務操控人員提供實時數據，同時提供高清晰度的靜態照片供后期分析輸電線路、桿塔和線路走廊的故障和缺陷，其檢測精度、效果及檢測系統的集成度是影響無人機巡檢系統應用的關鍵因素。地面控制模塊由地面站、通信天線及控制軟件等組成，通過遙控方式對無人機和任務設備進行控制。無人機通過地面站與機載通信天線實現遠距離信號發送、接收及遙控遙測。信號傳輸主要是實時傳輸可見光視頻和紅外視頻，任務人員通過控制軟件操作無人機云臺轉動，獲得最合適的角度進行視頻拍攝。地面站和通信天線應實時性好，可靠性高，以便任務人員及時觀察風機設備及輸電線路巡檢的現場情況;對高壓線及高壓設備產生的電磁干擾具有很強的抗干擾能力;能在城區、城郊、建筑物內等非通視和有阻擋的環境下使用時，仍然具有卓越的繞障和穿透能力;能在高速移動的環境中，仍然可以提供穩定的數據和視頻傳輸。

2 實踐成效

2.1 無人機在風電行業的實際應用

無人機采用搭載可見光相機、紅外相機、三維激光掃描儀等任務設備對風機本體和輸電線路進行飛行巡檢，并實時將現場情況傳回地面監控系統，以便做出正確判斷，以及時排除故障，這種巡檢方式以無人機裝備本身的控制程序為主，輔以無線遙控。在進行巡檢之前，無人機需要根據待巡檢設備的不同情況設定最佳的飛行路線，有利于工作人員從不同的角度對風機葉片和輸電線路進行觀察，提升巡檢質量。采用無人機結合定焦和變焦相機圍繞風機拍攝葉片動態圖像，通過獲取風機運行狀態信號，在風機轉速較低或停止運轉的狀態下發指令給圖像捕捉控制以最大限度地降低風機高速轉動對葉片圖像質量的影響，定期將無人機獲取的風機葉片高清圖像并通過光纖將數據傳回服務器進行處理分析，檢測結果存儲在數據庫中，可以在控制中心大屏檢測缺陷圖像或者直接報警。同時，結合人工智能與大數據分析技術可以對無人機獲取的巡檢數據進行自動/半自動分析，甚至對設備隱患進行量化分析和測量，最終生成指導運維人員工作的巡檢報告。

2.2 主要技術創新

（1）激光輔助測量相機，使得無人機拍攝的風機葉片缺陷長度可測量，解決了從照片中測量缺陷長度的難題。

（2）基于機器視覺輔助的無人機導航避障技術應用，使得無人機巡檢操作流程簡化，對現場運維人員的操作技巧要求大大降低，提高了作業效率。

（3）采用激光掃描技術對風場集電線路及走廊掃描建模，實現了線路和通道的三維場景重現，可視化完成樹障、弧垂的安全預警和測量。

（4）采用深度神經網絡訓練算法自動化識別無人機圖像中的缺陷類型，目前實現對葉片砂眼、涂料損傷、表面不良和裂紋等缺陷的自動化輔助識別。

（5）采用智能巡檢無人機作為葉片檢測手段，每天可檢測12臺風機，檢測效率與傳統“蜘蛛人”和“吊籃”巡檢方式相比，提升了6倍。

（6）地形復雜地區風場集電線路采用智能無人機巡檢每天可檢測30～50個基塔，效率相比傳統人工線路巡檢提升了3～5倍。

2.3 存在的問題

（1）無人機專業人才緊缺。據初步判斷，我國在2018年需要無人機從業人員達40萬人次，截至2016年10月，國內持證從業的飛手、維修、研發等人員卻不到10 000人。中國大唐集團有限公司赤峰分公司截至目前只有兩名人員通過了航空協會AOPA多旋翼無人機駕駛員執照。

（2）旋翼無人機航程較短。當前，無人機的續航時間為30 min左右，一塊外接電池的重量在250 g左右，只能滿足短時風機及線路巡檢需要。

2.4 下一步努力方向

（1）線路掛接物處置。通過無人機還可以進行一些代替人工的操作性工作，比如對導線上外飄物隱患的處理，這類事情以往傳統的人工操作需要5～8 h完成，且需要停電作業，無人機則可以帶電作業，并且完成時間僅需15～20 min。

（2）升壓站紅外成像。通過無人機紅外吊艙定期對升壓站進行熱成像掃描，利用水平360°及俯視的優勢，實現對整個視場范圍內的熱故障的搜尋及設備的外觀狀態、工作狀態、溫度場分布情況的監控。

（3）智能化應用。無人機的智能化顧名思義就是讓無人機根據儲存在核心的程序可以自主定位目標進行故障巡檢，同時依托已建成無線專用網絡及大數據分析系統的開發，實現數據實時互傳、實時分析，進一步提升智能化應用水平。

（4）系統化應用。無人機目前的狀態需要人進行定向定點操作，達到系統化以后，無人機之間的協調合作能力將大幅提升，呈現集群式大規模的應用模式，代替人工節省人力，在一個統一的系統下，無人機群合作協作配合天衣無縫，明確分工，實現分批次、分重點、分強度的智能化應用模式。

3 結語

綜上所述，為了提高風機及風場輸電線路運行的安全性與可靠性，可采用具有體積小、重量輕、便于攜帶和制造、使用成本低及操作性和靈活性高等特點的無人機，通過在無人機上搭載相關的光學檢測儀器，實現對線路工作狀態的檢測，以便及時發現潛在的安全隱患。采用無人機技術能有效彌補人工巡檢和直升機巡檢的弊端，是未來用于檢測風電機組及風電場集電線路的主要手段和發展趨勢。

參 考 文 獻

[1]楊祥，王希彬.無人機主動SLAM技術研究[J].系統仿真技術，2015（4）.

[2]徐展.一種激光雷達導航的全自助智能無人機巡線系統[J].浙江電力，2017，36（6）.

[3]彭向陽，徐文學，王柯，等.基于無人機激光掃描的輸電通道安全距離診斷技術[J].電網技術，2014（11）.

[責任編輯：陳澤琦]