基于高原環(huán)境的光伏電站智能機器人巡檢系統(tǒng)

張軍 鐘定江 洛桑珠巴 王永亮 李猛

（1.西藏職業(yè)技術學院 西藏自治區(qū)拉薩市 850000 2.天津職業(yè)技術師范大學 天津市 300222）

1 引言

長期以來，隨著我國電網(wǎng)信息化，時代化的發(fā)展，越來越多的光伏變電站人工巡檢的方式已經不再適應其快速的發(fā)展。在高原的惡劣環(huán)境下，人工巡檢不僅容易造成人員受傷，還會帶來一些觀察不仔細的隱患問題。在此大環(huán)境下，高原光伏變電站智能巡檢設備的提出便是一種順應時代的產物，此應用技術一旦被深入開發(fā)，光伏變電站巡檢工作將會有美好的發(fā)展前景

本系統(tǒng)針對高原地區(qū)的惡劣環(huán)境下的光伏變電站設備的巡檢問題，研發(fā)了光伏電站智能巡檢機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要分為以下幾個單元：參數(shù)檢測單元、路徑規(guī)劃單元、圖像處理與識別單元、數(shù)據(jù)傳輸單元等主要部分，實現(xiàn)全自主，全方位和全天候光伏巡檢，通過搭建監(jiān)控平臺，構建基于卷積神經網(wǎng)絡的大數(shù)據(jù)處理視頻圖像數(shù)據(jù)能夠實現(xiàn)快速的自巡檢，代替人工檢查設備真正實現(xiàn)無人值守的重要設備。

2 系統(tǒng)總體設計

該高原光伏電站智能機器人巡檢系統(tǒng)主要由監(jiān)測控制系統(tǒng)、圖像識別與處理系統(tǒng)，環(huán)境與設備信息采集系統(tǒng)和信息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)構成，其系統(tǒng)總體設計如圖1所示。

2.1 監(jiān)測控制系統(tǒng)的設計

巡檢控制界面采用螢石云開發(fā)平臺的開源框架進行二次開發(fā)，將設備運行的實時狀態(tài)及環(huán)境視頻傳輸?shù)轿炇崎_發(fā)平臺，并集成到軟件中，此實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)是為后面創(chuàng)建歷史數(shù)據(jù)庫和利用卷積神經網(wǎng)絡提取特征值做好了充足的準備，比那些SDK 源碼程序，可以大大提升了視頻傳輸?shù)乃俾剩梢詽M足后續(xù)的實時圖像處理，可以達到對巡檢機器人的實時監(jiān)控要求。

2.2 圖像識別與處理系統(tǒng)的設計

圖像處理系統(tǒng)通過云平臺數(shù)據(jù)庫得到大量的圖像信息，再構建卷積神經網(wǎng)絡，模型由多層神經網(wǎng)絡正反向訓練，通過深度學習的卷積神經網(wǎng)絡能提取出圖像的特征單元，根據(jù)這些特征單元可以很好的做到分類處理，即設備各種運行狀態(tài)的檢測識別。

如圖2所示，卷積神經網(wǎng)絡的神經網(wǎng)絡結構由以下部分組成。每個部分的具體作用說明如下。

輸入層：用于數(shù)據(jù)的輸入，對于該系統(tǒng)來說，輸入數(shù)據(jù)為實時圖像。

卷積層：用于特征提取。

全連接層：可以有多層結構，就是多層感知機的隱含層部分。

圖1：系統(tǒng)總體設計框圖

圖2：卷積神經網(wǎng)絡的基本構架

輸出層：一般輸出層有多個輸出網(wǎng)絡節(jié)點，根據(jù)任務的需要可以設置最后一層的激活函數(shù)來得到最終的輸出，此巡檢機器人任務就是輸出光伏變電站的運行情況是否正常，即該系統(tǒng)中卷積神經網(wǎng)絡輸出層即相當于一個二分類器。

根據(jù)以上理論分析，將CNN 的圖像識別模型加入高原光伏變電站巡檢機器人中，具體運用如下：

將圖像從數(shù)據(jù)庫中提取出來，并通過卷積神經網(wǎng)絡模型進行訓練，進行圖像分析、相關分析，識別出圖像特定特征。并從中辨別是否故障。

2.3 環(huán)境與設備信息采集系統(tǒng)的設計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)融合非接觸式測量技術和多傳感器融合技術，將光伏電站運行參數(shù)及周圍環(huán)境參數(shù)檢測并集中處理，最終傳輸給電腦端進行處理，構建預測模型。

圖3：光伏變電站巡檢系統(tǒng)原理框圖

圖4：MQTT 協(xié)議實現(xiàn)方式

2.4 信息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的設計

將傳感器采集的信號儲存在云平臺上，云平臺自動對采集的信息自動備份，云平臺采用的是阿里云的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫儲存的圖像信息為構造圖像處理系統(tǒng)的輸入提供了數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 控制模塊

光伏電站巡檢機器人系統(tǒng)采用的是32 位ARM 處理器STM32F103ZET6 為主控芯片，該微處理器相會于其他處理器處理速度很快，具有豐富的內部資源，該系統(tǒng)利用了Wi-Fi 通信接口、PWM 接口、AD 轉換接口和簡單的I/O 口，能很好地滿足控制光伏電站巡檢機器人的性能需求。

3.2 傳感器模塊

多種傳感器對高原光伏電站輸出的功率、電壓、電流進行檢測，對高原光伏電站周圍環(huán)境光照強度、火焰、溫濕度等進行檢測，最后處理器并將這些參數(shù)傳給PC 端進行監(jiān)測。

3.3 無線通信主控

光伏電站巡檢機器人系統(tǒng)利用ESP8266 Wi-Fi 模塊完成數(shù)據(jù)信息的接收和發(fā)送，進而形成將光伏電站巡檢機器人載體與PC 端進行網(wǎng)絡信息結網(wǎng)，使各個傳感器采集的信息很精準的傳輸?shù)絇C 端，實現(xiàn)了精準監(jiān)控的效果。如圖3所示，變電站巡檢系統(tǒng)原理框圖。

4 系統(tǒng)軟件設計

整個系統(tǒng)軟件采用可視化集成開發(fā)工具QT5.11 進行開發(fā)，開發(fā)GUI 界面，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為MQTT 與TCP/IP。

MQTT 協(xié)議由客戶端、代理和訂購者組成，其中發(fā)布者完成消息發(fā)布的廣播，代理經過消息分級處理作為中間整合站，訂閱者則向代理訂閱消息，代理則完成推送消息的任務，最終完成一級一級的數(shù)據(jù)交換。如圖4所示是MQTT 協(xié)議實現(xiàn)方式。

該系統(tǒng)中，光伏電站監(jiān)測裝置、遙控、巡檢機器人等作為信息發(fā)布者，經過多級代理分級處理和數(shù)據(jù)交換，發(fā)送給不同的訂閱者。同時使用中國移動Onenet 云平臺作為協(xié)議的Broker，上位機采用集中控制方式，可以監(jiān)控下位所有信息，收到數(shù)據(jù)后會將數(shù)據(jù)進行儲存和顯示，圖片數(shù)據(jù)則用于卷積神經網(wǎng)絡訓練模型，電壓、電流、功率等信息以更加直觀的方式呈現(xiàn)到用戶面板上。為了防止數(shù)據(jù)丟失，最后使用阿里云數(shù)據(jù)自動儲存、備份數(shù)據(jù)，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

5 結束語

本項目研究提出的基于高原環(huán)境的光伏電站智能機器人巡檢系統(tǒng)，將在環(huán)境惡劣的高原光伏變電站上代替繁瑣的人工巡檢，能夠更精細化的檢測，不僅可以解決勞動力的問題，還可以降低變電站的事故頻率，可以及時有效的發(fā)現(xiàn)變電站的微小變化和突發(fā)異常，從而保障光伏變電站的運行安全，更快地推進變電站無人值守的進程。