風(fēng)電場智能巡檢系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用研究

劉承志，程飛，孟濤，楊昊，黃琪，呂惠

（華電福新安徽新能源有限公司，安徽 合肥 230000）

1 前言

根據(jù)《中國2030年前碳達(dá)峰研究報告》，我國一次能源消費總量2028年、2030年分別達(dá)到59億、60億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，年均增速2%。為實現(xiàn)能源生產(chǎn)領(lǐng)域減碳，必須加快以光伏風(fēng)電為代表的新能源替代化石能源，提高新能源在一次能源總用量的比例。在此背景下，光伏和風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入快速發(fā)展期。當(dāng)下風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量和運(yùn)行時間的不斷增長，一方面，提高機(jī)組利用率、降低設(shè)備故障率、降低維護(hù)成本，已成為風(fēng)電運(yùn)維首要難題；另一方面，提升風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益，也已成為風(fēng)電運(yùn)維的重要目標(biāo)。基于此，將人工智能技術(shù)應(yīng)用于新能源電站運(yùn)維，推動“少人值守、無人值守”的管理模式、提升新能源運(yùn)行水平，勢在必行。

“雙碳”背景下新能源風(fēng)電爆發(fā)式發(fā)展，但由于地處偏僻、占地較廣，“小、散、遠(yuǎn)”的分布格局給運(yùn)維巡檢工作帶來了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的人工巡檢在風(fēng)機(jī)位置分布分散的情況下，會出現(xiàn)安全性低、管理難、效率低、響應(yīng)慢、實時性差等問題，已無法滿足實際需求，急需一套智能巡檢系統(tǒng)。本文設(shè)計從以下三點解決上述問題，包括：（1）通過軌道機(jī)器人覆蓋升壓站中開關(guān)室、繼保室、GIS室和風(fēng)機(jī)機(jī)艙等室內(nèi)場景巡檢，依托于機(jī)器人機(jī)動性和人工智能技術(shù)，實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)控；（2）利用無人機(jī)巡檢識別風(fēng)機(jī)葉片故障，能夠充分發(fā)揮其視野寬敞、可靠性高、巡檢速度快等優(yōu)勢，為風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)作提供支撐；（3）利用三維數(shù)字孿生技術(shù)，將全站關(guān)鍵設(shè)備建模虛擬化。該設(shè)計已應(yīng)用在具體工程實踐中，助力實現(xiàn)了“少人值守、無人值守”的新能源風(fēng)電新型運(yùn)維模式。

2 總體設(shè)計

如圖1所示，按巡檢區(qū)域劃分，風(fēng)電場智能巡檢系統(tǒng)主要可分為升壓站巡檢和風(fēng)機(jī)巡檢兩個部分。

圖1 風(fēng)電場智能巡檢系統(tǒng)示意圖

2.1 升壓站智能巡檢

升壓站承擔(dān)著整個發(fā)電廠電能傳輸與分配重任，是運(yùn)行管理中重要的一環(huán)。依托于深度學(xué)習(xí)、圖像識別技術(shù)，采集升壓站各類關(guān)鍵設(shè)備的現(xiàn)場圖像，構(gòu)建升壓站關(guān)鍵設(shè)備多模態(tài)數(shù)據(jù)庫，設(shè)計并形成升壓站關(guān)鍵設(shè)備智能巡檢算法庫，通過在升壓站應(yīng)用高契合的智能巡檢技術(shù)，能夠更好地完成站點自動巡檢及狀態(tài)分析任務(wù)，實現(xiàn)發(fā)電廠升壓站內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)的實時安全管控。升壓站內(nèi)室內(nèi)區(qū)域采用軌道機(jī)器人巡檢，室外區(qū)域如主變壓器、SVG變壓器，則采用固定攝像頭巡檢。各區(qū)域關(guān)鍵巡檢內(nèi)容如下：

主變壓器、SVG變壓器：重點儀表表計智能讀取、紅外溫度包括引線接頭、高壓側(cè)電纜、低壓側(cè)管型母線等智能巡檢。

35kV開關(guān)室：開關(guān)柜設(shè)備重點部位溫度、重點部位表計讀取、壓板、開關(guān)、指示燈等智能巡檢。

繼保室：保護(hù)裝置的信號燈、表計識別、壓板、告警故障等自動識別智能巡檢。

GIS室：出線紅外溫度監(jiān)測、分合狀態(tài)智能識別、氣體壓力表計識別智能巡檢。

2.2 風(fēng)機(jī)智能巡檢

借助軌道機(jī)器人、無人機(jī)等終端設(shè)備獲取場景中的關(guān)鍵設(shè)備的異源數(shù)據(jù)，以構(gòu)建風(fēng)機(jī)智能巡檢關(guān)鍵設(shè)備數(shù)據(jù)庫；基于關(guān)鍵設(shè)備數(shù)據(jù)庫，結(jié)合風(fēng)力發(fā)電巡檢的需求，構(gòu)建出智能巡檢模型庫，實現(xiàn)風(fēng)機(jī)機(jī)艙、塔筒、葉片等關(guān)鍵區(qū)域設(shè)備狀態(tài)的實時管控，可有效緩解偏遠(yuǎn)地區(qū)運(yùn)維人力不足問題，減少運(yùn)維人員登塔風(fēng)險，降低人員及設(shè)備安全風(fēng)險概率，切實提升效益。風(fēng)機(jī)機(jī)艙采用軌道機(jī)器人巡檢，風(fēng)機(jī)葉片則采用無人機(jī)巡檢。各區(qū)域關(guān)鍵巡檢內(nèi)容如下：

機(jī)艙智能巡檢：主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、頂部控制柜（測溫等）、油位計油位、呼吸硅膠變色等智能巡檢；

葉片智能巡檢：葉片裂縫、破損、油污、雷擊等智能巡檢。

3 關(guān)鍵技術(shù)

風(fēng)電場智能巡檢中所采用的關(guān)鍵技術(shù)主要包括機(jī)器人智能巡檢、無人機(jī)智能巡檢和三維數(shù)字孿生等。

3.1 機(jī)器人智能巡檢

智能巡檢機(jī)器人以自身的運(yùn)動能力為基點，搭載包括可見光相機(jī)、紅外相機(jī)和拾音器在內(nèi)的數(shù)據(jù)收集裝備，利用這些裝備對站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)測，以此實現(xiàn)站內(nèi)設(shè)備情況的智能感知和環(huán)境監(jiān)測，站端、工區(qū)管理端的數(shù)據(jù)收集和多源信息聯(lián)動監(jiān)測。智能巡檢機(jī)器人作為一個智能運(yùn)動平臺，配備視頻圖像識別分析、紅外成像測溫和拾音檢測等功能，這些功能能夠幫助機(jī)器人實時監(jiān)測關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，快速精準(zhǔn)定位設(shè)備異常位置，從而實現(xiàn)站內(nèi)設(shè)備裝置的智能化感知。

（1）視頻圖像識別。作為普通視頻監(jiān)控的有力補(bǔ)充，機(jī)器人巡檢技術(shù)的依靠其靈活機(jī)動性能精準(zhǔn)感知拍攝風(fēng)電場各類關(guān)鍵設(shè)備的視頻和圖像，并通過內(nèi)置的人工智能、計算機(jī)視覺算法自動識別設(shè)備狀態(tài)，再與真實狀態(tài)對照以發(fā)現(xiàn)不一致的情況，提高配電站自動化程度，逐步脫離人工巡檢方式。

（2）紅外測溫。對于變壓器、電容器、電抗器、避雷器、刀閘、線夾等一次設(shè)備的巡檢，僅利用可見光外圖像巡檢，意味著只能感知設(shè)備的外部信息和動作變化，而無法有效掌握其內(nèi)部的狀態(tài)，更無法及時發(fā)現(xiàn)潛在故障。機(jī)器人所攜帶的紅外攝像頭，不間斷對關(guān)鍵區(qū)域、設(shè)備關(guān)鍵部位進(jìn)行紅外特征采集形成紅外測溫數(shù)據(jù)。并通過跨模態(tài)圖像高精度配準(zhǔn)技術(shù)，結(jié)合可見光圖像與紅外圖像，分析被監(jiān)測目標(biāo)對象的紅外特征，更好地檢測目標(biāo)對象當(dāng)前的內(nèi)部狀態(tài)。

（3）拾音檢測。當(dāng)風(fēng)電廠設(shè)備運(yùn)行時，設(shè)備會發(fā)出一些聲音，這些聲音可以側(cè)面的反映出設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。如果機(jī)器人收集到這些聲音，再識別這些聲音是否與設(shè)備正常運(yùn)行發(fā)出的相似，就能夠以此判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，這是一種非常便捷的巡檢方式。將拾音設(shè)備搭載到智能巡檢機(jī)器人平臺上，機(jī)器人在場站的巡檢過程中，借助拾音設(shè)備搜集站內(nèi)不同分貝不同波段的聲音，利用智能聲波識別技術(shù)分析收集到的聲音，能夠判斷電廠關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行時所發(fā)出的聲音是否異常，進(jìn)而了解到設(shè)備的運(yùn)行情況，若設(shè)備運(yùn)行狀況異常，機(jī)器人會及時發(fā)出預(yù)警信息。

3.2 無人機(jī)智能巡檢

無人機(jī)巡檢是以無人機(jī)為載體，利用無人機(jī)搭載相機(jī)、紅外感知系統(tǒng)等巡檢載荷，開展風(fēng)電場日常巡檢任務(wù)，能夠充分發(fā)揮其機(jī)載視野寬敞、可靠性高、巡檢速度快等優(yōu)勢。利用機(jī)器學(xué)習(xí)、在線學(xué)習(xí)優(yōu)化等算法，不斷提高紅外、可見光圖像風(fēng)機(jī)葉片故障檢測精度，降低漏檢概率，為風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)作提供支撐。

（1）定時自動巡檢。根據(jù)實地場景需求，風(fēng)電廠工作人員通過提前設(shè)置無人機(jī)的巡檢路線、輪詢時間和巡檢任務(wù)類型，無人機(jī)將具備自動巡檢功能。無人機(jī)在每天固定的時間點，根據(jù)預(yù)置的巡檢路線，每次無人機(jī)行駛至一個待巡檢點，借助機(jī)載的各種科技裝備對巡檢點中的關(guān)鍵設(shè)施或者對象執(zhí)行特定的巡檢任務(wù)，例如設(shè)備關(guān)鍵部位拍照、紅外熱成像、設(shè)備溫度識別、設(shè)備外觀分析和設(shè)備控制狀態(tài)識別等。

（2）遠(yuǎn)程遙控巡檢。無人機(jī)具有遠(yuǎn)程遙控巡檢功能，風(fēng)電廠工作人員使用這種功能時，首先會根據(jù)待巡檢目標(biāo)的巡檢要求輸入巡檢指令，然后只需要在控制中心對無人機(jī)下達(dá)巡檢指令，就可以完成對無人機(jī)的調(diào)度；無人機(jī)將會根據(jù)巡檢指令，前往指令中的巡檢點，完成指令中相對應(yīng)的巡檢任務(wù)，這個功能極大地提高了巡檢自由度和實用性。

（3）故障識別與處理。無人機(jī)利用深度學(xué)習(xí)算法和智能巡檢模型庫可以實現(xiàn)對目標(biāo)風(fēng)機(jī)葉片缺陷的精準(zhǔn)檢測，如葉片存在油污、裂紋和破損等；無人機(jī)對采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，分析結(jié)束后，將數(shù)據(jù)傳輸至平臺服務(wù)器，進(jìn)行規(guī)則處理、信息可視化和信息存儲。

（4）巡檢數(shù)據(jù)自動上傳和異常警報。無人機(jī)在執(zhí)行巡檢任務(wù)時，如果發(fā)現(xiàn)某個巡檢項不符合要求，即可告警信息并且該告警信息可以多種形式發(fā)出，比如無人機(jī)語音提示告警或者短信推送告警等。在發(fā)現(xiàn)異常情況的同時，無人機(jī)通過遠(yuǎn)程連接的數(shù)據(jù)傳輸通道將告警信息及相關(guān)圖片信息發(fā)送至平臺服務(wù)器，平臺服務(wù)器可以根據(jù)告警信息的緊急等級結(jié)合告警規(guī)則向風(fēng)電廠相關(guān)人員發(fā)送告警信息。

（5）無人機(jī)自動化場站。通過建立標(biāo)準(zhǔn)的無人機(jī)自動化場站，無人機(jī)可以在場地自主充電和自由起降飛行，解決無人機(jī)自身的續(xù)航能力不足的問題，進(jìn)而輕松地抵達(dá)廠區(qū)所有的巡檢點進(jìn)行現(xiàn)場作業(yè)，省去了巡檢人員費時費力地前往現(xiàn)場作業(yè)的麻煩。

3.3 風(fēng)電場三維孿生

利用三維建模，建立風(fēng)機(jī)內(nèi)外部，風(fēng)電場全站的三維可視化頁面。將場景的設(shè)備在虛擬空間中完成映射，創(chuàng)造一個基于信息化平臺的數(shù)字版的“風(fēng)電場”。利用三維頁面的特性，實現(xiàn)場景展示，路徑漫游，信息展示，實時告警，路徑巡檢等功能（圖2）。

（1）三維展示。建立1:1的三維風(fēng)電場模型，精細(xì)展示三維風(fēng)電場整體樣貌和具體設(shè)備樣式，基于是三維可視化頁面，能夠全方位查看精確到“儀表盤”的三維模型，同時能夠快速的切換場景，如從1號風(fēng)機(jī)內(nèi)部切換到2號風(fēng)機(jī)內(nèi)部，因而簡化了巡檢人員的操作步驟，提升了操作效率。如圖2所示。

圖2 風(fēng)電場三維展示示意圖

（2）路徑漫游?；谔摂M的“風(fēng)電場”，利用空間特性，無需操作，在三維空間里進(jìn)行切換，瀏覽“風(fēng)電場”的不同場景。

（3）信息展示。基于三維風(fēng)電場的設(shè)備模型，結(jié)合攝像頭，機(jī)器人，無人機(jī)巡檢產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，實時展示風(fēng)電場設(shè)備的詳細(xì)信息，比如設(shè)備溫度，設(shè)備開關(guān)等信息。

（4）實時告警。基于攝像頭、機(jī)器人、無人機(jī)產(chǎn)生巡檢數(shù)據(jù)，平臺服務(wù)器的規(guī)則處理產(chǎn)生的設(shè)備告警數(shù)據(jù)，三維可視化頁面通過改變模型顏色，增加動態(tài)閃爍等方式提示巡檢人員“風(fēng)電場”中的哪些設(shè)備產(chǎn)生告警，從而讓巡檢人員快速定位告警設(shè)備，排查告警原因。

（5）路徑巡檢。結(jié)合機(jī)器人等設(shè)備，設(shè)定機(jī)器人停留位置，通過三維可視化頁面，實時的操控設(shè)備巡檢一些或全部點位，實時產(chǎn)生巡檢數(shù)據(jù)，反饋至三維可視化頁面。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)巡檢工作的自動化、信息化、智能化水平較低，基本依賴于巡檢人員人工完成巡檢工作，巡檢工作的效率與質(zhì)量受人為因素影響大，易出現(xiàn)漏檢、錯檢等現(xiàn)象。風(fēng)電場智能巡檢系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)整個風(fēng)電場的自動化巡邏，增強(qiáng)巡檢工作的信息智能化水平，而且可以在提高巡檢效率的同時強(qiáng)化巡檢質(zhì)量。建立完整的風(fēng)電場智能巡檢系統(tǒng)，通過機(jī)器人智能巡檢、無人機(jī)智能巡檢和三維數(shù)字孿生等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，直觀立體展示全廠區(qū)的實時數(shù)據(jù)和監(jiān)控畫面，快速精準(zhǔn)定位設(shè)備異常位置并同步發(fā)出多級告警，從而減少巡檢工作中的人為不確定因素，有效降低風(fēng)電場的運(yùn)營成本，確保風(fēng)電廠的安全、可靠生產(chǎn)。