新能源場(chǎng)站智能巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

【摘要】隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，風(fēng)電場(chǎng)的巡檢工作日趨復(fù)雜，人工巡檢難以滿足實(shí)際需要。而智能巡檢技術(shù)的應(yīng)用給風(fēng)電場(chǎng)帶來(lái)了新的巡檢方式。本文介紹了風(fēng)電場(chǎng)智能巡檢的總體設(shè)計(jì)以及相關(guān)技術(shù)，探討了智能巡檢技術(shù)在風(fēng)電場(chǎng)中的具體應(yīng)用。【關(guān)鍵詞】風(fēng)電場(chǎng)智能巡檢紅外測(cè)溫?zé)o人機(jī)巡檢機(jī)器人巡檢

1.引言目前，我國(guó)處于能源轉(zhuǎn)型和新能源開發(fā)的重要階段，新能源的占比逐年增加，戰(zhàn)略作用越來(lái)越大，但在平價(jià)上網(wǎng)、競(jìng)價(jià)上網(wǎng)等行業(yè)政策因素影響下，風(fēng)電企業(yè)的經(jīng)營(yíng)壓力日益增大。為減少成本支出，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高效的運(yùn)維，迫切需要一種新的運(yùn)維技術(shù)代替人工作業(yè)。因此，基于自動(dòng)化控制、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等高新技術(shù)的巡檢系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。本系統(tǒng)從以下兩個(gè)方面解決人工巡檢的問(wèn)題：（1）通過(guò)機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、攝像頭設(shè)備，依托圖像識(shí)別、紅外測(cè)溫等技術(shù)對(duì)升壓站、風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和自主分析，并將異常情況通知給運(yùn)維人員；（2）利用三維可視化技術(shù)將升壓站、風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行虛擬化，實(shí)現(xiàn)全息模擬，提供全站設(shè)備的真實(shí)模型和視圖，實(shí)時(shí)精準(zhǔn)掌握設(shè)備運(yùn)行情況。2.總體設(shè)計(jì)風(fēng)電場(chǎng)智能巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要綜合考慮數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析、反饋、管理、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和可擴(kuò)展性等方面，具體內(nèi)容如下。（1）數(shù)據(jù)采集：通過(guò)傳感器、監(jiān)控系統(tǒng)等收集風(fēng)電場(chǎng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、振動(dòng)、斷裂、漏油、入侵等。（2）數(shù)據(jù)傳輸及處理：將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器或云端存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新和共享。在服務(wù)器或云端對(duì)海量的巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，提取出異常數(shù)據(jù)。（3）智能算法：應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù)，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，與歷史數(shù)據(jù)相比較，提取規(guī)律并進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，進(jìn)一步提升巡檢效率和精度。（4）巡檢安排：制定巡檢計(jì)劃和任務(wù)，分派給相應(yīng)的智能設(shè)備。（5）巡檢執(zhí)行：智能設(shè)備按照巡檢計(jì)劃和任務(wù)執(zhí)行規(guī)則，將采集的數(shù)據(jù)反饋到系統(tǒng)中，形成閉環(huán)，不斷優(yōu)化巡檢策略和效果。圖1：智慧風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)業(yè)務(wù)架構(gòu)圖智能巡檢整體系統(tǒng)業(yè)務(wù)框架圖包含五層結(jié)構(gòu)。其中，底層為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋層，含風(fēng)機(jī)、升壓站的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，結(jié)合場(chǎng)站4G、5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。第二層為智能感知終端層，包含智能攝像頭、機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、傳感器等數(shù)據(jù)采集硬件。第三層為數(shù)據(jù)接入層，通過(guò)智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)模塊的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)接入數(shù)據(jù)。第四層為邊緣層，包括各類終端采集到的音視頻數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分類、提取、清洗。第五層為系統(tǒng)應(yīng)用層，包括數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)、告警推送，人機(jī)交互、可視化遠(yuǎn)程巡檢（風(fēng)機(jī)智能巡檢、升壓站智能巡檢及設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)視功能）。3.風(fēng)電場(chǎng)智能巡檢針對(duì)風(fēng)機(jī)、升壓站的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行智能巡檢，巡檢項(xiàng)覆蓋到設(shè)備的各個(gè)細(xì)節(jié)，包括外觀、指示燈、指示器、狀態(tài)開關(guān)、部件溫度等方面。智能設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)在智能巡檢系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)行問(wèn)題，相較于傳統(tǒng)的人工巡檢，提高了整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的生產(chǎn)效率，同時(shí)減少了人力成本和巡檢時(shí)間，降低了設(shè)備的維修成本。3.1升壓站智能巡檢升壓站是指將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的低壓交流電轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高電壓的升壓變電所或者變電站，是生產(chǎn)過(guò)程中重要的一環(huán)。升壓站的室內(nèi)區(qū)域采用軌道機(jī)器人、攝像頭巡檢。軌道機(jī)器人沿著預(yù)設(shè)的軌道路徑自主行駛，利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)和傳感器對(duì)設(shè)備、管道、儀表等進(jìn)行巡檢，對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警并即時(shí)反饋處理建議。升壓站的室外區(qū)域如主變壓器、電容器等設(shè)備可以采用無(wú)人機(jī)巡檢。無(wú)人機(jī)采用高清攝像頭、紅外線攝像頭等裝備，對(duì)設(shè)備進(jìn)行高清成像、熱成像，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備溫度、電壓、電流等參數(shù)，對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警并及時(shí)反饋巡檢報(bào)告。升壓站巡檢內(nèi)容及巡檢要求示例如表1所示。表1：升壓站巡檢內(nèi)容及巡檢要求3.2風(fēng)機(jī)智能巡檢風(fēng)機(jī)智能巡檢可以借助軌道機(jī)器人、攝像頭和無(wú)人機(jī)等無(wú)人駕駛設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。軌道機(jī)器人可以通過(guò)軌道路徑準(zhǔn)確地巡檢風(fēng)機(jī)，包括其零部件的磨損、損傷、金屬疲勞等檢測(cè)，并收集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和診斷。同時(shí)，無(wú)人機(jī)還可以通過(guò)航拍技術(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行全景拍攝，更精準(zhǔn)地捕捉風(fēng)機(jī)細(xì)節(jié)，包括螺旋槳的損傷、風(fēng)機(jī)表面的油污和積灰等問(wèn)題，并進(jìn)行飛行記錄和數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)無(wú)人飛行的安全巡檢。風(fēng)機(jī)巡檢內(nèi)容及巡檢要求示例如表2所示。表2：風(fēng)機(jī)巡檢內(nèi)容及巡檢要求3.3智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)1）具備紅外影像和可見光影像，同時(shí)實(shí)時(shí)傳輸影像的功能。2）具有感知設(shè)備缺陷、溫度和人員行為等信息，將感知到的信息做出智能識(shí)別，按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)范接入監(jiān)控系統(tǒng)。3）具有缺陷檢查、位置狀態(tài)、紅外測(cè)溫等功能，可實(shí)時(shí)對(duì)傳動(dòng)鏈系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、變頻器及主控系統(tǒng)、安全作業(yè)、關(guān)鍵設(shè)備外觀及環(huán)境等缺陷識(shí)別和溫度監(jiān)測(cè)，分析各類異常情況并實(shí)時(shí)告警。4）具有后臺(tái)遠(yuǎn)程控制的功能，全覆蓋無(wú)死角進(jìn)行識(shí)別和監(jiān)測(cè)。5）視覺(jué)識(shí)別終端具有夜視功能，可滿足夜間使用需要，夜間監(jiān)視效果與白天監(jiān)視效果一致，夜視功能開啟可通過(guò)遠(yuǎn)程控制。6）具備遠(yuǎn)程變焦、聚焦、方位調(diào)整及預(yù)置位設(shè)置的功能。7）具備圖像檢索與調(diào)閱功能，可檢索與調(diào)用前端不同時(shí)段的圖像。8）具備自檢與故障診斷，診斷信息上傳功能。9）具備動(dòng)態(tài)響應(yīng)、遠(yuǎn)程時(shí)間查詢/設(shè)置、數(shù)據(jù)請(qǐng)求、重啟等指令的能力。4.關(guān)鍵技術(shù)4.1紅外測(cè)溫紅外測(cè)溫是一種非接觸式的測(cè)溫技術(shù)，能夠快速、準(zhǔn)確地測(cè)量物體表面溫度。其原理基于黑體輻射定律，根據(jù)測(cè)量物體表面的紅外輻射能量來(lái)推導(dǎo)溫度。溫度與物體表面的紅外能量成正比，而與距離、環(huán)境溫度等因素?zé)o關(guān)。當(dāng)物體表面發(fā)出熱輻射時(shí)，測(cè)溫儀采用紅外傳感器探測(cè)紅外輻射，然后將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再根據(jù)轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)來(lái)計(jì)算物體表面的溫度。在風(fēng)電場(chǎng)智能巡檢中，通過(guò)紅外測(cè)溫技術(shù)能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)、齒輪箱、導(dǎo)電環(huán)等關(guān)鍵部件進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，提高設(shè)備的運(yùn)行安全性和可靠性。4.2圖像識(shí)別圖像識(shí)別技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)和人工智能的技術(shù)，它能夠使計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別、分類和理解數(shù)字圖像，主要包括以下幾個(gè)方面。（1）圖像預(yù)處理：對(duì)圖像進(jìn)行去噪、增強(qiáng)、二值化等操作，提取圖像信息。（2）特征提?。簭膱D像中提取特征，例如顏色、形狀等。（3）目標(biāo)識(shí)別：利用分類器將圖像中的對(duì)象或物體識(shí)別出來(lái)。（4）分類和識(shí)別：將對(duì)象或物體從圖像中分類識(shí)別，并輸出相應(yīng)的結(jié)果。圖像識(shí)別技術(shù)在智能巡檢中通過(guò)以下方式應(yīng)用。（1）缺陷識(shí)別：通過(guò)對(duì)風(fēng)電葉片表面進(jìn)行圖像采集并進(jìn)行分析，識(shí)別出可能存在的缺陷，如裂紋等。（2）異物檢測(cè)：利用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)風(fēng)電葉片表面進(jìn)行檢測(cè)，識(shí)別可能存在的異物，如電線或塑料袋等。（3）標(biāo)志識(shí)別：通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)識(shí)別風(fēng)電場(chǎng)中的標(biāo)志，如道路標(biāo)志、安全警示標(biāo)志等。（4）環(huán)境監(jiān)測(cè)：通過(guò)對(duì)智能巡檢設(shè)備采集的圖像進(jìn)行分析，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如氣象參數(shù)、氣體濃度等。（5）安全管控：利用圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行行人和車輛的監(jiān)測(cè)，在巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)報(bào)警。4.3三維可視化根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，首先識(shí)別3D可視化技術(shù)適配的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，對(duì)場(chǎng)景及內(nèi)部的關(guān)鍵設(shè)備部件的3D模型進(jìn)行識(shí)別、建模，根據(jù)需要提供的業(yè)務(wù)處理能力建立關(guān)鍵設(shè)備的信息模型，再將關(guān)鍵設(shè)備的3D模型與信息模型建立映射關(guān)系，借助監(jiān)控平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行3D模型與信息模型互動(dòng)，如圖2所示。圖2：智慧風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)開發(fā)路線圖采用3DMax作為風(fēng)電機(jī)組的三維模型建模工具，完成風(fēng)機(jī)機(jī)艙、底座、偏航系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、主軸、輪轂、葉片、變槳、測(cè)風(fēng)、主控、變流等關(guān)鍵部件的三維模型構(gòu)建，并通過(guò)基于WebGL的3D技術(shù)圖形組件ht.graph3d.Graph3dView實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)3D可視化開發(fā)。Graph3dView可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組虛擬場(chǎng)景的建設(shè)、場(chǎng)景可視化及人機(jī)交互。3D可視化技術(shù)研究路線如圖3所示。5.系統(tǒng)案例貴州某風(fēng)電場(chǎng)引入了智能巡檢系統(tǒng)，用于風(fēng)電場(chǎng)的巡檢和維護(hù)。其實(shí)施過(guò)程如下。1）建設(shè)主要設(shè)施。首先需要建設(shè)監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)處理中心、遠(yuǎn)程巡檢車等主要設(shè)施，并安裝傳感器、攝像頭和無(wú)人機(jī)等設(shè)備。2）采集和傳輸數(shù)據(jù)。通過(guò)傳感器、攝像頭和無(wú)人機(jī)等設(shè)備，采集風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)和巡檢數(shù)據(jù)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心和數(shù)據(jù)處理中心。3）數(shù)據(jù)處理和分析。將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，生成風(fēng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)報(bào)告，以便進(jìn)行故障排除和性能改進(jìn)。4）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程巡檢。通過(guò)移動(dòng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程巡檢和監(jiān)控，同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和報(bào)警功能。5）引入人工智能技術(shù)。運(yùn)用人工智能技術(shù)，對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行模型建立和預(yù)測(cè)分析，提高風(fēng)電場(chǎng)的效益和可靠性。圖3：3D可視化技術(shù)研究路線最終實(shí)現(xiàn)的效果如下。1）風(fēng)電場(chǎng)巡檢和維護(hù)的效率提升10%-20%。2）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程巡檢和監(jiān)控，提高風(fēng)電場(chǎng)