CN109187558A - 一种基于无人机的光伏电站自动巡检系统 - Google Patents
一种基于无人机的光伏电站自动巡检系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于无人机的大型光伏电站自动巡检系统，用于监测光伏电站的实时运行情况，检测光伏电池板是否存在污损、热斑等问题。该系统包括：无人机、路径设计模块、机载模块、图像处理模块、通讯模块、故障再确认模块及地面工作站。路径设计模块规划无人机的巡检路径；机载模块由摄像机、红外热成像仪组成，用于采集光伏组件的实时影像、照片及热成像图片；通讯模块把实时数据传回地面工作站，同时接收控制指令；图像处理模块则对图像数据进行处理，判断光伏电池板是否存在故障；故障再确认模块对疑似故障组件进行故障再确认，以免造成误判。本系统自动对光伏电站进行巡检，能有效提高巡检效率，减少成本投入，快速发现故障点。
Description
技术领域
本发明涉及光伏电站的巡检与运维领域，特别涉及一种基于无人机的自动巡检系统及实现方法。
背景技术
根据《可再生能源中长期发展规划》，到2020年，中国力争使太阳能发电装机容量达到1.8GW，到 2050年会达到600GW。预计，到2050年，中国可再生能源的电力装机会占全国电力装机的25％，其中光伏发电装机会占到5％。预计2030年之前，中国太阳能装机容量的复合增长率会高达25％以上。随着太阳能技术的不断发展和国家能源战略的布局，越来越多的光伏电站投入使用。
太阳能电池板在使用的过程中会因破损、腐蚀、发黄、焊接不良导致其工作异常，在被其它物体如鸟粪、树叶等长时间遮挡时，太阳能光伏电池板将被当作负载消耗其他正常电池板产生的能量，造成局部过热现象，产生热斑效应。若热斑效应产生的温度超过了一定极限将会使电池板上的焊点熔化并毁坏栅线，导致整个太阳电池电池板的报废，从而降低发电效率并影响太阳能系统使用寿命，严重时电池板温度升高可能引起火灾事故，造成重大损失。因此，需要对光伏电站进行日常巡检，实时监测光伏电站的运行状况。
光伏发电站大多分布在沙漠、戈壁、草原等环境恶劣的地方，而且占地面积极广，设备数量极多，如果依靠传统的方法进行运维，会给企业造成极大的成本浪费。通过无人机红外巡检可以减小在人力和物力上的投入以及运维人员的工作量，提高巡检效率和安全性，节约成本。
发明内容
为了提高光伏电站的运维效率，减少成本的投入，保障现场工作人员的安全，设计的一种基于无人机的光伏电站自动巡检系统，包括：
无人机；
机载模块：由摄像机、红外热成像仪组成，用于采集光伏电池板的实时影像、可见光照片及热成像图片；
路径规划模块：对无人机巡检路径和方式进行设计和规划，控制无人机的飞行高度、速度和路径；
通讯模块：用于无人机和地面工作站之间图像数据和控制指令的传输；
图像处理模块：对可见光照片、热成像图片进行处理，采集光伏电池板表面的温度信息，判定相应的光伏电池板是否存在污损和热斑等问题；
故障再确认模块：对疑似故障的电池板进行故障再确认，判断是否真正存在故障，以免造成误判；
地面工作站：作为所述巡检系统的控制平台和人机交互平台。
无人机上装有GPS系统，在地面工作站的电子地图上能实时显示无人机的位置和正在巡检的光伏电池板的数字编号。
所述电子地图表示整个光伏电站太阳能电池板的分布情况，地图为细网格状，分为一级区域和二级区域，一级区域采用九宫格的分为不同工作区域，用不同字母和数字表示，二级区域为一级区域的一个格子，在一级地图上点击小格子可进入相应二级区域，二级区域的每个格子表示一个光伏电池板，用相应数字编号，电子地图在地面工作站的主机上显示。
所述机载模块搭载在无人机上，摄像机和红外成像仪的镜头倾斜角度可以调节，巡检时具体角度与所要巡检的光伏电池板成90°角。
摄像机同时具有摄像和拍照功能，用于获取电池板实时影像资料，检测光伏电池板的外部故障，如污秽、破损、腐蚀、发黄等；红外热成像仪则用于拍摄电池板的热成像图片，获取电池板表面温度信息，检测电池板的内部故障，如热斑。
无人飞行模式分为遥控模式和巡检模式。在遥控模式下，主机发出控制指令，控制无人机对光伏电站的特定区域进行检测；巡检模式为无人机自动对太阳能电池板进行巡检。工作人员可以根据实际需要切换模式。
巡检模式分为巡视模式和检视模式。巡视模式利用摄像机对光伏电池板进行实时摄像，同时显示在主机上；检视模式为按照设计好路径依次对电池板进行可见光拍照和红外热成像拍照，并分析电池板的故障情况。
所述巡检系统的图像处理模块对无人机上拍摄的图像数据进行处理。通过对可见光图像处理，包括图像的融合、分割、对比，判断光伏电池板上是否存在杂物，是否存在污损，腐蚀、发黄等问题；根据热成像图像在不同温度下呈现的色彩不同，对热成像图像进行色彩辨识和分割，得到光伏电池板的表面温度信息，对超过设定温度阈值的光伏电池板判定为热斑故障，并标记温度过高的区域。
当发现疑似故障电池板时，地面工作站的人机交互界面上故障指示灯会闪烁，同时在电子地图相应位置标记为蓝色，记录故障电池板编号。
将初步巡检判定为故障的太阳能电池板标记为疑似故障组件，系统自动进入故障再确认模式，分为遥控模式和自动模式。遥控模式为工作人员对疑似故障电池板进行遥控定点巡检，由工作人员操控无人机对其进行检测和排查，确认其是否故障；自动模式为无工作人员或者工作人员不选择遥控模式的情况下，系统对疑似故障光伏电池板进行多方位、多角度的拍照分析，对比拍摄结果，确认电池板的故障情况。
将确认为故障的组件信息上传到巡检故障报告上，包括其在电子地图的位置和编号，故障类型以及故障依据，同时在电子地图上把该位置标记为红色；对进行故障再确认后确认无故障的电池板，消除其故障信息，系统退出故障再确认模式，依次对后序光伏电池板进行巡检。
巡检故障报告，包括巡检时间、故障区域、故障位置、电池板编号、故障依据与故障类型。
系统采取定点巡检的模式，即在每天某一个或某几个固定时间点对电站进行巡检，时间点的选取以避免无人机巡检时在光伏电池板上形成阴影为依据。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明的技术方案，达到预期目的和功效。以下结合附图和实施例对本发明提出的基于无人机的光伏电站自动巡检系统及其控制方法、实施方式以及其结构特征作进一步阐述和说明。
本实施例公开了一种基于无人机的光伏电站自动巡检系统的技术方案和具体实施方法，所述系统包括：
无人机作为飞行主体；
机载模块由摄像机和红外热成像仪组成；
路径规划模块对无人机的巡检路径和方式进行设计和规划，控制无人机的飞行高度、速度和路径；
通讯模块用于无人机和地面工作站之间图像数据和控制指令的传输；
图像处理模块对机载模块拍摄到的图像信息，包括可见光照片、热成像图片进行处理，采集光伏电池板的温度信息，判定相应的光伏电池板是否存在污损和热斑等问题，生成巡检报告；
故障再确认模块对疑似故障电池板进行故障再确认，确认电池板的故障情况，以免造成误判；
地面工作站作为所述巡检系统的控制平台和人机交互平台。
无人机采用四旋翼。
摄像机同时具有拍摄视频和拍照功能。
将摄像机和红外热成像仪搭载在无人机上构成机载模块，镜头微向下倾斜，角度与光伏电池板成90°角，如图1所示，避免在电池板上形成阴影。
所述基于无人机的光伏电站的自动巡检系统分为三种模式，即遥控模式、巡视模式和检视模式，如图2所示，同时所述系统有一个自查程序，当系统能正常工作时，界面上的运行指示灯显示为绿色，否则显示为红色，并给出故障原因。
根据光伏电站的实际情况，对无人机的巡检路径和方式进行设计和规划，控制无人机的飞行高度、速度和路径、拍摄角度及拍摄时间及停放位置。本实施例，在巡视模式下，飞行速度为0.5m/s；检视模式下，无人机的飞行高度2.5m，停留用于拍照时间为6秒，依次对光伏电池板进行巡检；遥控模式下，工作人员控制无人机对光伏电站的特定电池板进行巡检。
巡检模式界面如图3所示，能够显示所巡视电池板的数字编号；摄像机和红外热成像仪所采集的可见光图片和经过处理后的红外热成像图片，即电池板的温度分布区域图；点击电子地图按钮可进入电子地图的一级区域；故障类型栏则显示正在巡检的光伏电池板的故障情况，包括正常、污损和热斑；故障指示灯对发现存在故障电池板时进行提示，正常时为绿色，故障时则为闪烁红色；点击界面中的巡检报告查看本次巡检中电池板的故障情况。
无人机在每天的固定时间对光伏电站进行巡检，本实施例，设定为每天的中午12点，无人机的飞行位置在光伏电池板的斜上方，如图1所示，避免无人机在光伏电池板上形成光照阴影，从而避免由于无人机的阴影使光伏电池板产生热斑。
机载模块拍摄的影像资料通过通讯模块传输给地面工作站。
在巡视模式下，工作人员可以通过人机交互界面看到无人机所拍摄到的实时影像，对光伏电池板的污损情况会有一个快速的判断，如图4所示。
遥控模式为工作人员通过地面控制端对无人机进行控制，使其对特定电池板进行巡检，其界面与巡视模式和检视模式界面相同，工作人员根据所进行任务的侧重性不同进行切换。
对整个光伏电站需要巡检的电池板依次用数字编号，在地面工作站的主机上生成电子地图。
无人机搭载GPS定位系统，能实时定位无人机的位置并在电子地图上显示。
本实施例电子地图为细网格状，分为一级区域和二级区域，一级区域采用九宫格的模式分为不同工作区域，用不同字母和数字表示，如图5所示；二级区域为一级区域的一个格子，在人机交互界面上点击小格子可进入相应二级区域，二级区域的每个小格子表示一个光伏电池板，用相应数字表示，如图6所示。
机载模块中的摄像机可以获取实时视频资料和可见光照片，用于检测光伏电池板的外部故障，如污秽、破损、腐蚀、发黄等；红外热成像仪则用于拍摄光伏电池板的红外热成像图片，检测电池板的内部故障，如热斑。
地面工作站利用图像处理模块对接收到的图像数据进行处理，对可见光图片进行融合、分割，判断出光伏电池板是否存在污损、发黄、腐蚀等故障；对红外热成像进行色彩的分割和辨识，根据不同温度在红外拍摄条件下所呈现的色彩不同，得到光伏电池板的表面温度信息，得到温度分布区域图，并与设定温度阈值进行比较。当发现电池板温度超过设定阈值时，可初步判定为热斑故障。
当发现故障电池板时，地面工作站的人机交互界面上故障指示灯会闪烁，同时在电子地图相应区域标记为蓝点，记录故障电池板编号。
对初步巡检判定为故障的电池板标记为疑似故障电池板，系统自动进入故障再确认模式，分为遥控模式和自动模式。遥控模式为工作人员对疑似故障的电池板进行遥控定点巡检，由工作人员操控无人机对疑似故障的光伏电池板进行巡检和排查，确认其是否故障；自动模式为无工作人员或者工作人员不选择遥控模式的情况下，系统自动对疑似故障的光伏电池板进行多方位、多角度的拍照分析，对比分析结果，确认电池板是否存在故障。
把确认为故障的电池板的位置信息和影像资料上传到巡检故障报告上，记录其在电子地图的位置以及故障类型，并标记为红色；对进行故障再确认后确认无故障的电池板，消除其故障信息，系统退出故障再确认模式，依次对后序的光伏电池板进行巡检。
生成故障报告，报告内容包括电池板在电子地图上的位置和数字编号、图像资料、故障类型，故障依据。
附图说明
图1为本发明无人机拍摄角度示意图
图2为本发明的人机交互界面之初始界面结构示意图
图3为本发明检视模式下的界面结构示意图
图4为本发明巡视模式下的界面结构示意图
图5为本发明电子地图一级区域设计示意图
图6为本发明电子地图二级区域设计示意图。
Claims (12)
1.一种基于无人机的光伏电站巡检系统，用于监测光伏电站的实时运行情况，其特征在于：所述系统包括无人机、机载模块、通讯模块、路径设计模块、图像处理模块、故障再确认模块及地面工作站。
2.根据权利要求1所述基于无人机的光伏电站巡检系统，其特征在于：机载模块由摄像机和红外热成像仪组成，摄像机同时具有摄影和拍照功能，用于检测光伏电池板的外部故障，如污秽、破损、腐蚀等；红外热成像仪则用于检测电池板的内部故障，如热斑。
3.根据权利要求2所述机载模块，其特征在于：摄像机和红外热成像仪的镜头的倾斜角度可以调节，巡检时镜头与电池板表面成90°角。
4.根据权利要求1所述基于无人机的光伏电站巡检系统，其特征在于：对光伏电站的太阳能电池板依次进行分区和数字编号，在地面工作站的主机上形成相应电子地图。
5.根据权利要求1所述基于无人机的光伏电站巡检系统，其特征在于：无人机的巡检模式包括遥控模式、巡视模式和检视模式，遥控模式为地面工作站的工作人员控制无人机对光伏电站的某个或几个光伏电池板进行定点巡检；巡视模式为无人机按设定路线通过摄像机快速巡视电站，将实时影像传回地面工作站，工作人员通过人机交互界面进行实时监测；检视模式则为无人机自动对光伏电池板进行可见光拍照和红外热成像拍照，分析图像数据，检测光伏电池板是否存在污损、热斑等故障。
6.根据权利要求4所述电子地图，其特征在于：地图为细网格状，分为一级区域和二级区域，一级区域采用九宫格的模式分为不同工作区域，用不同字母和数字表示，二级区域为一级区域的一个格子，在人机交互界面上点击小格子可进入相应二级区域，二级区域的每个格子表示一个光伏电池板，用相应数字编号表示，根据光伏电站的大小和光伏电池板数目的多少适当增加一级区域九宫格数和二级区域的格子数。
7.根据权利要求1所述基于无人机的光伏电站巡检系统，其特征在于：无人机装有GPS定位系统，在地面工作站的电子地图上能实时观测到无人机的飞行位置。
8.根据权利要求1所述基于无人机的光伏电站巡检系统，其特征在于：图像处理模块通过对拍摄到的图像资料进行处理，对可见光图像进行融合、分割和对比，判断光伏电池板上是否存在污损等外部故障；根据热成像图片在不同温度区域呈现的色彩不同，对图片色彩进行辨识和分割，采集光伏电池板表面的温度信息，划分温度区域，当电池板温度超过设定阈值时，可判定为热斑故障。
9.根据权利要求8所述图像处理模块，其特征在于：一旦发现疑似故障电池板，在电子地图相应位置标记蓝点，记录故障电池板编号。
10.根据权利要求1所述基于无人机的光伏电站巡检系统，其特征在于：系统发现疑似故障电池板时，系统自动进入故障再确认模式，分为遥控模式和自动模式，遥控模式为工作人员对疑似故障的电池板进行遥控定点巡检，自动模式为系统判定无工作人员或者工作人员不选择遥控模式的情况下，系统自动对疑似故障的光伏电池板进行多方位、多角度的拍照分析，对比分析结果，确认电池板是否存在故障。
11.根据权利要求10所述故障再确认模式，其特征在于：对判定为故障的电池板进行标记，生成巡检报告，报告包含故障巡检时间、电池板的数字编号、故障依据及故障类型。
12.根据权利要求1所述基于无人机的光伏电站巡检系统，其特征在于：路径规划模块对无人机的飞行高度、飞行速度、飞行路径、拍摄方位以及拍摄时间进行规划设置。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190111 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |