一种光伏电站的巡检系统和无人机系统集成方法

  完成单位：重庆中电自能科技有限公司

  主要完成人：付秀元、夏海洋、杨波、江春梅、章思卫、谢勇

一、研发背景

在光伏电站生产运营过程中，为了提升发电效率，需要对光伏板进行日常巡检，检查光伏板是否处于正常工作状态，包括光伏板是否有脱落、是否有异常遮挡、是否有破裂，光伏支架是否有变形、倾倒、对光方向是否正常等。光伏电站发电过程是通过光伏板转化阳光辐射能量为电能来完成的，其特性决定了一般光伏电站占地面积都比较广阔，少则几百亩，多则几千上万亩。在如此广阔范围内以人工方式进行巡检检查工作量大、难度高。因此提出了无人机自动巡检的需求，通过巡检系统控制无人机系统，使用加装可见光/红外光摄像头的无人机，对光伏发电区域进行巡飞，采集拍摄发电区域图片和视频进行智能分析，识别定位异常情况位置，实现光伏板和光伏支架等内容的自动化巡检。

为了加强无人机航拍作业的安全、及时地对无人机航拍的图像进行分析和检测，快速发现发电场站设备故障以及环境异常，并及时发出告警信息，因此需要开发一套标准规范，对不同厂家、不同型号的无人机均能进行指令下发、实时状态获取、实时巡检数据获取等操作，以提升场站智能化水平，最终实现减少成本支出，提升场站发电量。

二、发明团队介绍

本团队来自公司研发部，专注于新能源场站智慧应用研究，为新能源场站提供信息化和数字化服务，以帮助客户全面、直观地掌握场站生产运营情况，助力场站实现提质增效的目标。在公司“构建产业数字化生态”的战略目标指导下，本团队人员作为主力参与了公司能源数字化能力底座相关产品的研发工作，包括：数据服务能力、物联感知能力、人工智能算法平台，产品在数十个光伏场站、风电场落地应用，助力各新能源场站加速实现数字化转型。

本团队有部门副总1人，高级经理1人，高级工程师1人，中级工程师3人。成员及团队职责如下：

1. 付秀元，男，部门副总，团队组长，负责本专利研发和落地的整体工作，牵头光伏电站运维需求市场调研、落地指导等工作。

2. 夏海洋,男，高级经理，团队技术负责人，负责本专利技术路线选型，负责团队内工作整体协调和管理，协助团队组长开展专利成果转化工作。

3. 杨波,男，中级工程师，团队架构师，负责本专利中接口设计、整体技术规范管理、技术研发、功能实现等工作。

4. 江春梅,女，高级工程师，负责本专利成果转化中人工智能相关功能设计、人工智能技术规范编写、人工智能算法模型落地等工作。

5. 章思卫,男，中级工程师，负责本专利成果转化中前端功能设计、前端技术规范编写、前端功能研发等工作。

6. 谢勇，男，中级工程师，负责本专利成果转化中各类型数据的采集、存储、清洗等工作。

三、成果（专利）介绍

本发明是从光伏电站自动化巡检需求出发，设计的一种与产品类型无关的通用巡检系统与无人机系统集成方法，对巡检系统与无人机系统集成所需接口和规范进行了设计和定义。本发明设计的集成方法规范主要分为基础信息同步、巡检任务下发、巡检状态跟踪、巡检设备控制、巡检结果取得五个步骤。

1.基础信息同步

基础信息同步定义巡检系统与无人机系统之间基础信息接口集成规范，主要完成在巡检系统与无人机系统之间同步无人机、机库、航线航点等信息，作为后续巡检集成各步骤的基础。基础信息同步可以支持多种接口协议完成同步，如下基于HTTP协议和JSON数据格式对基础信息同步接口规范进行描述。

（a）机库信息同步接口规范

功能说明：完成巡检系统与无人机系统无人机机场信息的交换和同步

请求与响应：由巡检系统发起请求，无人机系统提供响应

（b）无人机信息同步接口规范

功能说明：完成巡检系统与无人机系统无人机信息的交换与同步

请求与响应：由巡检系统发起请求，无人机系统提供响应

（c）无人机/机库摄像头信息同步接口规范

功能说明：完成巡检系统与无人机系统监控摄像头信息的交换与同步，无人机系统通过无人机和机库的摄像头，向巡检系统提供无人机和机库的监视视频。

请求与响应：由巡检系统发起请求，无人机系统提供响应

（d）航线信息接口规范

功能说明：完成巡检系统与无人机系统航线信息的交换与同步。

请求与响应：由巡检系统发起请求，无人机系统提供响应

（e）航线信息编辑接口规范

功能说明：完成巡检系统向无人机系统增加、修改、删除航线信息。

请求与响应：由巡检系统发起请求，无人机系统提供响应

2.巡检任务下发

巡检任务下发是本集成方法第二步的工作内容，在巡检系统与无人机系统完成基础信息同步的基础上，巡检系统通过巡检任务下发接口规范定义规则，将巡检任务下发给无机系统，无人机系统接收任务，完成相关有效性检查和校验，依据无人机当前设备状态和外部环境情况，完成接收到巡检任务的调度执行。主要包括下发巡检任务、暂停巡检任务、恢复巡检任务、取消巡检任务、查询巡检任务、删除巡检任务历史记录。巡检任务下发接口规范可以支持多种接口协议来完成下巡，如下基于HTTP协议和JSON数据格式对基础信息同步接口规范进行描述。

（1）下发巡检任务接口规范

功能说明：完成巡检系统向无人机系统下达巡检任务的功能。

请求与响应：由巡检系统发起请求，无人机系统提供响应

（2）暂停/恢复/取消巡检任务接口规范

功能说明：完成巡检系统向无人机系统下达暂停巡检任务的功能。

请求与响应：由巡检系统发起请求，无人机系统提供响应

（3）查询巡检任务

功能说明：完成巡检系统查询无人机系统中巡检任务相关信息的功能。

请求与响应：由巡检系统发起请求，无人机系统提供响应

（4）删除巡检任务历史记录接口规范

功能说明：完成巡检系统向无人机系统删除历史巡检任务的功能。

请求与响应：由巡检系统发起请求，无人机系统提供响应，无人机系统接收到请求时，需

检查校验要删除的任务是否处理可删除状态，只有完成和取消的巡检任务才允许删除。

3.巡检状态跟踪

在巡检系统将巡检任务下发给无人机系统后，通过巡检状态跟踪接品规范定义规则，实时监视巡检任务执行过程，查看巡检任务执行过程中的状态变化，掌握无人机巡飞过程中的实时位置等实时状态信息。巡检状态跟踪可以支持多种接口协议完成同步，基于HTTP协议、WebSocket协议和JSON数据格式对巡检状态跟踪接口规范进行描述。

（1）巡检任务状态长连接接口规范

功能说明：完成巡检系统和无人机系统状态更新的长连接建立功能，巡检任务执行过程中的实时状态，无人机系统都通过该长连接向巡检系统同步更新。

请求与响应：由巡检系统发起状态长连接建立请求，无人机系统提供响应。

（2）巡检任务状态变更更新接口规范

功能说明：完成无人机系统执行巡检任务过程中，状态有变化时通知巡检系统同步更新巡检任务状态的功能，该通知通过上一步骤建立的状态更新长连接进行更新。

请求与响应：由无人机系统发起更新同步请求，巡检系统提供响应，巡检系统接收到更新同步请求，检查校验相关信息，并同步更新巡检系统内部巡检任务的状态。

（3）无人机系统实时状态更新接口规范

功能说明：完成将无人机系统完成巡检任务过程中，设备当前实时运行状态，同步推送巡检系统供管理人员监视的功能，该实时状态推送通过（1）步骤建立的状态更新长连接进行推送。

请求与响应：由无人机系统推送实时状态更新，巡检系统进行同步处理并提供响应。

（4）无人机系统实时视频接口规范

功能说明：完成将无人机系统完成巡检任务过程中，巡检系统开启无人机系统指定摄像头，取得和显示指定摄像头实时视频的功能。

请求与响应：由巡检系统发起请求，无人机系统提供响应。

4.巡检设备控制

巡检设备控制是指在光伏电站管理人员日常工作中，通过在巡检系统相关界面，完成对无人机系统的机库、无人机等设备的基本控制，避免电站管理人员必须到无人机、机库等设备上进行操作。主要进行机库和无人机进入急停和从急停恢复的控制。巡检设备控制可以支持多种接口协议完成，如下基于HTTP协议和JSON数据格式对巡检设备控制接口规范进行描述。

（1）无人机系统进入急停状态接口规范

功能说明：完成巡检系统向无人机系统下发控制指令，控制无人机系统设备（机库、无人机）进入急停状态。

请求与响应：由巡检系统下发指令，无人机系统提供响应，无人机系统接收到指令时，按无人机系统设备上提供急停按钮相同的功能和逻辑进行处理，完成相关设备的急停处理。

（2）无人机系统从急停状态恢复接口规范

功能说明：完成巡检系统向无人机系统下发控制指令，控制无人机系统设备（机库、无人机）从急停状态恢复到正常工作状态。

请求与响应：由巡检系统下发指令，无人机系统提供响应，无人机系统接收到指令时，按无人机系统设备上提供急停恢复相同的功能和逻辑进行处理，完成相关设备的急停恢复处理。

5.巡检结果获取

巡检结果是巡检系统与无人机系统集成完成自动巡检任务的输出，是巡检系统进行后续异常和故障识别分析的数据来源。在无人机系统完成巡检系统下发的巡检任务过程中，按巡检任务要求，在无人机巡飞过程中完成照片拍摄、视频记录，无人机巡飞返回后，无人机系统应将巡飞过程拍摄的照片和视频作为巡检任务结果数据，回传给巡检系统完成后续工作。巡检结果获取可以支持多种接口协议完成，如下基于HTTP协议、JSON数据格式和二进制数据格式对巡检结果获取接口规范进行描述。

（1）巡检结果图像照片获取接口规范

功能说明：完成巡检系统从无人机系统下载取得指定巡检任务结果图像照片的功能。

请求与响应：由巡检系统发起请求，无人机系统提供响应。

（2）巡检结果视频获取接口规范

功能说明：完成巡检系统从无人机系统取得指定巡检任务视频的功能。

请求与响应：由巡检系统发起请求，无人机系统提供响应。

四、成果（专利）转化情况介绍

将该专利的思路与人工智能、移动互联网、物联网等最新技术相结合，应用到新能源电站的巡检、安防、作业等领域，建设了一套具备支撑新能源电站智慧巡检、智慧安防、智慧作业等高级应用的一体化平台，为新能源电站安全稳定运行、风险预控、高效率开展维检作业等提供技术支撑，打造了新能源电站智慧运维的新航向。

1.贵州金元白碗窑光伏电站项目

应用于贵州省兴义市白碗窑光伏电站，首次实现了与无人机及机库的对接。其价值主要为：一是首次实现通过自主研发的系统直接向无人机下发命令、接收巡检图像。二是首次实现利用人工智能算法模型实时诊断光伏组件故障，及时发现设备故障，发出告警信息。

根据本专利的成果，结合人工智能技术，研发的智慧场站无人机巡检平台在白碗窑光伏场站应用效果参加2021年中电联发起的“斗转互联·时空智能”为主题的北斗电力应用创新竞赛中，荣获“最佳应用推进单位”和“优秀创新应用项目”两个奖项。

2.河北海兴智慧光伏示范电站项目

将该专利的成果及配套的一体化平台应用于河北海兴智慧光伏示范电站，打造了物联网示范基地，树立了行业标杆。利用该专利成果，在河北海兴光伏电站建立了4座无人机机库及起飞平台基座，结合基于人工智能技术研发的光伏组件故障检测、光伏场站安全监控、光伏场站作业验收等10余个算法模型，支撑着场站80余万块光伏组件的故障检测工作以及8100余亩地的安全监控工作，每年可节省巡检员3人，节约成本60万元。本项目的应用案例已被国资委收录入《2021年企业数字化转型场景》中，成为首批行业应用类场景案例。

其价值主要为：一是实现维检方式创新性；二是提升整体巡检的效率和质量；三是保障设备运行的稳定性。

3.广东粤北光伏项目

将该专利的成果及配套的一体化平台应用于广东粤北光伏项目，用一套系统支撑了多个光伏场的站智能化运维工作（4个光伏电站：乐昌金扬、连州深亚、韶关玥阳、兴宁阳光）；首次实现多个场站的统一管控工作，实现“规模化集中监控、区域化运维、智能化巡检”的创新目标。

其价值主要为：一是首次实现多个场站的统一管控工作，实现“规模化集中监控、区域化运维、智能化巡检”的创新目标。二是利用手持移动终端，实时同步后台任务，可创建新任务、执行任务、关闭任务和对任务进行进度跟踪。三是任务巡检报告可在线查阅。

4.陕西定边光伏场站项目

应用于陕西定边光伏电站，通过与无人机及机库的对接，升级全方位检测光伏组件故障。其价值主要为：扩展了光伏组件检测方法，包括热斑、零支路、遮挡、破碎等检测，全方位检测光伏组件故障问题。

五、经济效益域社会效益

该专利的转化成果已在河北沧州、广东粤北、陕西定边、吉电江西等多个光伏项目上应用。专利成果投入两年中，新增利润共计244.68万元，为公司取带来了可观的经济收益。

通过对本专利的实施应用，光伏电站故障消缺平均处理时长减少了3h，每年可节约巡检人力成本20%，提升巡检效率10倍，减少运维停机时间5%，可为光伏场站带来2%以上的综合收益。该专利的转化应用有效提高了场站的巡检效率、运维效率以及安全性，提升了场站实现发电效率，也进一步增加了光伏电站节能减排贡献度，对于企业、国家乃至整个社会意义重大。