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摘要：本课题研究数字化技术在智慧光伏电站运维中的应用，拟开发一种包含软硬件的“全数字化光伏电站检测评估系统”，该系统利用无人机、热红外、近红外（EL）、组件电性能等检测设备获取现有集控系统无法获取的组件设备运行状态数据，同时将集控系统中组串的实时电流电压数据接入到本系统中，利用云计算、专家算法、IoT技术、精准时空技术、实景建模等软件技术，对上述多类数据进行联动分析，获取到组件灰尘遮挡、组件阴影遮挡、组串电流木桶效应、直流线路接地等问题的详细信息，加强光伏电站的运维能力，减少设备故障、灰尘等各类损失，提高电站发电能力，降低运维度电成本。

该系统可以实现以下功能：

1、实时性：该系统根据电站设备位置、线缆方向、电气拓扑关系和编码标准一一对发电设备进行数据关联，可视化展示设备运行状态。

2、预警性：接入集控系统数据库，获取到组串的实时电流电压数据，系统通过对组串的电流电压分析，对组串灰尘积累进行预警。

3、数据分析性：使用无人机搭载热红外和EL设备获取发电设备光谱数据，系统自动对热红外和EL数据进行分析，取得组串接地、电流不一致故障信息。

4、高效性：该系统还可以对电站任意设备快速查找定位，对运维人员精准导航，减少故障位置查找确认时间，对故障进行经济评估，提高管理及故障处理效率，提高发电效益。

一、关键技术点

“全数字化光伏电站检测评估系统”该系统主要分为三个层面：

·用户展示层，即利用前端技术（Vue.js）实现的客户端图形界面。在该层，用户可以实现电站实景虚拟化，以及对电站进行可视化管理、报告导出以及数据分析等操作。

·数据层，即厂站的基本信息的数字化管理，例如实现以单个光伏板为单位的资产管理，查看每个基本单元设备的相关数据。

·算法模型层，即通用算法和通用可视化建模算法。该层针对不同的输入数据实现不同的通用算法，最终达到数据与算法分离的目的。

[技术关键]

（1）基于SVM算法的光伏影像信息自动提取技术

要实现光伏电站发电设备电气拓扑关系和编码标准一一对相关数据进行关联，首先要从电站全景影像中提取出逆变器、汇流箱、组串、组件等设备信息，大规模电站发电设备众多，依靠人工提取设备信息工作量巨大，基于SVM算法的光伏影像信息自动提取技术可以较好的解决这一问题，在本课题中，基于光伏板自动识别并自动建模的相关算法，自动从电站全景影像中提取出发电设备坐标范围、图形、像素位置等信息。

（2）基于北斗三代、星地一体化服务的精准时空技术

光伏电站巡检一直以来是运维的一大难点，随着光伏规模化运营，单纯的人工巡检或普通无人机巡检已经无法满足大规模和高增速的光伏巡检需求，因为在实际操作中，光伏巡检面临着两大瓶颈，一是无人机普通GPS导航定位精度低，导致无人机获取的设备位置不精确，后续无法定位，二是时空基准不统一，光伏设备定位可能需要厘米级别精准定位，光伏设备、无人机、运维人员、巡检航线采用不同时空基准，无法精准对设备进行定位。通过北斗三代应用，可以搭建光伏电站地面定位基站，帮助无人机获得与运维人员统一基准的光伏电站区域高精度地理信息，将这些信息存储至云端，无人机就可以按照记忆中的航线进行自主飞行，且可以达到厘米级别定位精度，实现光伏设备、无人机、运维人员、巡检航线基准的统一，达到无人机智能巡检有效的目的。

（3）基于无人机倾斜摄影测量的实景建模技术

无人机倾斜摄影测量技术时国际测绘领域近些年发展起来的一项新技术，它克服了以往正射影像智能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从多个角度采集目标区域影像，可以将用户引入符合人眼视觉的真实直观世界。通过地形数据获取，实景模型重建后，同步获取光伏电站区域设备精确坐标和地形数据，用于后续定量分析。

（4）矢量模型编码技术

光伏电站设计属于多专业的资产密集及技术密集的大型工程设计规划，不可避免的存在设计深度不够、各专业图样信息不对称、图样细节信息缺失、设备布局设计粗放等问题。对上述建设的实景模型进行矢量模型编码，可确保设计和施工数据的正确性和一致性，矢量模型编码数据可以被各类计算机系统及软件按平台统一识别和使用，为电站数字化提供最底层的基础数据。

（5）基于深度学习的故障自动识别技术

光伏组件的故障使得组件局部发电效率降低而产生热量聚集，这在热红外影像上主要表现为局部的高温异常。由于故障类型的不同，从而影像中热斑的形状和温度也有所不同。为了能够对不同类型热斑进行自动区分，从而实现对热斑发电影响的定量分析与评价，本课题的关键技术之一就是利用深度学习技术对热红外影像中的热斑进行识别和分类，其主要原理如下图所示。本方法在识别流程中引入了基于语义图像风格网络，利用温度信息及形状信息对光板特征进行描述，实现光伏板与地面的分离，减少无关因素的干扰。

二、团队分工

团队组长：常旭。

团队成员组成：沈继、严超、孙永龙、刘继品

团队工作目标：

1、“全数字化光伏电站检测评估系统”，包含硬件（无人机、热红外摄像头、EL摄像头、组件电性能检测仪）、软件（全数字化光伏电站检测评估系统软件）。

2、在相同辐照下提高电站年发电量100万KWh。

3、电站光伏设备故障率与2019年相比整体故障下降40%。

4、试点电站应用。

团队关键工作： 开发一种包含软硬件的“全数字化光伏电站检测评估系统”，通过该系统的运用，加强光伏电站的运维能力，减少设备故障、灰尘等各类损失，提高电站发电能力，降低运维度电成本。

三、工作思路

本课题拟采用SWOT分析法作为研究方法。SWOT分析法是将于研究对象密切相关的内部因素优势（Strength）、劣势（Weakness）和外部因素机会（Opportunity）、威胁（Threat）等通过调研列举出来，将获得的各种因素按照轻重缓急或影响程度等排序，构造SWOT矩阵。利用这种方法找出有益的、值得进一步发扬的要素，以及不利的需要避免的因素，明确发展方向。

对多方面调研获得的光伏智能运维相关的多个市场需求要素采用SWOT分析法进行分析，如下表：

该系统能构建统一基准的光伏电站区域高精度地理信息，并将这些信息存储至云端，然后通过实景建模技术构建光伏电站实景模型，并根据电站设备位置、线缆方向、电气拓扑关系和编码标准一一对发电设备进行数据关联，可视化展示设备运行状态。

然后接入集控系统数据库，获取到组串的实时电流电压数据，系统通过对组串的电流电压分析，对组串灰尘积累进行预警。

然后使用无人机搭载热红外和EL设备获取发电设备光谱数据，系统自动对热红外和EL数据进行分析，得到组串接地、电流不一致故障信息。

除此以外，该系统还可以对电站任意设备快速查找定位，对运维人员精准导航，减少故障位置查找确认时间，对故障进行经济评估，提高管理及故障处理效率，提高发电效益。

五、预期成果

通过“全数字化光伏电站检测评估系统”的运用，提高光伏电站的运维能力，减少设备故障、灰尘等各类损失，提高电站发电能力，降低运维度电成本。

5.1实现目标

5.1.1无人机自主巡检

实现对光伏电站内设备巡检作业，获取图像数据，巡检过程中采集的视频数据自动同步至集中控制中心，整个作业过程全自动化，无需人员干预。

◆设备巡检

◆安防巡检

◆定点巡检

5.1.2设备电性能分析

对于功率衰降超出判定条件的组件作记录，开展EL测试，经测试分析，查找故障原因，提出解决方案。

检测方法：使用I-V400现场对单块组件进行测试

5.1.3巡检数据智能处理

系统软件对巡检采集的各类数据进行分类调用和处理分析，自动识别设备故障、定位设备位置、并导出巡检消缺报告，具有离线处理、快速处理、不依赖网络、数据安全度高的特点。

◆组件故障识别

包括热斑、二极管、组件失效。

◆组串故障识别

包括组串零电流、接地/短接。

5.1.4消缺导航及故障管理

对故障设备精准定位，对运维人员精准导航，减少故障位置查找确认时间，提高管理及故障处理效率，提高发电效益。

5.1.5电站实景建模

通过整合光伏电站实景模型和设备运行状态数据，可视化展示光伏电站各级设备的运行状态，尤其是组串、组件设备的运行状展现，展现内容包括：

◆组串运行状态展现

通过实景模型，展示组串的运行状态，对运行异常的组串进行报警，可以进一步展示异常组串的数据（包括组串电流电压、热红外、近红外等数据）、故障类型、故障位置等。

◆组件运行状态展现

通过实景模型，展示组件的运行状态，对运行异常的组件进行报警，可以进一步展示异常组件的数据（包括组串电流电压、热红外、近红外等数据）、故障类型、故障位置等。

5.2系统软件功能

5.2.1任务管理

◆巡检任务

在系统软件中规划电站巡检任务，包括无人机红外巡视、可见光巡视、安全巡视任务，系统软件自动生成无人机巡检文件，以工单的形式下发至场站相关人员或自动机场。

◆设备台账

对自动化巡检设备进行信息登记和管理，包括设备情况、设备使用人等。

◆巡检轨迹回放

光伏电站智能巡检消缺管理系统软件可以对无人机巡视航线、人工巡检航线进行实时显示/历史回放，回放时能够设置间隔时间。在地图上显示相应轨迹，方便对巡视/巡检过程进行重检视及每个架次飞行区域的确定。

5.2.2数据分析

将无人机获取的可见光、热红外照片等数据上传至数据服务器，系统可对巡检数据进行分类调用和处理分析，能够对光伏组件故障进行识别、标注、定位、导出巡检消缺报告，并且软件提供故障精确识别、精准定位服务，实现单个组件级别的精准定位。

◆图像同步对比

光伏电站智能巡检消缺管理系统软件可对光学图像、热红外图像进行同步对比，同时可叠加飞机飞行数据、卫星遥感图像、全景拼图，方便对异常点进行精准分辨。

◆故障自动识别

光伏电站智能巡检消缺管理系统软件提供自动故障点检测功能，能够直接从图像中检测异常点，并自动标记和记录位置信息，识别准确率95%以上。

◆故障定位

光伏电站智能巡检消缺管理系统软件能够增加标记的故障点信息，结合GIS底图，计算出每个故障点的实际地理位置，并显示在底图上，方便运维人员根据故障位置进行光伏组件维护。

◆报告导出

根据输入信息及检测结果，光伏电站智能巡检消缺管理系统软件能够导出PDF格式报告，包括巡检日志、巡检结果总结、故障点分析、故障点量化、故障点位置等信息，方便检测过程的规范管理及消缺整改的可靠依据。

5.2.3巡检统计

以单个电站/单次巡检为单位，统计本电站的巡检次数、故障数量等数据。

5.2.4电站实景建模状态展示

通过实景模型，展示光伏组串、组件的运行状态，对运行异常的设备进行报警，可以进一步展示异常设备的数据（包括电流电压、热红外、近红外等数据）、故障类型、故障位置等。

5.2.5设备定位和导航

在系统软件移动端中输入设备编号，系统软件中直接定位到对应设备，并对运维人员进行导航。