智能巡检在光热电站中的应用探讨

0 引言

太阳能热发电技术是通过反射镜将太阳的直接辐射聚焦到吸热器或集热管上，加热吸热介质，将光能转换成热能，再利用汽轮发电机组发电的太阳能利用技术。光热电站通过配置储热系统可以承担基本负荷或高峰负荷，不受光照强度变化的影响，发电功率稳定可靠，可以实现 24 小时连续发电，具有良好的电力输出稳定性和可调度性能，增强电力系统消纳可再生能源电力的能力，对构建新型能源体系具有重要意义。

截至 2024 年底，我国已并网运行的光热电站总容量已超 1GW，目前国内推进中的光热发电项目共 41 个，总装机超 4.8GW。从地域分布来看，由于我国西北地区太阳能资源丰富，辐射强度高，因而国内光热电站集中于西北地区。随着产业链的不断完善、技术水平的逐步提升，光热发电有望加速进入规模化发展的新阶段，是今后重要的可再生能源利用方式。

太阳能热发电技术根据聚光方式的不同，目前主要有四种：塔式太阳能光热发电技术、槽式太阳能光热发电技术、线性菲涅尔式光热发电技术、碟式太阳能光热发电技术。四种形式的光热发电项目，均具有聚光集热镜布置分散、场区占地面积大的特点，给光热电站的检修及运营管理带来了较大挑战。

1 光热发电行业巡检现状

目前国内已建成并网发电的光热电站，对于集热场中聚光集热镜的镜面灰尘、污垢、裂痕、遮挡等异常情况的检查，大都通过人工巡检的检测方法来进行。人工巡检存在对异常的聚光集热镜定位难、工作效率低、运维成本高等缺陷。

鉴于目前国内智能巡检与人工智能技术在光热电站智能运维与安全生产中的应用尚处萌芽阶段现状，本文将从无人机智能巡检及 AR 终端智能巡检在光热电站智能运维与安全生产中的应用进行探讨。

2 无人机智能巡检系统

无人机智能巡检系统主要包括无人机、飞行控制处理器、可见光 + 红外热成像设备、GPS 定位系统、基于计算机视觉的巡检诊断软件系统。巡检诊断软件系统位于智能巡检操作站上，智能巡检操作站布置在光热电站集中控制室内，并与集热场控制系统进行通信。

2.1 无人机智能巡检工作原理

用于光热电站的无人机智能巡检系统的工作原理主要包括如下 6 个步骤：

1）巡检航线设定。通过智能巡检操作站（位于集中控制室）预先对无人机设定巡检航线，该航线可长时间保存于无人机飞行控制器中。

2）巡检任务启动。巡检人员在巡检操作站上一键开启巡检任务，无人机飞行控制处理器接收任务开启指令，无人机通过 GPS 定位系统按预先设定好的航线飞行，执行巡检任务。

3）飞行安全保障。飞行控制处理器严格控制无人机飞行高度，误差在厘米级；实时检测前方阈值范围内是否存在障碍物，若无障碍物即继续执行任务，否则，立刻按原路线飞回指定位置，并向巡检诊断软件系统发送存在障碍物的信息；无人机飞行控制处理器实时检测电池电量，若电量低于设定值，GPS 定位系统记下当前位置并向巡检诊断软件系统传输电量不足提示信息，无人机自动飞回起飞点，更换电池后，继续开启巡检任务。无人机自动飞向原 GPS 计下的位置继续执行巡检任务；飞行过程中可见光 + 红外热成像设备将图像信息传回至智能巡检操作站实时显示正前方图像情况；无人机将飞行信息（飞行速度、飞行高度、经纬度、电池电量）以无线传输方式传回智能巡检操作站，以便控制室操作人员随时监测无人机飞行状况。

4）巡检图像回传。无人机搭载的可见光 + 红外热成像设备在飞行过程中对聚光集热镜及吸热管道进行连续拍摄并将图像信息回传至智能巡检操作站，同时将 GPS 位置信息回传至智能巡检操作站。

5）聚光集热镜故障自动诊断。智能巡检操作站中的巡检诊断软件系统经过图像处理模块自动识别聚光集热镜的故障及故障分类，智能巡检操作站画面上产生报警信息，显示集热场区域内故障数量、故障类别及故障位置。

6）巡检结果反馈。智能巡检操作站将报警信息及对应故障图像通过网络传输给电站集中运维管理平台，管理人员依据巡检结果下达检修任务，对已发生故障进行及时维修，最大程度减小光热电站的经济损失；同时，巡检诊断软件系统可对无人机获取的海量数据进行分析挖掘，对易出现故障的集热场区域以及故障周期等做出有效分析和预测。

2.2 无人机智能巡检系统功能

无人机智能巡检系统，基于可搭载热红外成像相机和可见光成像相机的无人机，针对光热电站集热场幅员辽阔等特点，采用深度学习和机器视觉技术，对无人机平台获取的可见光图像和热红外图像进行处理，获得聚光集热镜的精确地理位置分布，通过热红外影像及可见光图像分析处理，探测聚光集热镜的异常，包括镜面灰尘，污垢，裂痕，遮挡等异常，实现聚光集热镜工作状态的分析，提供所有聚光集热镜的工作状态报告，探测提取异常的聚光集热镜，提供异常报告。

用于光热电站的无人机智能巡检系统可沿光热电站集热场进行定位自主巡航，可以达到对较长线路的大范围快速信息搜寻，同时实时传送所摄可见光图像和热红外图像，提供清晰可靠的现场视频和照片数据，智能巡检操作站监控人员可在操作站电脑上同步监视与操控，且无人机机载处理器亦可同时进行数据分析，对常见的集热场中的故障隐患进行快速诊断及精确定位，很大程度上加强了巡检线路的可行性和效率。

2.3 无人机智能巡检应用前景

利用图像处理技术和故障检测技术，应用图像处理算法，结合摄影测量技术，实现自动通报异常详情及精确位置信息，是一种高效的、智能化的、组件级巡检诊断工具。

目前对光热电站集热场的巡检工作还是以人工巡检为主，常规的人工巡检方式不仅需要耗费大量的人工及时间成本，同时巡检人员工作也存在一定的危险性。而且，从建设规模角度来讲，光热电站项目规模越大，电站巡检工作的复杂性越强，人工巡检难以满足巡检要求。基于此，利用无人机进行光热电站集热场的智能运维将大有可为。

3 AR 终端智能巡检系统

增强现实：Augmented Reality，简称 AR，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息集成的新技术，它可以将虚拟的信息实时地传输到真实的环境里，给真实环境提供补充信息，但并不取代真实环境。经过多年的研究与发展，AR 智能终端在工业领域当中已经成功得到了应用，将其应用到光热电站的智能巡检中，可起到优化流程、提高效率、增强安全性和准确性的作用。

3.1 AR 终端智能巡检工作原理

基于增强现实的 AR 终端智能巡检系统，主要由智能巡检服务器及其数据接口、AR 智能终端及巡检诊断软件系统、巡检分析系统组成。

3.1.1 智能巡检服务器及其数据接口

智能巡检服务器是 AR 智能巡检系统的指挥控制中心，主要存储光热电站的建筑信息模

型、下发巡检指令、采集巡检数据等。

智能巡检的核心在于将巡检工作标准化模型化，其主要技术实现方式为：

1）巡检模型建立：将巡检线路、巡检时间、巡检类型、异常判断依据等信息建立标准化流程模型，将光热电站的聚光集热镜及吸热管道建成具有物理特性的图像模型。

2）巡检数据呈现：在智能巡检服务器上存储巡检模型，结合光热电站的集热场监控系统，当 AR 终端识别到待巡检设备时，读取设备的实时数据、巡检指令等信息后将其一起发送至AR 智能终端中与场景无缝贴合并呈现。现场巡检人员根据巡检指令进行作业，避免漏检、漏记，并可结合监控系统实时数据进行判定，确定巡检设备的工况，最后将所有的判定结论和采集数据存储在AR 智能终端的同时回传至智能巡检服务器上。

3.1.2 AR 智能终端及巡检诊断软件系统

AR 智能终端及巡检诊断软件系统是巡检系统的执行部分，AR 智能终端中运行的巡检诊断软件将现有的巡检资料，如文字、图片、视频等通过系统的转换，变为标准的可视化巡检流程数据，然后传输到 AR 智能眼镜，利用增强现实技术，实时指导巡检人员安全规范地完成巡检工作。

AR 智能终端运行 Android 操作系统，可以安装各种基于此操作系统的智能应用程序。AR 终端中运行的巡检软件将巡检指令、设备信息、实时数据等以文字、图像、视频等方式投射在现实的待巡检设备周围。

3.1.3 基于大数据、人工智能的巡检分析系统

巡检分析系统使用大数据分析、人工智能等技术将采集到的数据及结果进行检查、过滤、分析。电站运维管理技术人员可以在浏览器客户端以 WEB 页面的形式查看实时和历史巡检信息，不但可以使经验丰富的技术人员对现场巡检人员进行实时协助，还可以方便管理人员掌握巡检的情况，实现管理的透明化、标准化。通过对巡检数据的分析，可以补充完善相关信息，建立起设备完整的检测和维修档案。

3.2 AR 终端智能巡检系统功能

3.2.1 故障诊断

光热电站的核心部件是聚光集热镜及吸热管道，同时也是太阳能热发电项目中数量最大、造价最高的部分。

聚光集热镜及吸热管道出现异常和损坏会严重影响发电效率。聚光集热镜常见的问题如破损开裂、表面积灰、杂草树叶阴影遮挡、鸟粪附着等；吸热管道常见问题如保温层破坏、局部超温等这都直接体现在外观上。

AR 智能终端的摄像头可以捕捉聚光集热镜及吸热管道画面，通过巡检诊断软件系统自动识别出这些故障，通过增强现实叠加标记，在现场巡检人员的视野内进行提示，引导巡检人员进行观察，并将判定结论和采集数据存储在AR 智能终端中并回传至智能巡检服务器上。

3.2.2 路线指引

AR 智能终端可以通过 GPS 技术定位 AR 智能终端的位置，通过增强现实技术将故障设备的位置路线以箭头和数字的方式叠加在巡检人员的视野内，巡检人员只需跟着箭头前进就可以到达故障设备所在的位置。

3.2.3 检修操作实时指引

发现并定位故障设备后，AR 智能终端可以把检修项目明细和作业指导手册通过增强现实技术叠加在巡检人员的视野内，让巡检人员在没有完全熟练掌握操作手册的情况下也能顺利规范地完成维修工作。此外，AR 智能终端的摄像头扫描备品备件上的二维码，可自动完成出库入库操作，简化了工作流程。

3.2.4 规范检修管理

常规电站中，部分巡检人员在巡检工作中存在着漏巡、漏记、时候补记等诸多状况，在巡检过程中很难保证完全遵循规范操作，会使人员和设备都存在安全隐患，一旦发生安全事故，将给电站运维企业带来重大经济损失。

AR 终端智能巡检系统可通过文字、图片、视频、地理位置等形式将巡检时采集的信息存储在 AR 智能终端上，并实时回传至智能巡检服务器，电站管理人员可以及时、真实地掌握现场巡检情况，规范检修管理。

3.3 AR 终端智能巡检应用前景

基于 AR 智能终端结合光热电站的特点和实际需要，可以很好地改进目前光热电站的巡检状况。不仅可以提高巡检效率及巡检人员的安全性，确保光热电站安全稳定运行，还能促进电站管理工作者推进巡检工作的标准化、管理的科学智能化以及监管的自动化，具有很大的应用前景和推广价值。

4 结束语

将无人机智能巡检系统与 AR 终端智能巡检系统应用于光热电站，可为电站管理人员提供最精细的故障诊断与运维管理服务，极大降低了人工巡检工作量，大大减轻了运维服务的难度，及时发现发电量流失源头，提升发电效率，保障安全生产，从而推动太阳能光热发电技术在国内的规模化、智能化发展。

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作者简介：刘才，男，硕士研究生，高级工程师，主要从事工作：光热发电项目的热控与信息系统设计