2023智慧光伏新能源光伏电站智能巡检系统技术方案

项目概述项目背景随着新能源光伏发电行业新技术发展，光伏电站智慧化应用迫在眉睫，提升光伏电站生产的设备可靠性，夯实安全基础，实施精细化的生产管理，降低运营成本是光伏电站的必然之路。针对光伏集约化程度不够、运维效率低下、电力市场交易智能化不足等方面的问题，通过研究智能传感、人工智能、5G+等技术，开发智能监控系统、智能巡检系统、智能I-V诊断系统、电量交易系统、智能数据分析系统，搭建光伏电站一体化三维可视化平台，代替人工现场安保、巡视、远程操作，提升设备运行的可靠和安全性，降低运维成本，实现光伏电站的高效运维和无人值守。随着全球能源需求的不断增长和环境保护的呼吁，环境问题的认识激起了人们对替代能源的浓厚兴趣，目前，太阳能是这些替代品中受欢迎的一种，太阳能产生的能源是取之不尽的。2022年全国新增光伏并网装机容量87.41GW。累计光伏并网装机容量达到392.6GW，新增和累计装机容量均为全球第一。全年光伏发电量为4276亿千瓦时，同比增长30.8%，约占全国全年总发电量的4.9%。预计2023年光伏新增装机量超过95GW，累计装机有望超过487.6GW。光伏建设对于地区的选择不太苛刻，跟水电和风电相比较，主要分为集中式和分布式：集中式光伏是将太阳能电池板集中放置在沙漠、戈壁地势开阔的区域，通过变压器将发出的电能输送给用户，发电量多，可以为更多的用户提供电力；分布式光伏是在建筑物屋顶、墙面或地面上，光伏面积小，分散布置太阳能电池板，将直流电转换为交流电，发电量一般较低，但每个设备都可以为单个建筑物提供电力。光伏发电作为一种清洁、可再生、分布式的能源形式，具有广阔的应用前景。未来，随着科技的不断进步和应用的不断推广，光伏发电技术将在能源生产、建筑一体化、农村电气化等领域发挥越来越重要的作用，需要定期对其进行维护和检查，保障光伏发电设施高效运行。光伏电站内光伏组件、汇流箱、逆变器等设备众多，设备出现缺陷故障和低效问题将极大影响电站的发电效率，造成资源浪费，而依靠人工巡检成本高、效率低。采用铁越光伏电站空地一体化智能巡检建设方案，空天一体化智能协同作业，借助大数据、AIoT、无人机技术，实现光伏电站数据的集中管控、分析诊断，统一归集各类光伏电站运行数据，并进行综合管理及分析，快速诊断出设备缺陷、分析设备低效原因、定位故障源，提升光伏电站的整体运维管控效率。光伏电站并网后带来了大量的运维压力，如常规的设备检测、光伏板巡检等。传统的巡检方式主要依赖于感官，人工巡检主观性较强，巡检质量参差不齐、巡检效率较低、重复性大，同时人工对巡检数据的整理工作量较大、易出错且历史数据不易追溯、巡检数据难以形成系统化。光伏电站并网后带来了大量的运维压力，如常规的设备检测、光伏板巡检等。传统的巡检方式主要依赖于感官，人工巡检主观性较强，巡检质量参差不齐、巡检效率较低、重复性大，同时人工对巡检数据的整理工作量较大、易出错且历史数据不易追溯、巡检数据难以形成系统化。在偏远地区恶劣的自然环境下，幅员辽阔的光伏电站巡检工作，十分困难和危险。对于农光互补、渔光互补、屋顶电站等光伏区，传统的人工巡检不能满足巡检需求，无法实现安全巡检的目的。受限场站设备高度，巡检人员只能以平视或仰视角度巡检，无法直接观察到设备高处或顶部情况，存在较多盲区。随着光伏行业的不断发展，越来越多的大型光伏电站建立，电站的光伏面板及其它设备的数量需求非常庞大，传统的人工巡检方式已无法满足，需要投入更多的人力、物力进行巡检。同时由于电站地形地势的原因，人工巡检无法到达一些隐蔽区域，从而形成巡检盲区。且因人工巡检周期较长，巡检的频率很低，导致很多电站故障无法及时发现。技术标准系统规划设计必须按照国际、国家和行业的有关标准和规范进行。本设计将依据和参照以下的设计规范和要求进行，但不仅仅限于以下所列范围。《视频安防监控系统工程设计规范》（GB50395-2007）《视频安防监控系统技术要求》（GA/T367-2001）《视频安防监控数字录像设备》（GB20815-2006）《安全防范工程技术规范》（GB50348-2004）《安全防范工程程序与要求》（GA/T75-94）《安全防范报警设备安全要求和试验方法》（GB16796-1997）《安全防范视频监控联网系统信息传输、交换、控制技术要求》（GB/T28181-2011）《民用闭路监控电视系统工程技术规范》（GB50198-2011）《计算机信息系统安全保护等级划分准则》（GB17859-1999）《计算机信息系统安全等级保护管理要求》（GA/T388-2002B）《IP网络技术要求--网络性能参数与指标》（YD/T1171-2001）《信息技术设备的安全》（GB4943-2001）《信息技术设备用不间断电源通用技术条件》（GB/T14715-2017）《信息技术开放系统互连网络层安全协议》（GB/T17963）《信息系统安全等级保护基本要求》（GB/T22239-2008）《信息技术软件生存周期过程》（GB/T8566-2007）《电子信息系统机房施工及验收规范》（GB50462-2008）《电子计算机场地通用规范》（GB/T2887-2011）《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343-2004）《音频、视频及类似电子设备安全要求》（GB8898-2001）《消防安全重点单位信息系统数据结构》（GA/T605-2006）《中华人民共和国消防法》现状分析火灾隐患光伏电站出现火灾事故的原因较多，比如电缆老化或者故障，造成短路；熔断器、断路器选型和安装不当，造成直流拉弧；光伏组件面板上鸟粪较多，引发热斑效应，导致电池局部烧毁；汇流箱内部灰尘较多，内部电子元器件散热不良、短路，导致导线的绝缘层热熔燃烧，并引燃导线上积落的粉尘、纤维等，从而造成火灾事故等。其中引起光伏电站火灾事故问题的原因主要有以下三点：其一，光伏组件连接器，俗称直流连接器。组件功率增大，电流也会随之增大，组件连接器发热的情况增多，从而易发生火灾。因此，组件连接器是组件直流侧环节中最容易发生火灾的点之一。其二，直流汇流箱。在直流汇流箱中排布着密密麻麻的线路与电器及封闭式金属箱体，在密封结构环境下，电器与连接点在箱体内热量积聚，且不易散热，在长期运行的情况下，容易出现电器发热、跳闸等问题，成为火灾的隐患。其三，中高压电缆接头。在电站当中35kV的中压电气系统和110kV/220kV的高压升压系统是普遍存在的，中高压产品的电压等级比较高，电缆附件产品容易发生局放、击穿问题，因此，这也是光伏电站事故的隐患之一。热斑效应热斑效应被称为光伏组件四大火灾隐患之一。一般热斑主要由外部和内部两方面原因造成。外部原因主要来自于组件表面受到鸟粪、污物、落叶、草木等遮挡，导致组件无法正常工作，消耗其它电池的功率，并释放热能形成热斑。内部原因和太阳能电池组件的生产工艺、产品品质等因素都有关系。热斑以外部因素居多，所以在日常运维中，需及时对光伏组件进行监控和清理，防患于未然，保持光伏组件处于最佳发电状态。台风、雷击、冰雪，沙尘等自然灾害损坏面板支架型钢及电气设备锚固件腐蚀严重，光伏面板支架固定拉筋未紧固，支架锚固螺栓未拧紧，防风作用有限，型钢镀锌质量不满足要求，组件整体刚度和稳定性不能有效保证，强风条件下存在支架变形、组件损坏的危险。总体设计设计原则结合当前技术发展状况及趋势，在系统的设计过程中我们严格遵循标准化、稳定性、安全性、可扩展性、易用性、先进性、经济性、兼容性等原则：1) 标准化原则产品均应严格遵循国际通用编解码算法和网络传输标准协议，可实现在网络系统上的图像传输和共享。2) 稳定性原则方案采用的核心设备均应采用嵌入式操作系统，具有任务单一、响应实时的特点，要求能24小时不间断稳定运行。3) 安全性原则视频数据通过互联网或专网接入监控中心，采取技术手段，保障数据传输的安全性，避免了超越权限范围的监看、控制、设置，有效避免非法操作。4) 可扩展性原则考虑以后的扩展性，提供更灵活的系统组合，用户可根据需求灵活配置硬件数量。当系统需要变更监控点位、网络客户端数量时，只需增加相应独立的设备即可融入现有系统。5) 易用性原则主要硬件均应采用嵌入式设备，可以即插即用。任意开关机、意外掉电都不会影响系统正常运行。软件应采用人机界面良好的图形化界面，用户安装相应软件后就可实现智能控制，管理、操作、配置、检索都相当简便。6) 先进性原则系统采用的相关技术与产品应均为目前主流应用技术，并保有升级空间，保护用户投资的长期有效。7) 经济性原则系统应充分利用现有的网络资源，满足用户需求，无须重新布线等投入。可充分利用前期安装的设备（矩阵、摄像机、DVR等），保护客户的投资。8) 兼容性系统应兼容多种矩阵协议、云台控制协议、网络协议、传输方式等。设计思路在光伏电站部署测温型热成像摄像机或观测型热成像摄像机，实现全时段视频采集和温度、火情监测的目的。设备本身具备多样的测温应用功能、智能化功能、告警上报等功能，支撑电站基础设备、火点、烟雾及温度的智能化监测。系统框架方案采用前端视频采集设备，搭载智能管理平台，以可视化、物联网技术为基础，通过热成像摄像机分析技术，基于智能算法实现火点探测、温度检测等功能，提升光伏组件、逆变器、汇流箱等设施巡检的智能化水平以及人员安全保障能力，充分保障光伏供电设施的正常活动和运行秩序。系统总体架构如下图所示：前端系统根据不同监控场景的特性，分别采用机芯模组、卡片机、手持测温仪、6寸球、云台等前端设备。利用热成像测温预警、火点探测等功能，实现光伏组件、逆变器、汇流箱火灾、设备故障及其他异常事件的实时监控。利用手持测温仪实现对汇流箱、逆变器等电气设备的早期故障缺陷及绝缘性做出可靠的预测。网络传输前端摄像机通过网络接入现场的交换机，再通过专网接入中心主站，由中心主站的管理服务器进行接入管理，根据制定的巡视任务，自动执行巡视任务，对现场进行画面采集，由智能分析服务器进行自动分析，并输出结果。管理平台光伏智能诊断平台基于大数据分析与图像处理算法的融合运用，实现由线（组串级）及点（组件级）的光伏诊断。支持一键智能巡检、故障诊断、报表管理、移动终端运维等功能，可生成故障诊断报告，包含缺陷类型统计与对应处理建议，标注对发电影响较大的故障点优先处理，运维人员可通过导航直达具体故障组件位置，帮助电站实现组件级健康管理，助力精准、快速、高效运维。

系统功能前端系统功能视频监控热成像是通过非接触探测红外能量（热量），并将其转换为电信号，进而在显示器上生成热图像和温度值，并可以对温度值进行计算的一种检测设备。热成像监控相对于可见光监控拥有独特的优势，对于夜间弱光无光环境以及雨雪等恶劣环境下都具备强适应性。利用云台机和无人机机场不光能够实现7*24小时的连续监控，而且能够实现特定环境下比可见光效果更好、质量更高的视频采集。图光伏组件监测温度检测任何物质都由分子构成，这些分子一直在进行无规则运动，运动过程中产生热量，不断向外发出红外辐射热能，在物体表面形成不同温度。通过红外热成像技术可以观察肉眼无法看到的热像，勘测灵敏度较强，因此设备中如果存在微量热度，通过热成像技术对设备进行检测，将不同耐热等级的设备温升及允许温度进行阈值告警设定，同时根据温场分布及温度变化情况，判断是否存在故障、需要检修的设备，为现场作业人员的设备检修维护提供参考。图设备温度检测火点探测自然界中，凡是绝对温度大于零度(-273℃)的物体都能辐射与自身性质、温度相关的电磁波能量。利用红外热成像设备实时探测目标环境温度，当热成像摄像机在目标区域内探测到火源时，热成像画面上会进行火点显示并联动云台进行火点定位扫描，进行二次判断。确认为着火点后立即发出报警信号，同时对报警事件录像、发送邮件等。图设备温度探测绊线入侵系统预先设置好规定的警戒线和报警方向，当有目标按设定好的方向运动穿越警戒线时，会触发报警规则，热成像摄像机会发出报警。图绊线入侵3.1.4区域入侵在监控区域内，设定响应的警戒区域，当目标穿过警戒区域边界进入、离开或者出现在区域内时触发报警，如图所示。图区域入侵前后对比3.1.5目标区分使用独创的热成像图像深度学习算法，实现高精度的智能分析功能，可有效区分人、机动车，并用不同的框来表示不同类型的目标，也可以只标记区域内的车辆或者人，如图所示。图人车区分3.1.6目标跟踪当设定的目标出现在目标区域后，热成像摄像机会自动进行识别报警，目标在不断移动时，热成像摄像机会跟随移动，持续对目标进行跟踪，如图所示。图人员目标跟踪后端平台功能平台概述安全管控一体化智能辅助平台作为面向电力行业的专用视频类业务软件平台，功能齐全且强大，支持智能巡检、在线测温、作业管控、一键顺控视频确认、AR全景等功能，解决电力安全生产痛点，并支持与机器人巡检系统融合，提升应用价值。平台特点：依据电力行业标准设计；支持软硬一体、纯软部署、云部署；支持GB28181协议级联；支持国家电网B协议、A协议；支持南方电网PG、SIP协议功能；可扩展104\61850；支持内部协议级联；在线测温平台集成热成像设备管理模块，当热成像相机接入平台，或者热成像相机经过NVR/IVSS/EVS接入平台，平台可实时获取相机测量的温度，分析热图，并管理热成像设备告警。使用热成像功能，需要在“设备管理”界面添加热成像相机。热成像相机的设备类型是“编码器>热成像”，开启的通道能力集为“红外测温”。图添加热成像设备1、实时测温软件平台可实现对被监控场景任意点的实时温度监测，并支持热图分析功能。实时测温功能操作简单，将设备树中的视频通道拖动至预览区域，系统页面即可显示通道的实时视频，单击视频任一点，显示实时温度。具体可实现以下功能：视频预览（下图2），即热成像通道视频实时预览；热图展示（下图3），即抓取热成像上面每个像素点的温度值，通过分析在客户端上展示；云台控制（下图4），控制云台或球机，转动设备，实现设备变倍、变焦和光圈调整。图热成像图开视频通道2、热图分析客户端中包含的热图分析工具，生成热图中的温度信息及各温度的占比。也可以在热图中可以选取一个或多个监测区域，计算出区域中的温度的最大值、最小值、平均值和温差。主要功能包括：查询热图（下图1），手动获取热图；区域绘制（下图2），在热图中绘制测温区域。测温区域样式可以为点、矩形、圆形、线段或多边形；分析导入图（下图4），将热图（后缀为.dtp的文件）导入到客户端中分析，也可以生成热图分析报告等文件；温度显示（下图5），根据热图中所选的渲染方案，生成不同温度对应的颜色变化的条形图，两端的数据为该热图中的温度范围；渲染方案（下图6），为热成像画面加上颜色（伪彩），有14种颜色方案供选择，默认为“白热”；温度过滤（下图7），用于筛选热图中的温度。设置温度的区间范围，在该温度范围内的热图将以其他的颜色显示；等温区域选择（下图8），等温线功能主要用于高亮画面中需要重点突出的对象，以中位温度为基准，上限温度和下限温度为浮动范围，超过下限温度的都以亮色表示，低于下限的区域才显示为黑白；复位（下图9），删除绘制的等温区域；区域测温数据（下图10），在热图中选择某一区域（点除外），表格中将显示该区域范围内温度的最大值、最小值及平均值；温度占比（下图11），直观的看出热图中各温度所占的比例；温差计算（下图12），计算同个区域或不同区域间的最高温、最低温及平均温之间的差值。3、区域测温在热图中绘制检测区域，客户端上可以查看区域中温度的最大值、最小值及平均值。如果热图中添加多个区域，可以比较区域间的温度差异。图绘制区域图区域温度占比查询4、温差计算最多支持100条温差计算规则。5、温度筛选（1）温度过滤在热图中筛选符合该温度限制的范围，并突出显示。支持温度过滤条件选择和颜色设置（2）等温区域选择等温区域主要用于高亮画面中需要重点突出的对象，以绘制的等温区域为基准，超过该等温区域温度的位置都以亮色表示，低于该等温区域温度的位置都以暗色表示。6、分析导入图平台支持分析本地热图文件。智能巡检平台结合热成像测温设备，实现对汇流箱、直流柜、逆变器、箱变等的资产设备测温巡检，综合研判设备是否存在故障。1、巡检配置支持对巡检任务的新增、删除、修改、查询；支持远程同步任务功能，巡视任务内容包括巡视点位信息以及月、周、日、小时等不同时间维度的巡视周期，巡视类型包括例行巡视、熄灯巡视、特殊巡视、专项巡视、全面巡视等5类；任务执行方式支持立即执行、指定时间执行和周期执行三种方式；具备月历与日历相结合的任务展示功能，月历应展示每日计划执行的主要任务名称及个数；日历展示当日任务的信息列表，包括任务名称、执行时间、任务状态等；不同任务状态应以不同颜色加以区分。具备按时间段、任务名称、任务状态等组合条件，查询任务列表功能设计符合国网特高压规范标准；图巡检任务2、巡检概览支持以大图的形式全方位展示智能巡检信息，包括当日报警点位统计、当日巡检任务统计、报警处理率、累计3次及以上报警点位统计、报警趋势统计、历史报警组织统计、巡检结果实时推送模块。图巡检概览3、点位视图支持以监控对象为条件，观看对应的实时视频，并查询最近巡检的规则结果信息及历史处理信息，支持下载预案文档、一键群呼、TTS群发以及单个规则结果处理和快速处理。图点位视图4、视频巡检支持对巡检任务巡检状态的实时监控，并手动开始、暂停、终止，巡检结束后，可查看关联的规则最新巡检结果，并进行处理。图巡检任务列表5、报警管理以监控对象为维度，查询巡检后未确认告警的数据及全部历史巡检数据，点击详情查看，可以查看监控对象绑定的规则巡检信息，并下载该监控对象关联的预案文档、一键群呼、TTS群发以及单个规则结果处理和快速处理，历史报警还可进行导出。图报警列表可以查看此监控对象报警的详情；展示出监控对象每个点位的巡检结果，并可以快速处理；图报警详情6、历史分析支持对规则点位的历史巡检结果查询、对比、导出，点击某次结果详情可进行详情查看、处理报警、热图分析。图历史巡检结果分析7、巡检报表支持对根据巡检任务查询巡检详情，点击明细可以查看关联的规则的巡检结果，并进行批量审核和导出。图巡检结果列表图巡检结果详情应用场景太阳能发电站是一种采用太阳能光电转化为电能的发电设施。太阳能电池板通过吸收太阳能的热量并转化为电能发电。然而，在太阳能发电站运营期间，电池板表面和内部可能会出现一些问题，如损坏、老化等，这些问题会导致太阳能发电效率下降。因此，及时发现和解决问题至关重要。红外线热成像技术利用电磁波谱中的红外辐射，可以快速、非接触地测量目标的表面温度，并将这些信息转化为可视化的图像。红外线热成像，可以及时检测到电池板的故障和异常，帮助运营人员采取及时的措施来维护和修复设备。光伏面板热斑及火情监测场景概述：热斑在太阳照射下，正常运行的各电池组件温度分布较为均匀，而热斑效应是指部分电池组件出现温升远远大于周围电池组件，这种热斑会严重损坏整个系统。一般热斑主要由外部和内部两方面原因造成。外部原因主要来自于组件表面受到鸟粪、污物、落叶、草木等遮挡，引起电池板内的电流、电压不均衡，导致组件无法正常工作，造成局部温度上升，并释放热能形成热斑。内部原因和太阳能电池组件的生产工艺、产品品质等因素都有关系。热斑以外部因素居多，所以在日常运维中，需及时去除遮挡，防患于未然。火情监测造成光伏电站中出现火灾事故的原因有很多，设备和电缆老化或者故障，造成短路；熔断器、断路器选型和安装不当，造成直流拉弧；光伏组件面板上鸟粪较多，引发热斑效应，导致电池局部烧毁，甚至造成火灾；汇流箱内部灰尘较多，内部电子元器件散热不良、短路，导致导线的绝缘层热熔燃烧，并引燃导线上积落的粉尘、纤维等，从而造成火灾事故等。图光伏组件火灾方案：可根据实际场景的监测需求和安装条件，选用热成像机芯加载无人机、六寸球、微型云台对光伏组件进行定期巡检，进行实时温度监测和火点检测，并触发超温报警、火情报警上传到平台联动管理人员进行处置。现场也可以联动热成像设备的声光警戒功能