2024新能源风电场无人机巡检技术方案

智慧风电项目-30-新能源风电场无人机巡检技术方案2024.04

目录一、项目背景及必要性 -5-1.1.项目背景 -5-1.2.项目必要性 -7-二、需求分析 -9-2.1新能源场站概况 -9-2.2智慧新能源一体化平台需求 -9-2.3新能源数据平台需求 -10-2.4智慧化应用业务需求 -10-三、建设目标和内容 -12-3.1建设目标 -13-3.2建设内容 -15-四、技术方案和技术路线 -17-4.1系统架构 -17-4.2智慧功能技术方案 -23-4.3系统安全 -50-五、项目实施 -56-5.1.实施步骤 -56-5.2.实施计划 -57-六、效益和风险分析 -58-6.1.效益分析 -58-6.2.风险评估 -59-七、项目经费估算 -61-八、结论 -62-

项目背景及必要性项目背景XXX新能源智慧风电项目位于XXX省XXX市XXX东北部，风电场拟建设容量为100.8MW，设计安装18台SI-20056型风力发电机组，风电场新建一座110kV升压站。为了更好建设智慧风电场，加快智慧新能源企业建设，实现企业数字化转型目标，进一步提XXX风电场智慧管理水平，满足风电场机接入集控后“无人值班、少人值守”的要求，提升风电场智慧运维水平，拟开展智慧化风电场项目建设。本项目主要开展智慧风电无人机巡检项目。项目必要性新能源电场分布点多面广，管理难度大。目前集团各新能源场站的运维方式普遍依然过于粗放，面临着管理困难，设备故障率高、运维不及时、安全可靠性低以及经济性差等问题，已成为新能源发电企业精细化管控的首要问题。新能源场站人力资源有限，场站分布广，地域偏僻、设备众多而分散，风电场日常运维管控困难，人员作业安全难以保障。建设目标和内容根据发电企业发展的状况和趋势，风电电站运营的特点，按照新能源管控精益化要求，基本实现“集中监控、无人值班、少人值守”目标，风电电站智慧化应用是发展的必然趋势，夯实企业安全基础、保障安全生产稳定运行、实现精细化管理的必要手段。更是提高发电企业运行维护水平、降低人资成本、改善劳动条件、提高经济效益的有效途径。通过无人机智能巡检项目能有效解决降低运维成本，提升运维水平，提高及时发现问题的能力，保障风电机组安全运行。提高对作业人员的安全管控，能降低作业风险，保障企业本质安全。（1）风电机组无人机巡检系统：部署一套智能无人机巡检系统，实现18台风机无人机智能巡检。技术方案和技术路线3.1风机无人机智能巡检系统随着风电装机规模越来越大，风力发电已成为可持续发展的重要能源之一。作为风力发电的核心部件之一，风机的正常运行对于整个风力发电系统的可靠性和稳定性至关重要。然而，由于风机通常安装在较为偏远的地区，加上高海拔、强风等天气条件不利因素的影响，导致风机的叶片经常会遭受损伤或其它故障，特别是在一些严重天气差的环境下，风机叶片的损坏情况尤为严重。为了保证风机的正常运行以及早发现、早处理风机叶片的故障风机叶片巡检成为了一项必要的任务。然而，传统的风机叶片巡检方式往往需要大量的人力和物力投入，且存在涉及人员安全等问题。随着无人机技术的不断发展，在风机叶片巡检任务中使用无人机进行巡检成为了一种新的解决方案。风电机组无人机自主巡检可避免风机长时间停机巡检，减少因巡检造成的发电量损失，利用无人机全方位自主采集风机照片，风机缺陷智能诊断和缺陷定位，降低人工巡检工作强度及巡检成本。传统的叶片检查方法为借助望远镜、长焦相机，垂索人工检测方式目前已经不能满足现场实际需求。随着无人机技术的发展，尤其是自动检测软件的开发，风机叶片无人机巡检技术已经得到了广泛应用。目前公司叶片巡检以人工地面巡检为主，吊篮检查为辅。存在巡检效率低、停机时间长，高空作业风险大等缺点。亟需借助新型无人机叶片巡检技术，解决现场巡检中存在的问题。3.2无人机巡检基本技术要求3.2.1无人机巡视过程基本技术要求：风电场无人机叶片检测巡检系统、巡检人员、作业准备、作业实施、分析与总结以及设备管理的基本要求应符合NB/T10594的规定。同一机组的三支叶片应进行标识区分。单个叶片巡检范围应包括迎风面、背风面以及前后缘叶片巡检部位包括巡检叶片表面、前后缘、接闪器外观、防雨裙、叶尖以及直驱风机轮廓处S点。叶片巡检内容包括巡检叶片表面的破损、裂纹、开裂、覆冰、增功组件破损等缺陷，巡检避雷接闪器的腐蚀、丢失等缺陷，巡检叶片螺栓的断裂等缺陷，巡检主梁的断裂、裂纹等缺陷。叶片巡检每年至少应执行2次，根据风电场规模可采用多台无人机巡检。航线应根据巡检风机坐标、叶片长度、塔高等技术参数及现场勘查情况绘制，应制定巡检方式、起降位置及安全策略。6被巡检风机在叶片检测时应停止运行，叶轮锁定，叶片宜处于倒“Y”形每台风机的第一张照片应拍摄、保存被巡检风机的机组编号信息。无人机宜从整体到局部开展巡检，拍摄照片应包括风机整体、叶片整体以及叶片局部。叶片局部巡检应根据选用设备在叶片迎风面、背风面、前缘、后缘开展巡检，每张照片重叠不应低于20%，单张照片可识别出1mm级别的裂纹。拍摄的照片应验证对叶片表面覆盖的完整性。风机出现故障或疑似故障或技术指标监测发现异常时，可采用无人机巡检、确认和定位故障点，检查设备受损和其他异常情况。人工巡检发现风机有异常噪声时，应停机后用无人机对叶片巡检。无人机应从逆风方向靠近风机。在风向多变的区域飞行，应增加50%安全距离。无人机严禁在叶片的正上方飞行。无人机不应穿过叶片旋转面，不应在叶轮旋转面内悬停。在台风和雷雨季后，应对风电场风机叶片巡检至少一次。作业人员时刻注意观察风向、风速、雷雨等现场天气变化，一旦发现异常立即返航或应急降落塔筒、导流罩故障、机组环境疑似故障或技术指标监测异常点可利用无人机巡检。3.3无人机巡视结果处理叶片检测完成后，应提交巡检结果分析报告。报告内容应包括缺陷照片数据、缺陷成因分析、缺陷劣化趋势、缺陷处理建议等内容。巡检结果分析报告应从叶片设计及制造角度对缺陷分析，应结合叶片结构、制造材料、制造工艺对缺陷成因进行分析，应基于同类型、同批次的叶片缺陷情况进行家族性缺陷分析。巡检结果分析报告应包括缺陷等级、缺陷内容、程度、处理建议以及图示等内容。叶片缺陷类型及严重程度应结合定量及定性方法。对表面面漆、胶衣、前缘保护膜脱落/破损，浅表层纤维层腐蚀，非开放性小尺度前后缘开裂，防雨罩移位/脱落，叶片增功组件破损/丢失等损伤程度较轻的缺陷，宜采用周期检查并修复叶片。对纤维层表面破损，叶片螺栓断裂，前后缘开放性开裂，叶尖损坏或壳体丢失，壳体表面纵向、横向裂纹，玻璃纤维层的起鼓分层、腐蚀/开裂，叶片表面覆冰等损伤程度中等的缺陷，宜采用限功率运行、故障停机等手段并修复叶片。对于大面积玻璃纤维破损、玻璃纤维或芯材起鼓分层，主梁断裂、横向裂纹，叶片根部横向裂纹壳体大面积撕裂、纵向裂纹，铝尖脱落、边缘开裂，双侧贯穿性横向裂纹，前缘玻璃纤维层腐蚀、开裂等损伤程度严重的缺陷，应紧急停机并修复或更换叶片。3.3无人机巡检实施风机机组无人机自动巡检能够快速地进行故障检测和故障信息确认，可以很好地完成风机表面损伤地记录，然而对缺陷地检测仍然主要依靠人工才能完成，这并没有满足巡检的真正要求。为了进一步提高检测效率,本方案应用了AI图像识别技术，能够更精准地进行缺陷初筛、更快速地分类识别，自动生成分析报告，从而实现风电场快速高效的巡检。同时可以有效提高发现问题的效率，实时处理。而建设管理平台，则全面地提升了无人机电力运维的信息化水平。3.3.1风电巡检无人系统组组成风机巡检运维无人机主要是由无人机本体、机载电脑云台、相机、激光雷达、毫米波雷达、飞控系统图像与数据传输系统、定位系统、动力系统以及电池、地面控制系统和云平台监控系统等部分组成。(1)无人机采用6轴形式，机身需采用轻型材料碳纤维，镁铝合金等。(2)主控内置三磁力计，三GPS，三加速度计。3)运维无人机搭载的相机应是高清可视相机，配置三轴智能云台。(4)相机云台要求容易安装、拆卸、清洗(如需自清洗)，且安装拆卸可靠，保证不影响无人机性能。(5)无人机在现场飞行时，需拥有抗风，抗干扰，防滴水，防尘等防护功能。3.3.2风机智能巡检功能要求（1）叶片巡检航线，智能航线规划软件，一键一启动飞机，自动飞向巡检目标。自动生成三支叶片前后缘、压力面、吸力面、塔筒和机舱的巡检路线，并保存每只叶片的航线。（2）风场2/3D电子地图展示。（3）将无人机采集的风机叶片巡检图片数据上传到系统平台，对上传的风机叶片巡检图片数据按照叶片区域进行分类储存，并完成对图片的数字化处理及智能识别，完成缺陷标注及尺寸、位置的测量。（4）风机图片，提供风机前缘视角、后缘视角浏览视图，以及各叶片迎风面、背风面大图、缩略图浏览功能，机舱和塔筒的图片视角。统计风机叶片缺陷数量。无人机所采集的照片可以完整的覆盖整个叶片，避免有区域有遗漏而无法查看刘（5）叶片缺陷详情，点击缩略图，列表显示该叶片缺陷照片并自动标识叶片缺陷所在位置，点击缺陷标识详细显示叶片缺陷类型、尺寸、位置等级和维护建议。（6）巡检报告，生成风机叶片诊断报告，包括项目信息、作业人员配置、安全措施、危险源识别、叶片外部检查损伤判断准则、入场流程、叶片检查流程、叶片检查结果:支持智能导出巡检报告。7)AI智能识别缺陷，基本巡检性能为:无人机巡检完成后，将照片导入智能诊断软件，软件可智能识别风机的叶片的裂纹、脱胶、漏油或发黑等缺陷，并标识出来。8)缺陷识别率，可识别不小于1mm*3mm裂纹不小于25平方厘米的脱胶或漏油或发黑缺陷，缺陷识别率不低于95%。9)缺陷位置标注，可将智能识出的缺陷自动标识在风机叶片、机舱和塔筒上，标注位置精度不大于1米。10)叶片、塔筒、机舱图片自动拼接成完整的风机整机照片，支持PC端和APP端浏览，查看故障缺陷。11)历史缺陷保存，可将风机历史缺陷数据保存，与最新缺陷进行对比观察，追踪风机缺陷变化情况。12)支持工作流管理，可以追踪、可溯源。巡检任务-制定、下达、执行，整个过程数字化管理，可跟踪、可追溯;巡检结果-通过人工智能和云计算技术，实时出分析结果，自动生成巡检报;复核消缺-快速、精准定位;消缺任务流程化管理，通过任务工作流驱动消缺任务执行情况;多维度统计、分析、对比故障和运维效率，满足各级部门数据分析需求。13)智能终端复核、消缺APP，满足现场各类故障复核和故障消缺结果上报。14)自动连续巡检多台风机，根据电量自动降落安全点换电。换完电后，接着上次的巡航点继续自动飞行巡检。15)运维无人机主要用于风电叶片的日常巡视工作，所有的工作都在户外进行。运维无人机工作模式为全自动飞行，一键起飞，不需要飞手手动操作，不接受飞手提前录制飞行线路的工作模式。16)具备智能终端功能，方便现场核对故障照片和故障消缺结果。使用环境及主要参数如下:巡检时无人机与风机距离:不小于8-20米;无人机抗风能力:不小于8m/s;避障功能:具有6向避障功能无人机保护措施:有低电量保护、GPS定位保护、通讯中断保护，有效防止人员、仪器和公共设施的意外发生;硬件性能最大飞行高度海拔:3000m;最大飞行相对高度:≧120m;续航时间不小于40分钟;飞行方式:采用一键式全自主起降、按照规划的固定路径自动飞行方式;巡检风速:不大于10m/s时可自主巡检，无人机可安全降落。高清可视相机:可视相机可根据无人机航点规划自动拍照;相机启动后地面站自动录屏，无人机巡检降落后地面站录屏自动关闭;具有2500万像素;具有防抖功能;SD卡:最大支持128G，标配32G;工作温度:-25℃至55℃;人工巡检和单一的无人机硬件采购，无法做到与信息化系统对接，随之带来业务流程脱节、数据无法归档等问题。因此，亟需一套无人机智能巡检整体解决方案，解决无人机飞行任务管理巡检数据管理、系统管理、集成融合等问题，充分发挥无人机巡检的优势。通过飞行任务管理，解决任务信息流末端到前端的贯通;通过巡检数据管理功能，把数据存储于平台，一边进行下一步缺陷分析，一边查询跟踪统计分析等;通过系统管理，实现无人机与组织架构、人员之间的对应关系，对不同角色权限清楚划分;通过集成融合，使用无人机作业，并与现有信息系统结合，接入其他平台数据或将系统嵌入到上一级平台，发挥协同效应。3.3.3风机智能巡检实施流程图：风机无人机巡检作业流程风机刹停在任意位置，启动自主飞行程序，无人机依靠激光雷达和高清相机智能感知风机姿态角和叶片位置，自动规划路径，执行自主飞行采集风机照片，数据上传后台智能诊断服务器。整个无人机自主巡检过程耗时在20min之内。图：风机无人机巡检流程图：风机无人机巡检路线规划获取到风机图像数据，基于缺陷样本库训练的人工智能识别模型，识别出叶片缺陷，并对其进行分类与缺陷定位。将缺陷信息存储与历史数据库，输出叶片诊断报告，详细标记叶片缺陷及其位置范围，并给出风机外观的缺陷影响及严重缺陷的处置建议。图：风机无人机巡检诊断流程图：风机无人机巡检图像识别流程风机叶片的常见缺陷采用CNN神经网络识别的方法定位，根据缺陷特点，把检测模型设计为基于SSD的网络模型，SSD是一种使用单个深层神经网络检测图像目标物的方法，是基于前向传播的CNN网络，拥有高准确率以及高检测速度。图：风机无人机巡检报告四、项目风险评估实施风险是企业在实施项目过程中可能遇到的各种风险，主要包括：实施人员的组织、项目进度的控制、实施成本的控制、质量控制以及实施结果的评价。实施人员的组织实施人员对于系统的成功实施至关重要。由具有丰富项目实施和企业流程管理经验的咨询人员和企业内部的管理人员、业务人员以及技术人员一起组成项目实施小组，共同进行项目实施工作，可以提高项目实施的成功率，缩短实施周期，减少实施风险。由于信息系统的复杂性，涉及的部门很多，许多实施工作需要各部门的协作才能完成。因而，在实施项目的组织过程中主要解决的问题是协调部门之间关系、统筹安排跨部门的实施人员、避免出现扯皮现象。时间和进度控制项目实施通常需要数月时间。在这一过程中，进行项目管理、控制项目进度、确保整个实施过程能够按照预定的时间表进行，对项目的成败至关重要。特别是在实施过程中必须要保证那些里程碑性目标按时达到，否则会造成项目半途而废或系统上线严重延误。为保证项目按计划顺利实施，还应引入第三方监理机构对整个项目的实施质量和进度作全程监控，保证项目实施的时间和进度依计划进行。实施成本控制项目实施成本通常包括：硬件费用、软件使用许可费用和软件培训费用、实施咨询费用及维护费用等。在实施过程中，如何合理分配实施费用，结合项目进度和时间安排，将实施成本控制在计划之内，是实施企业信息化项目时需要认真对待的问题。由于不能按照项目进度计划开展工作，造成时间的延误和实施成本上升，致使最终系统上线也不能符合时间和预算的要求，客观上造成实施的不成功。实施成本支出的必要性得到公司领导和部门领导的一致认可