一种光伏电站巡检运维系统及其方法与流程

本发明涉及一种光伏电站巡检运维系统及其方法，属于机电一体化智能装备领域。

背景技术：

光伏发电是清洁能源（如风力发电、水力发电、生物质发电等）最主要的形式。光伏电站必须在空旷的地域直接面向太阳。目前光伏电站主要安装于煤矿塌陷区、西部沙漠区、房屋屋顶及墙面、湖堰水面、山坡山丘。

如图1所示，平地及屋顶安装的光伏电站，光伏板运行时要保持一定的斜角并保证一排光伏阵列与相邻排光伏阵列之间不遮挡，为此，一排光伏阵列与相邻排光伏阵列之间阵列间距大约在910mm-1000mm之间。将此定义为光伏阵列一排排间距布局。一排光伏阵列约30kw，大型光伏电站在100排光伏阵列、500排光伏阵列，1000排光伏阵列之间不等，一座建筑物屋顶光伏电站在10排光伏阵列、50排光伏阵列、100排光伏阵列之间不等。

如图2所示，光伏电站由光伏阵列、钢结构支撑架、电缆、汇流排、逆变器、并网配电开关等机械机电电气设备组成。

随时间推移，光伏电站各个环节都会出现损坏、异常、故障。如电池板组件表面是否有破损现象，电池板组件之间的接线是否牢固，电池板正负接线是否有老化磨破接地现象，固定部件松动异常，光伏板表面灰尘情况，又如逆变器散热排风系统是否正常、显示界面是否完好等。

如图3所示，光伏电站及其它机电设备（如变电站、水电站），为了巡视稽查设备运行状态和异常，设置了巡视稽查线路与驻留点。

传统机电设备巡视稽查制度是由相关人员在指定时间，沿所述的巡视稽查线路行走，在所述驻留点停留，相关人员用看、听、闻、摸等途径判断机电设备的运行状态，并记录在巡检日志薄上。

逆变器是光伏电站最重要的设备，并且逆变器自身配置智能设备具有数据接口，已经存在以逆变器为基础基于数据通信的光伏电站监控运维系统。

现在城市与乡村风沙雾天气频频，尤其是在西部沙尘天气较多的地区，光伏板容易积灰，鸟雀排便也是个重要的影响因素，积灰之后光伏板难以自洁，降低了光伏发电的效率，在组织人工定期清洗的同时，国内外机构已研制光伏板自动清扫机（用水式、无水式），因为光伏阵列一排排间距布局特点导致这些自动清扫机都仅仅只在一排光伏阵列之内运行。如大型光伏电站有333排光伏阵列、则要配套330个自动清扫机，如建筑物屋顶光伏电站有26排光伏阵列则要配套26个自动清扫机。自动清扫机绑定并限制在一排光伏阵列的模式有待改进。

在国家电网公司220kv以上（包括500kv、1000kv）变电站，因为其自身的技术参数指标和需要背景，装备了变电站巡检机器人尤其是对主变压器设备进行自动温度红外成像稽查。这类变电站巡检机器人主要突出了行走与非接触观测，没有配备维护用机械手臂及搬运移动的机构。

如上基于逆变器的集中监控运维、自动清扫机、变电站巡检机器人等都从一个侧面给予的技术解决方案，但面向包括机械支撑、光伏板、一次设备、二次仪表等机电设备整体的光伏电站，如何在机器人平台上集约相关技术措施，从而形成一个全面掌握把控的光伏电站巡检运维系统，是目前迫切需要就解决的问题。虽然现在也有一些其他的光伏电站巡检技术，如公开日为2016年01月20日，公开号为cn105263000a的中国专利中，公开了一种基于无人机载双相机的大型光伏电站巡检装置，又如公开日为2016年08月10日，公开号为cn105844732a的中国专利中，公开了一种光伏电站多功能红外巡检仪，但是这些技术也难以有效解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种光伏电站巡检运维系统及其方法，旨在站在“反对信息孤岛、反对功能孤岛”的设计角度，在对光伏电站各组成部件环节自动巡检的同时，对电气设备直接接触，对光伏板灰尘自动清扫模式给予优化，并与远程中心数据交互，为光伏电站的全面自动化、无人化及自动巡检自动运维提供技术支持。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该光伏电站巡检运维系统的结构特点在于：包括万向车轮、车体、升降杆摄像头、机械手臂、搬运机构和主控制器；

所述万向车轮安装于所述车体的两侧且每侧两支或安装于所述车体的四边且每边一支，经所述升降杆摄像头获得巡检线驻留点信息后由所述主控制器引导所述万向车轮在光伏电站沿任意角度前进或后退；

所述车体承载了所述升降杆摄像头、所述机器手臂、所述搬运机构和所述主控制器的固定安装，所述车体内还安装蓄电池与行走驱动器；

所述升降杆摄像头包括升降杆、升降杆控制器和摄像头，升降杆的底座固定在所述车体上；

所述机器手臂为四个到六个自动的轻质手臂，包括各机械手臂关节、末端的夹持器及运动控制器，所述机器手臂的第一关节固定安装在所述车体上；

所述搬运机构包括起吊机架、起吊电机、水平臂、水平臂磁铁件及起吊控制器，所述搬运机构由起吊机架的底座与所述车体固定安装；

所述主控制器为工业控制计算机或嵌入式控制器，包括串行通信接口、usb通信接口、rj45通信接口、wifi通信接口、zigbee通信接口，通过通信接口与所述车体的行走驱动器连接，通过通信接口与所述升降杆摄像头的升降杆控制器及摄像头数据接口连接，通过通信接口与所述机器手臂的运动控制器连接，通过通信接口与所述搬运机构的起吊控制器连接。

作为优选，本发明所述万向车轮为麦克纳姆轮，万向车轮半径大于100mm，万向车轮可在平地及小于30度斜坡行走。

作为优选，本发明所述车体包括主梁和车厢，所述升降杆摄像头、所述机器手臂、所述搬运机构和所述主控制器均固定安装在主梁上；蓄电池及行走驱动器在车厢内；蓄电池向各电气回路提供电源；行走驱动器电源回路与所述万向车轮连接，行走驱动器通信接口与主控制器连接；由所述升降杆摄像头拍摄图片传输给所述主控制器判断车体所处位置，或主控制器接收gps北斗数据、或主控制器接收rfid数据后判断车体所处位置。

作为优选，本发明所述升降杆能使摄像头降到1m之下以及升到2m之上，旋转角度小于5度；在驻留点或上升或下降或旋转，引导摄像头拍摄到光伏板表面或拍摄电气设备或拍摄监控仪表或拍摄光伏板支撑架。

作为优选，本发明所述机器手臂的夹持器为双手指，每个手指独立伸缩；双手指同时伸出形成合环以操作顺时针或逆时针旋转型开关，一个手指缩回另一个手指伸出以操作按钮型开关。

作为优选，本发明所述搬运机构的水平臂磁铁件为四个磁铁件布设为口字形状或六个磁铁件布设为田字形状，由起吊控制器给予磁性或熄灭磁性；所述搬运机构起吊电机安装在搬运机构起吊机架顶部，所述搬运机构的水平臂或上或下在起吊机架移动由所述摄像头与所述主控制器引导调节。

作为优选，本发明所述主控制器接受摄像头视频信息，接受gps或北斗位置数据，接受rfid数据；主控制器在接受到数据后给出所述车体或行走命令或旋转命令或停止命令，主控制器通过图像分析并识别目标对象，主控制器对识别目标引导所述机器手臂操作各类电气开关，主控制器引导车体行走或旋转对准清扫机，主控制器引导搬运机构通过水平臂磁铁件吸住清扫机，主控制器通过无线接口与远程监控中心交换数据。

一种光伏电站巡检运维方法，基于所述的光伏电站巡检运维系统，其特点在于：所述光伏电站巡检运维方法包括沿巡检线行走工作流程；在驻留点摸索目标对象工作流程；搬运清扫机工作流程。

作为优选，本发明所述沿巡检线行走工作流程包括如下步骤：

（1）当选择gps或北斗导航行走时，由手持定位设备采集行走路径与驻留点位置数据，下载到主控制器路径数据库；主控制器引导车体沿路径行走，并在驻留点停留；

（2）当选择视觉与frfid标签导航时，视觉聚焦一排排光伏板边缘或地面上涂写的白颜色黄颜色路径，驻留点或以脚丫标识或rfid标签提示；

（3）当选择磁条导航时，巡检线路铺设磁条，驻留点铺设frfid标签，主控制器检测磁条与rfid标签行走并停留。

作为优选，本发明所述在驻留点摸索目标对象工作流程包括如下步骤：

（1）事前配置驻留点的巡检维护项，指示本驻留点特征如rfid标签号码；

（2）主控制器控制车体旋转和/或控制升降杆，以确保摄像头对准对象目标；

（3）当对象目标是监控仪表时，或直接拍摄图像或先触动按钮激活装置运行然后再拍摄；

（4）当判断对象目标是光伏板有灰尘时，转入搬运自动清扫机流程。

作为优选，本发明所述搬运清扫机工作流程包括如下步骤：

（1）确认本驻留点目标对象是搬运自动清扫机；

（2）主控制器旋转车体或控制升降杆以确保摄像头对准自动清扫机；

（3）移动车体确保搬运机构的水平臂与自动清扫机对齐；

（4）给予水平臂磁铁件通电，以吸合自动清扫机；

（5）起吊电机向上卷扬机拉起同时平衡铁移动到水平臂另一侧；

（6）主控制器让车体旋转以离开一排光伏阵列；

（7）主控制器引导车体行走到另一排光伏阵列的驻留点；

（10）主控制器让车体旋转使水平臂处于另一排光伏阵列；

（11）起吊电机向下卷扬降至另一排光伏阵列表面；

（12）让水平臂磁铁件断电，以释放自动清扫机在另一排光伏阵列自行工作。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：在指定驻留点由升降杆摄像头查找对准自动清扫机，由搬运机构从一排光伏阵列搬运到另一排光伏阵列内继续清扫，开创一个全新光伏板灰尘清扫模式：60-80排光伏阵列共享一部高品质自动清扫机，彻底改变了自动清扫机绑定在一排光伏阵列内的现状。通过不停地行走，由机械手臂对机械部件及电气设备直接操作接触，使得传统人工巡检看一看、摸一摸、记一记的措施以一种新的途径保留了下来，与传统基于逆变器的集中监控运维系统配合，本发明真正实现了机器人巡检运维替代人工巡检运维乃至超过人工巡检运维的效果。本发明突出了各电气设备本身，因此本发明在大型光伏电站及屋顶光伏电站巡检运维应用中更具有实用价值。

附图说明

图1是现有技术中光伏电站光伏阵列布局示意图。

图2是现有技术中光伏电站部件组成示意图。

图3是现有技术中巡检线路驻留点示意图。

图4是本发明各部件总体组成示意图。

图5是本发明升降杆摄像头去掉摄像头后的结构示意图。

图6是本发明机器手臂部件夹持器结构示意图。

图7是本发明搬运自动清扫机过程示意图。

图8是本发明搬运机构示意图。

图中：1-万向车轮、2-车体、3-升降杆、4-摄像头、5-机械手臂关节、6-夹持器、7-起吊机架、8-水平臂磁铁件、9-主控制器、10-升降杆控制器、11-上升回路、12-下降回路、13-运动控制器、14-左夹、15-右夹、16-手臂底座、17-起吊电机、18-水平臂、19-平衡铁、20-起吊控制器。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例。

人工巡检运维在如图2所述的现场各部件，布设如图3所示的巡检线路与驻留点，由人工按时沿巡检线路行走在驻留点停留开展规程要求的巡检运维工作。

本发明的光伏电站巡检运维系统在替代人工巡检运维的基础上，实现更多附加功能。光伏电站巡检运维系统的各部件总体组成如图4所示，图4中包括万向车轮1、车体2、升降杆3、摄像头4、机械手臂关节5、夹持器6、起吊机架7、水平臂磁铁件8、主控制器9。

万向车轮1为麦克纳姆轮，万向车轮1半径大于100mm，万向车轮1可在平地及小于30度斜坡行走。万向车轮1安装于所述车体2两侧且每侧两支或安装于所述车体2四边且每边一支；行走驱动器安装在所述车体2内，但行走驱动器是接受来自于主控制器9命令后驱动万向车轮1以一个角度旋转并行走。更为完整表达是万向车轮1经所述摄像头4获得巡检线驻留点信息后由所述主控制器9引导所述万向车轮1在光伏电站沿任意角度前进或后退。

车体2是长方箱体结构，车体2包括了主梁和车厢，主梁是支撑受力件，车厢是防雨隔离件，为本发明系统提供动力的蓄电池及驱动万向车轮1的行走驱动器安装在车厢内，而升降杆3、所述机器手臂关节5、所述搬运机构和所述主控制器9均固定安装在车体2的主梁上，蓄电池向本发明系统各电气回路提供电源；行走驱动器电源回路与万向车轮1连接，行走驱动器通信接口与主控制器9连接；由摄像头4拍摄图片传输给主控制器9判断车体2所处位置及下步行走路径，或主控制器9接收gps北斗类型数据判断车体2所处位置及下步行走路径，或主控制器9接收预埋在地面上rfid标签数据后判断车体2所处位置及下步行走路径。

如图5所示，升降杆摄像头包括升降杆3、摄像头4、升降杆控制器10、上升回路11及下降回路12。升降杆3的底座固定在车体2主梁上，升降杆控制器电源来自于车体2蓄电池，上升回路11及下降回路12与主控制器9连接，上升回路11上升到最高位置是有截止触点确保不再继续上升，下降回路12下降到最低位置时有截止触点确保不再继续下降，摄像头4跟随升降杆3或上或下，低到降到1m之下，高则可升到2m之上。

升降杆3在车体2沿巡检线路行走时是处于在一个确定高度，升降杆3在驻留点处则选择或上升或下降以便引导摄像头4拍摄到光伏板表面或拍摄电气设备或拍摄监控仪表或拍摄光伏板支撑架等。

如图6所示，机器手臂为四个到六个自由度轻质手臂，包括各机械手臂关节5、末端的夹持器6、运动控制器13、左夹14、右夹15和手臂底座16。机器手臂的手臂底座16固定安装在车体2主梁上，运动控制器13与主控制器9连接。机器手臂的左夹14与右夹15同时动作形成双手指合环以操作顺时针旋转或逆指针旋转型开关。机器手臂的左夹14与右夹15的一个单夹收缩而另一单夹伸出则形成单手指以操作按钮型开关。

车体2首先靠近开关对象，然后主控制器9通过运动控制器13操作各机械手臂关节5运动，使得末端夹持器6接近开关对象，最后主控制器9通过运动控制器13操作左夹14或右夹15完成开关对象的一次操作。

如图7所示，本发明系统经过如下步骤完成自动清扫机搬运过程：

第一、找到自动清扫机；

第二、搬运机构抱起自动清扫机；

第三、自动清扫机离开了一排光伏阵列处于搬运机构上；

第四、沿路径行走到另一排光伏阵列旁；

第五、搬运机构将自动清扫机放置在另一排光伏阵列上。

如图8所示，搬运机构包括起吊机架7、起吊电机17、水平臂18、水平臂磁铁件9、平衡铁19及起吊控制器20。搬运机构由起吊机架7底座与所述车体2固定安装；所述搬运机构的水平臂磁铁件9由四个磁铁件布设为口字形状或六个磁铁件布设为田字形状，由起吊控制器20给予磁性或熄灭磁性；搬运机构的起吊电机17安装在搬运机构的起吊机架7顶部；平衡铁19处于水平臂18的一端而水平臂磁铁件9在水平臂18另一端。

主控制器9安装于车体2车厢内。主控制器9为工业控制计算机或嵌入式控制器，包括串行通信接口、usb通信接口、rj45通信接口、wifi通信接口、zigbee通信接口，主控制器9通过通信接口与所述车体2行走驱动器连接，主控制器9通过通信接口与所述升降杆控制器11及摄像头4数据接口连接，主控制器9通过通信接口与所述机械手臂运动控制器13连接，主控制器9通过通信接口与所述搬运机构起吊控制器20连接，主控制器9通过电气回路与升降杆的上升回路11及下降回路12连接。

主控制器9接受摄像头4视频信息或接受gps北斗位置数据或接受rfid标签数据；主控制器9在接受到各类数据后对车体2下达导航命令，让车体2及万向车轮1行走或按照一定角度移动；主控制器9在驻留点通过上升回路11及下降回路12让摄像头4找到目标对象；主控制器9在驻留点找到目标对象后，主控制器9通过运动控制器13驱动左夹14和右夹15以操作各类电气开关；主控制器9接受到各类数据后对车体2下达导航命令，让车体2及万向车轮1行走或按照一定角度移动以对准自动清扫机，主控制器9通过起吊控制器20及水平臂磁铁件9吸住自动清扫机。主控制器9通过无线接口与远程监控中心交换数据。

本发明的光伏电站巡检运维方法包括：沿巡检线行走工作流程；在驻留点摸索目标对象工作流程；搬运清扫机工作流程。

本发明沿巡检线行走工作流程包括如下步骤：

（1）当选择gps或北斗导航行走时，由手持定位设备采集行走路径与驻留点位置数据，下载到主控制器9路径数据库；主控制器9引导车体沿路径行走，并在驻留点停留；

（2）当选择视觉与frfid标签导航时，视觉聚焦一排排光伏板边缘或地面上涂写的白颜色黄颜色路径，驻留点或以脚丫标识或rfid标签提示；

（3）当选择磁条导航时，巡检线路铺设磁条，驻留点铺设frfid标签，主控制器9检测磁条与rfid标签行走并停留。

本发明在驻留点摸索目标对象工作流程包括如下步骤：

（1）事前配置驻留点的巡检维护项，指示本驻留点特征如rfid标签号码；

（2）主控制器9控制车体1旋转和控制升降杆3，以确保摄像头4对准对象目标；

（3）当对象目标是监控仪表时，或直接拍摄图像或先触动按钮激活装置运行然后再拍摄；

（4）当判断对象目标是光伏板有灰尘时，转入搬运自动清扫机流程。

本发明的搬运清扫机工作流程包括如下步骤：

（1）确认本驻留点目标对象是搬运自动清扫机；

（2）主控制器9旋转车体1或控制升降杆3以确保摄像头4对准自动清扫机；

（3）移动车体2确保搬运机构的水平臂18与自动清扫机对齐；

（4）给予水平臂磁铁件8通电，以吸合自动清扫机；

（5）起吊电机17向上卷扬机拉起，同时平衡铁19移动到水平臂18的另一侧；

（6）主控制器9让车体2旋转以离开一排光伏阵列；

（7）主控制器9引导车体2行走到另一排光伏阵列驻留点；

（10）主控制器9让车体2旋转以水平臂18处于另一排光伏阵列；

（11）起吊电机17向下卷扬降至另一排光伏阵列表面；

（12）让水平臂磁铁件8断电，以释放自动清扫机在另一排光伏阵列自行工作。

本发明是一套智能装备，能行走、有手臂、有眼睛、可搬运，以光伏电站各环节各部位为巡检维护目标对象，工作流程之间循环交叉，为光伏电站无人值班无人值守及整体巡检运维提供了装备基础，由于采用了初等技术手段，高性价比，特别具有应用价值。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。