EnBW (Energie Baden-Württemberg AG) - одна из крупнейших энергетических компаний Германии, управляющая быстро расширяющимся портфелем активов в сфере возобновляемой энергетики. За четыре года мощность солнечных фотоэлектрических установок выросла со 150 мегаватт до 1 гигаватта, и компания сталкивается со значительными проблемами при проведении инспекций все более крупных установок с меньшим количеством персонала, сохраняя при этом точность данных и операционную эффективность. За последние три года в секторе возобновляемой энергетики наблюдается 67-процентный рост использования дронов, и автономные системы стали незаменимыми для энергетических компаний, стремящихся масштабировать инспекционные операции без пропорционального увеличения численности персонала.
В ходе недавнего вебинара мы поговорили с Тимо Фройндом, техническим специалистом по фотоэлектрическим модулям в компании EnBW. Тимо поделился информацией о том, как немецкий энергетический гигант использует технологию автономных дронов для стыковки солнечных панелей в рамках своего быстро расширяющегося портфеля продукции. Вот что он рассказал об их опыте внедрения технологии автономных дронов.
Задача
«За 4 года наши мощности по производству солнечной энергии выросли в 7 раз. Теперь нам нужно инспектировать гораздо больше солнечных электростанций, и каждая из них стала больше, чем раньше, - но мы не можем нанять в 7 раз больше людей, чтобы инспектировать их все», - сказал Тимо Фройнд, технический специалист по фотоэлектрическим модулям компании EnBW.
Компания EnBW столкнулась с рядом серьезных проблем при организации операций по инспекции солнечных фотоэлектрических систем:
Кризис масштабируемости: Традиционные методы инспекции с участием консультантов не смогли масштабироваться в условиях 567-процентного роста портфеля компании за четыре года. Увеличение площади объектов требовало экспоненциально большего времени на инспекцию, в то время как возможности консультантов не наращивались достаточно быстро. Данные инспекции оставались запертыми в электронных таблицах Excel и PDF-отчетах, разрозненных по электронным письмам и папкам SharePoint, что создавало серьезные проблемы с координацией для ремонтных бригад, пытающихся принять меры на основе полученных результатов.
Операционные ограничения, специфичные для Германии: Непредсказуемая погода в стране делала планирование полетов традиционных дронов рискованным делом - дни с ясным небом, необходимые для точной тепловизионной съемки, было трудно предсказать, а это означало, что пилоты, путешествующие от двух до шести часов до отдаленных мест, часто прибывали и обнаруживали условия, непригодные для полетов. Хуже того, режим ограничения выработки электроэнергии в Германии часто отключал крупные солнечные электростанции в периоды отрицательных цен или перегрузки сети, оставляя пилотов на местах без работающей системы для осмотра.
Проблемы, связанные с рельефом местности и транспортной доступностью: На некоторых солнечных электростанциях наблюдались значительные перепады высот - до 80 метров, - а старые деревья препятствовали прямой видимости для связи между пилотами и дронами. Традиционное дистанционное управление просто не могло надежно работать в таких условиях.
Неполные данные: В отчетах консультантов были указаны только 200 наиболее распространенных неисправностей, выявленных в ходе обследований, а отслеживание дополнительных аномалий требовало дополнительной оплаты. Координаты GPS не были предоставлены, что вынуждало ремонтные бригады интерпретировать планы объектов, размеченные от руки, и пытаться визуально идентифицировать конкретные модули на уровне земли - процесс, чреватый ошибками и пустой тратой времени.
Решение
Компания EnBW внедрила комплексное автономное решение «дрон в коробке», работающее на базе платформы автономного управления дронами FlytBase с использованием искусственного интеллекта и аналитического программного обеспечения Sitemark. Внедрение стратегически решает уникальные операционные задачи компании, используя передовые автономные возможности для преодоления сложных условий инспекции в Германии.
Трансформация произошла в два отдельных этапа. Примерно два года назад компания EnBW сначала перешла от наземных обследований, проводимых консультантами, к аэротермографии с использованием дронов. На этом начальном этапе разрозненные рабочие процессы в Excel и PDF-файлах были заменены изображениями с GPS-метками и обнаружением аномалий с помощью искусственного интеллекта на платформе Sitemark, что обеспечило полное отслеживание аномалий по каждому тепловому сигналу, а не только по 200 наиболее частым отказам, которые консультанты регистрировали бы вручную.
Опираясь на этот опыт, EnBW запустила программу проверки концепции, в рамках которой автономные док-станции для дронов развертываются на высокодоходных солнечных электростанциях. Техническая архитектура основана на системах DJI Dock 2, оснащенных адаптерами LTE - важнейшем нововведении, решившем проблемы с подключением, характерные для горных солнечных электростанций Германии с перепадом высот до 80 метров и препятствиями в виде деревьев. В отличие от более ранней 150-килограммовой системы DJI Dock 1, которая полагалась на прямую видимость, возможность подключения к LTE в Dock 2 обеспечивает постоянное соединение с центральной системой мониторинга FlytBase, позволяя осуществлять бесперебойные дистанционные полеты без ручного вмешательства.
Платформа FlytBase обеспечивает возможности автономного управления полетами, необходимые для надежной работы из штаб-квартиры EnBW в Штутгарте. Система обрабатывает сложное планирование миссий, автоматизированное выполнение полетов и мониторинг в режиме реального времени, обеспечивая при этом соответствие нормативным требованиям немецкой авиационной отрасли. Каждая док-станция стратегически расположена на площадках мощностью от 20 до 70 мегаватт - оптимальном пороге размера, при котором гибкость и частота проверок оправдывают капиталовложения.
Внедренное решение включает в себя:
- Автономные системы DJI Dock 2 с возможностью подключения по сети LTE.
- Программная платформа FlytBase для планирования миссий и их дистанционного выполнения.
- Дроны DJI Matrice 4T/4TD с тепловизионными и оптическими камерами.
- Аналитическая платформа Sitemark AI для обнаружения аномалий и обработки заявок.
- Интеграция с рабочими процессами управления техническим обслуживанием EnBW.
Как это работает
Процесс автономной инспекции начинается с подготовки к полету, проводимой дистанционно из офиса EnBW в Штутгарте. Оператор проверяет правила использования воздушного пространства, чтобы подтвердить разрешение на вход в аэропорты и зоны ограниченного доступа, затем проверяет погодные условия, включая скорость ветра и уровень солнечной радиации - для точной тепловизионной съемки требуется минимум 600 ватт на квадратный метр. Состояние ограничения потребления электроэнергии отслеживается по сигналам от поставщика электроэнергии, что позволяет команде определять периоды инспекции, когда система будет включена. Полеты обычно планируются за один день вперед с использованием инструментов планирования FlytBase.
В день выполнения задания оператор дистанционно запускает полет из Штутгарта. Автономная стыковочная станция открывается, выполняет предполетные проверки систем и запускает дрон DJI Matrice 4T или 4TD, оснащенный тепловизионными камерами. Аппарат следует по заранее запрограммированной траектории полета, поддерживая 70% перекрытия передней части и 30% перекрытия боковой части для обеспечения полного охвата. Летая на высоте 25 метров, дрон снимает тепловые изображения с разрешением 3 сантиметра (GSD) - разрешением, установленным нормами ISE (Институт солнечной энергетики им. Фраунгофера) для гарантийных проверок фотоэлектрических систем.
Полученные изображения автоматически загружаются на аналитическую платформу Sitemark на основе искусственного интеллекта по завершении миссии. Алгоритмы машинного обучения программного обеспечения обрабатывают визуальные и тепловые данные одновременно, обнаруживая аномалии, включая горячие точки, обрывы проводов, проблемы с обходными диодами и повреждения стекла. Каждое обнаружение помечается GPS-меткой, указывающей точное местоположение модуля, и сопоставляется между тепловыми и визуальными изображениями.
Ремонтные бригады получают доступ к заявкам на ремонт через удобный интерфейс Sitemark, используя точные GPS-координаты и фотодоказательства. Выездные специалисты могут напрямую перемещаться к поврежденным модулям без догадок, визуально проверять неисправности и подтверждать ремонт с помощью послесервисных проверок - все это координируется через единую цифровую платформу.
«Я сижу здесь, в Штутгарте, и у меня есть объекты недалеко от Берлина. Я не хочу ехать туда шесть часов и видеть плохие погодные условия или ограничения. Я могу просто сидеть здесь, в офисе, запускать двигатель, и если увижу сигнал об ограничении, я могу остановиться и продолжить работу на следующий день», - сказал Тимо Фройнд, технический специалист по фотоэлектрическим модулям компании EnBW.
Выполнение
Процесс внедрения начался с создания базовых возможностей, после чего последовал переход к автономному развертыванию. В период с 2020 по 2021 год EnBW перешла от инспекций, проводимых консультантами, к собственным операциям с использованием дронов, проведя обширное исследование рынка европейских поставщиков, прежде чем выбрать аналитическую платформу Sitemark. При принятии решения приоритет отдавался удобству использования и простоте интерфейса, а не расширению функционала - выбор, который оказался критически важным для масштабирования внедрения среди ремонтных бригад с различным техническим опытом.
В этот период компания EnBW разработала внутреннюю программу подготовки пилотов, включающую комплексную 5-дневную сертификацию по европейским лицензиям на управление дронами A1/A3 и A2, соблюдению нормативных требований и управлению воздушным пространством, основам фотографии, основам термографии, специфичным для инспекции фотоэлектрических систем, а также практическому обучению на действующих солнечных электростанциях.
Пилотная программа по созданию автономной док-станции стартовала в 2022-2023 годах с первым развертыванием док-станции DJI Dock 1 компанией EnBW на солнечной электростанции со значительными трудностями, связанными с рельефом местности. Команда быстро обнаружила ограничения прямой видимости при снижении высоты полета до 25 метров для осмотра, при этом перепад высот составлял 80 метров, а между ними виднелись деревья. Решение появилось как нельзя кстати: компания DJI выпустила док-станцию Dock 2, оснащенную LTE-адаптером, как раз в тот момент, когда EnBW боролась с этими проблемами подключения.
В настоящее время EnBW эксплуатирует две автономные док-станции, а третья система Dock 3 будет развернута весной 2024 года. Команда подала запросы на разрешение на эксплуатацию за пределами прямой видимости (BVLOS) в немецкие авиационные власти, однако задержки в обработке заявок означают, что сроки получения разрешения остаются неопределенными. На этапе проверки концепции система работает в отдельной сети LTE, расположенной вне критической инфраструктуры EnBW (KRITIS), что позволяет ускорить тестирование и итерации без сложных процедур утверждения в области кибербезопасности.
«Как я уже говорил, следующим шагом будет развертывание большего количества док-станций для дронов. Но сначала мы должны показать, что это выгодно. Наше руководство оценит, стоит ли инвестировать в док-станции, программное обеспечение, обучение персонала полетам за пределами прямой видимости и так далее», - сказал Тимо Фройнд, технический специалист по фотоэлектрическим модулям компании EnBW.
Результаты
Внедрение технологии автономной стыковки дронов принесло значительные измеримые преимущества во всех операциях EnBW:
Повышенная операционная гибкость: Система стыковки дронов позволила отказаться от шестичасовых перелетов к удаленным солнечным электростанциям. Работая из Штутгарта, EnBW теперь может инспектировать объекты вблизи Берлина без транспортных расходов и отмен из-за погодных условий. В случае отключения электроэнергии в середине миссии полеты просто приостанавливаются и возобновляются по мере улучшения условий, что позволяет увеличить частоту инспекций в 2-4 раза - с ежегодного до ежеквартального мониторинга.
«Я сижу здесь, в Штутгарте, и у меня есть объекты недалеко от Берлина. Я не хочу ехать туда шесть часов и видеть плохие погодные условия или ограничения. Я могу просто сидеть здесь, в офисе, запускать двигатель, и если увижу сигнал об ограничении, я могу остановиться и продолжить работу на следующий день», - сказал Тимо Фройнд, технический специалист по фотоэлектрическим модулям компании EnBW.
Полное качество данных:
«Преимущество заключается в том, что теперь программное обеспечение отслеживает все отказы на месте эксплуатации. Искусственный интеллект Sitemark проверяет все изображения, и вы можете отслеживать каждый отказ с точностью до очень небольшой разницы температур. Этого никогда не делали консалтинговые компании», - сказал Тимо Фройнд, технический специалист по фотоэлектрическим модулям компании EnBW.
Система на базе искусственного интеллекта теперь фиксирует неограниченное количество аномалий с точностью GPS, в отличие от 200 наиболее распространенных неисправностей, описанных в отчетах консультантов. Взаимная корреляция визуальных и тепловых изображений автоматически отличает затенение растительностью от электрических неисправностей, уменьшая количество ложных срабатываний и гарантируя, что ни одна реальная проблема не останется незамеченной.
Проверка экономической эффективности: Финансовое моделирование EnBW показывает, что точка безубыточности достигается всего лишь при одной отмененной пилотной выставке из-за погодных условий или сокращения объемов работ. Инвестиции в док примерно равны годовым затратам на внешние пилотные проекты для площадок мощностью 20-70 МВт, при этом позволяя проводить в 2-4 раза больше инспекций при том же годовом бюджете. Компания добилась роста портфеля на 567% (со 150 МВт до 1 ГВт) без пропорционального увеличения штата сотрудников.
Объединенные операции: Компания EnBW создала собственную базу беспилотных летательных аппаратов, развернув несколько сотен дронов в различных подразделениях. Компания разработала пятидневную программу обучения пилотов и перевела команды технического обслуживания на двойную роль пилотов-техников, снизив зависимость от внешних подрядчиков и обеспечив возможность проведения плановых проверок во время плановых сервисных визитов. В настоящее время работают два дока, третий будет введен в эксплуатацию весной 2024 года.
Путь вперед
Компания EnBW планирует расширить программу использования дронов-доков на весь свой портфель высокодоходных солнечных электростанций, внедряя эту технологию на более ранних этапах разработки площадок для максимизации выгоды. Компания совершенствует модель определения порогового размера площадки, проверяя диапазон 20-70 мегаватт, в котором капиталовложения в док-станции обеспечивают оптимальную отдачу, а также стандартизирует протоколы частоты проверок, которые обеспечивают баланс между затратами и потребностями в мониторинге рисков.
«Мы обучаем наши ремонтные бригады также пилотированию. Они находятся на объекте, обычно там, когда позволяют погодные условия, потому что им необходимо проводить измерения на стрингах и инверторах. Они могут использовать это время, сказав: «У меня дрон в машине, я его запущу и проведу осмотр параллельно», - сказал Тимо Фройнд, технический специалист по фотоэлектрическим модулям компании EnBW.
В течение следующих одного-двух лет EnBW планирует масштабировать развертывание доков, расширяя при этом области применения за пределы инспекции фотоэлектрических систем. Подстанции, традиционные электростанции и системы периметровой безопасности находятся на стадии активной оценки, и для их интеграции используется та же платформа автоматизации FlytBase и те же аппаратные инвестиции. Компания также перейдет от отдельной сетевой архитектуры LTE, использованной в пилотном проекте, к локальным или защищенным конфигурациям, отвечающим требованиям кибербезопасности для интеграции с системами критической инфраструктуры.
В перспективе Фройнд ожидает, что получение разрешения на эксплуатацию за пределами прямой видимости (BVLOS) значительно расширит оперативные возможности, исключив необходимость присутствия наблюдателей на месте. В долгосрочной перспективе автономная инспекция станет стандартной операционной процедурой, непрерывный мониторинг состояния заменит ежегодные циклы инспекций, а инвестиции в платформы обеспечат бесперебойную поддержку солнечной, ветровой, сетевой инфраструктуры и традиционных активов в рамках многогигаваттного портфеля EnBW.
Заключение
Внедрение компанией EnBW технологии автономных дронов-доков превратило ежегодные проверки солнечных фотоэлектрических систем, ранее зависевшие от консультантов, в гибкую, основанную на данных систему непрерывного мониторинга. Устранив ограничения на поездки, работая в условиях плохой погоды и ограничений выработки электроэнергии, а также собирая полные данные об аномалиях с точностью до GPS, компания создает операционную основу для управления многогигаваттными портфелями возобновляемой энергии с меньшим количеством персонала и более глубоким пониманием ситуации.
Внедрение экспериментальной версии подтвердило ключевые факторы, определяющие ценность проекта, и показало дальнейший путь развития для энергетических компаний, следующих аналогичным траекториям роста. Поскольку разрешение на эксплуатацию за пределами прямой видимости (BVLOS) открывает доступ к полной автономности и масштабируемому внедрению в различных бизнес-подразделениях, поэтапный подход EnBW демонстрирует, как правильно внедренные автономные решения могут выступать в качестве операционных множителей в различных аспектах деятельности организации.
«Остерегайтесь эффекта привязки к конкретному программному обеспечению. Если вы выберете одно, то окажетесь в ловушке, и вам будет сложно проявлять большую гибкость. Уделите время выбору подходящего варианта», - сказал Тимо Фройнд, технический специалист по фотоэлектрическим модулям компании EnBW.
Часто задаваемые вопросы
1. Как автономная инспекция с помощью дронов соотносится с традиционными методами, основанными на привлечении консультантов, с точки зрения экономической эффективности?
Автономные доки для дронов служат скорее множителем эффективности, чем полной заменой консультантов, устраняя транспортные расходы и обеспечивая гибкое планирование с учетом погодных условий и ограничений. В EnBW точка безубыточности достигается всего лишь при одном отмененном пилотном визите, при этом инвестиции в доки примерно равны годовым затратам на внешние пилотные проекты для площадок мощностью 20-70 МВт, что позволяет увеличить частоту инспекций в 2-4 раза.
2. Какая техническая инфраструктура необходима для поддержки дистанционного управления дронами при осмотре солнечных фотоэлектрических установок?
Для выполнения операций необходимы системы DJI Dock 2 с поддержкой LTE для преодоления сложностей рельефа и препятствий, автономная летная платформа FlytBase для планирования и выполнения миссий, а также аналитическое программное обеспечение, такое как Sitemark, для обнаружения аномалий с помощью искусственного интеллекта. Для соответствия требованиям стандарта ISE и гарантийного обслуживания миссии должны поддерживать разрешение теплового изображения 3 см на высоте 25 метров.
3. Как энергетические компании справляются с нормативными требованиями, предъявляемыми к эксплуатации автономных дронов в Европе?
Компаниям необходимо соблюдать правила авиационных властей, включая требования к получению разрешения на полеты за пределами прямой видимости (BVLOS). Компания EnBW подала заявки на BVLOS, но столкнулась с задержками в обработке, поэтому в настоящее время работает с помощью удаленного мониторинга и наблюдателей на месте. Компания разработала комплексные программы подготовки пилотов и использует стыковочные станции в отдельных сетях на этапе проверки концепции (POC), чтобы ускорить тестирование перед полной интеграцией KRITIS.
4. Каков типичный срок окупаемости инвестиций в технологии автономных дронов в солнечной энергетике?
Хотя конкретные сроки зависят от размера портфеля, финансовое моделирование EnBW показывает, что точка безубыточности достигается после одного визита консультанта, отмененного из-за погодных условий или ограничений. Двойное назначение приложения - как для детальных ежегодных проверок, так и для ежеквартального мониторинга - значительно ускоряет окупаемость инвестиций за счет увеличения частоты проверок в 2-4 раза, что позволяет быстрее выявлять аномалии и снижать потери энергии из-за необнаруженных неисправностей.