基于變電站巡檢機(jī)器人的驅(qū)鳥技術(shù)研究

楊 墨，金 海，馮 華，李 健

（1. 山東電力集團(tuán)公司 電力科學(xué)研究院，濟(jì)南 250101；2. 山東魯能智能技術(shù)有限公司，濟(jì)南 250101；3. 浙江省電力公司 嘉興電力局，嘉興 314033；4. 浙江省電力公司 檢修分公司，杭州 310000）

0 引言

近年來，隨著輸電線路、變電站的不斷建設(shè)和生態(tài)環(huán)境的不斷改善，電網(wǎng)鳥害事故呈上升趨勢。不僅使電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行受到嚴(yán)重威脅，也使電力運(yùn)維部門在人力、物力上承受較大損失。為了防止電網(wǎng)鳥害事故，提高輸電線路運(yùn)行的可靠性，有必要采取適當(dāng)措施驅(qū)趕鳥類。本文以變電站鳥害為直接研究對象，通過分析電網(wǎng)鳥害事故的類型及規(guī)律，常見驅(qū)鳥方法的技術(shù)原理及應(yīng)用特點(diǎn)，提出基于變電站巡檢機(jī)器人的超聲波驅(qū)鳥方案，并詳細(xì)介紹其系統(tǒng)構(gòu)成及關(guān)鍵技術(shù)，為變電站多管齊下的立體驅(qū)鳥提供有益支持。

1 變電站鳥害分析

電網(wǎng)鳥害事故類型主要包括筑巢類和泄糞類。有些鳥類喜歡在桿塔上筑巢。在搭建巢穴的過程中，藤條、樹枝、金屬絲等異物容易接觸或靠近導(dǎo)線或電力設(shè)備，導(dǎo)致發(fā)生短路或接地故障。鳥類排泄的糞便在空中形成的線狀通道可能直接造成飛弧短接。鳥糞在絕緣子表面累積到一定程度后，容易形成閃絡(luò)。另外，惡劣天氣下，大風(fēng)將鳥巢吹落至導(dǎo)線上，可能引起短路跳閘。較大的鳥類在導(dǎo)線間飛行、爭斗可能導(dǎo)致相間短路[1]。

電網(wǎng)鳥害事故發(fā)生存在一定規(guī)律，主要表現(xiàn)在：

1）季節(jié)性：鳥害是季節(jié)性線路故障，高發(fā)期主要為每年的1月份至9月份，其中2至5月份為鳥害最嚴(yán)重的時(shí)候。

2）區(qū)域性：在人類活動(dòng)比較集中的城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)，發(fā)生鳥害的概率很小。而在人煙稀少、林木茂密或鄰近水庫、河流等地方，則往往是鳥害故障頻發(fā)的地段。

3）時(shí)間性：在一天中鳥害故障多發(fā)生在夜間，即18:00以后至次日6:00。

4）設(shè)備選擇性：對鳥類活動(dòng)與鳥害發(fā)生地點(diǎn)觀測統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，變電站鳥害多發(fā)地集中在主變構(gòu)架、線路門型構(gòu)架和母線上方構(gòu)架等區(qū)域，設(shè)備本體發(fā)生幾率較小。原因主要是主變的上部平坦，樁頭比較多，除夏季外常年溫度適宜鳥類；大部分鳥害分布在門型構(gòu)架區(qū)域，該區(qū)域高于其他構(gòu)架，吸引了鳥類筑巢。由此可知鳥害防治重點(diǎn)區(qū)域?yàn)椋褐髯儤?gòu)架、線路門型構(gòu)架等區(qū)域。

鳥害直接影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。傳統(tǒng)上處理鳥害往往僅以“治、拆”為主，設(shè)備運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)鳥害無差異區(qū)別的上報(bào)，處理鳥害無針對性，治理過程稍顯被動(dòng)。從發(fā)現(xiàn)到處理閉環(huán)過程存在很大的提升空間。

2 常用驅(qū)鳥技術(shù)分析

目前常用的預(yù)防鳥害的技術(shù)主要有：超聲波、電子聲音、視覺、物理方法、驅(qū)鳥劑或幾種方法同時(shí)使用防止鳥害[2]。

2.1 超聲波驅(qū)鳥

超聲波刺激和破壞鳥類的神經(jīng)系統(tǒng)及生理系統(tǒng)，惡化鳥類的生存環(huán)境，將其驅(qū)趕于桿塔之外筑巢，從而保證輸電線路的運(yùn)行安全。超聲波頻率一般在20KHz以上。人耳的聽覺最高約為16-20KHz，人的聽覺系統(tǒng)對超聲波無法產(chǎn)生響應(yīng)。超聲波驅(qū)鳥器的功率不能穿透人體，對人體沒有影響。鳥類難以適應(yīng)不斷變化頻率的超聲波，驅(qū)鳥效果持久。超聲波驅(qū)鳥的特點(diǎn)還有：低電壓、低功耗、性能可靠、使用壽命長、維修量小、適合大面積推廣等。

2.2 電子聲音驅(qū)鳥

聲音驅(qū)鳥器是通過發(fā)出人耳能聽到的聲音，如噪音、鳥的天敵、鳥自身緊張或警告、吸引鳥類天敵等聲音，來刺激鳥的聽覺系統(tǒng)，使鳥感到緊張或恐懼，從而離開所要保護(hù)的區(qū)域。聲音驅(qū)鳥器常在果園，機(jī)場等開闊地使用，居民區(qū)等人員活動(dòng)多的地方較少使用。鳥類容易適應(yīng)驅(qū)鳥器發(fā)出的聲音。語音驅(qū)鳥在不同地區(qū)的使用效果差別較大，不適合大范圍推廣。

2.3 視覺驅(qū)鳥

鳥類對于波長為532nm的綠色激光非常敏感。激光驅(qū)鳥器工作時(shí)發(fā)出一束“棒狀”綠色激光，鳥類猶如看到一根綠色大棒掃射過來，受到驚嚇而恐慌逃跑。該產(chǎn)品主要適用于飛機(jī)場、果園、農(nóng)田等場所的夜間驅(qū)鳥。外界光線低于15000 lux時(shí)，激光驅(qū)鳥器有效。激光驅(qū)鳥器作用點(diǎn)小，價(jià)格較高。利用風(fēng)車式鏡面驅(qū)鳥器反射光線，或高頻強(qiáng)閃光燈驚嚇鳥類，鳥類容易適應(yīng)。

2.4 物理方法

物理方法主要包括驅(qū)鳥刺和引導(dǎo)式驅(qū)鳥等。鳥刺在一個(gè)球冠形底座上安裝若干個(gè)針體，針體呈放射狀分布，使鳥不能落在驅(qū)鳥刺安裝處，從而有效防止鳥害的發(fā)生。在合適位置為鳥類“筑巢”，安裝有一定容量的籃、盆，引導(dǎo)鳥類在固定的位置安家，變堵為疏。但防鳥刺防護(hù)距離有限，有時(shí)鳥會(huì)在防鳥刺上筑巢，且防鳥刺不能過大，以免造成檢修作業(yè)不方便。

2.5 驅(qū)鳥劑

傳統(tǒng)化學(xué)驅(qū)鳥劑不僅毒害鳥類而且污染環(huán)境?，F(xiàn)代驅(qū)鳥劑多數(shù)是綠色無公害生物型，緩慢持久地釋放出一種影響禽鳥神經(jīng)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)的特殊清香氣味，可有效驅(qū)趕，且不傷害鳥類。驅(qū)鳥劑水稀釋液能降解，對人畜無公害，廣泛用于農(nóng)作物、果園、飛機(jī)場等場所。但驅(qū)鳥劑人工布置工作量大，易受雨水影響，對非植物作用有限。

各種驅(qū)鳥技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。鳥害防治必須因地制宜，科學(xué)、生態(tài)、有效的組合使用各種防鳥措施，同時(shí)匹配相關(guān)管理措施，增強(qiáng)技術(shù)措施利用效率。驅(qū)、防、引三者結(jié)合才能最根本的治理變電所鳥害。本文提出基于變電站巡檢機(jī)器人平臺(tái)的超聲波驅(qū)鳥技術(shù)，為變電站建立有效的驅(qū)鳥體系提供有益補(bǔ)充。

3 基于巡檢機(jī)器人的超聲波驅(qū)鳥應(yīng)用

超聲波驅(qū)鳥器通過不斷變化頻率使鳥類難以適應(yīng)，性能可靠，使用壽命長，方便與巡檢機(jī)器人融合?；谧冸娬狙矙z機(jī)器人平臺(tái)，搭載超聲波驅(qū)鳥器進(jìn)行鳥害防治，是預(yù)防電網(wǎng)鳥害事故的有效手段之一。

3.1 驅(qū)鳥系統(tǒng)功能框圖

超聲波驅(qū)鳥功能框圖如圖1所示[3,4]。

巡檢機(jī)器人本體由鋰電池組供電，具備自動(dòng)充電功能，并可通過電源模塊為設(shè)備供電。驅(qū)鳥器不需要自備蓄電池和太陽能電池板。巡檢機(jī)器人本體工控機(jī)通過繼電器組控制驅(qū)鳥器電源。驅(qū)鳥器以單片機(jī)為控制核心，上電后自動(dòng)運(yùn)行。單片機(jī)發(fā)出超聲頻率的脈沖電壓，經(jīng)超聲驅(qū)動(dòng)電路處理后，輸出到超聲探頭形成超聲波。實(shí)時(shí)時(shí)鐘為驅(qū)鳥提供時(shí)間依據(jù)。指示燈用于顯示工作狀態(tài)。巡檢機(jī)器人配備全向型防水拾音器，可以用于探測鳥叫聲，使驅(qū)鳥針對性更強(qiáng)。單片機(jī)讀寫存儲(chǔ)芯片記錄驅(qū)鳥次數(shù)等事項(xiàng)。

圖1 驅(qū)鳥系統(tǒng)功能框圖

3.2 驅(qū)鳥系統(tǒng)工作原理

驅(qū)鳥系統(tǒng)采用推挽式功率放大電路，配合專用的防水超聲波換能器，可將單片機(jī)發(fā)出的高頻脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)換成100 dB以上的超聲波播放出來，刺激鳥類神經(jīng)系統(tǒng)，使其生理紊亂而逃離。驅(qū)鳥系統(tǒng)上電后，持續(xù)10秒鐘發(fā)出6KHz的低頻超聲，同時(shí)指示燈以1秒的間隔閃爍。1分鐘后進(jìn)入工作狀態(tài)，指示燈常亮。驅(qū)鳥系統(tǒng)有定頻和掃頻兩種工作模式，1分鐘切換1次工作模式。單片機(jī)根據(jù)內(nèi)置ADC產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，切換超聲波定頻工作頻點(diǎn)。掃頻工作在20KHz-30 KHz的頻段中循環(huán)，鳥類不易產(chǎn)生適應(yīng)性[5,6]。

巡檢機(jī)器人后臺(tái)通過無線網(wǎng)橋給工控機(jī)下發(fā)巡視命令，控制變電站巡檢機(jī)器人進(jìn)行設(shè)備巡視。在機(jī)器人巡視過程中，工控機(jī)通過繼電器組控制超聲波驅(qū)鳥系統(tǒng)發(fā)射定頻、掃頻超聲波。聲音采集模塊將采集的周圍聲音送入工控機(jī)，工控機(jī)對聲音進(jìn)行鳥叫聲的提取。工控機(jī)可根據(jù)鳥叫信息采取相應(yīng)的驅(qū)鳥策略[7]。

3.3 驅(qū)鳥器適應(yīng)性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人前部裝有超聲波停障裝置，為防止干擾，將驅(qū)鳥器安裝在巡檢機(jī)器人后蓋板上。為使驅(qū)鳥器發(fā)射的超聲波盡可能覆蓋到鳥害高發(fā)位置，包括一般設(shè)備和位置較高的設(shè)備，如鐵塔、門架、阻波器、開關(guān)箱等容易搭建鳥窩的地點(diǎn)，同時(shí)考慮機(jī)器人的行進(jìn)路線與設(shè)備區(qū)的相對位置關(guān)系（巡檢機(jī)器人在變電站道路中間運(yùn)行），將超聲波探頭斜向上方安裝。考慮室外應(yīng)用防水性能要求高及雨水積聚影響超聲波探頭起振等問題，選用防水型超聲探頭，并將超聲波電路板安裝在機(jī)器人本體內(nèi)部。巡檢機(jī)器人安裝驅(qū)鳥器后效果如圖2所示。

圖2 巡檢機(jī)器人安裝驅(qū)鳥器效果圖

3.4 技術(shù)參數(shù)及相關(guān)檢測

本文中巡檢機(jī)器人集成的超聲波驅(qū)鳥器主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 超聲波驅(qū)鳥器主要技術(shù)參數(shù)

為保證超聲波驅(qū)鳥器滿足驅(qū)鳥要求，必須進(jìn)行相關(guān)檢測[8]，主要包括：

1）鳥類實(shí)測。將鴿子等鳥類，裝于籠中飼養(yǎng)并放置在驅(qū)鳥器有效范圍內(nèi)，開啟驅(qū)鳥器。逐日觀察受測鳥類的生活狀態(tài)，是否受到驅(qū)鳥器的影響。受測鳥類的生活狀態(tài)，應(yīng)在驅(qū)鳥器發(fā)揮作用一段時(shí)間后受到不同程度的影響，如進(jìn)食減少、不愛活動(dòng)、落羽、精神萎靡等。

2）鳥巢檢測。將驅(qū)鳥器放置于有鳥類棲息的鳥巢周邊。在生效時(shí)間后，觀測鳥類在該鳥巢的活動(dòng)是否有不愿歸巢、棄巢等情況。表明驅(qū)鳥器能有效抑制鳥類的筑巢、棲息。

3）儀器檢測。用專用檢測設(shè)備在驅(qū)鳥器作用范圍內(nèi)，檢測驅(qū)鳥器正常工作狀態(tài)下發(fā)出的聲波、超聲波的頻率強(qiáng)度等是否達(dá)到預(yù)設(shè)數(shù)值。

4）開關(guān)機(jī)檢測。設(shè)備是否具有運(yùn)行狀態(tài)指示功能。突然斷電或電壓緩慢降低對設(shè)備工作狀態(tài)及性能是否造成損害。

5）侵蝕檢測。設(shè)備外殼能否滿足防護(hù)要求，能否抵御自然狀態(tài)下的風(fēng)雨侵蝕。

本文采用的超聲波驅(qū)鳥器通過以上檢測項(xiàng)目，功能正常，運(yùn)行良好。

4 結(jié)束語

基于巡檢機(jī)器人平臺(tái)，搭載超聲波驅(qū)鳥器進(jìn)行鳥害防治，性能可靠，使用壽命長，安裝簡便，是預(yù)防鳥害的有效手段之一，為變電站多管齊下的立體驅(qū)鳥提供了有益支持。超聲波驅(qū)鳥無須依賴化學(xué)藥物，也不會(huì)犧牲鳥類，滿足生態(tài)化發(fā)展的要求。超聲波頻率高于人耳所能聽到的范圍，不會(huì)影響人類生活，適合大面積推廣。

隨著科技水平不斷提高，各種新型的驅(qū)鳥設(shè)備不斷涌現(xiàn)，鳥害防治措施的升級(jí)也勢在必行。因?yàn)轼B種類繁多，適應(yīng)性強(qiáng)，要有效防止電網(wǎng)鳥害事故，不能僅依靠單一鳥害防治措施，必須根據(jù)不同電壓等級(jí)、不同鳥類，結(jié)合鳥害發(fā)生地點(diǎn)等實(shí)際情況，靈活運(yùn)用各種防鳥措施，才能達(dá)到綜合治理的目的，確保輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1] 田治富,葉明樹,胡慶,等.智能超聲波驅(qū)鳥裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電力電子技術(shù),2011,45(4):106-108.

[2] 童忠輝.輸電線路鳥害特點(diǎn)及防范措施[J].青海電力,2012,31(2):1-3.

[3] 孫昊,丁一岷,金海,等.變電站巡檢機(jī)器人智能驅(qū)鳥系統(tǒng):中國,202819427 [P].2012-10-29.

[4] 孫昊,何焱,楊堂華,等.具有驅(qū)鳥功能的變電站智能巡檢機(jī)器人:中國,202842214 [P].2012-10-29.

[5] 曲芳,楊朋,楊忠禮,等.輸電線路太陽能超聲波驅(qū)鳥裝置的設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù),2011(10):51-53.

[6] 李坤,李成攻.基于多普勒檢測技術(shù)的智能驅(qū)鳥器[J].電子技術(shù),2012,39(4):35-37.

[7] 李功新.輸電線路驅(qū)鳥器的研制[J].電網(wǎng)技術(shù),2006,30(3):94-96.

[8] 陶君茹.一種語言與超聲波一體的智能無線驅(qū)鳥器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].大連:大連海事大學(xué),2011:38-40.