變電站設(shè)備巡檢中無人機(jī)的應(yīng)用與探析

李海春+王立成+李治國(guó)

摘要：變電站作為電網(wǎng)樞紐它的運(yùn)行質(zhì)量與整個(gè)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行息息相關(guān)，因此必須進(jìn)行定期巡視以確保其設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。隨著科技進(jìn)步和電力體制改革的不斷深入和發(fā)展，電力系統(tǒng)自動(dòng)化程度已有了很大提高，無人機(jī)技術(shù)的運(yùn)用，能夠很好的完成電力巡檢和建設(shè)規(guī)劃任務(wù)。為此文章就變電站無人機(jī)智能巡檢在變電站主要發(fā)揮的作用和基本原理進(jìn)行了探討，不足之處敬請(qǐng)各位同仁批評(píng)指正。

關(guān)鍵詞：無人飛行器；變電站；巡檢；工作模式；分析

1 引言

如今變電站無人值班模式在電力系統(tǒng)的廣泛推行，出現(xiàn)機(jī)構(gòu)精簡(jiǎn)、工作量加大的現(xiàn)實(shí)問題。加之傳統(tǒng)的巡檢任務(wù)范圍廣、工作量大、及其重復(fù)性，很容易導(dǎo)致一部分巡檢人員產(chǎn)生厭煩心理，巡檢工作不到位。變電站無人值班模式的進(jìn)展，在一定程度上還存在因無人在現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)監(jiān)視、巡視而帶來的一系列問題，甚至留下安全運(yùn)行隱患。隨著國(guó)家電網(wǎng)公司無人機(jī)巡檢技術(shù)的逐步深化應(yīng)用，無人機(jī)應(yīng)用到變電站巡檢中可大大提高電力維護(hù)和檢修的速度，代替人工攀爬巡檢，使許多工作能在完全帶電的環(huán)境下迅速完成，確保了用電安全。而且可將運(yùn)維人員從繁重的巡視工作中解放出來，投入到運(yùn)維一體及設(shè)備診斷分析工作中去，從而提高運(yùn)維工作效率，本文針對(duì)變電站設(shè)備巡檢無人機(jī)的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了探析。

2 無人機(jī)巡檢系統(tǒng)介紹

2.1基本原理及其優(yōu)勢(shì)

無人機(jī)行業(yè)是集多種學(xué)科，多種領(lǐng)域于一身的新型高科技行業(yè)。對(duì)于跨度極大的輸電走廊及多山地帶的電力線路的檢修和巡線，四軸飛行器有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，尤其是在惡劣天氣下，無人四軸可以對(duì)災(zāi)害高發(fā)地帶進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，并時(shí)時(shí)傳回現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。同時(shí)小型的無人四軸飛行器還可以應(yīng)用于核電站等高危場(chǎng)所的安檢排查工作，而在復(fù)雜地形下有足夠升力的無人機(jī)可以為電力線路的架設(shè)提供極大方便。另外在無線輸電技術(shù)成熟之后，四軸飛行器與無線輸電技術(shù)的結(jié)合將徹底解決無人機(jī)的動(dòng)力供應(yīng)問題。

2.2智能巡檢無人機(jī)的視覺導(dǎo)航結(jié)構(gòu)

①要具備圖像采集分析功能。由于搭載了多項(xiàng)檢測(cè)設(shè)備，例如它的可見光CCD就能采集可見光圖像，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)備外觀檢查，發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異物懸掛、銹蝕等異常現(xiàn)象。而紅外熱像儀也能記錄設(shè)備開關(guān)閘刀與斷路器的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際位置，包括油位計(jì)位置、表計(jì)讀數(shù)等。另外，紅外熱像儀對(duì)人工檢測(cè)時(shí)設(shè)備的熱缺陷捕捉非常靈敏，能夠通過紅外測(cè)溫來明確設(shè)備溫度是否異常。

②要具備無線傳輸功能。智能巡檢無人機(jī)在采集視頻信號(hào)與音頻信號(hào)時(shí)必須首先進(jìn)行智能預(yù)處理行為，并將采集信號(hào)傳輸給變電站監(jiān)控管理中心。另外，無人機(jī)也會(huì)接收到來自于監(jiān)控管理中心的各項(xiàng)控制命令，所以巡檢機(jī)器本體與后臺(tái)監(jiān)控中心是時(shí)刻保持無線通訊及傳輸功能狀態(tài)的。

③要具備視覺導(dǎo)航定位功能。視覺導(dǎo)航定位也是本文探討的重點(diǎn)。巡檢機(jī)器可以按照視覺導(dǎo)航預(yù)先規(guī)劃好的軌跡行進(jìn)，這也包括直行、停止、拐彎等動(dòng)作。當(dāng)機(jī)器到達(dá)指定位置需要進(jìn)行車身調(diào)節(jié)時(shí)，它就會(huì)實(shí)施可見光CCD旋轉(zhuǎn)、紅外線角度調(diào)節(jié)、電氣仰俯角度調(diào)整等等動(dòng)作，保持最佳設(shè)備拍攝位置。

3 變電站巡視無人機(jī)方案設(shè)計(jì)

3.1無人機(jī)整體系統(tǒng)組成

智能巡檢無人機(jī)通過定期巡檢變電站設(shè)備來實(shí)現(xiàn)變電站正常運(yùn)維，它的巡檢目標(biāo)主要是通過機(jī)器自身視覺、無線通訊與人工智能功能來實(shí)現(xiàn)自主規(guī)律性巡檢，達(dá)到提高變電站巡檢工作自動(dòng)化程度與工作效率的目的。

無人機(jī)與巡視機(jī)器人在本質(zhì)上都是為各種電力檢測(cè)設(shè)備提供一個(gè)移動(dòng)式平臺(tái)，因此對(duì)于無人機(jī)在變電站中的應(yīng)用也可以借鑒巡視機(jī)器人的思路，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的擴(kuò)展。考慮到無人機(jī)在空中飛行，與地面機(jī)器人相比更適合于搭載驅(qū)鳥設(shè)備進(jìn)行驅(qū)鳥工作。因此可以將驅(qū)鳥器、可見光攝像頭和紅外攝像頭運(yùn)用于無人機(jī)上。整體系統(tǒng)包括五大部分。

①無人機(jī)。用于搭載運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)、紅外成像儀及驅(qū)鳥器，部件包括電機(jī)、電調(diào)、飛控模塊、慣性測(cè)量單元、CPS模塊、動(dòng)力電池、電源管理模塊、遙控圖傳一體化模塊、云臺(tái)等。飛行器部分可采用四軸飛行器，450mm碳纖維機(jī)架。

②地面站。用于與無人機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)按照設(shè)定的航跡及時(shí)間進(jìn)行自主定時(shí)飛行。通過地面站中的程序即可設(shè)定無人機(jī)的巡視策略，具體包括巡視周期和一天之中具體的巡視時(shí)間，并與無人機(jī)上的飛控模塊、慣性測(cè)量單元、CPS模塊配合，設(shè)定無人機(jī)自主航行的路線。

③運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)。用于對(duì)變電站內(nèi)斷路器、隔離開關(guān)等設(shè)備的分合閘位置及各類設(shè)備外觀進(jìn)行檢查，以判斷設(shè)備的運(yùn)行工況。運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)像素可采用1200萬，數(shù)據(jù)傳輸速率為30M/s，數(shù)據(jù)傳輸接口采用AV接口。

④紅外成像儀。用于對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行紅外成像，通過設(shè)備溫度間接判斷其導(dǎo)電性和絕緣性等運(yùn)行工況。紅外成像儀應(yīng)采用致冷型紅外成像儀，測(cè)量范圍為-40～550℃，支持變焦，放大率為2-4X，最大分辨率為2℃，數(shù)據(jù)傳輸接口為USB接口。

⑤驅(qū)鳥器。用于驅(qū)逐變電站中的鳥類，防止電力設(shè)備因鳥類或鳥巢造成短路事故。具體可采用多模式驅(qū)鳥器，包括聲光及超聲波2種驅(qū)鳥模式。驅(qū)鳥器光線部分采用532nm的棒狀綠色激光，聲音部分可自定義加載音頻，超聲波部分采用的頻段為16～25kHz。驅(qū)鳥器可通過切換開關(guān)對(duì)具體驅(qū)鳥模式進(jìn)行切換，驅(qū)鳥器為獨(dú)立供電，即通過1.5V干電池進(jìn)行供電，并通過支架固定于無人機(jī)機(jī)架上。

3.2 變電站無人機(jī)巡檢需要注重的幾個(gè)方面

由于變電站巡視與輸電巡線在具體工作環(huán)境上特點(diǎn)不同，因此在飛行器未來的研究方向上也會(huì)有不同的側(cè)重點(diǎn)。對(duì)于變電站巡視無人機(jī)，需要著重注意以下幾點(diǎn)

①安全性研究。變電站中各種高壓帶電設(shè)備布局復(fù)雜，且隨著生產(chǎn)用地日趨緊張，未來變電站建設(shè)都將朝著緊湊化的方向發(fā)展。這種情況下，如何保證飛行器在空間狹小的高壓帶電場(chǎng)所安全飛行就是一個(gè)急需解決的問題。目前的基本思路是在飛行器的巡航路線上規(guī)避此類風(fēng)險(xiǎn)，比如在帶電場(chǎng)區(qū)外圍限高飛行等。

②精準(zhǔn)定位與控制技術(shù)研究。精準(zhǔn)控制技術(shù)對(duì)于飛行器具有至關(guān)重要的意義。同時(shí)，精準(zhǔn)控制技術(shù)還將對(duì)飛行器其它頂層功能的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生重大影響，如避障功能、自動(dòng)充電功能等都有賴于精準(zhǔn)控制的實(shí)現(xiàn)。目前消費(fèi)級(jí)無人機(jī)多采用CPS技術(shù)和超聲波技術(shù)進(jìn)行定位，而這2種技術(shù)均存在較大的測(cè)量誤差，制約控制精度的進(jìn)一步提高。由于飛行器與機(jī)器人在定位技術(shù)上具有一定的共通之處，因此未來對(duì)飛行器定位技術(shù)的研究可以借鑒機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)，而飛行器定位技術(shù)的發(fā)展反過來也將促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。

③電源技術(shù)研究。目前電池仍是制約飛行器性能提高的瓶頸，主要問題在于缺少充電時(shí)間短、體積小、重量輕、容量較大、使用壽命較長(zhǎng)的電池。電池的充電時(shí)間和容量直接影響飛行器使用的便捷性，而體積及重量則限制了飛行器對(duì)其它檢測(cè)設(shè)備的搭載能力。

4 結(jié)語

電力系統(tǒng)是一個(gè)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜、對(duì)可靠性要求特別高的自動(dòng)化系統(tǒng)，它運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性將會(huì)關(guān)系到社會(huì)民生的安全，所以需要新材料以及新技術(shù)的支撐。變電站為電力系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)之一，無人機(jī)在電力變電巡檢中的應(yīng)用具有十分重要的意義，將大大提高電力系統(tǒng)自動(dòng)化程度，同時(shí)減少運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高設(shè)備巡檢質(zhì)量。隨著變電站維護(hù)需求的不斷提升，我們還需要結(jié)合無人機(jī)的特點(diǎn)，借鑒并吸收其它行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)和做法，從而促進(jìn)電力行業(yè)的技術(shù)發(fā)展。

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