變電站智能巡檢設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究

魏曉偉，王建偉，李廣淵，馬國義，于文博，劉志國

（1.國網(wǎng)冀北電力檢修公司 變電檢修中心，北京 102488；2.國網(wǎng)冀北電力檢修公司 二次檢修中心，北京 102488；3.北京中飛艾維航空科技有限公司，北京 100176）

0 引 言

變電站設(shè)備運(yùn)行巡檢是變電運(yùn)維日常工作開展的重要組成部分，能夠幫助工作人員及時掌握變電站的最新運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行安全隱患，有效保護(hù)變電站的運(yùn)行安全。目前，隨著電力信息系統(tǒng)的不斷發(fā)展，變電站朝著智能化的方向發(fā)展，其中變電站智能巡檢設(shè)備是其中的一個典型代表，借助地面巡檢設(shè)備、空中巡檢無人機(jī)等先進(jìn)設(shè)備，為整體電力系統(tǒng)運(yùn)行提供了有力保障。文章著重圍繞變電站智能巡檢設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行相關(guān)分析、探討，以期為相關(guān)研究提供一些參考價值。

1 應(yīng)用變電站智能巡檢設(shè)備的必要性分析

眾所周知，電力系統(tǒng)在推動社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮著重要作用，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障問題，都有可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，產(chǎn)生大面積停電問題，為社會生產(chǎn)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。變電站是連接主電網(wǎng)和配電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)施，對其進(jìn)行日常監(jiān)控巡查與維護(hù)，對電力系統(tǒng)運(yùn)行安全而言具有重要意義。傳統(tǒng)的變電站巡視與檢查主要依賴于人工方式，由相關(guān)工作人員依靠個人經(jīng)驗(yàn)簡單的定性判斷分析變電站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。這種方式雖然能夠起到一定效果，但依然存在諸多弊端，例如勞動強(qiáng)度較大、巡檢質(zhì)量較為分散、巡檢手段單一和巡檢效率低下等，并且在實(shí)際進(jìn)行檢測過程中，受人為失誤因素影響，存在一定的不確定性，人工檢測數(shù)據(jù)無法及時、準(zhǔn)確傳輸?shù)焦芾硇畔⑾到y(tǒng)。隨著無人值守模式的推廣，進(jìn)一步加大了變電站巡檢工作人員的工作量，難以有效保證巡檢的到位率、準(zhǔn)確率。此外，高原、偏遠(yuǎn)山區(qū)等地理?xiàng)l件相對較惡劣的地區(qū)，人工巡檢存在一定的安全風(fēng)險；在大風(fēng)、暴雨、暴雪等惡劣天氣下，難以保證變電站巡檢的及時性。為有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)變電站巡檢方式的弊端，滿足人們?nèi)找嫣嵘墓╇娰|(zhì)量安全需求，有必要在變電站巡檢中加強(qiáng)智能設(shè)備的應(yīng)用。通過借助地面巡檢設(shè)備、空中無人機(jī)等先進(jìn)設(shè)備，有效減輕變電站維護(hù)人員的負(fù)擔(dān)，能夠在無人值守或少人值守的變電站巡檢室外高壓設(shè)備，能夠甄別電力設(shè)備的缺陷，發(fā)現(xiàn)其中存在的問題，能夠自動觸發(fā)報警，真正起到減員增效的作用，進(jìn)而有效推動變電站無人值守的發(fā)展進(jìn)程[1]。

2 變電站智能巡檢設(shè)備功能分析

變電站智能巡檢設(shè)備基于實(shí)際巡檢工作需要，應(yīng)具備以下功能。一是檢測功能。該功能實(shí)現(xiàn)需要借助紅外熱像儀、傳感器等設(shè)備，從而能夠及時發(fā)現(xiàn)變電站設(shè)備損傷、發(fā)熱等異常問題，并在傳感器的幫助下，準(zhǔn)確提供各種有效數(shù)據(jù)。二是導(dǎo)航功能。即在該功能的幫助下，智能巡檢設(shè)備能夠根據(jù)事先設(shè)定的巡檢路徑，通過改變導(dǎo)航參數(shù)實(shí)時調(diào)整設(shè)備運(yùn)動狀態(tài)，促使巡檢設(shè)備執(zhí)行起步、行駛、轉(zhuǎn)彎和爬坡等動作，并能夠結(jié)合路面實(shí)際參照障礙物分布，自動規(guī)劃出最佳行使路徑。三是自動報警功能。巡檢設(shè)備發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障后能夠自動發(fā)出警報。四是控制功能。即相關(guān)技術(shù)人員能夠在后臺實(shí)時監(jiān)控巡檢設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并能夠手動遙控智能設(shè)備主體，調(diào)用智能設(shè)備的各種功能，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動；智能巡檢設(shè)備具備數(shù)據(jù)庫功能，能夠?qū)⒀矙z過程中獲得的信息進(jìn)行實(shí)時儲存，方便后臺技術(shù)人員查詢應(yīng)用。五是自動充電功能。智能巡檢設(shè)備一般配備車載蓄電池，充電30 min能夠持續(xù)工作5 h，當(dāng)設(shè)備電量達(dá)到警戒狀態(tài)，能夠自主返回充電。六是清除障礙功能。無人機(jī)作為變電站特殊的“巡檢設(shè)備”，有效擴(kuò)展了變電站巡檢空間，有效提升了變電站智能巡檢水平。例如，高壓線上常常會掛一些塑料袋、孔明燈等垃圾雜物，若處理不及時很可能引發(fā)短路、跳閘等問題。采取常規(guī)的巡檢清除方式，需要經(jīng)歷登塔、掛軟梯、出線等高危作業(yè)環(huán)節(jié)，且清除作業(yè)時間較長，效率低下，而采用無人機(jī)，利用其噴火消缺功能，能夠在幾分鐘內(nèi)完成垃圾障礙清理。無人機(jī)能夠精準(zhǔn)控制噴火位置、噴火量和噴火時間，并且將著火點(diǎn)控制在了400 ℃，高壓線熔點(diǎn)控制在600 ℃以上，在短時間內(nèi)燃燒不會對高壓線造成影響[2]。

3 變電站智能巡檢設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 紅外熱圖像處理技術(shù)

變電站設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過程中會產(chǎn)生各種參數(shù)變化，如負(fù)荷變化、設(shè)備壓力值變化等。在多數(shù)情況下，通過檢測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)判斷是否存在異常，一般通過監(jiān)測其運(yùn)行溫度進(jìn)行確定。智能巡檢設(shè)備巡檢變電站時，圍繞現(xiàn)場設(shè)備，通過利用紅外熱圖像處理技術(shù)，在紅外熱像儀的幫助下獲取設(shè)備溫度特征信息，相應(yīng)信息主要以溫度分布熱成像圖體現(xiàn)；之后，巡檢設(shè)備將熱成圖像信息上傳至終端設(shè)備，并對相應(yīng)信息進(jìn)行智能分析處理，判斷變電站設(shè)備故障。由于變電站現(xiàn)場環(huán)境通常比較復(fù)雜，智能巡檢設(shè)備在實(shí)際監(jiān)測過程中會受到外界各種噪聲信號的干擾，從而對紅外熱圖像灰度值測量效果造成嚴(yán)重影響，不利于提升溫度值計算精度。基于此，為有效改善這一問題，提高溫度計算精度，需要圍繞采集的熱圖像信息，對其做好去燥與增強(qiáng)效果處理。

首先，智能巡檢設(shè)備攜帶的移動攝像機(jī)或電荷耦合元件（CCD）獲取現(xiàn)場監(jiān)控視頻信息后，對熱圖像展開處理，先校正熱圖像顏色信息，并采用相應(yīng)平滑、增強(qiáng)處理等算法，對圖像進(jìn)行去噪處理，使原本的圖像更加真實(shí)清晰，更易識別。其次，利用分割與濾波等算法，對完成降噪處理的熱圖像進(jìn)行提取操作，即先進(jìn)行圖像分割，然后圍繞分割的圖像提出相應(yīng)特征，根據(jù)特征做好分類，定位熱缺陷具體位置，發(fā)送定位信息的同時出發(fā)報警信號。最后，收集整理相關(guān)事故信息，并將其存入后臺數(shù)據(jù)庫。值得注意的是，獲得的紅外圖像信息一般不能直接應(yīng)用，需要經(jīng)過進(jìn)一步處理。文章主要采用混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對相關(guān)圖像進(jìn)行融合計算，使其能夠充分發(fā)揮出應(yīng)有的應(yīng)用價值[3]。

3.2 視覺導(dǎo)航技術(shù)

視覺導(dǎo)航技術(shù)是變電站巡檢設(shè)備在實(shí)現(xiàn)規(guī)劃好的路徑范圍內(nèi)，由設(shè)備系統(tǒng)中攜帶的CCD攝像頭拍攝、提取道路視頻圖像，并識別相關(guān)路徑，引導(dǎo)控制設(shè)備按照規(guī)劃的路徑行駛，最終完成巡檢任務(wù)。因此，整體技術(shù)應(yīng)用的實(shí)時穩(wěn)定性對變電站智能巡檢設(shè)備作業(yè)效果至關(guān)重要?；诖耍恼略O(shè)計了一種基于模糊邏輯的視覺導(dǎo)航技術(shù)方法，運(yùn)用該方法，即使面對光照強(qiáng)度很大的環(huán)境也能起到良好的導(dǎo)航效果。

首先，在事先規(guī)劃好的巡檢路線上鋪設(shè)導(dǎo)引線，利用CCD攝像機(jī)采集相關(guān)視頻圖像信息，并圍繞這些圖像信息應(yīng)用色彩分割法進(jìn)行預(yù)處理。其次，利用形態(tài)學(xué)濾波算法有效祛除圖像干擾，采用B樣條曲面自適應(yīng)擬合算法有效檢測導(dǎo)引線。最后，應(yīng)用模糊邏輯控制算法引導(dǎo)巡檢設(shè)備自動跟蹤導(dǎo)引線，并根據(jù)不斷變化的視覺導(dǎo)航參數(shù)實(shí)時調(diào)整設(shè)備的運(yùn)動狀態(tài)，使其能夠在導(dǎo)引線的指引下按照規(guī)定路線進(jìn)行巡檢作業(yè)[4]。

3.3 路徑規(guī)劃技術(shù)

20世紀(jì)70年代，國內(nèi)外就開始研究設(shè)備移動路徑規(guī)劃問題。從路徑規(guī)劃目標(biāo)角度來看，路徑規(guī)劃主要分為兩種，分別是全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃。對于全局路徑規(guī)劃來說，以地圖信息與任務(wù)信息為依據(jù)，在相關(guān)最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)的引導(dǎo)下，例如路線最短、轉(zhuǎn)彎爬坡次數(shù)最少等，合理規(guī)劃巡檢設(shè)備運(yùn)動路徑。局部路徑規(guī)劃在全局路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上，綜合分析周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)，并向設(shè)備實(shí)時發(fā)出相關(guān)指令信息，控制設(shè)備根據(jù)相關(guān)操作指令行駛運(yùn)行。

傳統(tǒng)的全局路徑規(guī)劃方法需要采用多種算法，如Dijkstra算法、拓?fù)浞?、A算法等；局部路徑規(guī)劃方法實(shí)現(xiàn)也需要采用多種算法，如遺傳算法、模擬退火算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。目前，很多學(xué)者進(jìn)行路徑規(guī)劃時，往往會將多種算法結(jié)合在一起，以便更好地解決相應(yīng)問題。文章在基于Dijkstra算法與模擬退火算法結(jié)合的基礎(chǔ)上，對其應(yīng)用進(jìn)行了改進(jìn)，從而成功求出全局最優(yōu)路徑，并在運(yùn)動控制系統(tǒng)的幫助下，結(jié)合相關(guān)路徑信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能驅(qū)動與控制。

傳統(tǒng)Dijkstra算法在具體應(yīng)用方面，如果遇到大規(guī)模、多路徑節(jié)點(diǎn)狀況，實(shí)際運(yùn)行時會占用大量存儲空間，且相應(yīng)路徑搜索時間會成倍延長。為有效解決這一問題，文章利用一種雙直角坐標(biāo)系的象限劃分方法，從而有效劃分目標(biāo)捜索區(qū)域。具體來說，將目標(biāo)區(qū)域分成四個象限，將路徑搜索起點(diǎn)設(shè)置為A點(diǎn)，終點(diǎn)設(shè)置為B點(diǎn)，并將A點(diǎn)視為原點(diǎn)，判斷B點(diǎn)所在的象限，直接朝著B點(diǎn)所在的象限區(qū)域進(jìn)行搜索，從而有效縮小搜索范圍，避開無關(guān)的象限范圍，有效減小搜索時間與存儲空間壓力。同時，結(jié)合生成的路徑，直接過濾不必要的點(diǎn)，從而得到任意兩個?？奎c(diǎn)之間的最短路徑。

多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，通過采用改進(jìn)后的Dijkstra算法，平均搜索效率提高了87%。為了獲取停靠點(diǎn)之間的最優(yōu)路徑，文章采用模擬退火算法，有效解決了組合優(yōu)化問題。具體來說，圍繞所有?？奎c(diǎn)，對其進(jìn)行隨機(jī)選擇，最終構(gòu)成一個數(shù)據(jù)集合；利用其數(shù)據(jù)序列，用x表示一個解，然后圍繞路徑的總長度，用一個能量函數(shù)E(x)表示；該能量函數(shù)能夠表示x解優(yōu)化程度，函數(shù)值大小與優(yōu)化程度呈反比。隨機(jī)交換兩個停靠點(diǎn)的順序后，會構(gòu)成一個新的數(shù)據(jù)集合，并將其作為一個新的解，用x′表示。新數(shù)據(jù)集合序列的總路徑長度用 E(x′)表示，若 E(x′)＜ E(x)，則接受新解 x，否則在滿足一定概率條件下，接受新解x′，該接受方式遵循Metropolis準(zhǔn)則[5]。

3.4 無人機(jī)巡檢技術(shù)

變電站智能巡檢無人機(jī)系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成。（1）無人機(jī)，負(fù)責(zé)搭載運(yùn)動攝像機(jī)、驅(qū)鳥設(shè)備以及紅外成像儀等，主要部件包括電機(jī)、飛控模塊、電調(diào)、動力電池、GPS模塊、慣性測量單元以及云臺等。（2）地面站，負(fù)責(zé)與無人機(jī)實(shí)施通信，確保遵循設(shè)定航跡和具體時間開展飛行。借助地面站相關(guān)程序，即可制訂無人機(jī)巡視的具體策略，并結(jié)合無人機(jī)配備的飛行模塊、GPS模塊以及慣性測量單元等，設(shè)定無人機(jī)航行路線。（3）運(yùn)動攝像機(jī)，負(fù)責(zé)檢查變電站配備的內(nèi)斷路器和隔離開關(guān)等相應(yīng)的分合閘位置，并判斷設(shè)備運(yùn)行實(shí)際工況。運(yùn)動攝像機(jī)可采用1 200萬像素，采用30 Mb/s的傳輸效率，以AV接口作為數(shù)據(jù)傳輸口。（4）紅外成像儀，負(fù)責(zé)對變電設(shè)備實(shí)施相應(yīng)的紅外成像，借助設(shè)備溫度間接判斷設(shè)備運(yùn)行工況，諸如絕緣性和導(dǎo)電性等。通常情況下，可采用致冷型紅外成像儀，將測量范圍控制在-40～550 ℃，采用USB接口作為數(shù)據(jù)傳輸口。（5）驅(qū)鳥器，負(fù)責(zé)驅(qū)逐變電站中棲息的鳥類，避免鳥巢及各種鳥類導(dǎo)致短路事故。可采用多模式驅(qū)鳥器，通常采用聲光驅(qū)鳥模式和超聲波驅(qū)鳥模式。驅(qū)鳥器借助切換開關(guān)可切換驅(qū)鳥模式。驅(qū)鳥器采用1.5 V干電池，并借助支架在無人機(jī)機(jī)架上進(jìn)行固定。

4 結(jié) 論

綜上所述，相對于傳統(tǒng)的以人工為主的變電站巡檢法，變電站智能巡檢方式更加靈活，能夠有效減輕運(yùn)行人員的工作負(fù)擔(dān)，某種程度上還能夠減少安全事故的發(fā)生概率，避免人為失誤帶來的影響，更有助于實(shí)現(xiàn)變電站運(yùn)行維護(hù)一體化。相關(guān)人員需要提高應(yīng)用變電站智能設(shè)備員巡檢的重視程度，加強(qiáng)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新研究，有效提高巡視質(zhì)量，推動變電站智能建設(shè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)展。