變電站不停電近距離觀察裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

姜凌霄

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司檢修公司，山西太原 030001）

0 引言

根據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程》規(guī)定，隨著電壓等級(jí)的升高，所對(duì)應(yīng)的安全距離也越來(lái)越大[1]，如±800 kV帶電運(yùn)行設(shè)備的安全距離是9.3 m，1 000 kV帶電運(yùn)行設(shè)備的安全距離是8.7 m，500 kV帶電運(yùn)行設(shè)備的安全距離是5 m，220 kV帶電運(yùn)行設(shè)備的安全距離是3 m。為保證人身安全，“超高壓”及“特高壓”設(shè)備離地距離會(huì)非常高，這給高空帶電設(shè)備和高大電氣設(shè)備頂部的故障排查帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)維人員對(duì)帶電設(shè)備巡視過(guò)程中主要會(huì)面對(duì)以下問(wèn)題：第一，人工無(wú)法近距離觀察缺陷，故障定性準(zhǔn)確率低。選擇人工進(jìn)行高空帶電設(shè)備檢查時(shí)通常使用目測(cè)或望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)，但是由于設(shè)備位置過(guò)高或者帶電設(shè)備對(duì)安全距離的要求，在巡視過(guò)程中存在盲區(qū)，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，或者對(duì)故障定性不準(zhǔn)確[2]。究其原因主要是因?yàn)榘踩嚯x大、設(shè)備太高、設(shè)備互相遮擋、缺陷位置由于角度問(wèn)題等無(wú)法近距離觀察。在實(shí)際巡視高空帶電設(shè)備的過(guò)程中，如果帶電設(shè)備高處出現(xiàn)異常時(shí)，運(yùn)維人員無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)查看和記錄，這就造成運(yùn)維人員無(wú)法迅速對(duì)異常設(shè)備做出判斷和分析，很可能在設(shè)備輕微異常時(shí)，做出停電檢修的錯(cuò)誤決策，導(dǎo)致設(shè)備停運(yùn)；或者在設(shè)備異常嚴(yán)重時(shí)，未能快速適當(dāng)?shù)靥幹?，造成缺陷劣化，甚至危及人身和設(shè)備安全。第二，對(duì)高空高壓帶電設(shè)備近距離觀察可能危及人身和設(shè)備安全。如果運(yùn)維人員為了近距離觀察帶電設(shè)備上發(fā)生的缺陷而過(guò)分地靠近帶電設(shè)備，比如低于安全距離的規(guī)定范圍，必然會(huì)發(fā)生放電事故，造成人員傷害和設(shè)備損壞。

為了解決上述問(wèn)題，研發(fā)了一種可以在不停電情況下近距離靠近帶電設(shè)備的電子觀察裝置，下面將詳細(xì)闡述該裝置的功能原理、使用方法和在工作實(shí)際中的應(yīng)用。

1 裝置的組成及其功能原理

不停電近距離觀察裝置由控制模塊（中央處理器和云臺(tái)驅(qū)動(dòng)）、視頻模塊、電源模塊（用于裝置的整體供電）、通信模塊（ESP8266 Wi-Fi無(wú)線數(shù)據(jù)）組成，App操作軟件需要安裝在智能手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的遙控操作[3]。

1.1 裝置控制平臺(tái)

裝置使用專用語(yǔ)言進(jìn)行編程，并在Arduino平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在程序通過(guò)運(yùn)行測(cè)試后，下載進(jìn)控制模塊的中央處理器中。中央處理器對(duì)控制模塊的云臺(tái)2路電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，控制攝像頭云臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng)和左右運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)180°半球面的視角觀察。中央處理器的指令通過(guò)通信模塊（ESP8266 Wi-Fi無(wú)線數(shù)據(jù)）發(fā)射的信號(hào)與手機(jī)App實(shí)現(xiàn)通信[4]，裝置的運(yùn)動(dòng)控制流程如圖1所示，實(shí)物照片如圖2所示。

圖1 裝置控制框圖

圖2 不停電近距離觀察裝置實(shí)物照片

1.2 裝置通信模塊

該裝置的遙控和遙視通過(guò)手機(jī)App客戶端實(shí)現(xiàn)，只需要開(kāi)發(fā)一次手機(jī)App客戶端，即可在任意安卓智能手機(jī)上進(jìn)行安裝，有效節(jié)約了后期遙控器成本。該裝置將數(shù)字圖傳和云臺(tái)遙控創(chuàng)新地結(jié)合在一起，僅需一部手機(jī)即可實(shí)現(xiàn)畫面和云臺(tái)的聯(lián)動(dòng)，此項(xiàng)技術(shù)在電網(wǎng)系統(tǒng)的“第一人稱主視角”字圖傳類產(chǎn)品為首次使用（一般情況下畫面觀看和云臺(tái)遙控是2個(gè)裝置），在技術(shù)創(chuàng)新上有明顯的優(yōu)勢(shì)。裝置通信模塊可以設(shè)定為無(wú)線接入點(diǎn)AP（wireless access point）模式、局域網(wǎng)模式。在AP模式下，裝置通信模塊的ESP8266 Wi-Fi模塊作為熱點(diǎn)發(fā)射2.4 GHz的無(wú)線信號(hào)，手機(jī)連接此Wi-Fi信號(hào)后通過(guò)客戶端App實(shí)現(xiàn)裝置的遙控和遙視。在局域網(wǎng)模式下，可以通過(guò)設(shè)置無(wú)線中繼路由器來(lái)擴(kuò)展信號(hào)，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的傳輸距離，這首先需要在手機(jī)App上進(jìn)行設(shè)置，將通信模塊的ESP8266 Wi-Fi模塊接入無(wú)線中繼路由器。手機(jī)連接無(wú)線中繼路由器后，通過(guò)客戶端App實(shí)現(xiàn)裝置的遙控和遙視。此時(shí)ESP8266 Wi-Fi模塊作為一個(gè)終端模塊使用。由于在AP模式和局域網(wǎng)模式下都是信號(hào)的直連，不涉及外連互聯(lián)網(wǎng)，因此不存在數(shù)據(jù)的泄露和網(wǎng)絡(luò)攻擊問(wèn)題。

1.3 云臺(tái)控制及照明

裝置云臺(tái)使用了2個(gè)LFD-01數(shù)字舵機(jī)，這種舵機(jī)具有防止堵轉(zhuǎn)的功能，即使在云臺(tái)卡澀不能正常運(yùn)作時(shí)，也可以保證舵機(jī)不會(huì)因?yàn)槎罗D(zhuǎn)而燒壞，降低了后期維護(hù)費(fèi)用。云臺(tái)支架使用塑料支架，以盡可能降低質(zhì)量。云臺(tái)與控制模塊外殼連接部位使用鋁合金角片，以增加云臺(tái)舵機(jī)轉(zhuǎn)向強(qiáng)度。LFD-01數(shù)字舵機(jī)可以通過(guò)控制模塊與電腦相連，以確定和重新設(shè)定初始位置。云臺(tái)底部安裝有LED照明燈，在進(jìn)行夜間檢查工作時(shí)，LED照明燈可以為裝置提供照明，185 lm的光通量和45°的照射角度可以保證裝置前方及可視范圍內(nèi)的空間清晰可見(jiàn)，同時(shí)由于LED光源超低的耗電量，在500 mAh的鋰離子電池下可以保證55 min的照明供電。45°的照射角度通過(guò)LED照明燈前方的透鏡實(shí)現(xiàn)，也可以根據(jù)需求，更換為60°或者180°的透鏡。使用陀螺儀夾持主控板，利用陀螺儀穩(wěn)定原理，自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)橫滾軸對(duì)攝像頭進(jìn)行矯正，使得畫面時(shí)刻保持水平，且畫質(zhì)更穩(wěn)定，抖動(dòng)更小。

2 裝置的使用方法和應(yīng)用

裝置主體分為兩部分，一部分為夾持組件，另一部分為攝像頭整體組件。夾持組件由2個(gè)萬(wàn)向節(jié)、1個(gè)快拆夾、1個(gè)穩(wěn)定器組成。攝像頭整體組件由帶云臺(tái)的攝像頭和帶亞克力外殼的主控板組成。使用時(shí)，將快拆夾安裝在絕緣桿上，調(diào)整2個(gè)萬(wàn)向節(jié)的方向，以使穩(wěn)定器背板初始位置處于豎直狀態(tài)。拉開(kāi)穩(wěn)定器上的彈簧夾，將攝像頭整體組件夾持在上面。打開(kāi)裝置電源，程序自檢和啟動(dòng)1 min后，可以正常發(fā)射信號(hào)。2個(gè)云臺(tái)在啟動(dòng)瞬間會(huì)各向自身的左側(cè)旋轉(zhuǎn)30°角，并立即復(fù)位，增加此功能的目的是在開(kāi)機(jī)時(shí)就可以判斷云臺(tái)舵機(jī)是否可以正常使用。長(zhǎng)按穩(wěn)定器側(cè)面電源，穩(wěn)定器啟動(dòng)后1個(gè)藍(lán)燈閃爍，再按一下電源，進(jìn)入二級(jí)穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)2個(gè)藍(lán)燈閃爍，在此狀態(tài)的穩(wěn)定效果反饋更及時(shí)。手機(jī)App啟動(dòng)連接成功后，輸入用戶名和密碼就可以進(jìn)入操作界面。操作界面可以實(shí)現(xiàn)畫面的實(shí)時(shí)觀看，滑動(dòng)屏幕可以遙控云臺(tái)，點(diǎn)擊畫面下方會(huì)彈出功能菜單，可以選擇分辨率、錄像和拍照功能。

將絕緣桿頂端的攝像頭靠近高壓帶電部分的缺陷位置，通過(guò)滑動(dòng)手機(jī)屏幕來(lái)調(diào)整攝像頭云臺(tái)的方向，以便實(shí)現(xiàn)正常觀察。絕緣桿借助變電站內(nèi)已有的驗(yàn)電器或者拉閘桿，既滿足不同電壓的絕緣要求又能滿足定期試驗(yàn)要求，同時(shí)節(jié)約了桿材成本；而使用快拆組件，攜帶方便，組裝方便，不影響驗(yàn)電器或拉閘桿的后續(xù)使用；同時(shí)適應(yīng)多種桿材的使用。

運(yùn)維人員可以通過(guò)手機(jī)App控制無(wú)線遙控云臺(tái)（180°半球面視野），攝像頭可以將畫面實(shí)時(shí)傳輸回手機(jī)屏幕上，使得裝置可以查看到設(shè)備的各個(gè)角落，實(shí)現(xiàn)高空巡視不留死角。在陀螺穩(wěn)定器的作用下，攝像頭可以始終保持水平穩(wěn)定的狀態(tài)，這樣傳輸?shù)绞謾C(jī)App上的畫面也是水平和穩(wěn)定畫面。

使用此裝置可以在設(shè)備不停電的情況下，近距離靠近帶電設(shè)備，拍攝裝置的缺陷，如500 kV主變壓器的頂蓋滲油、500 kV電壓互感器油位、500 kV電流互感器SF6表計(jì)讀數(shù)、220 kV電流互感器防爆膜、35 kV電力電容器漏液等。裝置解決了人員拍攝帶電運(yùn)行高壓電氣設(shè)備時(shí)，不能清晰拍攝滲漏油、放電、破損等缺陷及設(shè)備銘牌的問(wèn)題[5]。使用這種裝置不需要電氣設(shè)備停電，可以在日常的運(yùn)維工作中使用，使運(yùn)維人員保證了與帶電設(shè)備的安全距離，同時(shí)不需要單獨(dú)的遙控器就可以操控?cái)z像頭，能顯著提高工作效率，大幅度減少工作時(shí)間，試驗(yàn)效果好。使用此裝置可以解決運(yùn)維人員在巡視觀察時(shí)的死角問(wèn)題，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患。

3 裝置主要技術(shù)說(shuō)明

a）實(shí)現(xiàn)手機(jī)客戶端App實(shí)時(shí)“遙控”。開(kāi)發(fā)手機(jī)App相較于研發(fā)物理遙控器，可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)一次能在多個(gè)手機(jī)上使用的設(shè)想，降低了后期成本，但是僅限于安卓手機(jī)。用手機(jī)遙控可以實(shí)現(xiàn)畫面和遙控在同一界面，這樣更加方便快捷，符合實(shí)際使用需求。

b）使用陀螺儀穩(wěn)定技術(shù)。該觀測(cè)裝置安裝了陀螺儀穩(wěn)定裝置，穩(wěn)定裝置通過(guò)橫滾軸對(duì)攝像頭進(jìn)行矯正，使得畫面時(shí)刻保持水平，且畫質(zhì)更穩(wěn)定，抖動(dòng)更小。

c）通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“遙視”裝置。在使用過(guò)程中，利用圖傳技術(shù)，最遠(yuǎn)可以將28 m（AP模式）、無(wú)線中繼路由器情況下將90～1 500 m（局域網(wǎng)模式）視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳。

d）2個(gè)自由度遙控云臺(tái)?？梢詫?shí)現(xiàn)180°半球面視野，同時(shí)集中在手機(jī)畫面上進(jìn)行遙控。

e）手機(jī)客戶端具有照相和錄像功能。可以進(jìn)行近距離甚至微距拍攝，將攝像頭第一視角的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)的記錄，方便后期進(jìn)行查看，拍攝的照片和視頻存儲(chǔ)在安裝App的手機(jī)中。

f）使用快拆組件。攜帶方便，組裝方便，不影響驗(yàn)電器或拉閘桿的使用。

g）絕緣桿借助變電站內(nèi)已有的驗(yàn)電器或者拉閘桿，既能滿足不同電壓的絕緣要求又能滿足定期試驗(yàn)要求，同時(shí)節(jié)約了成本，可適應(yīng)兩種桿材的使用。

h）不需要連接外網(wǎng)，信息安全可靠。裝置使用Wi-Fi的頻率傳輸實(shí)時(shí)畫面和遙控信號(hào)，不使用334 MHz的頻率，對(duì)變電站內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備無(wú)干擾。LED光源補(bǔ)光，滿足陰暗角落及夜間照明使用要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

裝置依托“移動(dòng)互聯(lián)”等新技術(shù)應(yīng)用，以變電運(yùn)維人員需求分析為基礎(chǔ)，以“移動(dòng)互聯(lián)”為實(shí)現(xiàn)手段，實(shí)現(xiàn)運(yùn)檢數(shù)據(jù)智能驅(qū)動(dòng)；以智能手機(jī)技術(shù)為作業(yè)基礎(chǔ)，以物聯(lián)網(wǎng)為數(shù)據(jù)流、設(shè)備等生產(chǎn)要素的互聯(lián)基礎(chǔ)，全面推進(jìn)“移動(dòng)互聯(lián)”技術(shù)與現(xiàn)代變電運(yùn)維巡視的深度融合[6]。裝置創(chuàng)新點(diǎn)及先進(jìn)性突出，技術(shù)難度高，首次將“移動(dòng)互聯(lián)”技術(shù)運(yùn)用到超高壓及特高壓的變電運(yùn)維的巡視當(dāng)中；首次使用手機(jī)App同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)線視頻及無(wú)線遙控技術(shù)。該項(xiàng)目曾獲2019年中電聯(lián)全國(guó)QC成果一等獎(jiǎng)，2019年國(guó)網(wǎng)山西省電力公司群眾性科技創(chuàng)新一等獎(jiǎng)。

高壓帶電設(shè)備近距離觀察裝置可以作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的設(shè)備存在，為電力物聯(lián)網(wǎng)提供更加豐富的數(shù)據(jù)，并極大提升變電站運(yùn)行維護(hù)工作的效率[7]。裝置主要解決人工無(wú)法近距離觀察帶電設(shè)備缺陷、故障定性準(zhǔn)確率低的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)高空高壓帶電設(shè)備近距離觀察可能危及人身和設(shè)備安全的問(wèn)題也給出了解決方法，具有非常強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用性。