輸電線路人機協(xié)同立體巡檢系統(tǒng)設(shè)計

卞蓓蕾，江 炯，劉 鵬

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315100）

0 引言

中國長距離輸電線路眾多，基層巡檢作業(yè)負擔(dān)重、運檢成本較高。近年來電網(wǎng)輸電（電纜）線路規(guī)模增長迅速，以寧波市為例，高壓電纜近3年的年均增長率達到12.17%，架空線路近3 年的年均增長率達到5.2%。多回密集通道顯著增加，存在通道“1-N”風(fēng)險和線路“N-1”風(fēng)險。傳統(tǒng)的輸電線路人工巡檢運行方式已不能滿足電網(wǎng)安全工作要求。

隨著“大云物移智”新技術(shù)迭代更新，360°高清可變焦監(jiān)控裝置、高清夜視裝置、輸電線路專用巡檢無人機、架空地線巡檢機器人、特殊車輛北斗定位裝置、振動感應(yīng)地釘、移動巡檢終端等高端裝備大量配置到人員和現(xiàn)場，機器代人已成為未來巡檢必然趨勢。在此基礎(chǔ)上，電網(wǎng)公司對無人機自動巡檢系統(tǒng)、移動巡檢工作模式等進行了大量研究，取得了較大進展，很多單位在無人機自動化巡檢應(yīng)用、電纜隧道綜合監(jiān)控、圖像識別缺陷診斷、手持終端巡檢裝置使用等方面進行了廣泛探索，但在一線班組實際應(yīng)用過程中，仍然存在著如下需要解決的難題［1-5］：

1）新裝備配置過程中，機器巡檢質(zhì)量良莠不齊，且版本迭代頻繁，常因機器巡檢質(zhì)量不高，一線班組機巡、人巡同時開展，增加了運檢成本，亟需建立實操環(huán)境下的機器巡檢質(zhì)量評估與測試模型［6］。

2）實際工作中，新裝備配置種類、數(shù)量不同，對巡檢區(qū)域、巡檢項目覆蓋率不同，一線班組人機協(xié)同策略較為復(fù)雜，往往需要安排專人進行管理，亟需建立統(tǒng)一管理后臺，通過典型場景建設(shè)，形成自動任務(wù)派發(fā)計算模型［7-8］。

3）大量新裝備配置后，一方面極大方便了數(shù)據(jù)采集，豐富了數(shù)據(jù)來源，另一方面也對原有的輸電設(shè)備管理機制帶來了沖擊，同時新裝備本身的健康狀態(tài)管理也成為必須解決的問題，亟需建立狀態(tài)評估與跟蹤模型［9-11］。

本文梳理輸電、電纜線路及通道的各類新裝備，在寧波部分區(qū)域建設(shè)實踐示范區(qū)，建立實驗驗證算法，構(gòu)建統(tǒng)一管理后臺，設(shè)計基于人機協(xié)同的輸電線路立體巡檢系統(tǒng)，解決了上述問題。

1 總體架構(gòu)

輸電線路立體巡檢系統(tǒng)嘗試通過深化前端感知設(shè)備數(shù)據(jù)交互、智能聯(lián)動，進行輔助狀態(tài)研判、巡檢策略智能生成，探索實現(xiàn)輸電線路數(shù)字化運檢。系統(tǒng)整體遵從感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、應(yīng)用層的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，感知層采集人工巡檢、無人機終端巡檢、前端在線裝置監(jiān)測數(shù)據(jù)等通過網(wǎng)絡(luò)層傳輸至數(shù)據(jù)池，在平臺層經(jīng)過數(shù)據(jù)可信度評估、應(yīng)用場景分析、巡檢策略優(yōu)化等形成巡檢策略，傳達至應(yīng)用層，用于無人機巡檢計劃執(zhí)行、在線監(jiān)測采集周期調(diào)整、人工巡檢任務(wù)派單等。此系統(tǒng)在硬件設(shè)計上，與現(xiàn)行研究差異不大，本文研究重點為平臺層工作邏輯建設(shè)，即關(guān)鍵模型設(shè)計與驗證。

輸電線路立體巡檢系統(tǒng)平臺層包含兩種工作模式，如圖1所示，模式一為前端感知裝置可信度測試模式，定期采集分析前端感知層裝置數(shù)據(jù)，通過預(yù)設(shè)模型開展裝置可信度評估，是立體巡檢系統(tǒng)工作基礎(chǔ)。模式二為巡檢工作生產(chǎn)管理模式，在前端裝置數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)上，通過典型工作場景判定，制定并下達人工巡視任務(wù)、無人機巡檢周期、在線監(jiān)測裝置采集及投退策略。

圖1 輸電線路立體巡檢系統(tǒng)平臺層工作模式

2 感知層裝置可信度評估模型

平臺層以半年為周期，開展感知層裝置可信度校驗。圍繞輸電線路、通道巡檢項目，建立前端感知裝置與人工巡檢數(shù)據(jù)池，采集數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)集D1、人工巡檢數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)集D2、立體巡檢感知層數(shù)據(jù)集D、有效數(shù)據(jù)Dval，D=D1+D2。當(dāng)Dval=D時，立體巡檢效率最高，即人機協(xié)同效率最高，其取決于兩個因素：一是D1與D2數(shù)據(jù)來源項目重合度，即機器代人程度；二是D1與D2數(shù)據(jù)結(jié)果一致性，即機器代人可靠性。

表1所示為部分巡檢項目通過建立立體巡檢示范區(qū)按項目開展數(shù)據(jù)統(tǒng)計驗證。根據(jù)數(shù)據(jù)應(yīng)用場景，設(shè)置可接受偏差度，當(dāng)機器巡檢與人工巡檢結(jié)果偏差度低于要求值時，采用機巡數(shù)據(jù)，反之，采用人工巡檢數(shù)據(jù)，即：

表1 輸電線路巡檢項目舉例

式中：Px為人巡、機巡未重合項目；Pi為某人巡、機巡重合項目產(chǎn)生的數(shù)據(jù)；i為巡檢項目編號；n為機巡、人巡重合項目總數(shù)量；和分別為該項目機巡、人巡產(chǎn)生的數(shù)據(jù)；θi為機巡與人巡偏差率；為設(shè)定的該項目可接受偏差率。

當(dāng)和返回數(shù)據(jù)為數(shù)值型時，直接代入公式計算，例如紅外測溫所得值。當(dāng)和返回數(shù)據(jù)為圖像、視頻等非數(shù)值型數(shù)據(jù)時，為人工巡視缺陷判斷結(jié)果，則存在兩種情況，一是圖像識別與診斷技術(shù)成熟時，后臺對缺陷判斷結(jié)果；二是圖像識別經(jīng)人工輔助判斷后返回的結(jié)果，在偏差率評估時，由專家組對和質(zhì)量分別評分，進行計算。

1個月內(nèi)，各項目機器巡視與人工巡視分別采集數(shù)據(jù)100次，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 巡檢項目機巡、人巡偏差度評估

在實際使用中，可通過該方法對感知裝置進行定期評估，根據(jù)對不同項目可接受偏差度要求，選擇機巡或人巡策略。

3 立體巡檢決策模型

3.1 立體巡檢典型場景

感知層裝置評估完成后，在平臺層中設(shè)置五種典型巡檢場景。根據(jù)不同場景要求，設(shè)置各巡檢項目可接受偏差率，則人機協(xié)同最優(yōu)巡檢策略T由應(yīng)用層管理后臺作業(yè)計劃模塊派發(fā)至班組移動作業(yè)終端，機器巡檢項目根據(jù)管理平臺指令自行啟動［12］。五種典型巡檢場景如下：

1）常規(guī)巡檢場景。根據(jù)常規(guī)巡檢項目特點，設(shè)定可接受偏差率，見表3，結(jié)合基礎(chǔ)策略、特殊區(qū)域維護、無人機禁飛區(qū)管理、電纜隧道（管廊）前端機器配置情況，生成人員、無人機、全景可視裝置、隧道機器人協(xié)同巡檢策略，根據(jù)巡檢策略自動生成巡檢年計劃、月計劃以及周計劃，每半年根據(jù)式（1）開展一次偏差率校驗，則：

式中：Tx為人巡、機巡未重合項目；n為機巡、人巡重合項目總數(shù)量。

巡檢執(zhí)行中，前端裝置和人員執(zhí)行已生成的巡檢計劃如圖2所示，在計劃生成后，無人機通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)應(yīng)用進行巡檢，人員、全景可視裝置、隧道機器人等工作流程與無人機一致。

圖2 前端裝置工作示例——無人機終端巡檢流程

2）跳閘處置場景。挑選機巡策略集合，通過分布式故障診斷裝置，監(jiān)控線路故障電流及波形，形成故障定位與雷電分析初判結(jié)果，在預(yù)叛故障區(qū)段執(zhí)行特殊巡視策略，如表3所示，由應(yīng)用層管理平臺派發(fā)至機巡終端、人巡終端，特殊巡檢項目根據(jù)設(shè)定順序依次觸發(fā)，即：

式中：m為跳閘處置場景下機巡策略集合中巡檢項目數(shù)量。

3）災(zāi)害預(yù)警場景。接入覆冰預(yù)測與預(yù)報、臺風(fēng)預(yù)警監(jiān)測兩類監(jiān)測數(shù)據(jù)，預(yù)警后啟動特定巡檢策略集合，如表3所示。覆冰預(yù)警時，進入實時監(jiān)測狀態(tài)，根據(jù)微氣象數(shù)據(jù)、覆冰拉力數(shù)據(jù)、導(dǎo)線溫度數(shù)據(jù)、圖像監(jiān)測、氣象預(yù)報等分析72 h 預(yù)測覆冰厚度、覆冰環(huán)境持續(xù)時長、覆冰厚度估算、覆冰拉力增長率等數(shù)據(jù)，提供實時數(shù)據(jù)和圖像支撐。臺風(fēng)預(yù)警時，通過分析臺風(fēng)氣象信息、電網(wǎng)運行信息、在線監(jiān)測、最新應(yīng)急準備情況、臺風(fēng)影響與對應(yīng)歷史數(shù)據(jù)等大數(shù)據(jù)，預(yù)測分析臺風(fēng)對電網(wǎng)影響以及應(yīng)急準備需求，開展抗臺應(yīng)急措施和力量調(diào)配［13］，即：

表3 立體巡檢典型場景舉例

式中：m′為災(zāi)害預(yù)警場景下機巡策略集合中巡檢項目數(shù)量。

4）安全監(jiān)護場景。適用于隧道（管廊）內(nèi)應(yīng)急逃生，接入消防告警監(jiān)測數(shù)據(jù)，消防啟動后，隧道內(nèi)全景可視裝置判斷人員位置，通過聲光裝置在全隧道（管廊）通報危險情況，播音器引導(dǎo)人員撤離，啟動應(yīng)急燈、應(yīng)急報警裝置，確認隔離區(qū)間無人后，自主關(guān)閉防火門，阻斷危險源。

5）擴展應(yīng)用場景。根據(jù)特殊需求制定巡檢策略集，滿足擴展應(yīng)用需要，例如聯(lián)動架空線路載流量，通過視頻采集線路弧垂、導(dǎo)線張力等，探索線路載流裕度；聯(lián)動電纜線路載流量，通過采集電纜內(nèi)置測溫儀數(shù)值、電纜接地環(huán)流、電纜局放數(shù)值，探索電纜載流裕度。

3.2 輸電設(shè)備、前端裝置狀態(tài)評估

在式（2）基礎(chǔ)上，輸電設(shè)備、前端裝置通過巡檢數(shù)據(jù)進行狀態(tài)評估，評估數(shù)據(jù)來源包含實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)。評估結(jié)果分為兩種情況，狀態(tài)正常則巡檢策略執(zhí)行正常周期，狀態(tài)異常執(zhí)行特殊巡檢周期。

3.2.1 輸電設(shè)備狀態(tài)動態(tài)評估

如圖3 所示，感知層監(jiān)測數(shù)據(jù)聯(lián)動設(shè)備臺賬、帶電檢測數(shù)據(jù)、停電試驗數(shù)據(jù)等多維度指標，形成數(shù)據(jù)池，建立診斷模型。在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與規(guī)程值相比，超出預(yù)警值的判定為異常，多個類型在線監(jiān)測數(shù)據(jù)告警情況相互驗證，形成狀態(tài)評估結(jié)果，根據(jù)評估結(jié)果調(diào)整監(jiān)測周期。以電纜設(shè)備為例，一是電纜高頻局放、光纖測溫、紅外測溫、接地環(huán)流、內(nèi)置式測溫等在線監(jiān)測定期與規(guī)程規(guī)定值比對、與歷史值縱向比對，形成評估報告；二是根據(jù)評估報告，自行調(diào)整監(jiān)測周期，并進行各在線監(jiān)測數(shù)值間的多源驗證；三是聯(lián)動管理后臺巡視周期模塊，以設(shè)備狀態(tài)評估結(jié)果為依據(jù)，動態(tài)調(diào)整巡視周期。

圖3 輸電設(shè)備狀態(tài)動態(tài)評估

3.2.2 前端監(jiān)測裝置狀態(tài)動態(tài)評估

如圖4所示，前端監(jiān)測裝置設(shè)定自檢程序，自檢異常的進入退出運行狀態(tài)。自檢正常的，設(shè)定前端監(jiān)測裝置狀態(tài)評估模型，與最近一次人工巡檢數(shù)據(jù)相比，不超過設(shè)定可接受偏差率為正常，可繼續(xù)運行，超過則進入退出運行狀態(tài)。以電纜隧道監(jiān)測裝置為例，一是通過邊緣計算中心設(shè)定在線監(jiān)測裝置、環(huán)境監(jiān)測裝置、環(huán)境控制裝置、消防監(jiān)測裝置、消防控制裝置、巡檢機器人、視頻監(jiān)控、安防監(jiān)測裝置、安防控制裝置等定期自檢。二是聯(lián)動帶電檢測模塊，自行反向校驗在線監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，自主控制在線監(jiān)測設(shè)備投退。三是聯(lián)動集中監(jiān)控平臺班組計劃模塊，自主生成異常裝置檢修計劃。

圖4 前端監(jiān)測裝置狀態(tài)動態(tài)評估

3.3 輸電通道自主巡檢

在式（1）基礎(chǔ)上，通過壓縮Px、減小θi或適當(dāng)提高θi′，可以在通道巡檢上最大化實現(xiàn)機器代人。通過智慧感知系統(tǒng)的安裝與完善，加強對輸電通道的實時感知控制，進一步優(yōu)化通道巡檢策略［14-16］。

3.3.1 線路通道自主巡檢

1）架空線路通道自主巡檢功能設(shè)計

從日夜間可視化自主巡檢、特殊危險點防外破監(jiān)測、無人機自主巡檢三個維度進行功能設(shè)計，如圖5所示。一是利用具備360°全景可視、星光夜視能力的圖像視頻等可視化裝置，輔以圖像智能識別技術(shù)，實現(xiàn)重要輸電線路通道全景可視。500 kV架空輸電線路實現(xiàn)逐塔可視，220 kV及以下架空輸電線路的“三跨”等重要跨越區(qū)段、機械外破區(qū)段等特殊區(qū)段實現(xiàn)通道可視。二是開發(fā)智能防外破功能模塊，通過建立基于GIS 的線路電子地圖，在線路周圍設(shè)置電子圍欄。將北斗定位防外破裝置安裝到吊機、灌漿車等特種車輛上，通過北斗衛(wèi)星定位實時掌握特種車輛位置，越線告警推送，實現(xiàn)輸電線路由“人防”到“技防”，由被動防控到主動預(yù)警。三是開展無人機自主巡檢。建立基于高精度定位和三維點云模型自主航線庫，推進航線自動生成與調(diào)用、一鍵作業(yè)及標準化巡檢拍攝、精準返航等功能實用化，實現(xiàn)適航區(qū)域500 kV 及以上線路點云數(shù)據(jù)、自主巡檢航線全覆蓋?；谧冸娬?變電站建設(shè)全方位遠程自主起降的無人值守機巢，搭配長航時無人機，實現(xiàn)輸電線路通道、桿塔遠程自主巡檢和應(yīng)急處置。

圖5 架空線路通道自主巡檢

2）常規(guī)電纜通道自主巡檢功能設(shè)計

從常規(guī)電纜通道外部可視化、特殊危險點防外破監(jiān)測、工井異動監(jiān)測三方面進行功能設(shè)計，如圖6所示。利用通道可視化裝置，一是對電纜通道進行實時監(jiān)控及定點、定時抓拍照片留檔，每日通過視頻遠程巡檢電纜通道狀況。二是實現(xiàn)電纜通道危險點智能管控。當(dāng)電纜通道保護區(qū)出現(xiàn)大型機械施工時，聯(lián)動智能地釘、電子樁、可視化裝置等，確認告警信息并及時推送告警，后臺聯(lián)動通道可視化裝置，進行拍照或視頻取證推送。三是實現(xiàn)防盜自主告警。當(dāng)電纜工作井蓋板被非法開啟時，聯(lián)動工井防異動裝置，告警信息及時推送，并通過可視化裝置拍照取證，實現(xiàn)防盜智能告警。使普通通道巡檢從有人員駐守模式轉(zhuǎn)變?yōu)闊o人巡檢模式，有效減少作業(yè)人員投入。

圖6 常規(guī)電纜通道自主巡檢

3）電纜隧道（管廊）自主巡檢功能設(shè)計

將巡檢機器人與電纜本體狀態(tài)監(jiān)測、隧道環(huán)境監(jiān)測、視頻監(jiān)控聯(lián)動，進行功能設(shè)計，如圖7所示。利用高性能巡檢機器人聯(lián)動在線監(jiān)測裝置、環(huán)境監(jiān)測設(shè)備、視頻動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)及安防系統(tǒng)等，針對隧道內(nèi)電纜本體、附屬設(shè)備、附屬設(shè)施等對象，巡檢機器人按例行巡檢計劃、故障巡檢、臨時巡檢等任務(wù)沿軌道移動，并進行高清視頻及圖像記錄，發(fā)現(xiàn)異?？上蚬芾砗笈_發(fā)出警告，并自動記錄報警信息，后臺可隨機調(diào)取電纜運行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，判斷是否出現(xiàn)險情。巡檢機器人對隧道內(nèi)電纜本體及其附屬設(shè)備、設(shè)施進行紅外圖像數(shù)據(jù)采集，分析各類檢測點溫度是否異常并自動生成任務(wù)報表，發(fā)生異常時可自主告警。利用隧道巡檢機器人實現(xiàn)自動與手動巡檢、紅外熱成像采集、雙向語音、自檢與自充電、主動報警、巡檢報告自動生成等功能，使電纜隧道的巡檢工作從傳統(tǒng)的“人工巡視+帶電檢測”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皺C器巡視+監(jiān)測驗證”。

圖7 電纜隧道（管廊）自主巡檢

3.3.2 通道自主巡檢策略優(yōu)化

架空線路通道巡檢方面，通過無人機、可視化和智能防外破設(shè)備，調(diào)整人工巡檢的周期和要求。到位巡檢由人工巡檢開展，每月一次。通道巡檢為無人機巡檢，每月一輪，可視化巡檢每小時一輪，人工巡檢每周一次。保電巡檢根據(jù)保電等級增加可視化巡檢。危險點巡檢根據(jù)等級制定差異化要求，其中一級危險點可視化巡檢20 min一輪，人工駐守；二級危險點可視化巡檢20 min一輪，人工巡檢每天一次；三級危險點可視化巡檢20 min 一輪，人工做好應(yīng)急響應(yīng)，不需開展周期性巡檢。

電纜通道巡檢方面，通過機器人、通道可視化裝置、智能地釘、工井防異動裝置等前端感知設(shè)備，對電纜線路通道巡檢周期進行優(yōu)化。普通電纜通道巡檢由人工2周一次調(diào)整為可視化巡檢白天100 min一輪，外加一月一次人工到位巡檢。隧道內(nèi)部通道周期巡檢調(diào)整為機器人每日例行巡檢，外加1月一次人工到位巡檢。保電巡檢根據(jù)保電等級要求，在原有人工保電巡檢基礎(chǔ)上增加可視化巡檢。危險點巡檢根據(jù)危險點等級制定不同巡檢要求，其中三級電纜危險點人工駐守1天一次，外加可視化20 min一輪；四級電纜危險點可視化1h一輪，外加2周一次人工到位巡檢。除常規(guī)性巡檢以外，特殊巡檢、應(yīng)急響應(yīng)要求30 min 內(nèi)開展聯(lián)動處置。借助隧道通道自主巡檢，將示范區(qū)內(nèi)隧道運檢人數(shù)從當(dāng)前的6人調(diào)整至2人，達到減員增效。通過隧道通道自主巡檢，未來兩年內(nèi)新增隧道、管廊的情況下不新增運維人員，提高運維效率。

4 應(yīng)用實踐

該系統(tǒng)在寧波前灣智慧輸電示范區(qū)、“泛三江”智慧電纜示范區(qū)進行了實用化驗證?！胺喝敝腔垭娎|示范區(qū)覆蓋18回110 kV及以上電纜線路共73 km，存在3 處外破危險點，按新模式巡檢，配備2人通過遠程可視化即可完成巡檢工作。前灣智慧輸電示范區(qū)安裝全景可視化設(shè)備455套，結(jié)合無人機巡檢，形成前端全視角、全時段立體巡檢，實現(xiàn)通道全景可視、隱患全程管控，有效替代了大部分人工巡檢，巡檢工作效率明顯提升，如圖8所示，與常規(guī)人工巡檢相比，某500 kV 線路通道巡檢效率提升約5 倍，某220 kV 線路樹障巡檢效率提升約3.5 倍，某110 kV 線路桿塔精細化巡檢效率提升約4倍。

圖8 示范區(qū)部分巡檢工作效率對比

5 結(jié)語

本文通過對輸電線路人機協(xié)同立體巡檢系統(tǒng)設(shè)計與示范區(qū)建設(shè)實踐，實現(xiàn)了前端感知層裝置可信度評估、人機協(xié)同巡檢策略生成、通道自主巡檢等功能，提高了工作效率、降低運檢成本，更好地保障了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。同時減輕了一線班組工作負擔(dān)，在實操層面對人機協(xié)同作業(yè)具有一定參考意義。需要注意的是，提升機巡質(zhì)量，例如圖像識別準確性、缺陷診斷有效性等，是機器代人最直接、有效的措施，這方面需要更加深入地研究，才能使巡檢系統(tǒng)更為科學(xué)、高效。