無人機(jī)智能巡視系統(tǒng)在變電站巡檢中的應(yīng)用

吳俊杰

（國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司廈門供電公司，福建 廈門 361006）

1 應(yīng)用背景

隨著各地區(qū)電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，變電站數(shù)量逐年增加，變電站運(yùn)維人員的巡檢作業(yè)工作時(shí)間也隨之增長(zhǎng)。在各變電運(yùn)維站人員數(shù)量不變的大背景下，如何利用智能化手段，以機(jī)器巡檢代替人工巡檢，提升變電站巡檢效率，成為亟待解決的問題。

目前，變電站巡檢通常以人工巡檢為主，高清視頻和機(jī)器人巡檢為輔來開展站內(nèi)聯(lián)合巡檢，但變電站內(nèi)設(shè)施布局緊湊、復(fù)雜，特別是高電壓等級(jí)的AIS變電站，站內(nèi)設(shè)備類型多，變電站內(nèi)避雷針、結(jié)構(gòu)支架、絕緣子串、母線、半高層構(gòu)架等高處設(shè)備距離地面巡視通道遠(yuǎn)，地面人工、高清視頻和機(jī)器人采用仰視的視角進(jìn)行巡檢，巡檢難度大，且常存在巡檢盲區(qū)，地面巡視手段無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)高處設(shè)備的發(fā)熱、設(shè)備破損等設(shè)備隱患和缺陷。通過引入無人機(jī)視角進(jìn)行變電站巡檢，從高處視角對(duì)變電站高處設(shè)備、部件進(jìn)行“可見光 + 紅外”巡檢，能有效彌補(bǔ)地面巡視盲區(qū)，提升變電站內(nèi)各巡檢點(diǎn)位的覆蓋率。

當(dāng)前，變電站內(nèi)無人機(jī)巡檢采用“無人機(jī) + 遙控器”單兵作戰(zhàn)的模式進(jìn)行巡視，整個(gè)巡視過程歷經(jīng)無人機(jī)充電、無人機(jī)放置在起飛點(diǎn)、遙控器下發(fā)巡視任務(wù)、遙控器觀測(cè)巡視過程、巡視采集圖片回傳遙控器、人為回收無人機(jī)、人工審核采集圖片等過程，整個(gè)過程需人工前往巡檢變電站后才能開展巡視，且無人機(jī)充電、無人機(jī)起飛準(zhǔn)備、無人機(jī)回收、照片審核等流程都需要人工參與，無人機(jī)巡檢智能化程度低。針無人機(jī)現(xiàn)有應(yīng)用，須研制一套無人機(jī)智能巡視系統(tǒng)，具備無人機(jī)任務(wù)下發(fā)、自動(dòng)巡檢、自動(dòng)充電、自動(dòng)降落、數(shù)據(jù)采集傳輸、圖片智能識(shí)別等功能，運(yùn)維人員在站端可完成無人機(jī)巡檢全流程管控。

2 系統(tǒng)組成

無人機(jī)智能巡視系統(tǒng)由無人機(jī)、無人機(jī)機(jī)巢、安全接入模塊、交換機(jī)、站端巡視主機(jī)、智能分析主機(jī)等構(gòu)成。

變電站用無人機(jī)通常采用電動(dòng)型多旋翼無人機(jī)，相較之固定翼無人機(jī)，多旋翼無人機(jī)造價(jià)便宜、起降條件低、操作難度小、可靠性高、實(shí)用性好，適用于安全性要求高、空間小的場(chǎng)合，但它的尺寸小、起飛重量較小，飛行距離、飛行速度和續(xù)航時(shí)長(zhǎng)較差，適用于距離較短、范圍較小的設(shè)備巡檢，更適合用于變電站巡檢場(chǎng)景中。此外，由于變電站內(nèi)電壓等級(jí)高，變電站巡檢過程中無人機(jī)穿梭在帶電設(shè)備中，因此站內(nèi)無人機(jī)應(yīng)具備良好抗電磁干擾性能，并且無人機(jī)機(jī)身、機(jī)翼材質(zhì)最好采用絕緣材料[1]。無人機(jī)智能巡檢須要通過可見光和紅外2類傳感器，對(duì)設(shè)備各巡視點(diǎn)位進(jìn)行可見光和紅外圖譜拍照。因此無人機(jī)一般須要搭載可見光和紅外雙鏡頭，可見光鏡頭像素最好不低于2 000萬，具備遠(yuǎn)距離變焦能力，紅外鏡頭分辨率應(yīng)不低于640 × 480，滿足精確測(cè)溫的鏡頭要求。無人機(jī)巡檢過程中須懸停在各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)5～10 s進(jìn)行巡檢點(diǎn)位拍攝，因此無人機(jī)須具備前、后、左、右、上、下6個(gè)方向的控制功能和cm級(jí)別的定位能力。綜合以上特點(diǎn)，變電站內(nèi)無人機(jī)使用微型多旋翼無人機(jī)居多，大疆御2、御3以及道通EVO2這幾個(gè)型號(hào)無人機(jī)使用的較為廣泛[2]，如圖1所示。

圖1 微型多旋翼無人機(jī)

為了實(shí)現(xiàn)無人機(jī)任務(wù)全流程智能化執(zhí)行，須配置一個(gè)無人機(jī)機(jī)巢，用來實(shí)現(xiàn)控制無人機(jī)自主起降、任務(wù)下發(fā)、巡視數(shù)據(jù)傳輸、無人機(jī)自動(dòng)充電等功能。要實(shí)現(xiàn)無人機(jī)智能巡檢，首先要解決無人機(jī)的續(xù)航問題。目前一架大疆御2無人機(jī)能滿足30 min左右的巡檢作業(yè)，無人機(jī)電池須進(jìn)行充電后再執(zhí)行下一個(gè)巡檢任務(wù)。無人機(jī)的電池是可拆卸式的，電池與無人機(jī)為一體，但是無外設(shè)的充電口，所以機(jī)巢在搭建系統(tǒng)時(shí)須加裝充電基座，用于無人機(jī)返航后對(duì)無人機(jī)電池進(jìn)行充電。無人機(jī)機(jī)巢蓋采用敞開式設(shè)計(jì)，使無人機(jī)返航后能與充電基座準(zhǔn)確連接，須要實(shí)現(xiàn)無人機(jī)較精確的歸位。無人機(jī)主要利用GPS坐標(biāo)導(dǎo)航飛至固定位置，落在停機(jī)坪后，機(jī)巢利用伺服電機(jī)控制絲桿將無人機(jī)歸位至停機(jī)位的中心位置，無人機(jī)歸中后，充電基座自動(dòng)與無人機(jī)電池相連接，無人機(jī)自動(dòng)開始充電。無人機(jī)機(jī)巢布置在室外，應(yīng)具備IP55的防塵、防水等級(jí)，機(jī)巢內(nèi)也應(yīng)配置空調(diào)、除濕裝置，如圖2所示。

圖2 無人機(jī)機(jī)巢

無人機(jī)機(jī)巢部署在變電站側(cè)，通過站端安全接入模塊及交換機(jī)連接站巡視主機(jī)。運(yùn)維人員可通過巡視主機(jī)搭載的新一代輔控系統(tǒng)向機(jī)巢無人機(jī)發(fā)送控制、巡視任務(wù)指令。無人機(jī)自主開展巡視作業(yè)過程中，運(yùn)維人員可在新一代輔控系統(tǒng)任務(wù)界面實(shí)時(shí)查看無人機(jī)的巡視進(jìn)度，每個(gè)點(diǎn)位的巡視結(jié)果可實(shí)時(shí)推送上窗，當(dāng)巡視點(diǎn)位異常時(shí)可實(shí)時(shí)查看，人工進(jìn)行確認(rèn)。無人機(jī)巡視結(jié)束后巡檢數(shù)據(jù)將回傳至巡視主機(jī)，采集到的圖片將推送給智能分析主機(jī)進(jìn)行圖片智能分析?？勺詣?dòng)識(shí)別站內(nèi)4大類13小類常見類別的設(shè)備狀態(tài)和缺陷，具體如表1所示。無人機(jī)智能巡檢結(jié)果，根據(jù)不同類型的缺陷識(shí)別率差別比較大，通過整合不同類型缺陷模型，針對(duì)不同類型的設(shè)備和缺陷圖像識(shí)別率可達(dá)到85%，特別是站內(nèi)鳥巢、銹蝕、瓷瓶破損等類型缺陷，圖像識(shí)別率大于90%。

表1 無人機(jī)巡檢變電站設(shè)備及部位

智能分析主機(jī)將圖片分析結(jié)果回傳至巡視主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)歸檔，新一代輔控將自動(dòng)生成含有巡視點(diǎn)位命名、拍攝圖片、缺陷分析結(jié)果在內(nèi)的巡視報(bào)告，供運(yùn)維人員進(jìn)行審核。

3 航線規(guī)劃

無人機(jī)智能巡視系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)變電站設(shè)備的布置特點(diǎn)和場(chǎng)地，自主規(guī)劃巡視航線。航線規(guī)劃前須對(duì)變電站完成激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，建立變電站高精度三維激光點(diǎn)云模型及精細(xì)貼圖模型。變電站三維點(diǎn)云模型搭建后可利用航線規(guī)劃軟件，綜合考慮無人機(jī)飛行能力，根據(jù)綁定的設(shè)備臺(tái)賬規(guī)劃自主巡視航線。無人機(jī)巡視點(diǎn)位涵蓋變電站內(nèi)9類設(shè)備，具體涵蓋巡視點(diǎn)位如表2所示。

表2 無人機(jī)巡檢變電站設(shè)備及部位

無人機(jī)航線規(guī)劃通常根據(jù)高清視頻和機(jī)器人的巡視盲區(qū)進(jìn)行布置，這類航線以變電站中高處區(qū)域的母線、絕緣子、避雷針及門型構(gòu)架、主變上方平臺(tái)為巡視重點(diǎn)，無人機(jī)巡視點(diǎn)位配置在變電站巡視設(shè)備的上方，航線走向平行于巡視通道，拍攝角度以俯視角為主，利用“一點(diǎn)多拍”的思路，可通過拍攝的高清可見光照片，檢查設(shè)備外觀油污、雷擊破損、金具缺失等缺陷；通過紅外照片進(jìn)行三相之間的相對(duì)溫差判別，檢查金具、母線等的異常發(fā)熱缺陷，如圖3所示。

圖3 無人機(jī)航線規(guī)劃

4 應(yīng)用情況

以某220 kV變電站為例，介紹變電站智能巡視系統(tǒng)在變電站巡檢中的具體應(yīng)用情況。該變電站為戶外AIS變電站，特殊點(diǎn)在于該變電站220 kV和110 kV電壓等級(jí)設(shè)備均配置有半高層，2個(gè)電壓等級(jí)各間隔的Ⅱ母隔離刀閘都布置在半高層上方，距離地面2層樓高，且其他相關(guān)的母線、龍門架、絕緣子等設(shè)備距離地面也很遠(yuǎn)，地面巡檢很難進(jìn)行全面的巡視覆蓋，因此該變電站具有引入無人機(jī)智能巡視系統(tǒng)進(jìn)行立體巡檢的需求。

該變電站配置一臺(tái)搭載大疆御2行業(yè)進(jìn)階版無人機(jī)的機(jī)巢，針對(duì)該變電站設(shè)備規(guī)模大，設(shè)備類型繁雜的情況，該站運(yùn)維人員針對(duì)性地詳細(xì)規(guī)劃不同的無人機(jī)航線，并做好巡檢任務(wù)整理，可以方便地進(jìn)行任務(wù)派發(fā)，以滿足不同類型巡檢需求。目前已規(guī)劃了包括例行巡檢、熄燈巡檢、專項(xiàng)巡檢在內(nèi)的航線共計(jì)有68條，這些航線都經(jīng)過了飛行測(cè)試，具備自主巡檢條件。無人機(jī)巡檢過程中從各設(shè)備上方視角對(duì)各巡視點(diǎn)位同時(shí)開展可見光巡視和紅外測(cè)溫，可以觀測(cè)地面人工、機(jī)器人和高清探頭看不到的細(xì)節(jié)，如可以觀測(cè)隔離開關(guān)觸頭接觸是否良好、各接頭、線夾連接是否正常、導(dǎo)線是否存在斷股散股等現(xiàn)象。無人機(jī)在高空巡檢時(shí)同步開展紅外測(cè)溫，人工巡檢時(shí)設(shè)備高處測(cè)溫點(diǎn)位如引線接頭、線夾、絕緣子串等在地面拍攝時(shí)常常效果不佳，特別是在半高層巡視通道上，而無人機(jī)可以懸停在適當(dāng)?shù)木嚯x

該變電站開展“無人機(jī) + 高清視頻 + 機(jī)器人”聯(lián)合巡檢，設(shè)備巡檢時(shí)間由全人工巡視的143 min壓降至設(shè)備巡視的53 min，節(jié)約時(shí)間90 min。截至2023年7月31日，該作業(yè)方式已實(shí)行了13個(gè)月，通過123次無人機(jī)自主巡檢任務(wù)、103次聯(lián)合巡檢任務(wù)共發(fā)現(xiàn)包括異常發(fā)熱、硅膠變色設(shè)備滲漏油等缺陷48個(gè)。

系統(tǒng)自安裝上線以來，運(yùn)行良好、狀態(tài)穩(wěn)定，取得以下成效。

經(jīng)濟(jì)效益：該變電站使用無人機(jī)智能巡視系統(tǒng)后可以有效提高變電站巡檢效率，縮短巡檢時(shí)間，部分巡檢功能能替代人工巡檢，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。該變電站一年現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備巡檢100次，按巡視時(shí)長(zhǎng)平均縮短90 min，大約可節(jié)省9 000 min，以50元/h計(jì)算，使用無人機(jī)巡檢1年可節(jié)省2名工人的巡檢費(fèi)用1.5萬元。

社會(huì)效益：使用無人機(jī)智能巡視系統(tǒng)后可以減少變電站巡檢時(shí)間，解放出來的人力可以用于其他工作，可提高人員勞動(dòng)效率，減少工作成本，提高了現(xiàn)場(chǎng)工作安全性、供電可靠性，能夠切實(shí)保證現(xiàn)場(chǎng)工作安全可靠，提升供電服務(wù)質(zhì)量和公司形象，具有良好的社會(huì)效益。

5 結(jié)束語

無人機(jī)可按照點(diǎn)云規(guī)劃線路對(duì)站內(nèi)設(shè)備開展高空巡視，能夠有效消除巡視盲區(qū)，提高巡視效率。同時(shí)將巡檢成果整理工作由人工變?yōu)橹悄芊治?，巡檢人力成本大大降低，極大提高了變電站巡檢的智能化程度。