變電站設(shè)備巡檢中無人機的應用與探析

李海春+王立成+李治國

摘要：變電站作為電網(wǎng)樞紐它的運行質(zhì)量與整個電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行息息相關(guān)，因此必須進行定期巡視以確保其設(shè)備安全穩(wěn)定運行。隨著科技進步和電力體制改革的不斷深入和發(fā)展，電力系統(tǒng)自動化程度已有了很大提高，無人機技術(shù)的運用，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智能巡檢在變電站主要發(fā)揮的作用和基本原理進行了探討，不足之處敬請各位同仁批評指正。

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)機構(gòu)精簡、工作量加大的現(xiàn)實問題。加之傳統(tǒng)的巡檢任務(wù)范圍廣、工作量大、及其重復性，很容易導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展，在一定程度上還存在因無人在現(xiàn)場及時監(jiān)視、巡視而帶來的一系列問題，甚至留下安全運行隱患。隨著國家電網(wǎng)公司無人機巡檢技術(shù)的逐步深化應用，無人機應用到變電站巡檢中可大大提高電力維護和檢修的速度，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。而且可將運維人員從繁重的巡視工作中解放出來，投入到運維一體及設(shè)備診斷分析工作中去，從而提高運維工作效率，本文針對變電站設(shè)備巡檢無人機的實際應用經(jīng)驗進行了探析。

2 無人機巡檢系統(tǒng)介紹

2.1基本原理及其優(yōu)勢

無人機行業(yè)是集多種學科，多種領(lǐng)域于一身的新型高科技行業(yè)。對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厚的優(yōu)勢，尤其是在惡劣天氣下，無人四軸可以對災害高發(fā)地帶進行重點監(jiān)測，并時時傳回現(xiàn)場數(shù)據(jù)。同時小型的無人四軸飛行器還可以應用于核電站等高危場所的安檢排查工作，而在復雜地形下有足夠升力的無人機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的動力供應問題。

2.2智能巡檢無人機的視覺導航結(jié)構(gòu)

①要具備圖像采集分析功能。由于搭載了多項檢測設(shè)備，例如它的可見光CCD就能采集可見光圖像，進而實現(xiàn)設(shè)備外觀檢查，發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異物懸掛、銹蝕等異?，F(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)場實際位置，包括油位計位置、表計讀數(shù)等。另外，紅外熱像儀對人工檢測時設(shè)備的熱缺陷捕捉非常靈敏，能夠通過紅外測溫來明確設(shè)備溫度是否異常。

②要具備無線傳輸功能。智能巡檢無人機在采集視頻信號與音頻信號時必須首先進行智能預處理行為，并將采集信號傳輸給變電站監(jiān)控管理中心。另外，無人機也會接收到來自于監(jiān)控管理中心的各項控制命令，所以巡檢機器本體與后臺監(jiān)控中心是時刻保持無線通訊及傳輸功能狀態(tài)的。

③要具備視覺導航定位功能。視覺導航定位也是本文探討的重點。巡檢機器可以按照視覺導航預先規(guī)劃好的軌跡行進，這也包括直行、停止、拐彎等動作。當機器到達指定位置需要進行車身調(diào)節(jié)時，它就會實施可見光CCD旋轉(zhuǎn)、紅外線角度調(diào)節(jié)、電氣仰俯角度調(diào)整等等動作，保持最佳設(shè)備拍攝位置。

3 變電站巡視無人機方案設(shè)計

3.1無人機整體系統(tǒng)組成

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

無人機與巡視機器人在本質(zhì)上都是為各種電力檢測設(shè)備提供一個移動式平臺，因此對于無人機在變電站中的應用也可以借鑒巡視機器人的思路，并在此基礎(chǔ)上進行一定的擴展?？紤]到無人機在空中飛行，與地面機器人相比更適合于搭載驅(qū)鳥設(shè)備進行驅(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用于無人機上。整體系統(tǒng)包括五大部分。

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

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

③運動攝像機。用于對變電站內(nèi)斷路器、隔離開關(guān)等設(shè)備的分合閘位置及各類設(shè)備外觀進行檢查，以判斷設(shè)備的運行工況。運動攝像機像素可采用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。用于對電力設(shè)備進行紅外成像，通過設(shè)備溫度間接判斷其導電性和絕緣性等運行工況。紅外成像儀應采用致冷型紅外成像儀，測量范圍為-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)對具體驅(qū)鳥模式進行切換，驅(qū)鳥器為獨立供電，即通過1.5V干電池進行供電，并通過支架固定于無人機機架上。

3.2 變電站無人機巡檢需要注重的幾個方面

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

①安全性研究。變電站中各種高壓帶電設(shè)備布局復雜，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所安全飛行就是一個急需解決的問題。目前的基本思路是在飛行器的巡航路線上規(guī)避此類風險，比如在帶電場區(qū)外圍限高飛行等。

②精準定位與控制技術(shù)研究。精準控制技術(shù)對于飛行器具有至關(guān)重要的意義。同時，精準控制技術(shù)還將對飛行器其它頂層功能的實現(xiàn)產(chǎn)生重大影響，如避障功能、自動充電功能等都有賴于精準控制的實現(xiàn)。目前消費級無人機多采用CPS技術(shù)和超聲波技術(shù)進行定位，而這2種技術(shù)均存在較大的測量誤差，制約控制精度的進一步提高。由于飛行器與機器人在定位技術(shù)上具有一定的共通之處，因此未來對飛行器定位技術(shù)的研究可以借鑒機器人的相關(guān)技術(shù)，而飛行器定位技術(shù)的發(fā)展反過來也將促進機器人技術(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間短、體積小、重量輕、容量較大、使用壽命較長的電池。電池的充電時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其它檢測設(shè)備的搭載能力。

4 結(jié)語

電力系統(tǒng)是一個結(jié)構(gòu)非常復雜、對可靠性要求特別高的自動化系統(tǒng)，它運行的安全性與穩(wěn)定性將會關(guān)系到社會民生的安全，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，無人機在電力變電巡檢中的應用具有十分重要的意義，將大大提高電力系統(tǒng)自動化程度，同時減少運行人員勞動強度，提高設(shè)備巡檢質(zhì)量。隨著變電站維護需求的不斷提升，我們還需要結(jié)合無人機的特點，借鑒并吸收其它行業(yè)的先進技術(shù)和做法，從而促進電力行業(yè)的技術(shù)發(fā)展。

參考文獻：

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