變電站立體智能巡檢新技術(shù)研究與應(yīng)用

張海華，陳 昊*，許 馳，葉昱媛，李中烜，孫小磊，史俊祎

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京211102；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇 南京210008）

0 引言

2011 年年初，智能電網(wǎng)建設(shè)全面納入國(guó)家“十二五”規(guī)劃綱要，智能電網(wǎng)技術(shù)研究與應(yīng)用開(kāi)始步入快車道，取得了一系列從“0”到“1”的重要突破［1-4］。時(shí)至今日，國(guó)家電網(wǎng)有限公司的戰(zhàn)略目標(biāo)從“三型兩網(wǎng)，世界一流”過(guò)渡到“建設(shè)具有中國(guó)特色國(guó)際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)”，“智能電網(wǎng)”也由一個(gè)獨(dú)立概念向“能源互聯(lián)網(wǎng)”大體系融合［5-8］。作為智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的一種，變電站立體智能巡檢技術(shù)已經(jīng)走向?qū)嵱没h(huán)節(jié)，目前已部分實(shí)現(xiàn)人工巡檢全替代［9-12］。

1 變電站立體智能巡檢技術(shù)

變電運(yùn)檢是電網(wǎng)的核心業(yè)務(wù)，變電運(yùn)檢對(duì)智能巡檢技術(shù)的迫切需求主要有兩個(gè)方面的原因：一是當(dāng)前特高壓等先進(jìn)輸變電技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)以及云計(jì)算等高性能計(jì)算與控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)電力網(wǎng)與電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)緊密融合，推動(dòng)傳統(tǒng)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)方式發(fā)生變革；二是隨著人力成本的不斷增加，無(wú)人值守或少人值守已成為常態(tài)，人力資源與電力生產(chǎn)的沖突必須通過(guò)革命性的技術(shù)來(lái)解決［13-15］。

2019年，華東地區(qū)某500 kV變電站開(kāi)始進(jìn)行立體智能巡檢平臺(tái)改造，在變電站內(nèi)部署高清視頻、智能機(jī)器人、無(wú)人機(jī)，通過(guò)巡視主機(jī)下發(fā)控制、巡檢任務(wù)等指令，展開(kāi)室內(nèi)外設(shè)備聯(lián)合巡檢作業(yè)。改造以實(shí)現(xiàn)立體聯(lián)合巡檢為目標(biāo)，同時(shí)具備實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能聯(lián)動(dòng)等功能。

1.1 高清視頻巡檢技術(shù)

對(duì)設(shè)備區(qū)已有攝像頭進(jìn)行高清視頻改造，同時(shí)對(duì)原監(jiān)控死角補(bǔ)裝高清攝像頭。改造后現(xiàn)場(chǎng)共有高清攝像頭129臺(tái)，通過(guò)對(duì)攝像頭布點(diǎn)位置最優(yōu)計(jì)算設(shè)置，已經(jīng)能夠完成現(xiàn)場(chǎng)一鍵順控、設(shè)備全面巡視需求。

此外，為加強(qiáng)主變、低抗等注油設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，持續(xù)跟蹤注油設(shè)備套管溫度、本體油位及導(dǎo)線聯(lián)接頭溫度變化情況，安裝4臺(tái)紅外攝像頭對(duì)3組主變及低抗進(jìn)行紅外持續(xù)監(jiān)測(cè)。后續(xù)將配置可移動(dòng)式紅外測(cè)溫布控球，利用無(wú)線傳輸技術(shù)及可移動(dòng)布置特點(diǎn)，滿足對(duì)其它溫度異常設(shè)備消缺前的持續(xù)跟蹤需求。

根據(jù)變電站巡視要點(diǎn)，高清視頻及紅外相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)須包含以下功能：

1）支持日間/夜間設(shè)備設(shè)施的外觀狀況識(shí)別；

2）支持SF6壓力表、開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)計(jì)數(shù)器、避雷器泄漏電流表、油溫表、液壓表、有載調(diào)壓檔位表、油位計(jì)等表計(jì)示數(shù)采集；

3）支持?jǐn)嗦菲?、隔離開(kāi)關(guān)等一次設(shè)備及切換把手、壓板、指示燈、空開(kāi)等二次設(shè)備的位置狀態(tài)指示識(shí)別；

4）支持本體、接頭、引線、瓷套等重點(diǎn)部位紅外圖譜采集及發(fā)熱識(shí)別；

5）支持視頻存儲(chǔ)及回放。

1.2 智能機(jī)器人巡檢技術(shù)

相對(duì)而言，智能機(jī)器人巡檢技術(shù)起步較早，已在變電站中投入使用多年并一直在更新?lián)Q代，功能日趨完善［16-18］。變電站中配置的智能機(jī)器人分為室內(nèi)機(jī)器人與室外機(jī)器人，如圖1 所示。機(jī)器人代替人工巡檢工作，給高溫、大負(fù)荷運(yùn)行和新投入設(shè)備運(yùn)行前及風(fēng)雪、大霧、冰雹、雷雨后等進(jìn)行的特殊巡檢，提供了極大的幫助。

圖1 變電站智能機(jī)器人Fig.1 Intelligent robots in substation

室外機(jī)器人主要用于室外一次設(shè)備巡視測(cè)溫，對(duì)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)規(guī)劃巡視路線以及簡(jiǎn)單改造巡視通道后，機(jī)器人即可按預(yù)置程序逐間隔、逐設(shè)備、逐點(diǎn)位巡視，完成派發(fā)的巡視任務(wù)。室外機(jī)器人可實(shí)時(shí)上傳巡視報(bào)告并發(fā)送報(bào)警信息，同時(shí)設(shè)有“一鍵返航”功能，電量不足或遭遇惡劣天氣時(shí)可暫停巡視任務(wù)返回機(jī)器人小室。目前室外機(jī)器人已開(kāi)始替代人工紅外普測(cè)任務(wù)，并多次發(fā)現(xiàn)發(fā)熱缺陷，巡檢效果顯著。

室內(nèi)機(jī)器人主要用于保護(hù)室、交直流室屏柜的巡視測(cè)溫工作。室內(nèi)機(jī)器人同樣需要預(yù)先規(guī)劃巡視路線，通過(guò)感應(yīng)地標(biāo)確認(rèn)坐標(biāo)，通過(guò)內(nèi)置紅外傳感器遙控開(kāi)啟關(guān)閉屏柜門，通過(guò)紅外測(cè)溫檢查端子排、空開(kāi)的發(fā)熱情況，通過(guò)圖像識(shí)別判斷保護(hù)裝置有無(wú)異常信號(hào)及壓板狀態(tài)是否正確。

1.3 無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)

隨著近年來(lái)無(wú)人機(jī)技術(shù)的成熟與成本的下降，無(wú)人機(jī)已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用到電網(wǎng)巡檢中。國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院定期開(kāi)展無(wú)人機(jī)培訓(xùn)班對(duì)員工培訓(xùn)取證，目前取證等級(jí)分為“視距內(nèi)駕駛員（駕駛員）”、“超視距駕駛員（機(jī)長(zhǎng)）”、“教員”3種，資質(zhì)等級(jí)依次遞增［19-22］。無(wú)人機(jī)在輸電線路巡檢中的應(yīng)用已趨成熟，包括日常巡線與清除異物，極大降低了人工巡線成本。而受限于站內(nèi)復(fù)雜的電氣環(huán)境，無(wú)人機(jī)在變電站中的應(yīng)用尚處于起步階段，飛行時(shí)需與站內(nèi)運(yùn)行設(shè)備時(shí)刻保持足夠安全距離，飛行風(fēng)險(xiǎn)極大，每次執(zhí)行站內(nèi)飛行任務(wù)必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格審核。目前站內(nèi)無(wú)人機(jī)巡檢主要用于避雷針隱患排查、二層構(gòu)架巡視、變電站周邊巡視，其共同點(diǎn)是飛行區(qū)域較為廣闊，確保與帶電設(shè)備在不在同一平面內(nèi)，觸碰運(yùn)行設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)較小。

1.4 變電站立體智能巡檢系統(tǒng)

目前高清視頻巡檢、智能機(jī)器人巡檢、無(wú)人機(jī)巡檢由不同廠家分別調(diào)試，設(shè)備軟硬件接口、通信方式必然存在差異。立體智能巡檢系統(tǒng)的作用就是整合站內(nèi)各種智能巡檢技術(shù)，使信息可以共享，任務(wù)可以配合，高效完成變電站立體智能巡檢。變電站立體智能巡檢系統(tǒng)由巡檢主機(jī)、機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、高清視頻等組成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)巡檢、智能識(shí)別、智能分析、實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能聯(lián)動(dòng)、遠(yuǎn)程遙控等功能，如圖2所示。

圖2 變電站立體智能巡檢系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 Architecture of stereo intelligent inspection system in substation

立體智能巡檢系統(tǒng)部署在變電站控制室，下發(fā)控制、巡檢任務(wù)等指令，控制高清視頻、智能機(jī)器人、無(wú)人機(jī)開(kāi)展室內(nèi)外設(shè)備聯(lián)合巡檢作業(yè)，接收巡檢數(shù)據(jù)、采集文件，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，形成巡檢結(jié)果和巡檢報(bào)告，及時(shí)發(fā)送告警，同時(shí)具備實(shí)時(shí)監(jiān)控、與主輔監(jiān)控系統(tǒng)智能聯(lián)動(dòng)等功能。

2 立體智能巡檢技術(shù)存在的問(wèn)題及改進(jìn)方案

1）高清視頻巡檢點(diǎn)位多，主機(jī)負(fù)載率過(guò)高

目前高清視頻巡檢的思路是逐間隔、逐設(shè)備、逐點(diǎn)位巡檢，理論上要求點(diǎn)位劃分覆蓋現(xiàn)場(chǎng)任一設(shè)備的任一部位［23-24］。以500 kV 一臺(tái)斷路器的A 相點(diǎn)位劃分為例，巡檢部位劃分為全景、上節(jié)瓷瓶、中節(jié)瓷瓶、下節(jié)瓷瓶、隔離開(kāi)關(guān)側(cè)均壓電容、流變側(cè)均壓電容、隔離開(kāi)關(guān)側(cè)滅弧室、流變側(cè)滅弧室等共計(jì)16 個(gè)部位，每個(gè)部位又可劃分為東南西北四個(gè)方向，因此僅一臺(tái)500 kV斷路器至少便有192個(gè)點(diǎn)位，去除某些無(wú)效點(diǎn)位（視頻死角、遮擋等）之后依然有156個(gè)點(diǎn)位。統(tǒng)計(jì)后全站點(diǎn)位數(shù)量將達(dá)20 000 個(gè)以上，導(dǎo)致執(zhí)行巡檢任務(wù)時(shí)高清視頻主機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行，系統(tǒng)極易卡頓崩潰，每次完成巡檢任務(wù)需近8個(gè)小時(shí)。

改進(jìn)方案：

①優(yōu)化云臺(tái)布點(diǎn)。系統(tǒng)卡頓的重要原因之一是云臺(tái)之間的點(diǎn)位分布不均衡，對(duì)同一設(shè)備間隔的點(diǎn)位，主機(jī)需要來(lái)回調(diào)用不同云臺(tái)完成巡檢，導(dǎo)致高清視頻云臺(tái)需要不停重新定位，占用處理器資源和巡檢時(shí)間。

②利用在線監(jiān)測(cè)裝置。目前站內(nèi)已安裝油色譜在線監(jiān)測(cè)、避雷器在線監(jiān)測(cè)、斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)等各種在線監(jiān)測(cè)裝置，其功能可靠性已得到驗(yàn)證，因此可以將現(xiàn)有成熟的在線監(jiān)測(cè)裝置接入智能巡檢系統(tǒng)，優(yōu)化資源配置。

2）智能機(jī)器人巡檢效率低，與高清視頻缺乏配合

智能巡檢時(shí)還發(fā)現(xiàn)如下問(wèn)題：

①紅外固定攝像頭單價(jià)約20萬(wàn)元，可移動(dòng)紅外布控球單價(jià)約40萬(wàn)元，費(fèi)用如此高昂的紅外攝像頭不可能大規(guī)模布置；

②高清視頻點(diǎn)位雖多但依然存在很大一部分無(wú)效點(diǎn)位，無(wú)法進(jìn)行視頻巡檢；

③智能機(jī)器人白天對(duì)設(shè)備外觀巡檢，晚上進(jìn)行設(shè)備測(cè)溫，全天高負(fù)荷運(yùn)行，受電池影響每天僅能完成一次完整巡檢。

改進(jìn)方案：建立統(tǒng)籌巡檢體系，進(jìn)行資源整合，高清視頻與智能機(jī)器人互為補(bǔ)充。高清視頻巡檢的特點(diǎn)是攝像頭固定地點(diǎn)布置，屏柜、相機(jī)死角及無(wú)法紅外測(cè)溫的缺點(diǎn)正好可以通過(guò)移動(dòng)靈活的智能機(jī)器人巡檢彌補(bǔ)。因此可對(duì)整個(gè)智能巡檢任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化分解，白天巡檢以高清視頻為主，智能機(jī)器人補(bǔ)充視頻無(wú)法覆蓋的點(diǎn)位，夜間巡視以機(jī)器人為主，對(duì)全站設(shè)備進(jìn)行紅外測(cè)溫，安裝紅外相機(jī)的設(shè)備則不再重復(fù)占用巡視資源。

3）無(wú)人機(jī)人工操控風(fēng)險(xiǎn)大，巡檢范圍受限

無(wú)人機(jī)巡檢是打通立體智能巡檢最后1公里的關(guān)鍵一環(huán)，然而受變電站內(nèi)復(fù)雜電氣環(huán)境的影響，目前主要通過(guò)依靠無(wú)人機(jī)駕駛資質(zhì)的駕駛員操縱無(wú)人機(jī)進(jìn)行特定設(shè)備巡檢，巡檢時(shí)需與站內(nèi)運(yùn)行設(shè)備時(shí)刻保持足夠安全距離，目前已實(shí)現(xiàn)對(duì)高處避雷針及遠(yuǎn)處變電站周邊巡檢。

改進(jìn)方案：定制站用巡檢無(wú)人機(jī)，編寫無(wú)人機(jī)巡檢算法。如今無(wú)人機(jī)飛控算法已非常成熟，可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)巡視通道預(yù)先設(shè)定，因此另一個(gè)需要解決的問(wèn)題是如何防止特殊情況下無(wú)人機(jī)失控導(dǎo)致設(shè)備跳閘。這個(gè)問(wèn)題可與設(shè)備廠家進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)，例如機(jī)身采用高電壓等級(jí)絕緣材料，設(shè)置安全距離保護(hù)機(jī)制使無(wú)人機(jī)偏離航線時(shí)可通過(guò)強(qiáng)行斷電或預(yù)設(shè)算法緊急降落在巡視通道上。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2020 年6 月，華東電網(wǎng)某500 kV 變電站已完成500 kV區(qū)域、主變區(qū)域、35 kV區(qū)域及室內(nèi)區(qū)域智能巡檢系統(tǒng)建設(shè)，每周通過(guò)高清視頻和智能機(jī)器人完成兩次完整巡檢，包括可見(jiàn)光與紅外測(cè)溫。其中，500 kV區(qū)域巡檢任務(wù)覆蓋點(diǎn)位6 331個(gè)，平均耗時(shí)4 h 47 min；主變區(qū)域巡檢任務(wù)覆蓋點(diǎn)位3 074 個(gè)，平均耗時(shí)1 h 44 min；35 kV區(qū)域巡檢任務(wù)覆蓋點(diǎn)位2 317個(gè)，平均耗時(shí)1 h 17 min；室內(nèi)區(qū)域巡檢任務(wù)覆蓋點(diǎn)位3 218個(gè)，平均耗時(shí)3 h 42 min；巡檢失敗點(diǎn)數(shù)累計(jì)3 735個(gè)。

2020 年11 月起，對(duì)現(xiàn)有巡檢資源進(jìn)行優(yōu)化配置，截止2021 年1 月，累計(jì)精簡(jiǎn)冗余點(diǎn)位3 547 個(gè)，引入無(wú)人機(jī)巡檢，補(bǔ)充點(diǎn)位754 個(gè)，總點(diǎn)位數(shù)量較之前減少18.7%。目前站內(nèi)立體智能巡檢體系已初步搭建完成，每周通過(guò)高清視頻、智能機(jī)器人、無(wú)人機(jī)完成兩次完整巡檢，包括可見(jiàn)光與紅外測(cè)溫。其中，500 kV區(qū)域巡檢任務(wù)平均耗時(shí)2 h 42 min，縮短43.6%；主變區(qū)域巡檢任務(wù)平均耗時(shí)1 h 20 min，較之前縮短40.4%；35 kV 區(qū)域巡檢任務(wù)平均耗時(shí)46 min，較之前縮短40.3%；室內(nèi)區(qū)域巡檢任務(wù)平均耗時(shí)1 h 21 min，較之前縮短63.5%；巡檢失敗點(diǎn)數(shù)累計(jì)1 556 個(gè)，較之前減少58.4%。綜上，在已搭建完成的智能巡檢系統(tǒng)進(jìn)行一次完整巡視平均耗時(shí)減少約47%。

4 未來(lái)立體智能巡檢技術(shù)的發(fā)展方向

隨著5G技術(shù)的不斷深入應(yīng)用，互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代已經(jīng)進(jìn)入萬(wàn)物互聯(lián)的新階段［25-28］，前景可期。展望未來(lái)，斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、變壓器、端子箱、GIS管道都將是智能設(shè)備，面板顯示實(shí)時(shí)狀態(tài)，可與值班員交流溝通。未來(lái)的變電站不僅僅是數(shù)字化變電站，更是智能化變電站，值班員足不出戶便可掌控全站設(shè)備，人員配置不再制約變電站發(fā)展，將是從廠家到用戶的一次徹底技術(shù)變革！回歸眼下，接下來(lái)立體智能巡檢技術(shù)的發(fā)展方向主要有以下3個(gè)方面。

1）圖像識(shí)別算法不斷改進(jìn)

高清視頻巡檢最重要的技術(shù)支撐是圖像識(shí)別技術(shù)，其也是人工智能領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。圖像識(shí)別技術(shù)以圖像的主要特征為基礎(chǔ)，排除多余信息抽出關(guān)鍵信息，最終整合成一個(gè)完整的知覺(jué)映象，模擬人類大腦對(duì)復(fù)雜圖像進(jìn)行的不同層次信息加工。目前該500 kV 變電站已實(shí)現(xiàn)500 kV 設(shè)備區(qū)、主變區(qū)域、500 kV保護(hù)室、交直流室的立體智能巡檢，每天進(jìn)行兩次例行巡視任務(wù)。當(dāng)前高清視頻巡檢的平均巡視完成率為92.35%，平均缺陷識(shí)別準(zhǔn)確率為13.05%，算法精度仍有較大提升空間。圖3為通過(guò)圖像識(shí)別算法發(fā)現(xiàn)隱患和缺陷。

圖3 圖像識(shí)別算法改進(jìn)成效Fig.3 Improvements by refined image recognition algorithm

2）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息不斷融合

現(xiàn)階段進(jìn)行的立體智能巡檢嘗試是將高清視頻、智能機(jī)器人、無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)進(jìn)行融合，充分利用高清視頻響應(yīng)速度快、智能機(jī)器人移動(dòng)靈活、無(wú)人機(jī)高空飛行的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外電氣設(shè)備、構(gòu)架、避雷針、變電站周邊的全方位巡檢。下一步立體智能巡檢技術(shù)的發(fā)展可考慮綜合采集處理站內(nèi)的在線監(jiān)測(cè)裝置信息以及繼電保護(hù)裝置信息，充分利用人工智能系統(tǒng)方法對(duì)站內(nèi)信息進(jìn)行處理，以結(jié)果為導(dǎo)向逐步實(shí)現(xiàn)全站信息智能化，實(shí)現(xiàn)設(shè)備巡檢、缺陷發(fā)現(xiàn)、異常處理、順控操作一體化服務(wù)。

3）智能巡檢系統(tǒng)與其余自動(dòng)化系統(tǒng)功能整合

近年來(lái)隨著各種技術(shù)改造工程的實(shí)施，變電站內(nèi)控制室布置的后臺(tái)機(jī)越來(lái)越多，包括變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、變電站智能輔助系統(tǒng)、變電站立體智能巡檢系統(tǒng)、變電站消防控制系統(tǒng)、智能機(jī)器人系統(tǒng)等。各種自動(dòng)化信號(hào)上傳路徑不一致導(dǎo)致信息冗余的問(wèn)題日趨嚴(yán)重［29-30］。未來(lái)的一個(gè)重要改進(jìn)方向便是以變電站立體智能巡檢系統(tǒng)為主，整合綜合和自動(dòng)化系統(tǒng)的遙控操作、信號(hào)告警功能，整合智輔系統(tǒng)的設(shè)備在線監(jiān)測(cè)功能與輔助設(shè)施遙控功能，整合消防控制系統(tǒng)的遙控與報(bào)警功能、整合智能機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)信息讀取功能。通過(guò)功能整合，打破各類自動(dòng)化系統(tǒng)的信息互通障礙，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)信息讀取、操作控制、立體巡檢功能的大一統(tǒng)，使智能巡檢系統(tǒng)更加“智能”。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以正在進(jìn)行立體智能巡檢平臺(tái)改造的某500 kV變電站為案例，詳細(xì)介紹了高清視頻巡檢、智能機(jī)器人巡檢、無(wú)人機(jī)巡檢的階段性成果，分析了當(dāng)前變電站立體智能巡檢技術(shù)存在的主機(jī)負(fù)載率高、聯(lián)合巡檢配合度低、無(wú)人機(jī)巡檢范圍受限等問(wèn)題，提出了優(yōu)化布點(diǎn)、任務(wù)分解、飛行路線編程等改進(jìn)方案，并在變電站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。最后，根據(jù)當(dāng)前智能巡檢技術(shù)的實(shí)施效果，展望了未來(lái)立體智能巡檢技術(shù)的發(fā)展方向。