無人機(jī)自主巡檢在變電站中的應(yīng)用研究

徐海奇 呂翠芳 田壁源 趙建平 李國軍

摘 要：無人機(jī)在電力系統(tǒng)輸電線路中的逐步應(yīng)用，開啟了無人機(jī)在變電站應(yīng)用的探索?，F(xiàn)提出基于RTK厘米級衛(wèi)星定位技術(shù)的變電站無人機(jī)巡檢技術(shù)方案，不僅可以實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)無人機(jī)高頻次、高質(zhì)量的自主巡檢，還可以使用無人機(jī)巡檢管控平臺實(shí)現(xiàn)對巡檢任務(wù)的管理、無人機(jī)狀態(tài)的監(jiān)控、巡檢數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、缺陷的圖像識別與分析和巡檢成果的綜合展示等。在未來的發(fā)展中，無人機(jī)自主巡檢將逐步取代設(shè)備日常巡視和周期性帶電檢測工作，利用多數(shù)據(jù)綜合人工智能診斷算法，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)人工運(yùn)維模式向智能運(yùn)維模式的轉(zhuǎn)變，從整體上提高運(yùn)檢工作效率。

關(guān)鍵詞：變電站;無人機(jī);RTK;巡檢

0??? 引言

目前，變電站內(nèi)運(yùn)維巡檢主要有人工巡檢、機(jī)器人巡檢兩種方式，人工巡檢為傳統(tǒng)巡檢方式，機(jī)器人巡檢為近年來廣受歡迎的新興巡檢方式。但變電站機(jī)器人巡檢存在巡檢點(diǎn)位偏差、表計(jì)度數(shù)易受環(huán)境影響、行駛過程易受外界干擾導(dǎo)致偏航等問題。無人機(jī)巡檢是當(dāng)前逐步推廣的巡檢技術(shù)，在輸電線路巡檢應(yīng)用中已形成一定規(guī)模，具有全自主、近距離、高質(zhì)量等特點(diǎn)。

本文通過研究RTK厘米級衛(wèi)星定位技術(shù)，提出基于該技術(shù)的變電站無人機(jī)巡檢方案，彌補(bǔ)變電站內(nèi)高空引線、銷子等設(shè)備巡檢的不足，幫助運(yùn)維人員更好地掌握變電站電氣設(shè)備運(yùn)行狀況，提高變電站運(yùn)維的智能化和信息化水平。

1??? RTK技術(shù)

RTK（Real-time kinematic）是載波相位差分技術(shù)的英文簡寫，是當(dāng)前一種新的常用的衛(wèi)星定位測量方法。以前的靜態(tài)、快速靜態(tài)、動態(tài)測量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得厘米級的精度，而RTK是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級定位精度的測量方法，是GPS應(yīng)用的重大里程碑，能在工程放樣、地形測圖等應(yīng)用中極大地提高作業(yè)效率[1]。

如圖1所示，在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標(biāo)信息一起傳送到流動站。流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)給出厘米級定位結(jié)果，歷時(shí)不足1 s?？稍诠潭c(diǎn)上先進(jìn)行初始化后再進(jìn)入動態(tài)作業(yè)，也可在動態(tài)條件下直接開機(jī)，并在動態(tài)環(huán)境下完成整周模糊度的搜索求解。

2??? 無人機(jī)自主巡檢技術(shù)方案

如何對變電站快速進(jìn)行全方位、立體化的巡檢，一直都是困擾電力運(yùn)維人員的一大難題，尤其是高處的避雷器、進(jìn)出母線等，往往是地面機(jī)器人巡檢和人工巡檢的痛點(diǎn)。由于視角原因，無法做到徹底巡檢，巡檢部位存在遺漏;在冬季遭遇冰雪、嚴(yán)寒等極端天氣時(shí)，地面機(jī)器人巡檢和傳統(tǒng)人工巡檢變得難度極大，這就使得一線電力運(yùn)維人員無法及時(shí)獲得詳細(xì)準(zhǔn)確的現(xiàn)場實(shí)際資料，給運(yùn)維工作帶來了困難[2]。如今無人機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，隨著GPS、北斗等高精度衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)日益成熟，配合先進(jìn)的無人機(jī)集控系統(tǒng)，為無人機(jī)對變電站電氣設(shè)備進(jìn)行全自主巡檢規(guī)劃航跡成為可能，控制無人機(jī)全天時(shí)全天候一鍵起降、自主飛巡，已經(jīng)成為一種行之有效的巡檢方式。

2.1??? 方案難點(diǎn)及應(yīng)對策略

難點(diǎn)1：變電站電氣設(shè)備眾多，無人機(jī)飛行難度大。

應(yīng)對策略：在巡檢開始前，首先對變電站進(jìn)行三維建模，得到變電站不大于1：1 000比例尺的高精度三維模型，使得規(guī)劃的航跡展示在三維模型上，得以準(zhǔn)確判斷出航跡的合理性和安全性，保證規(guī)劃航跡的絕對安全。變電站巡檢采用高性能無人機(jī)，無人機(jī)具備GPS和北斗雙重定位模式，支持RTK厘米級定位，同時(shí)無人機(jī)具備五向避障功能，能夠保障飛行安全。

難點(diǎn)2：變電站電磁環(huán)境復(fù)雜，給無人機(jī)飛行控制帶來考驗(yàn)。

應(yīng)對策略：巡檢的高性能無人機(jī)采用雙GPS天線定向技術(shù)，當(dāng)遇到變電站強(qiáng)電磁環(huán)境干擾時(shí)，飛控系統(tǒng)采用雙天線定向技術(shù)，使得無人機(jī)在磁羅盤受磁場干擾的情況下依然擁有精確的航向信息，從而保障飛行安全。

難點(diǎn)3：變電站巡檢設(shè)備眾多，巡檢點(diǎn)復(fù)雜，巡檢照片數(shù)量大。

應(yīng)對策略：智能巡檢方案采用先進(jìn)的無人機(jī)集控技術(shù)，依托變電站三維模型，實(shí)現(xiàn)對變電站巡檢航跡的科學(xué)規(guī)劃，將變電站按功能分區(qū)，按高層、中層、低層分層，保證巡檢航跡可靈活配置，結(jié)合巡檢管控平臺可以實(shí)現(xiàn)巡檢成果與巡檢部位的一一對應(yīng)，方便運(yùn)維人員查看巡檢成果。

2.2??? 技術(shù)方案

分析某變電站的實(shí)際情況，其雖然占地面積不大，但電氣設(shè)備眾多，安全要求高，因此選用多旋翼無人機(jī)進(jìn)行“井”字飛行的方式，配合云臺控制相機(jī)在垂直90°和45°傾斜狀態(tài)變化拍照，采集變電站全部影像。該變電站傾斜攝影航跡規(guī)劃示意圖如圖2所示。通過采用自動建模軟件系統(tǒng)，基于圖形運(yùn)算單元GPU的快速自動三維場景運(yùn)算，整個(gè)過程幾乎無須人工干預(yù)，即可從簡單連續(xù)的影像中生成高度還原的實(shí)景三維場景模型。

運(yùn)用傾斜攝影技術(shù)獲取的影像數(shù)據(jù)，通過合理布設(shè)地面像片控制點(diǎn)，將影像數(shù)據(jù)、地面像片控制點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入自動建模軟件系統(tǒng)進(jìn)行批處理[3]，人工只需參與質(zhì)量控制和三維模型編輯修飾工作。三維建模生產(chǎn)流程圖如圖3所示。利用軟件輸出OSGB格式三維成果，對模型明顯的拉伸變形、紋理漏洞和貼圖模糊進(jìn)行處理，直到滿足三維模型制作精度要求。圖4所示為三維建模過程中的空三加密環(huán)節(jié)。

根據(jù)機(jī)型特點(diǎn)，無人機(jī)巡檢作業(yè)應(yīng)遵照標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程開展，將變電站根據(jù)實(shí)際功能分成主控室、主變場地、電容器場地、高低壓場地等若干區(qū)域。在無人機(jī)飛巡時(shí)，巡檢航線遵循分區(qū)設(shè)置、避免穿插的原則，最大程度地使得無人機(jī)飛行不跨越電氣設(shè)備，從而最大限度地保障安全。在各個(gè)分區(qū)中，航線分為高、中、低三層，巡檢時(shí)由高到低、最終返航，在此過程中要做到巡檢部位高層全覆蓋、中層重點(diǎn)部位不遺漏、低層在保證安全時(shí)盡量全拍攝，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)變電站電氣設(shè)備關(guān)注點(diǎn)的全面覆蓋，獲取高質(zhì)量的影像資料，完成對變電站的全方位、立體化巡檢。

3??? 結(jié)語

無人機(jī)利用其精度高的特點(diǎn)可解決傳統(tǒng)人工巡檢和機(jī)器人巡檢對于高空設(shè)備存在盲區(qū)的問題，同時(shí)其機(jī)動性、靈活性都比較高。但是目前無人機(jī)在變電站巡檢中應(yīng)用極少，還沒完全普及，無人機(jī)巡檢標(biāo)準(zhǔn)缺陷庫也不夠完善，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法應(yīng)用于缺陷識別的準(zhǔn)確率不高，從而影響了無人機(jī)的實(shí)際工作效率。因此，還需繼續(xù)加強(qiáng)對無人機(jī)在變電站中深度應(yīng)用的研究，在開發(fā)基于圖像識別的隱患缺陷判斷技術(shù)和基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法的缺陷智能診斷技術(shù)方面繼續(xù)下功夫，以便實(shí)現(xiàn)變電站的無人機(jī)全自動、智能化巡檢。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 羅澤雄，劉秀，羅志勇，等.高精度無人機(jī)在變電站巡檢中的應(yīng)用[J].工程技術(shù)研究，2020，5（23）：244-245.

[2] 張濤.無人機(jī)在變電站的應(yīng)用[J].農(nóng)村電氣化，2019（10）：22-23.

[3] 田小壯，石輝，曾慶松，等.基于圖像處理的變電站周界無人機(jī)安防巡邏系統(tǒng)研究[J].東北電力技術(shù)，2019，40（8）：29-31.

收稿日期：2021-07-13

作者簡介：徐海奇（1990—），男，甘肅武威人，工程師，研究方向：變電站運(yùn)維與新技術(shù)應(yīng)用。