變電站油位表計設(shè)備的無人機巡檢系統(tǒng)研究

張海華，陳昊，李中烜，劉懷宇，孫小磊，許馳

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司超高壓分公司，江蘇 南京211102；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，江蘇 南京210008)

0 引言

1 無人機巡檢

隨著近年來無人機(Unmanned Aerial Vehicle，UVA)技術(shù)的成熟與成本的下降，無人機已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用到電網(wǎng)巡檢中。國家電網(wǎng)有限公司技術(shù)學院定期開展無人機培訓班對員工培訓取證，目前取證等級分為“視距內(nèi)駕駛員(駕駛員)”“超視距駕駛員(機長)”“教員”三種，資質(zhì)等級依次遞增[11]。無人機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。當前無人機在變電站自主巡檢的應(yīng)用中主要面臨兩個難題[12－13]:一是定位難題，無人機需要在電氣設(shè)備之間來回穿梭，既要選取最佳拍照角度，又要兼顧與帶電設(shè)備保持足夠的安全距離，飛行位置誤差必須保持在厘米級，飛機導航控制難度非常大；二是抗干擾難題，變電站內(nèi)電磁環(huán)境復雜，電場、磁場干擾大，無人機若未達到不同電壓等級變電站的抗電磁干擾水平，將導致飛機失控撞上運行設(shè)備，威脅設(shè)備安全運行。

2 變電站無人機巡檢系統(tǒng)建設(shè)

2.1 無人機自主起降機場

無人機自主起降機場(以下簡稱機場)是實現(xiàn)無人機全自動作業(yè)的地面基礎(chǔ)設(shè)施，由起降平臺、充電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、遠程通信系統(tǒng)等組成，如圖1所示。機場整體采用耐高溫、抗嚴寒、防水、防雷、防塵、防銹、防腐蝕等工藝，可實現(xiàn)2 000次/5 000 h無故障運行。

圖1 無人機自主起降機場

無人機自主起降機場主要功能為:1)存儲和安放巡檢無人機，實現(xiàn)無人機的自動釋放與回收；2)實現(xiàn)對無人機電池自動充電；3)實現(xiàn)與無人機的數(shù)據(jù)上傳及指令下發(fā)。

無人機自主起降機場通過遠程一鍵啟動，自動打開無人機艙門；無人機起飛后，遠程指揮中心實時下發(fā)控制指令，實時顯示無人機巡檢視頻；無人機完成作業(yè)后自動返航，在起降平臺上實現(xiàn)無人機精準起降、充電及傳輸巡檢數(shù)據(jù)。

無人機自主起降機場的建設(shè)實現(xiàn)了無人機的全自動作業(yè)，替代人工現(xiàn)場操控，有效提高了變電站無人機巡檢作業(yè)效率。

2.2 智能無人機選型

經(jīng)緯M300 RTK無人機如圖2所示，集成2 000萬像素變焦相機、1 200萬像素廣角相機、30 Hz高幀率熱成像儀、1 200 m遠距離激光測距儀，可實現(xiàn)23倍混合光學變焦，支持55 min超長續(xù)航和最遠15 km圖傳距離，無需關(guān)機便可快速更換電池，搭配快充充電箱能夠不間斷作業(yè)。廣泛應(yīng)用于應(yīng)急消防、警務(wù)執(zhí)法、能源巡檢、測繪等專業(yè)領(lǐng)域[14]。

圖2 經(jīng)緯M300 RTK無人機

Mavic 2 Enterprise(御2企業(yè)版)無人機如圖3所示，配備2 000萬像素變焦相機，可同時拍攝可見光及紅外照片/視頻；小機身、低成本，具備避障功能；支持31 min續(xù)航和最遠8 km圖傳距離。其廣泛應(yīng)用于應(yīng)急救援及工業(yè)測溫[15]。

產(chǎn)婦的盆底損傷情況不同，每個人初始的肌肉收縮能力、學習能力是有差異的，部分產(chǎn)婦Ⅰ類纖維收縮能力較好，部分產(chǎn)婦Ⅱ類纖維收縮能力較好，有小部分甚至無法識別盆底肌肉收縮。

圖3 Mavic 2 Enterprise無人機

通過對變電站設(shè)備進行3D建模，可劃分出高、中、低3類空間層次，并依次進行巡檢任務(wù)分工:無人機通常用于變電站內(nèi)高層設(shè)備的巡檢，經(jīng)緯M300 RTK工業(yè)級無人機從高空巡視死角盲區(qū)，對設(shè)備進行全方位的紅外掃描；Mavic 2 Enterprise無人機巡視各個間隔片區(qū)，主要巡視設(shè)備外觀、油位、表計；站內(nèi)中層設(shè)備由高清視頻巡檢；低層設(shè)備由變電站值班員或地面機器人巡檢。

2.3 遠程地面控制系統(tǒng)

遠程地面控制系統(tǒng)(GCS)是無人機自動起降機場以及無人機的管理平臺，可以實現(xiàn)對自動起降機場和無人機的遠程控制，同時也是數(shù)據(jù)智能運營平臺。該系統(tǒng)部署在用戶本地或者云端，用戶可隨時遠程登錄，針對不同應(yīng)用場景制訂巡飛任務(wù)，遠程監(jiān)視無人機和自動起降機場進行自動飛行作業(yè)，或切換手動控制模式進行手動飛行作業(yè)。

2.4 后端管控平臺

后端管控平臺由無人機調(diào)度管控系統(tǒng)、多任務(wù)智能巡檢系統(tǒng)等組成。主要功能為:集成化自動巡檢系統(tǒng)運行平臺，可以集中調(diào)度多臺無人機與自動起降機場，可獲得無人機實時視頻；綜合協(xié)調(diào)每臺無人機的自動巡檢工作，在一張地圖上實時監(jiān)控每一臺無人機位置，并進行無人機飛行路徑空域規(guī)劃和無人機起降規(guī)劃，可以實現(xiàn)多機場、多無人機、多任務(wù)同時作業(yè)，實現(xiàn)智能管控。全生命周期智能化監(jiān)控，具有智能預(yù)警、自動防錯檢測、維護保養(yǎng)提醒等功能。

3 網(wǎng)絡(luò)拓撲架構(gòu)

無人機與機場的遙測數(shù)據(jù)為MQTT協(xié)議，機場到第三方平臺的視頻推流為RTMP協(xié)議，機場到第三方平臺的圖片傳輸可選擇FTP/HTTP協(xié)議?；诖耍瑹o人機與管控平臺有兩種網(wǎng)絡(luò)通信方式，如圖4所示。

圖4 變電站無人機通信網(wǎng)絡(luò)拓撲架構(gòu)

3.1 有線網(wǎng)絡(luò)

無人機遙測信息、圖傳信息通過遙控器鏈路(2.4 G/5.8 G)與機場通信。機場通過有線網(wǎng)絡(luò)連接到電站管控服務(wù)器(管控服務(wù)器可部署在公有云、私有云、PC機上)，前端機場控制軟件部署在管控服務(wù)器，實現(xiàn)對無人機與自動起降機場的云端管控，完成飛行巡檢任務(wù)作業(yè)，無人機、自動起降機場狀態(tài)數(shù)據(jù)實時監(jiān)控、視頻實時回傳，通過API接口可將無人機管控平臺接入第三方控制平臺。

有線網(wǎng)絡(luò)可選擇敷設(shè)光纖或網(wǎng)線。采用光纖連接時，為了確保光纖線路運行的安全、穩(wěn)定，光纖入地通過管道線路敷設(shè)至指揮中心。無人機自動起降機場直接采用一根室外4芯光纜由指揮中心接入至機場箱體內(nèi)。若指揮中心距離自動起降機場在70 m以內(nèi)，可以通過網(wǎng)線連接。使用Ⅵ類網(wǎng)線，為了確保網(wǎng)線線路運行的安全、穩(wěn)定，網(wǎng)線可入地通過管道線路敷設(shè)至指揮中心。強電與弱電使用不同管道，兩者管道之間距離大于10 cm以防止信號干擾的影響。

3.2 無線網(wǎng)絡(luò)

自動起降機場通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)連接到變電站管控服務(wù)器(管控服務(wù)器可部署在公有云、私有云、PC機上)，前端機場控制軟件部署在管控服務(wù)器，實現(xiàn)對無人機與自動起降機場的云端管控，完成飛行巡檢任務(wù)作業(yè)，無人機、自動起降機場狀態(tài)數(shù)據(jù)實時監(jiān)控、視頻實時回傳，通過API接口可將無人機管控平臺接入第三方控制平臺。當需要接入內(nèi)網(wǎng)時，機場可選配4G/5G路由器，利用無線通信網(wǎng)絡(luò)連接機場，通過VPN/APN方式實現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)數(shù)據(jù)交互。

無線網(wǎng)絡(luò)連接方案需聯(lián)系運營商開通VPN/APN專網(wǎng)，調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)無線傳輸存在較大延時，且受網(wǎng)絡(luò)抖動影響較大。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

某500 kV變電站高清視頻巡檢系統(tǒng)建設(shè)完畢，對電流互感器、變壓器、斷路器等含油位或表計設(shè)備的巡檢結(jié)果見表1。

表1 高清視頻巡檢系統(tǒng)對油位表計的巡檢結(jié)果

該變電站在500 kV設(shè)備區(qū)、主變壓器及35 kV設(shè)備區(qū)的變電站無人機巡檢系統(tǒng)建設(shè)完畢后，航線分設(shè)備區(qū)依次間隔飛行，與人工巡視通道平行。

針對變電站無人機巡檢的定位難題，現(xiàn)場安裝獨立氣象單元，為巡檢無人機提供精準RTK定位服務(wù)；室內(nèi)設(shè)備、表計無人機巡檢，另設(shè)置二維碼，通過無人機識讀二維碼實現(xiàn)巡檢工作的精準定位。針對變電站無人機巡檢的抗干擾難題，一方面在無人機進場前，在檢測機構(gòu)進行產(chǎn)品檢驗，確保無人機在系統(tǒng)功能、系統(tǒng)性能、圖像識別、硬件檢查、環(huán)境影響、電氣安全、電磁兼容、通用安全等方面滿足變電站復雜電磁環(huán)境的使用要求；另一方面，基于變電站電場強度測量裝置對變電站運檢區(qū)域的不同頻率下的電場分布進行了普測，優(yōu)化巡檢路徑，主動避開潛在的高干擾區(qū)域，降低干擾影響。

迎峰度夏期間，站內(nèi)無人機針對500 kV設(shè)備區(qū)電流互感器的油位情況進行了自主巡檢，自主巡檢可在20 min內(nèi)完成，巡檢圖片及視頻傳輸至專網(wǎng)管控服務(wù)器。

變電站無人機的可見光巡檢結(jié)果如圖5所示，其對觀察窗較大的電流互感器識別效果良好，對觀察窗較小的電流互感器存在部分無法分析的情況，后期可通過圖片訓練改善此類情況。

圖5 變電站無人機可見光巡檢結(jié)果

變電站無人機的紅外巡檢結(jié)果如圖6所示，電流互感器各部位溫度差異一目了然。下一步將對傳統(tǒng)只顯示最高溫度點的紅外測溫方式進行改進，通過算法優(yōu)化標記出所有高于閾值的點。

圖6 變電站無人機紅外巡檢結(jié)果

與高清視頻巡檢結(jié)果相比，無人機在對45個500 kV電流互感器油位點位的巡檢中，可正確識別其中34個，首次巡檢正確率高達75.6%，巡檢時間縮短至20 min。

5 結(jié)語

無人機巡檢系統(tǒng)是無人機開展變電站設(shè)備巡檢工作的必要條件。以某500 kV變電站無人機巡檢系統(tǒng)建設(shè)為案例，介紹變電站無人機巡檢系統(tǒng)的組成及功能，包括自主起降機場的功能、智能無人機選型搭配、遠程地面控制系統(tǒng)、后端管控平臺。最后，基于該變電站無人機巡檢工作的實際開展，介紹無人機對電流互感器等含油位、表計設(shè)備的巡檢航線規(guī)劃，分析無人機在可見光、紅外條件下針對500 kV電流互感器油位點位開展自主巡檢的結(jié)果，并與高清視頻對油位、表計設(shè)備的巡檢結(jié)果進行了對比。

綜上，變電站無人機巡檢系統(tǒng)的建設(shè)實現(xiàn)了無人機對變電站設(shè)備的全自主巡檢，并且無人機對電流互感器、變壓器、斷路器等含油位、表計設(shè)備的巡檢有著顯著優(yōu)勢，其首次巡檢正確率高達75.6%，后期還將隨著無人機巡檢的深入應(yīng)用進一步提高。