變電站無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)研究與應(yīng)用

陳 就 劉文平 石 欣 許文政 馬云飛

（南方電網(wǎng)廣東中山供電局）

0 引言

隨著用電負(fù)荷快速增長(zhǎng)和智能化運(yùn)維水平的發(fā)展，傳統(tǒng)的人工巡檢、機(jī)器人巡檢、人工控制無(wú)人機(jī)巡檢或遠(yuǎn)程視頻巡檢等手段已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足需求，具體表現(xiàn)在存在巡視盲區(qū)、需要專(zhuān)用巡檢通道、效率較低、成本較高等，給變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)新的挑戰(zhàn)[1-2]。

針對(duì)變電站巡視存在的問(wèn)題，電力巡檢無(wú)人機(jī)具有可靠性高、巡檢成本低、便于智能化管理等優(yōu)勢(shì)，對(duì)變電站巡檢工作有著重大意義。變電站無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)以提高巡檢自動(dòng)化與智能化為目標(biāo)，巡視范圍包括巡視盲區(qū)，對(duì)于推進(jìn)數(shù)字電網(wǎng)的建設(shè)有積極的作用。電力巡檢無(wú)人機(jī)巡視作業(yè)具備安全性高、檢測(cè)精度高、巡視范圍廣、成本低、效率高的優(yōu)勢(shì)[3-4]，可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面檢查，通過(guò)高清的可見(jiàn)光和紅外圖像對(duì)變電站進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)變電站設(shè)備缺陷與異常，及時(shí)為運(yùn)維人員提供精準(zhǔn)的設(shè)備信息，有效避免設(shè)備停電事故，提高變電站巡檢工作效率。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)針對(duì)變電站無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)領(lǐng)域開(kāi)展了相應(yīng)研究，文獻(xiàn)[5]測(cè)試了在北斗高精度定位服務(wù)下，變電站無(wú)人機(jī)可以在狹小空間內(nèi)安全有效地進(jìn)行巡檢作業(yè)；文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種變電站無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)，對(duì)于變電站設(shè)備表計(jì)識(shí)別有一定的借鑒意義；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種變電站無(wú)人機(jī)巡檢模擬仿真系統(tǒng)，具有自主飛行、智能控制等功能；文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)結(jié)構(gòu)改造方案，可作為無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)建設(shè)的參考方案；文獻(xiàn)[9]對(duì)無(wú)人機(jī)安全距離和放電觀(guān)測(cè)進(jìn)行試驗(yàn)，確定了無(wú)人機(jī)作業(yè)安全距離的方法。上述系統(tǒng)存在缺陷不能自動(dòng)識(shí)別、智能化水平低、巡視工作量大等問(wèn)題，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，不能有效提高變電站無(wú)人機(jī)巡檢效率。

為了解決上述變電站無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)的不足，本文采用3D 建模技術(shù)、航線(xiàn)規(guī)劃技術(shù)、高精度定位技術(shù)和圖像識(shí)別技術(shù)，提出并研制了變電站無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)按航線(xiàn)自主巡視，自動(dòng)判斷設(shè)備溫度異常，智能識(shí)別表計(jì)讀數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的缺陷，提高了變電站巡檢效率，滿(mǎn)足變電站智能化、精益化運(yùn)維需求。

1 變電站無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

變電站無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)由生產(chǎn)系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、航線(xiàn)規(guī)劃系統(tǒng)、綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)、辦公電腦、通信設(shè)備、無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)控制器、無(wú)人機(jī)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 變電站無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)系統(tǒng)負(fù)責(zé)變電站無(wú)人機(jī)巡視工作計(jì)劃管理，將巡視計(jì)劃推送至無(wú)人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，作業(yè)結(jié)束后，從無(wú)人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)反饋?zhàn)鳂I(yè)完成情況。

無(wú)人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有綜合展示、實(shí)時(shí)監(jiān)控、巡檢管理、缺陷管理、數(shù)據(jù)中心等功能。可實(shí)現(xiàn)變電站三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)展示，巡視航線(xiàn)的上傳，航線(xiàn)任務(wù)的下發(fā)與執(zhí)行，巡視數(shù)據(jù)的查看與分析，巡檢計(jì)劃自動(dòng)關(guān)聯(lián)任務(wù)航線(xiàn)等功能。系統(tǒng)將任務(wù)航線(xiàn)下發(fā)至機(jī)場(chǎng)執(zhí)行端，無(wú)人機(jī)巡視數(shù)據(jù)自動(dòng)回傳至無(wú)人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。對(duì)無(wú)人機(jī)拍攝的照片（可見(jiàn)光和紅外圖像）進(jìn)行實(shí)時(shí)畫(huà)面或者結(jié)果診斷分析，發(fā)現(xiàn)缺陷立即上報(bào)至生產(chǎn)系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)機(jī)場(chǎng)、無(wú)人機(jī)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在巡檢任務(wù)或者計(jì)劃執(zhí)行的過(guò)程中，有效地對(duì)隱患、異常、故障等設(shè)備的特殊情況進(jìn)行快速處理。

航線(xiàn)規(guī)劃系統(tǒng)利用變電站點(diǎn)云和實(shí)景三維模型繪制無(wú)人機(jī)巡視航線(xiàn)，將航線(xiàn)下發(fā)至無(wú)人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)變電站無(wú)人機(jī)巡視作業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)通信，為變電站無(wú)人機(jī)巡視工作提供實(shí)時(shí)、可靠、安全的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

通信設(shè)備主要包括交換機(jī)、防火墻設(shè)備、通信線(xiàn)纜等設(shè)備。無(wú)人機(jī)與無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波傳輸信號(hào)，無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)通過(guò)通信線(xiàn)纜在綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)與交換機(jī)、防火墻設(shè)備進(jìn)行通訊，且無(wú)人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以與電力數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互。

無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)采用換電機(jī)場(chǎng)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自主換電，內(nèi)置四塊電池，基本能滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)的不間斷飛行。通過(guò)無(wú)人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程將巡視任務(wù)下發(fā)至無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)，再由無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)轉(zhuǎn)發(fā)，作業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程確認(rèn)。基于無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自主執(zhí)行飛行任務(wù)，具有可見(jiàn)光、紅外的設(shè)備參數(shù)采集、巡視媒體（視頻、照片）數(shù)據(jù)回傳保存等功能。

機(jī)場(chǎng)控制器接收航線(xiàn)任務(wù)后自動(dòng)發(fā)出語(yǔ)音提示，提醒作業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)。

電力巡檢無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)在無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)上自主起降，并按預(yù)設(shè)航線(xiàn)自動(dòng)完成巡檢任務(wù)，利用其配置的高清攝像機(jī)和紅外成像設(shè)備采集變電站設(shè)備巡檢數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至無(wú)人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

1.2 功能設(shè)計(jì)

變電站無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電力巡檢無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程指揮，全方位定點(diǎn)定位巡視，巡視數(shù)據(jù)批量處理與有效管理，表計(jì)、紅外圖片等設(shè)備缺陷智能識(shí)別等功能，其主要功能如下。

1）電力巡檢無(wú)人機(jī)按航線(xiàn)自主巡視。運(yùn)維人員采用相位偏移測(cè)距、點(diǎn)云數(shù)據(jù)著色、GPS 定位等技術(shù)建立高精度的變電站三維實(shí)景、可見(jiàn)光模型，然后根據(jù)三維模型、運(yùn)維策略巡視要點(diǎn)在航線(xiàn)規(guī)劃系統(tǒng)繪制航線(xiàn)，無(wú)人機(jī)按預(yù)設(shè)的航線(xiàn)自主巡視。無(wú)人機(jī)具有RTK 模塊，接收差分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行解算，可獲得實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、厘米級(jí)定位服務(wù)；具有抗電磁干擾能力，能在變電站電磁干擾區(qū)域作業(yè)；無(wú)人機(jī)機(jī)型小，可在設(shè)備間隔穿梭。

2）無(wú)人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別設(shè)備異常。電力巡檢無(wú)人機(jī)搭載高分辨率雙光鏡頭（紅外、可見(jiàn)光），作業(yè)過(guò)程中將照片實(shí)時(shí)回傳至無(wú)人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)利用智能算法診斷識(shí)別設(shè)備異常。

3）智能分析應(yīng)用、巡視報(bào)告自動(dòng)生成。無(wú)人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)同類(lèi)設(shè)備的照片數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，診斷設(shè)備異常是否存在隱患并對(duì)異常狀況預(yù)警。巡檢報(bào)告內(nèi)容包括巡視照片數(shù)量、巡視時(shí)間、無(wú)人機(jī)狀態(tài)評(píng)估、設(shè)備異常分析等。

2 變電站無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 3D 建模技術(shù)

3D 建模技術(shù)采用傾斜攝影建模技術(shù)和激光雷達(dá)建模技術(shù)。首先采用傾斜攝影建模技術(shù)可獲取變電站的實(shí)景模型，該技術(shù)采用基于傾斜攝影的高、中、低三層模型疊加算法構(gòu)建方法，流程包含基礎(chǔ)圖片拍攝、模型構(gòu)建、圖片補(bǔ)充、圖片疊加計(jì)算等過(guò)程。將高處與中低空照片一起解算后，可得到較高質(zhì)量實(shí)景模型，某110kV 變電站實(shí)景模型如圖2 所示。然后采用地基雷達(dá)對(duì)變電站進(jìn)行高精度三維建模。地基雷達(dá)可以進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行激光雷達(dá)掃描，獲取變電站點(diǎn)云模型。在掃描的同時(shí)，地基雷達(dá)同時(shí)進(jìn)行拍照，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)著色。由于地基雷達(dá)采用GPS 進(jìn)行定位，絕對(duì)位置存在一定偏差，因此需要在變電站選取至少三個(gè)特征點(diǎn)，并用RTK 無(wú)人機(jī)獲取特征點(diǎn)精準(zhǔn)定位坐標(biāo)，將這三個(gè)特征點(diǎn)對(duì)原始模型絕對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行校正后，就可以獲取精度誤差為5cm 的高精度點(diǎn)云模型。最后將實(shí)景模型與點(diǎn)云模型進(jìn)行疊加，可得到高精度的3D 模型，變電站3D 疊加模型如圖3 所示。

圖2 變電站實(shí)景模型

圖3 變電站3D 疊加模型

2.2 航線(xiàn)規(guī)劃技術(shù)

電力巡檢系統(tǒng)采用航線(xiàn)規(guī)劃技術(shù)進(jìn)行變電站巡視航線(xiàn)編制。航線(xiàn)規(guī)劃流程包括分區(qū)規(guī)劃、部件點(diǎn)選取、輔助點(diǎn)增加、航點(diǎn)順序調(diào)整、安全性判別、航線(xiàn)驗(yàn)證等過(guò)程，首先是按間隔對(duì)變電站設(shè)備進(jìn)行分區(qū)，對(duì)每個(gè)分區(qū)進(jìn)行航線(xiàn)規(guī)劃；然后，按照航線(xiàn)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)和航線(xiàn)規(guī)劃軟件中預(yù)覽圖進(jìn)行拍攝點(diǎn)選取，并對(duì)拍攝的距離，角度進(jìn)行調(diào)整；無(wú)人機(jī)會(huì)依次在航點(diǎn)間飛行，因此需要增加輔助點(diǎn)防止無(wú)人機(jī)在兩個(gè)航點(diǎn)間飛行時(shí)誤碰設(shè)備，用于繞開(kāi)構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)飛行安全；接下來(lái)，調(diào)整各個(gè)航點(diǎn)的順序使巡視航線(xiàn)最短；進(jìn)行安全性判別尋找安全距離不足的飛行危險(xiǎn)點(diǎn)，并進(jìn)行調(diào)整；最后是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，確定巡視安全性和巡視質(zhì)量，變電站航線(xiàn)規(guī)劃流程如圖4 所示。

圖4 變電站航線(xiàn)規(guī)劃流程

2.3 高精度定位技術(shù)

變電站中主變、電容、電抗等設(shè)備存在電磁干擾，為降低電磁對(duì)無(wú)人機(jī)飛行的影響，電力巡檢無(wú)人機(jī)中的定位裝置需具備抗電磁干擾功能，且變電站設(shè)備布局較為密集，需要提供一種高精度定位技術(shù)。

電力巡檢無(wú)人機(jī)采用高精度定位技術(shù)，具體是一種實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)（Real Time Kinematic，RTK），內(nèi)部集成千尋CORS 網(wǎng)絡(luò)，將高精度導(dǎo)航定位系統(tǒng)與高性能成像系統(tǒng)集成在無(wú)人機(jī)機(jī)身中，將基準(zhǔn)站采集的載波相位求差解算坐標(biāo)[10]。RTK 采用了載波相位動(dòng)態(tài)差分方法，在變電站實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)高精度定位，實(shí)現(xiàn)抗電磁干擾、高精度定位功能，確保無(wú)人機(jī)巡視數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。

2.4 圖像識(shí)別技術(shù)

電力巡檢系統(tǒng)采用快速景象匹配算法。首先，輸入專(zhuān)家圖庫(kù)和無(wú)人機(jī)拍攝的設(shè)備實(shí)時(shí)圖像，對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，以保持實(shí)時(shí)圖像的穩(wěn)定性，有利于特征向量的提??；然后對(duì)拍攝的設(shè)備圖像進(jìn)行特征提取，提取出來(lái)的特征向量與專(zhuān)家圖庫(kù)進(jìn)行特征匹配，刪除匹配錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)；最后，構(gòu)建圖像矩陣，發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常時(shí)立即輸出診斷信息，圖像識(shí)別算法流程如圖5所示。

圖5 圖像識(shí)別算法流程

圖像識(shí)別技術(shù)識(shí)別的準(zhǔn)確率與專(zhuān)家圖庫(kù)覆蓋范圍與特征向量提取的準(zhǔn)確率有關(guān)。以變電站變壓器套管設(shè)備、表計(jì)識(shí)別為例介紹，常用變壓器套管包括主變變高套管、變中套管、變低套管、中性點(diǎn)套管，無(wú)人機(jī)拍攝表計(jì)主要包括SF6表、油位表、油溫表等，根據(jù)設(shè)備特征建立專(zhuān)家圖庫(kù)。

可以根據(jù)SF6表指針?biāo)甘窘嵌扰袛鄩毫χ?，這樣可以比較準(zhǔn)確地識(shí)別出指針?biāo)傅目潭取?/p>

3 應(yīng)用實(shí)例

變電站無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)已應(yīng)用于中山供電局68個(gè)變電站，覆蓋了所有戶(hù)外變電站，運(yùn)維人員只需在辦公電腦上即可啟動(dòng)無(wú)人機(jī)巡視任務(wù)，遠(yuǎn)程監(jiān)控?zé)o人機(jī)作業(yè)情況，自動(dòng)生成巡視報(bào)告，實(shí)現(xiàn)了電力巡檢無(wú)人機(jī)按航線(xiàn)自主巡視、自動(dòng)判斷設(shè)備溫度異常、智能識(shí)別表計(jì)讀數(shù)等功能。

無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)能智能識(shí)別設(shè)備，自動(dòng)判斷設(shè)備溫度異常，如圖6 所示，主變變高接線(xiàn)掌溫度（A 相48.55°C、B 相65.35°C、C 相47.45°C），自動(dòng)識(shí)別了主變變高接線(xiàn)掌B 相發(fā)熱缺陷。

圖6 紅外圖像缺陷識(shí)別

無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)能智能識(shí)別表計(jì)讀數(shù)，如圖7 所示，自動(dòng)識(shí)別了主變變高開(kāi)關(guān)SF6表讀數(shù)為0.61MPa（額定值為0.6MPa）。

圖7 可見(jiàn)光表計(jì)圖像識(shí)別

變電站無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用有效節(jié)省了人力、物資與時(shí)間，提高了變電站運(yùn)檢工作效率，解決了電網(wǎng)規(guī)模增長(zhǎng)與運(yùn)維人員緊缺的矛盾。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研制的變電站無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)集成應(yīng)用了3D 建模技術(shù)、航線(xiàn)規(guī)劃技術(shù)、高精度定位技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)按航線(xiàn)自主巡視，自動(dòng)判斷設(shè)備溫度異常，智能識(shí)別表計(jì)讀數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的缺陷，驗(yàn)證結(jié)果表明電力巡檢無(wú)人機(jī)執(zhí)行變電站巡檢任務(wù)，可以代替部分人工巡視內(nèi)容。并且采用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)變電站內(nèi)設(shè)備發(fā)熱、表計(jì)讀數(shù)進(jìn)行智能識(shí)別，自動(dòng)上報(bào)缺陷，在很大程度上提高了變電站巡檢效率。