變電站屋頂全自主無人機機場建設研究

李丹樂 ，李和豐 ，嚴雪瑩 ，張 輝

（1.國網浙江湖州供電公司，浙江 湖州 313000;2.湖州電力設計院有限公司，浙江 湖州 313000）

隨著無人機技術的發展，越來越多的電力巡線工作都有無人機的參與[1]。目前，最常見的巡線工作中均須要作業人員具備專業的無人機駕駛技能，且須要耗費一定的時間和資金成本才能培養出一名專業的飛手。在電網巡線的過程中，飛手仍須攜帶無人機抵達作業現場，負責保障無人機的飛行安全、為無人機更換電池、提取飛行后采集數據等一系列繁雜工作[2]。這套流程雖相較于傳統的望遠鏡巡視和爬塔巡視提高了巡檢的效率，保證了巡檢質量，但同時又為巡檢人員增添了額外的工作任務。此外，這種工作模式在超視距飛行的過程中仍存在人為誤操作的安全隱患，并沒有從根本上節省人力物力。

因此，建設一套全自主無人機系統，實現集無人機的自動飛行，數據的自動采集、分析、處理于一體的自動化巡檢系統成為迫切需求。

1 全自主無人機系統應用現狀

以湖州地區為例，目前全自主無人機系統已逐步投入使用，截至2020年底全湖州市域范圍內共建成1條全自主無人機巡檢線路，共配備了2只全自主無人機。據了解，市場上現有的巡線無人機續航能力低，在電力巡線高度或室外溫度較高的情況下，電能損耗速度加快[3]，而充電時間卻往往超過一個小時。續航能力和充電效率的不匹配限制了無人機的飛行時間和飛行距離，無法完成長時間巡線任務。隨著無人機自主巡線的推廣，在合適的位置建設機場以供無人機進行能源補給和數據傳輸成為無人機自主巡線的必然要求[4]。

2 全自主無人機機場建設位置比選

2.1 無人機機場簡介

經市場調研收資，全自主無人機機場可為無人機自動更換電池或者自動補充充電。根據不同的任務指令自動更換吊艙，如光學變焦鏡頭、紅外熱成像儀、傾斜攝影儀、高空喊話器、360°全景直播儀等，并可根據不同的需求定制。

全自主機場通常須要內置恒溫系統，可保證機場在任何及極端惡劣的天氣條件下都能正常運作。外置小型氣象儀，包含溫濕度傳感、風速風向傳感器、RTK 定位裝置，可對無人機飛行作業前的天氣狀況進行評估，為中控室指揮人員提供下達指令的依據。視頻監控功能，可對機庫周邊及機庫內部的情況進行實時監控。某廠家提供的機場外形如圖1所示。

圖1 全自主無人機機場外形圖

2.2 地表無人機機場

目前，湖州地區已建成的全自主無人機機場共有2處，分別位于青山變電站圍墻內空余場地和鈕家變電站圍墻外代征場地，均屬地表無人機機場范疇。

35 kV青山變電站投運于1988年，已建成的無人機機場布置于站區西南側（生活區），如圖2所示。可以看出，青山變配電裝置場地與生活區有明確的物理隔離，且生活區有足夠的空余場地，基于本站的實際情況將無人機機場布置于此處較為合理。但并不是所有變電站都有單獨劃分的生活區，若將其布置于配電裝置場地須要進一步分析無人機起飛降落對原電氣設備安全穩定運行的影響；自國家電網有限公司推行通用設計以來，圍墻內面積指標控制較為嚴格，建構筑物及電氣設備布置較為緊湊，近十年以來新投運的變電站基本無空余場地。

圖2 青山變電站無人機機場布置圖

35 kV鈕家變電站已建成的無人機機場布置于站區圍墻外代征場地，如圖3所示。經實地走訪，本站圍墻外附近較為空曠且原代征地未另作他用，基于本站的實際情況將無人機機場布置于此處較為合理。但并不是所有變電站都有可供利用的圍墻外土地，若考慮新征土地，必然涉及到政策處理及高額的土地征收費；若部分變電站同本站情況一樣存在可供利用的圍墻外土地，尚須核實圍墻外周邊環境是否允許建設無人機機場；將無人機機場布置于變電站圍墻外場地做法不利于設備后期運行維護及防盜。

圖3 鈕家變電站無人機機場布置圖

2.3 變電站屋頂無人機機場

變電站內一般建有配電裝置樓、輔助用房、消防泵房及辦公宿舍樓等建筑物，建筑物屋頂均按不上人屋面設計考慮，通常僅根據消防要求會在配電裝置樓屋頂配置消防水箱，屋頂可利用空間完全滿足無人機機場布置。各個建筑物高度由于變電站設計方案、建筑物結構類型等不同使得差異性較大，通常建筑物高度在4～20 m不等，綜合考慮電氣設備的安全性、無人機起飛降落的方便性、造價經濟的合理性等因素，將機場布置在較低或較高建筑物屋頂。可見，變電站屋頂無人機機場建設幾乎不受限制，較好地解決了由于無人機自主巡線大面積推廣帶來的機場建設問題。

綜合看來，變電站屋頂成為建設無人機機場的最佳位置。本文以已建成的青山變電站地表無人機機場為參考，對已投入使用的變電站建設屋頂無人機機場進行技術改造方案研究；同時，對新建變電站建設屋頂無人機機場進行深化設計方案研究。

3 全自主無人機機場建設方案

3.1 已建變電站屋頂技術改造

青山變地表無人機機場主要參數如表1所示。

表1 青山變地表無人機機場主要參數

3.2 機場安裝

擬將青山變無人機機場建設于辦公宿舍樓屋頂，根據一期圖紙資料得知，建筑物結構類型為混凝土結構，屋面次梁布置間距為2.25 m，適宜將無人機機場兩側角支座分別安裝于梁上。采用梁上預埋地腳螺栓方式進行定位安裝，如圖4所示。

圖4 地腳螺栓安裝示意圖

完整安裝流程如下：屋面次梁開鑿預埋所需孔洞→鋼板與直錨鋼筋、地腳螺栓進行焊接固定→定位安裝并適時進行二次灌漿。

3.3 屋面梁加固

經PKPM軟件的結構分析計算，當將無人機機場置于屋面梁上后不能保證原有梁的承載能力，須采取相應的加固方案。采用粘貼鋼板法進行屋面梁加固，梁底和梁頂加固示意分別如圖5和圖6所示。

圖5 梁底加固示意圖

圖6 梁頂加固示意圖

梁底加固鋼板范圍為梁中1/3跨度長；鋼板全長通過布置雙排間距400 mm錨栓進行連接固定，其中兩端采取粘貼U形扁鋼箍外加錨栓的方式；梁底粘貼鋼板施工前須對梁面進行鑿毛處理。

梁頂加固鋼板范圍為兩側梁端各1/3跨度長；鋼板全長通過布置單排間距400 mm錨栓進行連接固定；梁頂粘貼鋼板施工前須鑿除原屋面建筑層至結構層表面，并對梁面進行鑿毛處理。

3.4 新建變電站屋頂深化設計

3.4.1 主次梁設計

以半戶內110 kV新建變電站通用設計方案為例，配電裝置樓結構類型為鋼框架結構，為充分保障無人機起飛降落時的安全性與便捷性，擬將無人機機場建設于建筑物高屋面GIS室上空。本次設計不改變原屋面主次鋼梁布置形式，根據機場外形尺寸新增跨度2.5 m，間距1.15 m的次梁3根，同時根據機場重量核算新增次梁型號HN400×150，材質Q355。高屋面鋼梁平面布置圖如圖7所示。

圖7 高屋面鋼梁平面布置圖

3.4.2 機場安裝

本次設計考慮新建混凝土梁作為機場支座，梁上再預埋地腳螺栓方式進行定位安裝。新建混凝土梁梁寬200 mm，梁高可根據機場安裝高度確定，梁跨、數量及布置間距同新增屋面次鋼梁，與屋面板采用混凝土一次整體澆筑。無人機機場支座大樣如圖8所示。

圖8 無人機機場支座大樣圖

3.5 經濟成本

在改造中，計算共須花費29822元，其中建筑工程費用18662元，安裝工程費5448元，其他費用5712元。

變電站屋頂機場的推廣帶來的直接效益是節約了機場建設的土地征用成本（現有大部分變電站地面空間不足以建設機場且影響設備安全運行）。根據湖州臨滬變電站的征地成本文件來看，征地666.667 m2大約需21萬元，則一座無人機機場需要土地大約為25 m2，則征地成本為8000元。而且地面機場還須要額外增加防撞護欄費用，根據220 kV德莫線的護欄基礎定額和主材價格，則無人機機場所需的防撞護欄成本約為10300元。外加安裝工程費和其他費用，成本明顯高于屋頂機場。所以屋頂無人機機場的建設可以大幅削減機場建設推廣成本。

4 結束語

本文中依據青山變為范本所做的技術改造與概算，結果表明在變電站屋頂上建設無人機機場可行且成本不高，在未來的自主無人機推廣中，應首選建設屋頂機場。