變電站無人機自主巡檢系統的設計應用*

陳 宇，馬成龍

(國網酒泉供電公司，甘肅 酒泉 735000)

0 引 言

當前變電站復雜環境的巡檢主要依賴人工巡檢，部分場景也有應用巡檢機器人巡檢、視頻布點監控、人工操控無人機巡檢等傳統巡檢方式。傳統巡檢方式難以滿足未來運維發展的需要，主要問題表現在以下幾個方面。

(1) 人工巡檢：變電站設備眾多，電結構復雜，除非運維經驗相當豐富的運維人員，否則很難將大量零散的、來自于各個系統的狀態檢測數據進行整理分析，并且難以有效地將分析結果與具體設備相對應，高處設備如避雷針、構架等外觀缺陷從地面視角難以發現。

(2) 機器人巡檢：巡檢機器人在一定程度上可以代替人工完成部分巡檢工作，但對現場的條件要求較高，涉及到修路、道路及圍欄改造、修建充電房等一系列土建改造，其移動速度慢、效率較低、視角有限，特別是在變電站高處存在較多盲區。

(3) 視頻布點監控：主要用于對某些重點設備或區域進行定點監控，但其視野相對固定，主要覆蓋較低位置的巡檢對象，高處設備難以覆蓋，布線安裝復雜及維護不便。

(4) 人工操控無人機巡檢：手動控制無人機在變電站內巡檢對飛手的熟練程度要求高，且基本限于外圍拍攝，應用于巡檢功能有限。

針對上述傳統巡檢方式的盲區，重點對全方位自主巡檢系統進行設計，通過建立變電站無人機自主巡檢系統，降低人工巡檢成本，提高巡檢的自動化與智能化水平，覆蓋傳統巡檢方式盲區，為智能變電站與無人值守變電站的發展提供創新型低空巡檢技術，對于推進智能電網自動化建設有積極的作用。

1 無人機自主巡檢系統

1.1 系統簡介

無人機自主巡檢系統通過高精度三維點云為巡檢自動規劃路線，利用三維空間模型進行航線規劃、航線安全校驗，實現高精度無人機自動駕駛功能。按層級分為云、邊、端三大部分。

(1) 云：中央管控系統，可集中調度自動巡檢系統和無人機，制定并下發無人機巡檢任務，對無人機巡檢上傳的數據進行管理、缺陷識別，實時查看無人機現場圖像。

(2) 邊：無人機自主巡檢系統是實現無人機無人值守作業的智能裝備系統(下文簡稱固定機場)，具備支持無人機存儲、自主化飛行、電能補充等功能模塊，是實現無人機無人值守的關鍵組成部分之一。

(3) 端：攜帶巡檢任務的RTK無人機。無人機能夠接收云端下發的任務，按照任務規劃進行自主安全飛行，采集巡檢任務數據，并可根據業務需求支持搭載紅外測溫多種類型負載。

1.2 通信鏈路

無人機數據通過2.4 GHz/5.8 GHz專用遙控器鏈路與遙控器進行通訊。通過固定機場實現無人機的全自主巡檢，一方面將無人機采集數據傳回管控平臺進行存儲、分析，另一方面通過管控平臺查看實時圖傳、發送控制指令。

固定機場作為信息的中轉站，用于無人機的起飛、降落、回收、儲存、充電場所，同時用于飛機的通訊、數據的儲存與同步、狀態推送與命令接收、氣象數據監測等。

無人機的巡檢數據傳輸鏈路主要分為兩部分：無人機到機場、機場到中心端。如圖1所示。

圖1 數據傳輸鏈路

(1) 機場到中心端：機場與中心端通過有線網絡(光纖/網線)鏈路實現數據連接，主要進行任務信息、無人機巡檢數據、無人機實時圖傳、機場狀態的傳輸。

(2) 機場到無人機：采用無人機專用遙控器鏈路實現飛機與遙控器間的專用通訊鏈路，遙控器安裝在固定機場內，主要用于傳輸控制指令、實時圖傳與巡檢數據。

1.3 硬件配置

固定機場作為無人機的存儲單元及載體，通過接受中心平臺遠程下發的任務，控制無人機進行自主巡檢、返航、回收、充電、數據上傳等流程。具有可連接中央管控系統與固定機場各設備的網絡通信模塊、可處理無人機任務數據的機場服務器模塊、可為無人機提供起降場地的機電模塊、控制無人機自主執行巡檢任務的無人機地面站模塊等。

無人機系統無法在大風大雨中工作，且單次執行任務的續航時間有限，因此需要固定機場具有可判斷無人機飛行環境安全的環境檢測模塊、能為無人機進行電量補充以實現連續作業的電量管理模塊。

固定機場長期在戶外放置運行，需要自身殼體具有一定的防護等級，以保證整套系統的長時間安全運行。同時機場要適應變電站強電磁干擾，需要對本體進行防電磁干擾設計，保障系統作業完全。

自主巡檢系統是一個多模塊融合的集成系統，各模塊需要達到一定功能要求才能保證整套固定機場系統可穩定運行。因此在固定機場的研發工作具體實施中，需要采取先模塊、后集成的研發流程。

1.4 巡檢流程

固定機場會接收管控平臺下發的任務，并進行任務信息存儲。執行任務前，環境檢測模塊會對機場周圍環境進行測量，若周圍環境滿足飛行條件，機場服務器會將固定機場喚醒，并釋放無人機執行任務。完成任務后，無人機會自動返航，固定機場回收無人機。等待無人機任務數據完全傳輸至機場服務器后，機場服務器會將數據上傳至中央管控系統。此時電量管理模塊為無人機進行電量補充，等待下一次任務。如圖2所示。

圖2 巡檢流程

2 巡檢模式

巡檢目標為變電站高空一次設備(構支架頂部結構、避雷針、主變頂部油枕/套管/油位等)，以及變電站周邊電桿塔，對區域內設備自動化巡視、故障點查找、巡檢數據管理工作，并實現巡檢工作全流程可視化，通過合理部署無人機固定機場、無人機、智能管控平臺，執行對區域一次設備無人值守的智能化巡檢任務[1]。主要包括以下要點：①避雷針、母線桿塔、絕緣子線夾等高空設備外觀進行常規性檢查；②檢查高空設備否有鳥巢、風箏、塑料袋等明顯異物；③開關刀閘分合狀態，部分高空表計、互感器油位讀數；④變電站周邊環境、施工情況巡查；⑤變壓器、互感器、開關設備等本體及套管、開關觸頭、引線接頭、T型接頭、絕緣子等否有發熱情況。

不同巡檢方式對比分析，如表1所列。

表1 常規330 kV變電站無人機巡檢與傳統巡檢對比

根據變電站設備分布情況及巡檢數據類型，規劃巡檢模式分為區域粗巡、定點細巡和安保巡邏三種模式：①區域粗巡：對變電站區域進行連續俯拍，檢查是否有異物懸掛或放置與變電設備上。②定點細巡：精準地對變電站內設備進行可見光或紅外照片采集。③安保巡邏：對變電站區域進行安保巡邏，查看現場環境是否有人員停留、異物、違規堆放等問題，覆蓋監控設備盲區。

3 自主巡檢系統應用優勢

變電站無人機自主巡檢系統是一種具備較高智能化和自主化的軟、硬件系統，對現狀和技術發展的作用主要體現在以下四個方面。

(1) 基于云管理的固定機場自主巡檢模式，提高巡檢智能化程度。

在實際運用中，巡檢人員在中央管控系統上可遠程自定義巡檢模式、巡檢時間，同時可以遠程啟動和監視變電站固定式無人機智能巡檢系統運行。幾乎無需人工操作，實現無人機巡檢區域完全自主飛行，巡檢作業數據也會在完成巡檢作業后回傳至中央管控系統，便于數據規范化處理和儲存，為后續大數據分析奠定一定基礎。此種巡檢方式相較于無人機普通自主巡檢，巡檢及時率更高，區域覆蓋更具針對性，數據存儲更具規范性，智能化應用更具前瞻性[2]。

(2) 極高的智能化和自主作業程度，無需人工直接參與，降低風險。

無人機的起飛降落及與固定機場的配合均由系統自主完成；固定機場能夠感知外部環境并對無人機飛行的適宜性做出判斷和反饋狀態信息，同時能夠實時監測機場內無人機電量，并進行自動充電；固定機場還具備飛機導航、定向雙備份，并提供原路返回、低電壓保護等多重安全措施，降低了操作風險。該套系統在技術上實現了由人工現場干預的無人機巡檢向現場無人值守自動化的無人機巡檢模式轉變。機場具備異常處理自恢復邏輯，可實現現場無人值守化的無人機自動巡檢工作。

(3) 研究多種自主巡檢模式，拓寬無人機巡檢業務范圍。

基于固定機場實現多種巡檢業務的研究，以自動化理論、傾斜攝影技術、從運動到結構(structure-from-motion，即SFM)算法、熱成像原理為理論依據，以模塊化設計、標準化設計為原則，實現基于可見光與紅外數據的多種巡檢模式的任務規劃和自動飛行，滿足電站設備例行巡檢、精細化巡檢和安保巡邏等多種巡檢任務需求。

(4) 可視化巡檢報告自動生成，無需繁雜的人工整理分析，巡檢結果一目了然。

基于電氣設備隱患的分析結果，結合標準的變電站巡檢報告模板，自動生成巡檢報告，支持一鍵導出，減少大量的巡檢報告人工編寫工作，巡檢結果標準化。同時可在管控平臺中可視化查看本次巡檢發現的隱患，使得巡檢結果一目了然。

4 結 語

結合分析變電站的環境特點，根據對應場景的巡檢相關技術要求和操作規范，研究基于無人機技術、無線傳輸技術、自動化控制技術、數據管理技術等先進技術于一體的智能巡檢系統。系統不依賴人工現場作業，通過平臺制定下發任務指派無人機自動執行巡檢任務，自動完成無人機起飛、巡檢、降落、回收、充電、數據上傳等步驟。不斷提高變電運維標準化、精益化和智能化水平，從而向更智能、更高效、更安全方式轉變[3]。