小型多旋翼無(wú)人機(jī)在變電站的應(yīng)用

潘國(guó)清，陳延秋，鐘昀昊，王牧川

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局，廣東 廣州 510000）

目前變電站的巡視工作主要依靠人工完成，但隨著變電站數(shù)量的大幅增加及運(yùn)維人員的減少，完全依靠人工巡視很難維持正常工作，且人工巡視也存在一定的巡視盲區(qū)。近年來(lái)，在一些變電站試點(diǎn)應(yīng)用巡視機(jī)器人一定程度上能達(dá)到機(jī)器代人的效果[1]，但應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，巡視機(jī)器人響應(yīng)速度慢，極易受戶外運(yùn)行環(huán)境影響，運(yùn)行穩(wěn)定性差。無(wú)人機(jī)具有響應(yīng)速度快、飛行靈活等特點(diǎn)，利用它搭載的拍攝設(shè)備開展拍攝、巡視等工作，具有其他智能終端無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在各行各業(yè)都得到了運(yùn)用，并極大提高了生產(chǎn)效率。雖然變電站運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，對(duì)安全運(yùn)行的要求極高，但近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，體積小、定位精確、續(xù)航能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)的小型多旋翼無(wú)人機(jī)，通過搭載不同類型的拍攝設(shè)備，在變電站得到日益廣泛的應(yīng)用，并發(fā)揮了不可取代的作用[2-3]。

為此，本文介紹了變電站廣泛應(yīng)用的小型多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的組成部分及其飛行控制模式，并結(jié)合變電站運(yùn)維策略要求，分析了小型多旋翼無(wú)人機(jī)在變電站的應(yīng)用場(chǎng)景。最后，根據(jù)實(shí)際運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，提出變電站無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)用注意事項(xiàng)。

1 變電站無(wú)人機(jī)系統(tǒng)飛行控制模式

由于變電站對(duì)安全運(yùn)行要求較高，且站內(nèi)設(shè)備布置密集，變電站內(nèi)多部署小型多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。小型多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)、無(wú)人機(jī)機(jī)庫(kù)、微氣象系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)及監(jiān)控后臺(tái)組成。無(wú)人機(jī)通過搭載的可見光和紅外鏡頭，實(shí)現(xiàn)可見光和紅外拍攝，并通過網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)與本地監(jiān)控后臺(tái)及遠(yuǎn)程集控后臺(tái)的信息交互[4]。

無(wú)人機(jī)的飛行模式分為全自主飛行和手動(dòng)操作飛行2 種。其中，全自主飛行指無(wú)人機(jī)系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的巡視航點(diǎn)，在相鄰的航點(diǎn)之間通過直線飛行，形成線路等參數(shù)信息，一鍵完成巡視任務(wù)，全過程無(wú)需人工干預(yù)[5]；手動(dòng)操作飛行指操作人員手動(dòng)操作無(wú)人機(jī)，根據(jù)巡視目的完成相關(guān)任務(wù)。2 種飛行控制模式相比，全自主飛行通過提前規(guī)劃航線，并驗(yàn)證航線的安全性和實(shí)用性，能充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的智能功能，減少對(duì)操作人員的依賴，提高無(wú)人機(jī)飛行的安全性；但自主飛行受制于提前規(guī)劃的無(wú)人機(jī)航線，無(wú)法靈活變化。手動(dòng)操作飛行可以根據(jù)實(shí)際需要，實(shí)時(shí)控制飛機(jī)的飛行軌跡，并對(duì)目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行巡視，具有很強(qiáng)的靈活性；但手動(dòng)飛行的安全性與操作人員直接相關(guān)，依賴于操作人員的技術(shù)技能水平。考慮到變電站內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境及對(duì)安全的要求，一般采取自動(dòng)飛行的控制模式。

2 變電站小型多旋翼無(wú)人機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景分析

考慮到無(wú)人機(jī)高空飛行、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，利用無(wú)人機(jī)搭載的可見光和紅外攝像頭可實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站戶外敞開式設(shè)備及運(yùn)行環(huán)境的巡視檢查[6]。目前，結(jié)合變電站運(yùn)維策略發(fā)現(xiàn)，變電站小型多旋翼無(wú)人機(jī)巡視應(yīng)用場(chǎng)景包括以下幾種。

2.1 變電站周邊風(fēng)險(xiǎn)特巡

傳統(tǒng)變電站周邊風(fēng)險(xiǎn)特巡通過人工巡視方式實(shí)現(xiàn)，但戶外變電站普遍位置偏遠(yuǎn)、周邊環(huán)境復(fù)雜，采取人巡方式具有工作量大、覆蓋面小、受環(huán)境限制多等缺點(diǎn)。

無(wú)人機(jī)飛行高度高、巡視視野廣，利用無(wú)人機(jī)沿著變電站周界飛行，開展周邊風(fēng)險(xiǎn)巡視，可以最大化發(fā)揮無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)無(wú)死角、全方位巡視。通過設(shè)置無(wú)人機(jī)的飛行航點(diǎn)，以及調(diào)整無(wú)人機(jī)搭載攝像頭的拍攝角度，甚至可以實(shí)現(xiàn)變電站周邊300 m 或500 m范圍內(nèi)巡視，從而發(fā)現(xiàn)變電站周邊建筑物隱患和施工作業(yè)隱患等（如圖1 所示）。

圖1 無(wú)人機(jī)巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)變電站周邊的施工隱患

2.2 變電站建筑物、構(gòu)筑物特巡

利用變電站無(wú)人機(jī)高空巡視的特點(diǎn)，對(duì)變電站建筑物及構(gòu)筑物開展特巡，具有傳統(tǒng)人工特巡不可比擬的優(yōu)勢(shì)，包括建筑物天面是否積水（如圖2 所示）、下水口是否堵塞、建筑物及構(gòu)筑物是否傾斜及存在裂縫等。此外，針對(duì)臺(tái)風(fēng)雷雨惡劣天氣應(yīng)急響應(yīng)前后，利用無(wú)人機(jī)對(duì)全站開展特巡，檢查變電站內(nèi)門窗、箱體門關(guān)閉情況及站內(nèi)是否存在飄掛物、圍墻是否受損等。

圖2 無(wú)人機(jī)巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)變電站建筑物樓頂有積水

2.3 變電站設(shè)備特巡

無(wú)人機(jī)巡視雖不能覆蓋戶外設(shè)備的所有巡視項(xiàng)目，但利用無(wú)人機(jī)高空飛行及搭載紅外攝像頭的特點(diǎn)，可以開展各類設(shè)備特巡，并具有其他巡視方式無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。例如，針對(duì)某個(gè)或某幾個(gè)間隔開展保供電特巡，檢查設(shè)備外觀、運(yùn)行環(huán)境，并進(jìn)行紅外測(cè)溫；當(dāng)氣溫驟降啟動(dòng)防寒特巡時(shí)，利用無(wú)人機(jī)對(duì)變電站一次設(shè)備油位、氣壓、母線伸縮節(jié)位置等開展特巡；當(dāng)設(shè)備重過載或啟動(dòng)高溫高負(fù)荷特巡時(shí)，利用無(wú)人機(jī)對(duì)重過載設(shè)備進(jìn)行紅外測(cè)溫，并檢查設(shè)備油位、油溫等是否正常。無(wú)人機(jī)巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備接頭發(fā)熱如圖3所示。

圖3 無(wú)人機(jī)巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備接頭發(fā)熱

2.4 事故應(yīng)急檢查

目前變電站事故跳閘后的一次設(shè)備應(yīng)急檢查普遍采用人工現(xiàn)場(chǎng)檢查或視頻系統(tǒng)檢查的方式。傳統(tǒng)人工現(xiàn)場(chǎng)檢查響應(yīng)速度慢，而視頻系統(tǒng)檢查由于紅外攝像頭布點(diǎn)不足，一般只能實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備外觀的檢查，無(wú)法進(jìn)行設(shè)備測(cè)溫。而無(wú)人機(jī)巡視能彌補(bǔ)以上2 種方式的不足。通過提前規(guī)劃變電站無(wú)人機(jī)巡視航線，可對(duì)變電站進(jìn)行快速巡視，從而在設(shè)備跳閘后，及時(shí)對(duì)設(shè)備的外觀、紅外成像及周邊環(huán)境進(jìn)行巡視，有效提高設(shè)備檢查效率。無(wú)人機(jī)巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)主變頂部有異物如圖4所示。

圖4 無(wú)人機(jī)巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)主變頂部有異物

3 變電站無(wú)人機(jī)巡視注意事項(xiàng)

3.1 無(wú)人機(jī)巡視安全管控

變電站是電力輸送的樞紐，在電網(wǎng)中具有舉足輕重的作用，變電站無(wú)人機(jī)巡視應(yīng)以安全為前提。考慮到變電站內(nèi)設(shè)備布置密集，在變電站內(nèi)選用的無(wú)人機(jī)機(jī)型不宜過大，確保無(wú)人機(jī)在變電站內(nèi)飛行時(shí)與設(shè)備保持足夠的安全距離[7]。避免無(wú)人機(jī)發(fā)生異常時(shí)摔落到設(shè)備上引起設(shè)備短路故障，無(wú)人機(jī)的飛行航線不應(yīng)跨越變壓器低壓側(cè)母線橋及并聯(lián)電容器、電抗器等相間距離很小的設(shè)備，且無(wú)人機(jī)的懸停航點(diǎn)不應(yīng)設(shè)置在設(shè)備的正上方或下方。所有自動(dòng)飛行的航線均應(yīng)經(jīng)過首飛驗(yàn)證，方可投入運(yùn)行，即無(wú)人機(jī)首次執(zhí)行自動(dòng)飛行航線任務(wù)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)由應(yīng)急人員手持遙控器密切觀察無(wú)人機(jī)的飛行情況，一旦出現(xiàn)突發(fā)狀況，能夠第一時(shí)間進(jìn)行干預(yù)，避免現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及無(wú)人機(jī)發(fā)送故障。變電站設(shè)備或建筑物發(fā)生改變后，應(yīng)及時(shí)開展變電站掃描建模，并重新規(guī)劃航線，確保航線首飛驗(yàn)證安全無(wú)誤后，方可將航線投入使用，且原有舊航線不得繼續(xù)使用。采取全自主飛行模式時(shí)，無(wú)人機(jī)起飛前，操作人員應(yīng)通過各種方式確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)不存在影響無(wú)人機(jī)飛行的工作，同時(shí)飛行過程中應(yīng)密切關(guān)注無(wú)人機(jī)的飛行狀況，直到無(wú)人機(jī)完成巡視任務(wù)，必要時(shí)人工干預(yù)進(jìn)行應(yīng)急處置。

3.2 無(wú)人機(jī)巡視策略

無(wú)人機(jī)高空飛行，能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)高處設(shè)備和周邊環(huán)境的巡視。考慮到作業(yè)安全，無(wú)人機(jī)飛行高度原則上不得低于2 m，且必須與帶電設(shè)備保持足夠的安全距離，因此，變電站無(wú)人機(jī)巡視無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的全覆蓋，包括低處的一些表計(jì)讀數(shù)的拍攝及設(shè)備箱體內(nèi)部的檢查[8]。由此可知，無(wú)人機(jī)無(wú)法完全取代人工開展設(shè)備巡視。考慮到無(wú)人機(jī)巡視的視角與人工巡視有所不同，利用無(wú)人機(jī)巡視作為人工巡視的補(bǔ)充，能充分彌補(bǔ)人工巡視的不足，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的全面巡視。此外，充分利用無(wú)人機(jī)的紅外攝像頭開展紅外測(cè)溫，可有效彌補(bǔ)固定攝像頭不具有紅外測(cè)溫功能的短板，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程紅外測(cè)溫。

因此，充分發(fā)揮不同巡視終端和人工巡視的優(yōu)勢(shì)，并相互彌補(bǔ)各自的不足，建立人機(jī)協(xié)同的巡視策略，是未來(lái)變電站巡視的方向。明確不同巡視終端及運(yùn)行人員的巡視職責(zé)分工及巡視周期，進(jìn)而在充分發(fā)揮智能終端作用的同時(shí)，提升整體巡視效率，是一個(gè)重要的研究課題。

4 結(jié)束語(yǔ)

搭載各類拍攝設(shè)備的小型多旋翼無(wú)人機(jī)具有體積小、飛行靈活、響應(yīng)速度快、功能齊全等特點(diǎn)，可有效彌補(bǔ)變電站內(nèi)現(xiàn)有人工巡視及其他智能終端巡視的不足。通過充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)，挖掘各種應(yīng)用場(chǎng)景，在變電站內(nèi)采取多種巡視方式協(xié)同的巡視策略，可大大提升巡視效能，必將成為未來(lái)變電站巡視的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)注無(wú)人機(jī)巡視作業(yè)安全，建立涵蓋無(wú)人機(jī)巡視全流程的安全管控策略，具有重要意義。