无人机在变电站智能巡视中的应用.pdf

2023,16(2)上海电气技术5无人机在变电站智能巡视中的应用刘琳仇俊侯颖屈艳萍华东电力设计院有限公司1上海2 0 0 0 0 1摘要：论述了变电站智能巡视技术的应用现状、优势和存在的问题。将无人机应用于变电站智能巡视中，形成无人机智能巡视系统。对无人机智能巡视系统的组成、功能进行了介绍，分析了其优点，并给出了应用实例。关键词：无人机；变电站；智能巡视；应用中图分类号：TM63Abstract:The application status,advantages,and existing problems of intelligent inspection technologyin substation were discussed.Drone was applied in intelligent inspection of substation to form a droneintelligent inspection system.The composition and functions of the drone intelligent inspection system wereintroduced,its advantages were analyzed,and application example was provided.Keywords:Drone;Substation;Intelligent Inspection;Application文献标志码：A文章编号：16 7 4-540 X(2023)02-005-04醒相关部门及时处理，并可实现与各子系统的快速、1智能巡视技术概述安全联动，真正做到防患于未然。变电站运维人员的基本工作包括设备的运行维护、巡视检查、缺陷及事故的处理等，由于变电站值守无人化、少人化的发展要求和精益化管理水平的不断提升，变电站对于巡视工作的规范性和精确性要求越来越高。为了能够使变电站巡视工作实现标准化，辅助运维人员开展日常巡视工作，减轻运维人员的工作负担，提升应急响应速度，保障现场作业安全，应用智能化巡视技术开发相应设备十分有必要。1.1智能巡视技术定义传统巡视技术以值班员按照既定路线进行巡回检查的方式进行，存在着录入效率不高、监管人员匮乏、抄表数据错误率偏高、查询数据难度大等不足之处。随着网络技术和大数据技术的发展，巡检领域开始采用各种智能化设备来代替人工。智能化的巡视系统是综合应用物联网技术、信息化技术、数据诊断、分析技术和集中一体化管控理念，构建一套综合监控系统，实现分布式接入多种监视子系统，对发现的缺陷和安全隐患进行综合分析，及时做出警报，提收稿日期：2 0 2 2-10第一作者简介：刘琳（197 8 一），女，硕士，高级工程师，主要从事调度系统自动化及变电站电气设计工作1.2智能巡视技术应用现状变电站目前应用的智能巡视系统前端采集设备主要包括定点摄像机、滑轨摄像头、巡视机器人等，如图1所示。定点摄像机包括枪型摄像机、球型摄像机。摄像机可按需选配红外双光谱热像检测仪，机器人还可以搭载红外热像检测仪、可见光高清摄像机、气体检测仪、温湿度传感器、交互式实时对讲平台等。在各种温控装置和监测装置的配合下，可以采用手机或者电脑客户端随时随地对大型设备的工作状态进行实时监测和记录。1.3智能巡视技术优势智能巡视系统可以对巡视对象、巡视时间和巡视方法提前进行设置，根据情况提供较为完善的工作计划和工作规划，确保按时进行巡视工作，提升工作效率，确保工作完成质量。其次，能够记录巡视数据和观察内容的视频音频，保存和备份原始数据，后期可以根据历史工作轨迹回放工作具体情况，有利于工作人员随时检查工作情况，完成数据信息的智6上海电气技术备支架、避雷针、母线及附属设备、线夹、绝缘子为重点，中层设备以设备顶部、支柱瓷瓶、本体外观为重点。无人机对鸟巢、悬浮物和瓷瓶缺陷进行识别如图2 所示。2023,16(2)枪型摄像机球型摄像机图2 无人机对鸟巢、悬浮物、瓷瓶缺陷进行识别巡视机器人图1智能巡视技术前端采集设备能化统计。最后，可以综合采用各种智能化手段来检查巡视对象的设备运行状态，将设备信息进行有效的整合，构建可监控全局的广域视频监控系统。1.4智能巡视技术存在的问题（1）巡视效率受限。因为变电站占地面积大、设备布置和机构高度复杂，巡视技术会受到巡视路径、实际场地的各种限制，不能达到人工巡视的灵活程度，因此在实际巡视工作中存在着校准差错问题，有时会与实际情况不符。（2）巡视路径判别不准。对于机器人来说，一般以近距离碰撞停障感应装置和远距离超声停障感应装置为基础，确保机器人在巡检过程中不会因与障碍物碰撞而发生损坏。然而在实践中，机器人有时将变电站的杂物或工作人员当作是障碍物而停止前进。如果未能够及时观察到该问题，机器人可能会一直停留在原地位置上，直至电量被耗尽。（3）巡视区域存在盲点。各类摄像机和机器人由于视角的限制，很难巡视到一些基础面较高或较低的系统设备，如高空母线、绝缘子或泵坑底部等。这些区域由于数量过大又无法采取安装摄像头定向采集数据信息的方式加以解决。而且红外测温仪使用时，如果测试角度与设备成一定夹角，会导致测量温度往往会低于设备实际温度，并不准确。2无人机智能巡视优势无人机系统可根据变电站特点自主规划航线，灵活规避附近带电设备，巡视范围主要以摄像头、巡检机器人和人工巡视盲点为主，高层设备点位以设滑轨摄像头无人机动态定位精度最高可达厘米级，理论上可到达变电站内任意坐标的位置和高度。可以采用无人机空中平台的功能，携带高倍照相机、高清摄像机、激光雷达等多种机载设备，对变电站中高层设备及周边环境情况进行全光谱的快速拍摄监测。视频画面传回主机后，通过软件分析对比，快速发现各类设备缺陷、隐患，以及设备附近的各类危险源，对值班人员进行告警。无人机搭载的红外测温设备可三维立体全方位无死角测温，具有测温速度快、范围广等优点。搭载热像仪的无人机，以红外热像仪的测温原理为基础，用于诊断、维护和检查电气系统、机械系统和建筑机构缺陷，保障设备安全稳定运行。无人机智能巡视可以大幅度提高巡检质量，实现快速巡检，克服视距限制，并且保障巡检人员作业安全。3无人机智能巡视系统3.1系统组成无人机智能巡视系统硬件设备主要有无人机、控制平台、无人机机巢等模块。无人机包括搭载的飞行控制器和激光雷达、热红外、可见光等，控制平台包括后台计算机和手持式控制终端等。无人机智能巡视系统如图3所示。变电站无人机巡视控制系统可在变电站后台控制系统和手持式终端设备中同步部署，可实时远程控制无人机，以便操控读取变电站数据变化，并可实时监测无人机巡检现场状态；无人机装载通信设备，执行巡检任务，响应智能联动命令，将采集的数据信息通过5G通信基站传至控制服务器。无人机与控制平台之间的接口遵循传输控制协议，也遵循安全文件传输规范，可实现控制、巡检任2023,16(2)上海电气技术搭载无人机4G/5G土客户端控制平台无人机机巢终端设备图3无人机智能巡视系统务等指令下发，接收巡检数据、告警信息等数据，也可接收可见光照片、无人机状态等文件。由于无人机与无人机主机之间需要使用部分无线网络，为提升信息传输安全，在网络接口层、网际互连层、传输层、应用层均采用安全手段。通过在内网接入时使用安全接入网关、在无人机侧接入安全接入模块，对无线网络采用隐藏服务集标识、强口令登录、硬件地址绑定等手段，对网络报文采用终端身份认证模块、数据加解密模块、安全通信模块、网络防护模块保证信息传输的安全可靠。无人机智能机巢是无人机远程精准起降平台，是无人机稳固的家，能够抵抗强风和暴雨等恶劣天气，机巢与智慧巡检机群作业控制中心互联互通，实现自动储存无人机，智能自动充电，状态实时监控，自动传输数据等功能。3.2系统功能（1）控制功能。无人机地面控制站软件的功能包括飞行监控、航线规划、任务回放、地图导航等，并且支持多架无人机的控制与管理。无人机与地面控制站通过5G等无线通信方式，按照通信协议将收到的数据解析并显示，同时将数据实时存储到数据库中。在任务结束后，读取数据库进行任务回放。（2）无人机自主飞行航线规划功能。变电站运维人员在自动巡视系统中可以通过可视化交互界面，在二维卫星图像和变电站分布模型上完成设置航点、动态航线规划、任务仿真模拟、任务路线可视化展示等工作，也可以基于高精度三维点云模型，依据特定的拍摄规则，如部位十顺序十视角十安全约束，以高效的几何算法支撑，通过少量的人工干预进行无人机自动巡检航线设计。结合实际位置和地形、地貌、地物等情况，对整体的航线进行规划，进一步提升巡检效率。所规划的三维飞行航线简图如图4所示。（3）无人机自动巡视功能。无人机按照预定路飞行控制器数据链可见光热红外激光雷送现场手持式图4三维飞行航线简图线执行巡视任务，巡视类型可包括例行巡视、特殊巡视、专项巡视和自定义巡视等，可通过变电站内自主航线规划，智能规避附近带电设备，重点巡视机器人和人工巡视盲点，待巡检工作结束后，无人机自动返航，实时与站内控制系统进行系统互通，生成综合巡检报告。（4）图像分析及报警功能。系统支持典型缺陷类别的识别功能，典型缺陷包括外壳破损、金属锈蚀、挂空悬浮物、鸟巢等缺陷。可对无人机传回的图像进行目标缺陷识别和诊断，借助人工智能云计算，能自动完成图像分析诊断工作，快速发现和分析问题。在现场出现警报之后，无人机会将危险情况的视频或声音快速发送给值班的运行维护人员，通知运维人员立即检测现场情况。（5）系统扩展功能。无人机智能巡视系统可与变电站智能巡视系统合并设计，一起实施，在站内通过正向隔离装置接收综合应用服务器的联动信号，并将站内信息通过安全IV区综合信息网络传送至主站系统。变电站智能巡视系统架构如图5所示。系统还需具备预留接口扩展功能，将来可接人相关主站系统如变电信息综合处理系统，为后续建设智慧变电站奠定基础。至主站系统安全I区/区安全IV区羔辅设备巡视主机联动信号正向隔离装置视频主机无人机/机器人主机安全接入模块H心二高清视频红外热成像图5变电站智能巡视系统架构无人机智能巡视系统工作站机器人无人机8上海电气技术2023,16(2)4应用实例陕西7 50 kV泾渭变电站里采用了南京悠阔公司的智能辅助系统，无人机在现场执行任务如图6所示。该系统为了弥补常规巡检机器人和地面视频监控的巡视盲区，通过在无人机上搭载多台传感器，从不同角度采集设备影像，根据生成的数据成果直观反映变电站内和站外各电气设备的外观、位置、高度等属性，建立变电站的三维模型，如图7 所示。根据变电站各个设备位置设置巡检点，完成无人机飞行测试和自主航线规划。该系统可以汇集处理监控数据，实现站内所有视频全方位无死角全覆盖监控、数据的信息交互和联动，真正满足变电站智能化巡检需求。图6 无人机现场执行任务5结束语随着网络化程度的不断提升，智能巡视设备正在逐步发展，笔者重点介绍了无人机在变电站智能巡视中应用的优势、典型架构和实现功能。无人机智能巡视系统能够克服机器人和人工巡检的盲点，充分发挥灵活性和智能化的特点，对变电站运行维图7 变电站三维模型护发挥重大作用。参考文献1张成巍，岳湘.智能巡检机器人研究现状与发展趋势J.电工文摘，2 0 15(1)：9-12.2 胡聪旺，周项超.核电厂应用智能巡检技术的可行性分析J.科技创新与应用，2 0 2 1，11（2 8）：152-154.3丘荣中.变电站无人机巡检技术的发展探讨J.机电信息，2 0 19(30)：93-94.4罗泽雄，刘秀，罗志勇，等.高精度无人机在变电站巡检中的应用J.工程技术研究，2 0 2 0，5（2 3）：2 44-2 45.5李游，范琪，钟昱铭，等.基于5G技术的变电站无人机巡检安全控制策略JI.通信电源技术，2 0 2 1,38（10）：50-52.6 曹志伟.无人机技术研究现状和发展趋势J.民营科技,2 0 17(4):57.7 魏晓伟，张金祥，王建伟，等.变电站内巡检无人机飞行器控制技术.科技资讯，2 0 18,16（34）：1-2.8 徐海奇，吕翠芳，田壁源，等.无人机自主巡检在变电站中的应用研究J.机电信息，2 0 2 1（2 6）：30-31.9尹磊，董前兵.无人机航摄测量技术在电力工程测量中的应用J.中国新技术新产品，2 0 15（2 3）：12 3-12 4.10 唐丽媛，杨占东，李强，等.微型无人机在2 2 0 kV变电站高空巡检中的应用J.内蒙古科技与经济，2 0 2 1（2 0）：96-98.(编辑：平平)围绕未来产业新赛道打造前沿硬核科技