变电站油位表计设备的无人机巡检系统研究

张海华，陈昊，李中烜，刘怀宇，孙小磊，许驰

(1.国网江苏省电力有限公司超高压分公司，江苏 南京211102；2.国网江苏省电力有限公司经济技术研究院，江苏 南京210008)

0 引言

1 无人机巡检

随着近年来无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UVA)技术的成熟与成本的下降，无人机已经大规模应用到电网巡检中。国家电网有限公司技术学院定期开展无人机培训班对员工培训取证，目前取证等级分为“视距内驾驶员(驾驶员)”“超视距驾驶员(机长)”“教员”三种，资质等级依次递增[11]。无人机在输电线路巡检中的应用已趋成熟，包括日常巡线与清除异物，极大降低了人工巡线成本。当前无人机在变电站自主巡检的应用中主要面临两个难题[12－13]:一是定位难题，无人机需要在电气设备之间来回穿梭，既要选取最佳拍照角度，又要兼顾与带电设备保持足够的安全距离，飞行位置误差必须保持在厘米级，飞机导航控制难度非常大；二是抗干扰难题，变电站内电磁环境复杂，电场、磁场干扰大，无人机若未达到不同电压等级变电站的抗电磁干扰水平，将导致飞机失控撞上运行设备，威胁设备安全运行。

2 变电站无人机巡检系统建设

2.1 无人机自主起降机场

无人机自主起降机场(以下简称机场)是实现无人机全自动作业的地面基础设施，由起降平台、充电系统、控制系统、远程通信系统等组成，如图1所示。机场整体采用耐高温、抗严寒、防水、防雷、防尘、防锈、防腐蚀等工艺，可实现2 000次/5 000 h无故障运行。

图1 无人机自主起降机场

无人机自主起降机场主要功能为:1)存储和安放巡检无人机，实现无人机的自动释放与回收；2)实现对无人机电池自动充电；3)实现与无人机的数据上传及指令下发。

无人机自主起降机场通过远程一键启动，自动打开无人机舱门；无人机起飞后，远程指挥中心实时下发控制指令，实时显示无人机巡检视频；无人机完成作业后自动返航，在起降平台上实现无人机精准起降、充电及传输巡检数据。

无人机自主起降机场的建设实现了无人机的全自动作业，替代人工现场操控，有效提高了变电站无人机巡检作业效率。

2.2 智能无人机选型

经纬M300 RTK无人机如图2所示，集成2 000万像素变焦相机、1 200万像素广角相机、30 Hz高帧率热成像仪、1 200 m远距离激光测距仪，可实现23倍混合光学变焦，支持55 min超长续航和最远15 km图传距离，无需关机便可快速更换电池，搭配快充充电箱能够不间断作业。广泛应用于应急消防、警务执法、能源巡检、测绘等专业领域[14]。

图2 经纬M300 RTK无人机

Mavic 2 Enterprise(御2企业版)无人机如图3所示，配备2 000万像素变焦相机，可同时拍摄可见光及红外照片/视频；小机身、低成本，具备避障功能；支持31 min续航和最远8 km图传距离。其广泛应用于应急救援及工业测温[15]。

产妇的盆底损伤情况不同，每个人初始的肌肉收缩能力、学习能力是有差异的，部分产妇Ⅰ类纤维收缩能力较好，部分产妇Ⅱ类纤维收缩能力较好，有小部分甚至无法识别盆底肌肉收缩。

图3 Mavic 2 Enterprise无人机

通过对变电站设备进行3D建模，可划分出高、中、低3类空间层次，并依次进行巡检任务分工:无人机通常用于变电站内高层设备的巡检，经纬M300 RTK工业级无人机从高空巡视死角盲区，对设备进行全方位的红外扫描；Mavic 2 Enterprise无人机巡视各个间隔片区，主要巡视设备外观、油位、表计；站内中层设备由高清视频巡检；低层设备由变电站值班员或地面机器人巡检。

2.3 远程地面控制系统

远程地面控制系统(GCS)是无人机自动起降机场以及无人机的管理平台，可以实现对自动起降机场和无人机的远程控制，同时也是数据智能运营平台。该系统部署在用户本地或者云端，用户可随时远程登录，针对不同应用场景制订巡飞任务，远程监视无人机和自动起降机场进行自动飞行作业，或切换手动控制模式进行手动飞行作业。

2.4 后端管控平台

后端管控平台由无人机调度管控系统、多任务智能巡检系统等组成。主要功能为:集成化自动巡检系统运行平台，可以集中调度多台无人机与自动起降机场，可获得无人机实时视频；综合协调每台无人机的自动巡检工作，在一张地图上实时监控每一台无人机位置，并进行无人机飞行路径空域规划和无人机起降规划，可以实现多机场、多无人机、多任务同时作业，实现智能管控。全生命周期智能化监控，具有智能预警、自动防错检测、维护保养提醒等功能。

3 网络拓扑架构

无人机与机场的遥测数据为MQTT协议，机场到第三方平台的视频推流为RTMP协议，机场到第三方平台的图片传输可选择FTP/HTTP协议。基于此，无人机与管控平台有两种网络通信方式，如图4所示。

图4 变电站无人机通信网络拓扑架构

3.1 有线网络

无人机遥测信息、图传信息通过遥控器链路(2.4 G/5.8 G)与机场通信。机场通过有线网络连接到电站管控服务器(管控服务器可部署在公有云、私有云、PC机上)，前端机场控制软件部署在管控服务器，实现对无人机与自动起降机场的云端管控，完成飞行巡检任务作业，无人机、自动起降机场状态数据实时监控、视频实时回传，通过API接口可将无人机管控平台接入第三方控制平台。

有线网络可选择敷设光纤或网线。采用光纤连接时，为了确保光纤线路运行的安全、稳定，光纤入地通过管道线路敷设至指挥中心。无人机自动起降机场直接采用一根室外4芯光缆由指挥中心接入至机场箱体内。若指挥中心距离自动起降机场在70 m以内，可以通过网线连接。使用Ⅵ类网线，为了确保网线线路运行的安全、稳定，网线可入地通过管道线路敷设至指挥中心。强电与弱电使用不同管道，两者管道之间距离大于10 cm以防止信号干扰的影响。

3.2 无线网络

自动起降机场通过4G/5G网络连接到变电站管控服务器(管控服务器可部署在公有云、私有云、PC机上)，前端机场控制软件部署在管控服务器，实现对无人机与自动起降机场的云端管控，完成飞行巡检任务作业，无人机、自动起降机场状态数据实时监控、视频实时回传，通过API接口可将无人机管控平台接入第三方控制平台。当需要接入内网时，机场可选配4G/5G路由器，利用无线通信网络连接机场，通过VPN/APN方式实现内外网数据交互。

无线网络连接方案需联系运营商开通VPN/APN专网，调试过程中发现无线传输存在较大延时，且受网络抖动影响较大。

4 现场应用

某500 kV变电站高清视频巡检系统建设完毕，对电流互感器、变压器、断路器等含油位或表计设备的巡检结果见表1。

表1 高清视频巡检系统对油位表计的巡检结果

该变电站在500 kV设备区、主变压器及35 kV设备区的变电站无人机巡检系统建设完毕后，航线分设备区依次间隔飞行，与人工巡视通道平行。

针对变电站无人机巡检的定位难题，现场安装独立气象单元，为巡检无人机提供精准RTK定位服务；室内设备、表计无人机巡检，另设置二维码，通过无人机识读二维码实现巡检工作的精准定位。针对变电站无人机巡检的抗干扰难题，一方面在无人机进场前，在检测机构进行产品检验，确保无人机在系统功能、系统性能、图像识别、硬件检查、环境影响、电气安全、电磁兼容、通用安全等方面满足变电站复杂电磁环境的使用要求；另一方面，基于变电站电场强度测量装置对变电站运检区域的不同频率下的电场分布进行了普测，优化巡检路径，主动避开潜在的高干扰区域，降低干扰影响。

迎峰度夏期间，站内无人机针对500 kV设备区电流互感器的油位情况进行了自主巡检，自主巡检可在20 min内完成，巡检图片及视频传输至专网管控服务器。

变电站无人机的可见光巡检结果如图5所示，其对观察窗较大的电流互感器识别效果良好，对观察窗较小的电流互感器存在部分无法分析的情况，后期可通过图片训练改善此类情况。

图5 变电站无人机可见光巡检结果

变电站无人机的红外巡检结果如图6所示，电流互感器各部位温度差异一目了然。下一步将对传统只显示最高温度点的红外测温方式进行改进，通过算法优化标记出所有高于阈值的点。

图6 变电站无人机红外巡检结果

与高清视频巡检结果相比，无人机在对45个500 kV电流互感器油位点位的巡检中，可正确识别其中34个，首次巡检正确率高达75.6%，巡检时间缩短至20 min。

5 结语

无人机巡检系统是无人机开展变电站设备巡检工作的必要条件。以某500 kV变电站无人机巡检系统建设为案例，介绍变电站无人机巡检系统的组成及功能，包括自主起降机场的功能、智能无人机选型搭配、远程地面控制系统、后端管控平台。最后，基于该变电站无人机巡检工作的实际开展，介绍无人机对电流互感器等含油位、表计设备的巡检航线规划，分析无人机在可见光、红外条件下针对500 kV电流互感器油位点位开展自主巡检的结果，并与高清视频对油位、表计设备的巡检结果进行了对比。

综上，变电站无人机巡检系统的建设实现了无人机对变电站设备的全自主巡检，并且无人机对电流互感器、变压器、断路器等含油位、表计设备的巡检有着显著优势，其首次巡检正确率高达75.6%，后期还将随着无人机巡检的深入应用进一步提高。