变电站屋顶全自主无人机机场建设研究

李丹乐 ，李和丰 ，严雪莹 ，张 辉

（1.国网浙江湖州供电公司，浙江 湖州 313000;2.湖州电力设计院有限公司，浙江 湖州 313000）

随着无人机技术的发展，越来越多的电力巡线工作都有无人机的参与[1]。目前，最常见的巡线工作中均须要作业人员具备专业的无人机驾驶技能，且须要耗费一定的时间和资金成本才能培养出一名专业的飞手。在电网巡线的过程中，飞手仍须携带无人机抵达作业现场，负责保障无人机的飞行安全、为无人机更换电池、提取飞行后采集数据等一系列繁杂工作[2]。这套流程虽相较于传统的望远镜巡视和爬塔巡视提高了巡检的效率，保证了巡检质量，但同时又为巡检人员增添了额外的工作任务。此外，这种工作模式在超视距飞行的过程中仍存在人为误操作的安全隐患，并没有从根本上节省人力物力。

因此，建设一套全自主无人机系统，实现集无人机的自动飞行，数据的自动采集、分析、处理于一体的自动化巡检系统成为迫切需求。

1 全自主无人机系统应用现状

以湖州地区为例，目前全自主无人机系统已逐步投入使用，截至2020年底全湖州市域范围内共建成1条全自主无人机巡检线路，共配备了2只全自主无人机。据了解，市场上现有的巡线无人机续航能力低，在电力巡线高度或室外温度较高的情况下，电能损耗速度加快[3]，而充电时间却往往超过一个小时。续航能力和充电效率的不匹配限制了无人机的飞行时间和飞行距离，无法完成长时间巡线任务。随着无人机自主巡线的推广，在合适的位置建设机场以供无人机进行能源补给和数据传输成为无人机自主巡线的必然要求[4]。

2 全自主无人机机场建设位置比选

2.1 无人机机场简介

经市场调研收资，全自主无人机机场可为无人机自动更换电池或者自动补充充电。根据不同的任务指令自动更换吊舱，如光学变焦镜头、红外热成像仪、倾斜摄影仪、高空喊话器、360°全景直播仪等，并可根据不同的需求定制。

全自主机场通常须要内置恒温系统，可保证机场在任何及极端恶劣的天气条件下都能正常运作。外置小型气象仪，包含温湿度传感、风速风向传感器、RTK 定位装置，可对无人机飞行作业前的天气状况进行评估，为中控室指挥人员提供下达指令的依据。视频监控功能，可对机库周边及机库内部的情况进行实时监控。某厂家提供的机场外形如图1所示。

图1 全自主无人机机场外形图

2.2 地表无人机机场

目前，湖州地区已建成的全自主无人机机场共有2处，分别位于青山变电站围墙内空余场地和钮家变电站围墙外代征场地，均属地表无人机机场范畴。

35 kV青山变电站投运于1988年，已建成的无人机机场布置于站区西南侧（生活区），如图2所示。可以看出，青山变配电装置场地与生活区有明确的物理隔离，且生活区有足够的空余场地，基于本站的实际情况将无人机机场布置于此处较为合理。但并不是所有变电站都有单独划分的生活区，若将其布置于配电装置场地须要进一步分析无人机起飞降落对原电气设备安全稳定运行的影响；自国家电网有限公司推行通用设计以来，围墙内面积指标控制较为严格，建构筑物及电气设备布置较为紧凑，近十年以来新投运的变电站基本无空余场地。

图2 青山变电站无人机机场布置图

35 kV钮家变电站已建成的无人机机场布置于站区围墙外代征场地，如图3所示。经实地走访，本站围墙外附近较为空旷且原代征地未另作他用，基于本站的实际情况将无人机机场布置于此处较为合理。但并不是所有变电站都有可供利用的围墙外土地，若考虑新征土地，必然涉及到政策处理及高额的土地征收费；若部分变电站同本站情况一样存在可供利用的围墙外土地，尚须核实围墙外周边环境是否允许建设无人机机场；将无人机机场布置于变电站围墙外场地做法不利于设备后期运行维护及防盗。

图3 钮家变电站无人机机场布置图

2.3 变电站屋顶无人机机场

变电站内一般建有配电装置楼、辅助用房、消防泵房及办公宿舍楼等建筑物，建筑物屋顶均按不上人屋面设计考虑，通常仅根据消防要求会在配电装置楼屋顶配置消防水箱，屋顶可利用空间完全满足无人机机场布置。各个建筑物高度由于变电站设计方案、建筑物结构类型等不同使得差异性较大，通常建筑物高度在4～20 m不等，综合考虑电气设备的安全性、无人机起飞降落的方便性、造价经济的合理性等因素，将机场布置在较低或较高建筑物屋顶。可见，变电站屋顶无人机机场建设几乎不受限制，较好地解决了由于无人机自主巡线大面积推广带来的机场建设问题。

综合看来，变电站屋顶成为建设无人机机场的最佳位置。本文以已建成的青山变电站地表无人机机场为参考，对已投入使用的变电站建设屋顶无人机机场进行技术改造方案研究；同时，对新建变电站建设屋顶无人机机场进行深化设计方案研究。

3 全自主无人机机场建设方案

3.1 已建变电站屋顶技术改造

青山变地表无人机机场主要参数如表1所示。

表1 青山变地表无人机机场主要参数

3.2 机场安装

拟将青山变无人机机场建设于办公宿舍楼屋顶，根据一期图纸资料得知，建筑物结构类型为混凝土结构，屋面次梁布置间距为2.25 m，适宜将无人机机场两侧角支座分别安装于梁上。采用梁上预埋地脚螺栓方式进行定位安装，如图4所示。

图4 地脚螺栓安装示意图

完整安装流程如下：屋面次梁开凿预埋所需孔洞→钢板与直锚钢筋、地脚螺栓进行焊接固定→定位安装并适时进行二次灌浆。

3.3 屋面梁加固

经PKPM软件的结构分析计算，当将无人机机场置于屋面梁上后不能保证原有梁的承载能力，须采取相应的加固方案。采用粘贴钢板法进行屋面梁加固，梁底和梁顶加固示意分别如图5和图6所示。

图5 梁底加固示意图

图6 梁顶加固示意图

梁底加固钢板范围为梁中1/3跨度长；钢板全长通过布置双排间距400 mm锚栓进行连接固定，其中两端采取粘贴U形扁钢箍外加锚栓的方式；梁底粘贴钢板施工前须对梁面进行凿毛处理。

梁顶加固钢板范围为两侧梁端各1/3跨度长；钢板全长通过布置单排间距400 mm锚栓进行连接固定；梁顶粘贴钢板施工前须凿除原屋面建筑层至结构层表面，并对梁面进行凿毛处理。

3.4 新建变电站屋顶深化设计

3.4.1 主次梁设计

以半户内110 kV新建变电站通用设计方案为例，配电装置楼结构类型为钢框架结构，为充分保障无人机起飞降落时的安全性与便捷性，拟将无人机机场建设于建筑物高屋面GIS室上空。本次设计不改变原屋面主次钢梁布置形式，根据机场外形尺寸新增跨度2.5 m，间距1.15 m的次梁3根，同时根据机场重量核算新增次梁型号HN400×150，材质Q355。高屋面钢梁平面布置图如图7所示。

图7 高屋面钢梁平面布置图

3.4.2 机场安装

本次设计考虑新建混凝土梁作为机场支座，梁上再预埋地脚螺栓方式进行定位安装。新建混凝土梁梁宽200 mm，梁高可根据机场安装高度确定，梁跨、数量及布置间距同新增屋面次钢梁，与屋面板采用混凝土一次整体浇筑。无人机机场支座大样如图8所示。

图8 无人机机场支座大样图

3.5 经济成本

在改造中，计算共须花费29822元，其中建筑工程费用18662元，安装工程费5448元，其他费用5712元。

变电站屋顶机场的推广带来的直接效益是节约了机场建设的土地征用成本（现有大部分变电站地面空间不足以建设机场且影响设备安全运行）。根据湖州临沪变电站的征地成本文件来看，征地666.667 m2大约需21万元，则一座无人机机场需要土地大约为25 m2，则征地成本为8000元。而且地面机场还须要额外增加防撞护栏费用，根据220 kV德莫线的护栏基础定额和主材价格，则无人机机场所需的防撞护栏成本约为10300元。外加安装工程费和其他费用，成本明显高于屋顶机场。所以屋顶无人机机场的建设可以大幅削减机场建设推广成本。

4 结束语

本文中依据青山变为范本所做的技术改造与概算，结果表明在变电站屋顶上建设无人机机场可行且成本不高，在未来的自主无人机推广中，应首选建设屋顶机场。