基于智能巡视系统的变电站巡视技术研究

袁嘉诚

（湖北工业大学电气与电子工程学院）

0 引言

电力系统是支撑国家经济运行和保障人民生活的重要基础设施，而变电站作为保证电能传输质量的枢纽，是电力系统中不可或缺的一环。随着经济的发展，变电站数量在迅速增加，变电站内一、二次设备在迅速更新迭代，设备及其保护的精密程度逐年提高，变电站运行维护人员的承载力趋近饱和。同时，传统的依靠人员对变电站进行巡视的方法存在着一些固有的问题，如巡视的频率与次数受到限制，巡视过程中易受周围环境、操作人员因素等影响。为了解决上述问题，针对变电站的智能巡视技术逐渐成为发展的趋势［1］。

本文在智能巡视的基础上研究变电站巡视技术，分析各类巡视技术特点与优势，并对智能巡视和变电站巡视技术的发展进行展望。首先，简单介绍了智能巡视的原理、功能、优势等；其次，详细阐述摄像机、机器人、无人机等巡视技术的应用原理，在智能巡视中的功能实现等；最后，对智能巡视和变电站巡视技术的发展进行展望。通过本文的介绍，能够较为充分的了解各类巡视技术，及其在智能巡视中的应用，为进一步优化巡视系统功能，利用不同巡视技术，合理分配资源为人员减负提供更加高效、精准的解决方案。

1 智能巡视系统概述

智能巡视是利用各类传感器、机器视觉、无人机等技术手段，结合人工智能和数据分析算法，对变电站的设备和环境进行自动化监测和评估的一种巡视方式［2］。智能巡视可以对一、二次设备的状态进行实时监测，对变电站内异常状况进行告警提示，对巡视产生的数据进行异常识别。

智能巡视系统部署在安全Ⅳ区 （信息管理大区），可以对接入变电站内的摄像机、机器人、无人机等巡视装置进行统一管理及应用，实现巡视点位配置、巡视任务下发、巡视结果预览、数据对比分析等巡视业务全流程管理。智能巡视系统由8个功能模块组成，如图1所示。

图1 智能巡视系统功能结构图

信息总览模块实现对变电站监测数据、巡视任务、巡视装置、告警、缺陷等信息的汇总及关联查询；实时监控模块实现对接入的摄像机、机器人、无人机等巡视装置进行实时画面监控、巡视过程监控，提供云台控制、操作等功能；巡视装置管理模块实现对接入的巡视装置进行台账管理，维护消缺；巡视装置配置模块实现变电站点位与摄像机、机器人、无人机联合配置，支持静默监视配置，支持检修区域、异常推送、告警阈值、智能联动等配置；巡视任务管理模块实现典型巡视任务配置，支持按不同执行方式下发任务，支持巡视任务日历展示及查询；巡视结果管理模块实现巡视告警人工确认，巡视结果预览和报告分类导出，支持未处理异常闭环；数据分析工具模块实现巡视结果对比分析、智能判别，巡视结果包含可见光、红外、紫外、表计、音视频等类型；系统管理模块实现系统硬件、设备通信、算法应用、系统权限、系统日志等的管理。

智能巡视利用多种先进巡视技术，可以实现对变电站内设备和环境快速、全面的监测和管理，能够极大的提升巡视效率，节省时间和人力资源；可以对变电站内设备运行状态进行全面、准确的监测和管理，对于异常情况和故障风险等，能够有效预测并告警，为相关人员提供科学依据和决策支持，从而保障电力系统的安全可靠运行。智能巡视系统可以对收集到的数据进行深度分析和处理，利用机器学习和数据建模等技术，可以发现设备的隐患和潜在问题，并预测设备的寿命周期，有助于制定更科学合理的维护计划，延长设备的使用寿命。

2 智能巡视系统中的巡视技术应用

2.1 摄像机巡视技术应用

摄像机巡视技术是利用各类摄像机对变电站进行全域监视和监控的技术，按照既定策略采集图像、温度等数据并上传，实时或离线地获取、查看和分析被监视区域的情况。

不同传输策略的摄像机与智能巡视系统的交互有所区别，摄像机接入系统结构图如图2所示，有线摄像机将采集的图像通过光纤直传给硬盘录像机存储，硬盘录像机按智能巡视系统需求提供数据；无线摄像机将采集的图像通过物联安全接入网关直接上送给智能巡视系统。智能巡视系统与摄像机接口采用TCP／UDP传输协议，获取摄像机的视频和红外图谱，并实现对摄像机的控制；智能巡视系统与上级系统接口采用TCP协议，传输任务管理、远程控制、模型同步等指令，文件传输接口采用FTPS协议。数据传输过程应满足入网控制、访问授权与认证、审计、保密、禁用端口、网络攻击防御、安全漏洞等信息安全要求［3］。

图2 摄像机接入系统结构图

根据变电站不同应用需求，需要配备不同的摄像机。变电站内需要灵活监视范围较大的设备区，通常配备云台摄像机；需要全景监控的室内设备区，通常配备球机摄像机；变电站内可以用固定焦距和固定视角监视和拍摄的设备，通常配备枪机摄像机；变电站内设备的各种非数字化表计，通常配备卡片相机或低功耗无线读表相机；变电站内如需要更广阔的视野监视整个设备区，通常配备鱼眼摄像机。

摄像机巡视技术具有以下特点与优势：

（1）快速灵活：利用摄像机巡视可以实现预置位快速切换，低延时远程控制摄像机的方向和角度。

（2）安全：摄像机不会受到移动过程中的风险和站内障碍物的干扰，提供了更高的操作安全性。

（3）图像稳定：摄像机通常安装在固定的支架上，有更稳定的影像。

（4）节约能源：摄像机是直接供电，无需额外的能源供应，节约了能源成本。

2.2 机器人巡视技术应用

变电站巡视机器人（以下简称机器人）是由移动载体、供电设备、通信设备和检测设备等组成，采用遥控或全自主运行模式［4］，用于变电站设备巡视作业的移动巡视装置。机器人巡视技术是利用各类机器人对变电站室内外电力设备及环境状态，按预设路线或者选点进行精准巡视的技术。机器人巡视技术作为变电站智能巡视的重要手段，可发挥机器人灵活机动特性，主要聚焦变电站设备红外测温、表计读数自动识别抄录、重要巡视点位补强复核、特殊场景应急处置等功能。机器人接入系统结构图所图3所示。

图3 机器人接入系统结构图

机器人巡视技术遵循变电站智能巡视体系总体架构设计，如站端单独部署有机器人主机，机器人可以先接入机器人主机再接入智能巡视系统，没有则直接接入智能巡视系统。机器人通过物联安全接入网关接入管理信息大区网络，可以实现双向认证和数据加密，满足安全接入技术要求。机器人巡检主机单独部署时，与智能巡视系统进行通信，实现接收执行远程下发任务、上传巡检结果、上传机器人状态信息等功能。巡视采集的可见光照片和红外图谱文件传输，遵循FTPS安全文件传输规范。

根据变电站不同应用需求，同样需要配备不同的机器人。对于地势平缓、地面较为坚硬的设备区，需要在室内和室外设备区中自由移动的场景，通常配备轮式机器人；对于有复杂、不平整地面环境的设备区，需要更好的通过性和稳定性，通常配备履带式机器人；对于需要机器人沿着导轨或网格进行移动的设备区，通常配备导轨机器人；对于有崎岖地面环境或者受灾后的设备区，可以选择使用具备更好平衡性和灵活性的四足机器人。

机器人巡视技术具有以下特点与优势：

（1）移动灵活：机器人可以自主移动和导航，具备自动避障能力，可以在不同设备区之间较为安全的自由移动并进行巡视。

（2）模块丰富：机器人可以自定义搭载模块，如可见光检测模块、红外测温模块、温度传感器模块、激光雷达模块、环境温湿度检测模块、声音检测模块，环境气体检测模块、局部放电检测模块等，以获取更全面和多样化的环境信息［5］。

（3）快速识别缺陷：机器人可以通过内置算法，快速识别缺陷，辅助决策。

2.3 无人机巡视技术应用

无人机巡视技术是利用无人机（无人驾驶飞行器）在变电站户外设备区，进行变电站一次设备部件级巡视的技术。无人机巡视技术结合了机巢、无人机、实时图传和无线遥控等技术，通过无人机飞行器搭载的相机、传感器等设备，在变电站高空或中低空实现对目标区域进行多角度、高分辨率的图像和数据采集。

无人机接入智能巡视系统结构和机器人类似，无人机接入系统结构图如图4所示，无人机通过无线接入机巢，机巢通过物联安全接入网关先接入无人机主机再接入智能巡视系统。无人机接入主机与机巢之间文件交互采用HTTPS协议。

图4 无人机接入系统结构图

根据变电站不同应用需求，适用于变电站的无人机一般为轻型、小型多旋翼类无人机，多旋翼类无人机可以分为多类。普通型无人机用于操作人员手动控制无人机进行变电站巡视，常见型号如御2、御3等；功能型无人机有RTK定位功能，可以执行变电站的自主巡视、红外测温等，常见型号如经纬M30系列等；载荷型无人机同样有RTK定位功能，可以更换挂载，搭载激光扫描设备及其他载荷，通常用于变电站的激光扫描或倾斜摄影建模，常见型号如经纬M300、经纬M350等。

无人机巡视技术具有以下特点与优势：

（1）高分辨航拍数据：无人机可以生成高分辨率的航拍图像，更利于缺陷的发现，如搭载测绘相机可以实现变电站建模等需要大范围视角和高精度数据的任务。

（2）成本效益高：一台机巢和一台无人机即可完成变电站室外设备区的中、高空巡视，相对其他巡视技术巡视成本低、巡视效率高。

（3）巡视视角全：无人机在相对地面2m以上的距离完成对变电站室外设备区的巡视，拍摄角度全，对类似于主变套管升高座渗漏油的缺陷也能有效巡视，弥补了以往设备顶部无法直接巡视的不足。

3 综合系统设计方案对比

智能巡视系统的第一种设计方案是以摄像机巡视技术为主，其他巡视技术为辅实现变电站巡视的模式。这种方案有快速灵活、安全、图像稳定、节约能源的优点，同时也存在一些问题。第一，由于预置点位量大，需要配置较多摄像机，施工量大，日常运维也存在较大工作量；第二，在实际替代例行巡视过程中，发现预置位偏离、摄像机故障掉线等问题频发，直接影响巡视质量；第三，摄像机运行时间越长故障率会逐年增加，大量的摄像机所产生的故障原因也会更加多样，导致变电站巡视设备的维护费用逐年提高。

智能巡视系统的第二种设计方案是以无人机巡视技术为主，其他巡视技术为辅实现变电站巡视的模式。这种方案有巡视视角全、施工量小，成本效益高、高分辨航拍数据的优点，同时也存在一些问题。第一，无人机巡视受天气条件的限制；第二，无人机续航能力有限，需要定期更换电池或者充电。

综合考虑，可以采取综合应用这两种方案的方式，以无人机巡视为主，将无人机、摄像机和机器人巡视技术相结合。在变电站巡视中，可以使用无人机覆盖常规巡视的大部分巡视点位，获取高分辨率的图像数据。同时，利用摄像机、机器人进行补充，补充无人机无法覆盖的区域，实现快速灵活的巡视模式，快速获取变电站整体的状态。这种方式既保证了巡视质量，又解决了大规模建设成本过高的问题。

4 结束语

随着巡视终端的不断升级，变电站巡视技术正在逐步完善，巡视技术的研究愈发有意义。本文综合分析了摄像机巡视技术、机器人巡视技术和无人机巡视技术在变电站智能巡视系统中的应用，提出了以无人机巡视为主的综合系统应用方案，为优化智能巡视系统运行效率和安全性，人员减负提供了更加高效、精准的解决方案。未来，我们需要进一步探索不同技术之间的整合，优化系统设计，提高智能巡视系统在实际变电站中的运用效果。