變電站智能巡檢設備關鍵技術研究

魏曉偉，王建偉，李廣淵，馬國義，于文博，劉志國

（1.國網冀北電力檢修公司 變電檢修中心，北京 102488；2.國網冀北電力檢修公司 二次檢修中心，北京 102488；3.北京中飛艾維航空科技有限公司，北京 100176）

0 引 言

變電站設備運行巡檢是變電運維日常工作開展的重要組成部分，能夠幫助工作人員及時掌握變電站的最新運行狀態和運行安全隱患，有效保護變電站的運行安全。目前，隨著電力信息系統的不斷發展，變電站朝著智能化的方向發展，其中變電站智能巡檢設備是其中的一個典型代表，借助地面巡檢設備、空中巡檢無人機等先進設備，為整體電力系統運行提供了有力保障。文章著重圍繞變電站智能巡檢設備關鍵技術進行相關分析、探討，以期為相關研究提供一些參考價值。

1 應用變電站智能巡檢設備的必要性分析

眾所周知，電力系統在推動社會經濟發展發揮著重要作用，任何一個環節出現故障問題，都有可能引發連鎖反應，產生大面積停電問題，為社會生產造成嚴重的經濟損失。變電站是連接主電網和配電網的關鍵設施，對其進行日常監控巡查與維護，對電力系統運行安全而言具有重要意義。傳統的變電站巡視與檢查主要依賴于人工方式，由相關工作人員依靠個人經驗簡單的定性判斷分析變電站設備運行狀態。這種方式雖然能夠起到一定效果，但依然存在諸多弊端，例如勞動強度較大、巡檢質量較為分散、巡檢手段單一和巡檢效率低下等，并且在實際進行檢測過程中，受人為失誤因素影響，存在一定的不確定性，人工檢測數據無法及時、準確傳輸到管理信息系統。隨著無人值守模式的推廣，進一步加大了變電站巡檢工作人員的工作量，難以有效保證巡檢的到位率、準確率。此外，高原、偏遠山區等地理條件相對較惡劣的地區，人工巡檢存在一定的安全風險；在大風、暴雨、暴雪等惡劣天氣下，難以保證變電站巡檢的及時性。為有效彌補傳統變電站巡檢方式的弊端，滿足人們日益提升的供電質量安全需求，有必要在變電站巡檢中加強智能設備的應用。通過借助地面巡檢設備、空中無人機等先進設備，有效減輕變電站維護人員的負擔，能夠在無人值守或少人值守的變電站巡檢室外高壓設備，能夠甄別電力設備的缺陷，發現其中存在的問題，能夠自動觸發報警，真正起到減員增效的作用，進而有效推動變電站無人值守的發展進程[1]。

2 變電站智能巡檢設備功能分析

變電站智能巡檢設備基于實際巡檢工作需要，應具備以下功能。一是檢測功能。該功能實現需要借助紅外熱像儀、傳感器等設備，從而能夠及時發現變電站設備損傷、發熱等異常問題，并在傳感器的幫助下，準確提供各種有效數據。二是導航功能。即在該功能的幫助下，智能巡檢設備能夠根據事先設定的巡檢路徑，通過改變導航參數實時調整設備運動狀態，促使巡檢設備執行起步、行駛、轉彎和爬坡等動作，并能夠結合路面實際參照障礙物分布，自動規劃出最佳行使路徑。三是自動報警功能。巡檢設備發現設備故障后能夠自動發出警報。四是控制功能。即相關技術人員能夠在后臺實時監控巡檢設備的運行狀態，并能夠手動遙控智能設備主體，調用智能設備的各種功能，實現人機互動；智能巡檢設備具備數據庫功能，能夠將巡檢過程中獲得的信息進行實時儲存，方便后臺技術人員查詢應用。五是自動充電功能。智能巡檢設備一般配備車載蓄電池，充電30 min能夠持續工作5 h，當設備電量達到警戒狀態，能夠自主返回充電。六是清除障礙功能。無人機作為變電站特殊的“巡檢設備”，有效擴展了變電站巡檢空間，有效提升了變電站智能巡檢水平。例如，高壓線上常常會掛一些塑料袋、孔明燈等垃圾雜物，若處理不及時很可能引發短路、跳閘等問題。采取常規的巡檢清除方式，需要經歷登塔、掛軟梯、出線等高危作業環節，且清除作業時間較長，效率低下，而采用無人機，利用其噴火消缺功能，能夠在幾分鐘內完成垃圾障礙清理。無人機能夠精準控制噴火位置、噴火量和噴火時間，并且將著火點控制在了400 ℃，高壓線熔點控制在600 ℃以上，在短時間內燃燒不會對高壓線造成影響[2]。

3 變電站智能巡檢設備關鍵技術研究

3.1 紅外熱圖像處理技術

變電站設備實際運行過程中會產生各種參數變化，如負荷變化、設備壓力值變化等。在多數情況下，通過檢測設備運行狀態判斷是否存在異常，一般通過監測其運行溫度進行確定。智能巡檢設備巡檢變電站時，圍繞現場設備，通過利用紅外熱圖像處理技術，在紅外熱像儀的幫助下獲取設備溫度特征信息，相應信息主要以溫度分布熱成像圖體現；之后，巡檢設備將熱成圖像信息上傳至終端設備，并對相應信息進行智能分析處理，判斷變電站設備故障。由于變電站現場環境通常比較復雜，智能巡檢設備在實際監測過程中會受到外界各種噪聲信號的干擾，從而對紅外熱圖像灰度值測量效果造成嚴重影響，不利于提升溫度值計算精度。基于此，為有效改善這一問題，提高溫度計算精度，需要圍繞采集的熱圖像信息，對其做好去燥與增強效果處理。

首先，智能巡檢設備攜帶的移動攝像機或電荷耦合元件（CCD）獲取現場監控視頻信息后，對熱圖像展開處理，先校正熱圖像顏色信息，并采用相應平滑、增強處理等算法，對圖像進行去噪處理，使原本的圖像更加真實清晰，更易識別。其次，利用分割與濾波等算法，對完成降噪處理的熱圖像進行提取操作，即先進行圖像分割，然后圍繞分割的圖像提出相應特征，根據特征做好分類，定位熱缺陷具體位置，發送定位信息的同時出發報警信號。最后，收集整理相關事故信息，并將其存入后臺數據庫。值得注意的是，獲得的紅外圖像信息一般不能直接應用，需要經過進一步處理。文章主要采用混沌神經網絡對相關圖像進行融合計算，使其能夠充分發揮出應有的應用價值[3]。

3.2 視覺導航技術

視覺導航技術是變電站巡檢設備在實現規劃好的路徑范圍內，由設備系統中攜帶的CCD攝像頭拍攝、提取道路視頻圖像，并識別相關路徑，引導控制設備按照規劃的路徑行駛，最終完成巡檢任務。因此，整體技術應用的實時穩定性對變電站智能巡檢設備作業效果至關重要。基于此，文章設計了一種基于模糊邏輯的視覺導航技術方法，運用該方法，即使面對光照強度很大的環境也能起到良好的導航效果。

首先，在事先規劃好的巡檢路線上鋪設導引線，利用CCD攝像機采集相關視頻圖像信息，并圍繞這些圖像信息應用色彩分割法進行預處理。其次，利用形態學濾波算法有效祛除圖像干擾，采用B樣條曲面自適應擬合算法有效檢測導引線。最后，應用模糊邏輯控制算法引導巡檢設備自動跟蹤導引線，并根據不斷變化的視覺導航參數實時調整設備的運動狀態，使其能夠在導引線的指引下按照規定路線進行巡檢作業[4]。

3.3 路徑規劃技術

20世紀70年代，國內外就開始研究設備移動路徑規劃問題。從路徑規劃目標角度來看，路徑規劃主要分為兩種，分別是全局路徑規劃和局部路徑規劃。對于全局路徑規劃來說，以地圖信息與任務信息為依據，在相關最優標準的引導下，例如路線最短、轉彎爬坡次數最少等，合理規劃巡檢設備運動路徑。局部路徑規劃在全局路徑規劃的基礎上，綜合分析周圍環境的數據，并向設備實時發出相關指令信息，控制設備根據相關操作指令行駛運行。

傳統的全局路徑規劃方法需要采用多種算法，如Dijkstra算法、拓撲法、A算法等；局部路徑規劃方法實現也需要采用多種算法，如遺傳算法、模擬退火算法、神經網絡算法等。目前，很多學者進行路徑規劃時，往往會將多種算法結合在一起，以便更好地解決相應問題。文章在基于Dijkstra算法與模擬退火算法結合的基礎上，對其應用進行了改進，從而成功求出全局最優路徑，并在運動控制系統的幫助下，結合相關路徑信息，實現設備智能驅動與控制。

傳統Dijkstra算法在具體應用方面，如果遇到大規模、多路徑節點狀況，實際運行時會占用大量存儲空間，且相應路徑搜索時間會成倍延長。為有效解決這一問題，文章利用一種雙直角坐標系的象限劃分方法，從而有效劃分目標捜索區域。具體來說，將目標區域分成四個象限，將路徑搜索起點設置為A點，終點設置為B點，并將A點視為原點，判斷B點所在的象限，直接朝著B點所在的象限區域進行搜索，從而有效縮小搜索范圍，避開無關的象限范圍，有效減小搜索時間與存儲空間壓力。同時，結合生成的路徑，直接過濾不必要的點，從而得到任意兩個停靠點之間的最短路徑。

多次實驗結果證明，通過采用改進后的Dijkstra算法，平均搜索效率提高了87%。為了獲取停靠點之間的最優路徑，文章采用模擬退火算法，有效解決了組合優化問題。具體來說，圍繞所有停靠點，對其進行隨機選擇，最終構成一個數據集合；利用其數據序列，用x表示一個解，然后圍繞路徑的總長度，用一個能量函數E(x)表示；該能量函數能夠表示x解優化程度，函數值大小與優化程度呈反比。隨機交換兩個停靠點的順序后，會構成一個新的數據集合，并將其作為一個新的解，用x′表示。新數據集合序列的總路徑長度用 E(x′)表示，若 E(x′)＜ E(x)，則接受新解 x，否則在滿足一定概率條件下，接受新解x′，該接受方式遵循Metropolis準則[5]。

3.4 無人機巡檢技術

變電站智能巡檢無人機系統主要由以下幾部分構成。（1）無人機，負責搭載運動攝像機、驅鳥設備以及紅外成像儀等，主要部件包括電機、飛控模塊、電調、動力電池、GPS模塊、慣性測量單元以及云臺等。（2）地面站，負責與無人機實施通信，確保遵循設定航跡和具體時間開展飛行。借助地面站相關程序，即可制訂無人機巡視的具體策略，并結合無人機配備的飛行模塊、GPS模塊以及慣性測量單元等，設定無人機航行路線。（3）運動攝像機，負責檢查變電站配備的內斷路器和隔離開關等相應的分合閘位置，并判斷設備運行實際工況。運動攝像機可采用1 200萬像素，采用30 Mb/s的傳輸效率，以AV接口作為數據傳輸口。（4）紅外成像儀，負責對變電設備實施相應的紅外成像，借助設備溫度間接判斷設備運行工況，諸如絕緣性和導電性等。通常情況下，可采用致冷型紅外成像儀，將測量范圍控制在-40～550 ℃，采用USB接口作為數據傳輸口。（5）驅鳥器，負責驅逐變電站中棲息的鳥類，避免鳥巢及各種鳥類導致短路事故。可采用多模式驅鳥器，通常采用聲光驅鳥模式和超聲波驅鳥模式。驅鳥器借助切換開關可切換驅鳥模式。驅鳥器采用1.5 V干電池，并借助支架在無人機機架上進行固定。

4 結 論

綜上所述，相對于傳統的以人工為主的變電站巡檢法，變電站智能巡檢方式更加靈活，能夠有效減輕運行人員的工作負擔，某種程度上還能夠減少安全事故的發生概率，避免人為失誤帶來的影響，更有助于實現變電站運行維護一體化。相關人員需要提高應用變電站智能設備員巡檢的重視程度，加強相關關鍵技術的創新研究，有效提高巡視質量，推動變電站智能建設實現穩定發展。