無人機自主巡檢在變電站中的應用研究

徐海奇 呂翠芳 田壁源 趙建平 李國軍

摘 要：無人機在電力系統輸電線路中的逐步應用，開啟了無人機在變電站應用的探索。現提出基于RTK厘米級衛星定位技術的變電站無人機巡檢技術方案，不僅可以實現變電站內無人機高頻次、高質量的自主巡檢，還可以使用無人機巡檢管控平臺實現對巡檢任務的管理、無人機狀態的監控、巡檢數據的統一管理、缺陷的圖像識別與分析和巡檢成果的綜合展示等。在未來的發展中，無人機自主巡檢將逐步取代設備日常巡視和周期性帶電檢測工作，利用多數據綜合人工智能診斷算法，實現傳統人工運維模式向智能運維模式的轉變，從整體上提高運檢工作效率。

關鍵詞：變電站;無人機;RTK;巡檢

0??? 引言

目前，變電站內運維巡檢主要有人工巡檢、機器人巡檢兩種方式，人工巡檢為傳統巡檢方式，機器人巡檢為近年來廣受歡迎的新興巡檢方式。但變電站機器人巡檢存在巡檢點位偏差、表計度數易受環境影響、行駛過程易受外界干擾導致偏航等問題。無人機巡檢是當前逐步推廣的巡檢技術，在輸電線路巡檢應用中已形成一定規模，具有全自主、近距離、高質量等特點。

本文通過研究RTK厘米級衛星定位技術，提出基于該技術的變電站無人機巡檢方案，彌補變電站內高空引線、銷子等設備巡檢的不足，幫助運維人員更好地掌握變電站電氣設備運行狀況，提高變電站運維的智能化和信息化水平。

1??? RTK技術

RTK（Real-time kinematic）是載波相位差分技術的英文簡寫，是當前一種新的常用的衛星定位測量方法。以前的靜態、快速靜態、動態測量都需要事后進行解算才能獲得厘米級的精度，而RTK是能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法，是GPS應用的重大里程碑，能在工程放樣、地形測圖等應用中極大地提高作業效率[1]。

如圖1所示，在RTK作業模式下，基準站通過數據鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送到流動站。流動站不僅通過數據鏈接收來自基準站的數據，還要采集GPS觀測數據，并在系統內組成差分觀測值進行實時處理，同時給出厘米級定位結果，歷時不足1 s。可在固定點上先進行初始化后再進入動態作業，也可在動態條件下直接開機，并在動態環境下完成整周模糊度的搜索求解。

2??? 無人機自主巡檢技術方案

如何對變電站快速進行全方位、立體化的巡檢，一直都是困擾電力運維人員的一大難題，尤其是高處的避雷器、進出母線等，往往是地面機器人巡檢和人工巡檢的痛點。由于視角原因，無法做到徹底巡檢，巡檢部位存在遺漏;在冬季遭遇冰雪、嚴寒等極端天氣時，地面機器人巡檢和傳統人工巡檢變得難度極大，這就使得一線電力運維人員無法及時獲得詳細準確的現場實際資料，給運維工作帶來了困難[2]。如今無人機技術飛速發展，隨著GPS、北斗等高精度衛星定位導航技術日益成熟，配合先進的無人機集控系統，為無人機對變電站電氣設備進行全自主巡檢規劃航跡成為可能，控制無人機全天時全天候一鍵起降、自主飛巡，已經成為一種行之有效的巡檢方式。

2.1??? 方案難點及應對策略

難點1：變電站電氣設備眾多，無人機飛行難度大。

應對策略：在巡檢開始前，首先對變電站進行三維建模，得到變電站不大于1：1 000比例尺的高精度三維模型，使得規劃的航跡展示在三維模型上，得以準確判斷出航跡的合理性和安全性，保證規劃航跡的絕對安全。變電站巡檢采用高性能無人機，無人機具備GPS和北斗雙重定位模式，支持RTK厘米級定位，同時無人機具備五向避障功能，能夠保障飛行安全。

難點2：變電站電磁環境復雜，給無人機飛行控制帶來考驗。

應對策略：巡檢的高性能無人機采用雙GPS天線定向技術，當遇到變電站強電磁環境干擾時，飛控系統采用雙天線定向技術，使得無人機在磁羅盤受磁場干擾的情況下依然擁有精確的航向信息，從而保障飛行安全。

難點3：變電站巡檢設備眾多，巡檢點復雜，巡檢照片數量大。

應對策略：智能巡檢方案采用先進的無人機集控技術，依托變電站三維模型，實現對變電站巡檢航跡的科學規劃，將變電站按功能分區，按高層、中層、低層分層，保證巡檢航跡可靈活配置，結合巡檢管控平臺可以實現巡檢成果與巡檢部位的一一對應，方便運維人員查看巡檢成果。

2.2??? 技術方案

分析某變電站的實際情況，其雖然占地面積不大，但電氣設備眾多，安全要求高，因此選用多旋翼無人機進行“井”字飛行的方式，配合云臺控制相機在垂直90°和45°傾斜狀態變化拍照，采集變電站全部影像。該變電站傾斜攝影航跡規劃示意圖如圖2所示。通過采用自動建模軟件系統，基于圖形運算單元GPU的快速自動三維場景運算，整個過程幾乎無須人工干預，即可從簡單連續的影像中生成高度還原的實景三維場景模型。

運用傾斜攝影技術獲取的影像數據，通過合理布設地面像片控制點，將影像數據、地面像片控制點數據導入自動建模軟件系統進行批處理[3]，人工只需參與質量控制和三維模型編輯修飾工作。三維建模生產流程圖如圖3所示。利用軟件輸出OSGB格式三維成果，對模型明顯的拉伸變形、紋理漏洞和貼圖模糊進行處理，直到滿足三維模型制作精度要求。圖4所示為三維建模過程中的空三加密環節。

根據機型特點，無人機巡檢作業應遵照標準化作業流程開展，將變電站根據實際功能分成主控室、主變場地、電容器場地、高低壓場地等若干區域。在無人機飛巡時，巡檢航線遵循分區設置、避免穿插的原則，最大程度地使得無人機飛行不跨越電氣設備，從而最大限度地保障安全。在各個分區中，航線分為高、中、低三層，巡檢時由高到低、最終返航，在此過程中要做到巡檢部位高層全覆蓋、中層重點部位不遺漏、低層在保證安全時盡量全拍攝，從而實現對整個變電站電氣設備關注點的全面覆蓋，獲取高質量的影像資料，完成對變電站的全方位、立體化巡檢。

3??? 結語

無人機利用其精度高的特點可解決傳統人工巡檢和機器人巡檢對于高空設備存在盲區的問題，同時其機動性、靈活性都比較高。但是目前無人機在變電站巡檢中應用極少，還沒完全普及，無人機巡檢標準缺陷庫也不夠完善，人工神經網絡等智能算法應用于缺陷識別的準確率不高，從而影響了無人機的實際工作效率。因此，還需繼續加強對無人機在變電站中深度應用的研究，在開發基于圖像識別的隱患缺陷判斷技術和基于人工神經網絡等算法的缺陷智能診斷技術方面繼續下功夫，以便實現變電站的無人機全自動、智能化巡檢。

[參考文獻]

[1] 羅澤雄，劉秀，羅志勇，等.高精度無人機在變電站巡檢中的應用[J].工程技術研究，2020，5（23）：244-245.

[2] 張濤.無人機在變電站的應用[J].農村電氣化，2019（10）：22-23.

[3] 田小壯，石輝，曾慶松，等.基于圖像處理的變電站周界無人機安防巡邏系統研究[J].東北電力技術，2019，40（8）：29-31.

收稿日期：2021-07-13

作者簡介：徐海奇（1990—），男，甘肅武威人，工程師，研究方向：變電站運維與新技術應用。