基于智能巡視系統的變電站巡視技術研究

袁嘉誠

（湖北工業大學電氣與電子工程學院）

0 引言

電力系統是支撐國家經濟運行和保障人民生活的重要基礎設施，而變電站作為保證電能傳輸質量的樞紐，是電力系統中不可或缺的一環。隨著經濟的發展，變電站數量在迅速增加，變電站內一、二次設備在迅速更新迭代，設備及其保護的精密程度逐年提高，變電站運行維護人員的承載力趨近飽和。同時，傳統的依靠人員對變電站進行巡視的方法存在著一些固有的問題，如巡視的頻率與次數受到限制，巡視過程中易受周圍環境、操作人員因素等影響。為了解決上述問題，針對變電站的智能巡視技術逐漸成為發展的趨勢［1］。

本文在智能巡視的基礎上研究變電站巡視技術，分析各類巡視技術特點與優勢，并對智能巡視和變電站巡視技術的發展進行展望。首先，簡單介紹了智能巡視的原理、功能、優勢等；其次，詳細闡述攝像機、機器人、無人機等巡視技術的應用原理，在智能巡視中的功能實現等；最后，對智能巡視和變電站巡視技術的發展進行展望。通過本文的介紹，能夠較為充分的了解各類巡視技術，及其在智能巡視中的應用，為進一步優化巡視系統功能，利用不同巡視技術，合理分配資源為人員減負提供更加高效、精準的解決方案。

1 智能巡視系統概述

智能巡視是利用各類傳感器、機器視覺、無人機等技術手段，結合人工智能和數據分析算法，對變電站的設備和環境進行自動化監測和評估的一種巡視方式［2］。智能巡視可以對一、二次設備的狀態進行實時監測，對變電站內異常狀況進行告警提示，對巡視產生的數據進行異常識別。

智能巡視系統部署在安全Ⅳ區 （信息管理大區），可以對接入變電站內的攝像機、機器人、無人機等巡視裝置進行統一管理及應用，實現巡視點位配置、巡視任務下發、巡視結果預覽、數據對比分析等巡視業務全流程管理。智能巡視系統由8個功能模塊組成，如圖1所示。

圖1 智能巡視系統功能結構圖

信息總覽模塊實現對變電站監測數據、巡視任務、巡視裝置、告警、缺陷等信息的匯總及關聯查詢；實時監控模塊實現對接入的攝像機、機器人、無人機等巡視裝置進行實時畫面監控、巡視過程監控，提供云臺控制、操作等功能；巡視裝置管理模塊實現對接入的巡視裝置進行臺賬管理，維護消缺；巡視裝置配置模塊實現變電站點位與攝像機、機器人、無人機聯合配置，支持靜默監視配置，支持檢修區域、異常推送、告警閾值、智能聯動等配置；巡視任務管理模塊實現典型巡視任務配置，支持按不同執行方式下發任務，支持巡視任務日歷展示及查詢；巡視結果管理模塊實現巡視告警人工確認，巡視結果預覽和報告分類導出，支持未處理異常閉環；數據分析工具模塊實現巡視結果對比分析、智能判別，巡視結果包含可見光、紅外、紫外、表計、音視頻等類型；系統管理模塊實現系統硬件、設備通信、算法應用、系統權限、系統日志等的管理。

智能巡視利用多種先進巡視技術，可以實現對變電站內設備和環境快速、全面的監測和管理，能夠極大的提升巡視效率，節省時間和人力資源；可以對變電站內設備運行狀態進行全面、準確的監測和管理，對于異常情況和故障風險等，能夠有效預測并告警，為相關人員提供科學依據和決策支持，從而保障電力系統的安全可靠運行。智能巡視系統可以對收集到的數據進行深度分析和處理，利用機器學習和數據建模等技術，可以發現設備的隱患和潛在問題，并預測設備的壽命周期，有助于制定更科學合理的維護計劃，延長設備的使用壽命。

2 智能巡視系統中的巡視技術應用

2.1 攝像機巡視技術應用

攝像機巡視技術是利用各類攝像機對變電站進行全域監視和監控的技術，按照既定策略采集圖像、溫度等數據并上傳，實時或離線地獲取、查看和分析被監視區域的情況。

不同傳輸策略的攝像機與智能巡視系統的交互有所區別，攝像機接入系統結構圖如圖2所示，有線攝像機將采集的圖像通過光纖直傳給硬盤錄像機存儲，硬盤錄像機按智能巡視系統需求提供數據；無線攝像機將采集的圖像通過物聯安全接入網關直接上送給智能巡視系統。智能巡視系統與攝像機接口采用TCP／UDP傳輸協議，獲取攝像機的視頻和紅外圖譜，并實現對攝像機的控制；智能巡視系統與上級系統接口采用TCP協議，傳輸任務管理、遠程控制、模型同步等指令，文件傳輸接口采用FTPS協議。數據傳輸過程應滿足入網控制、訪問授權與認證、審計、保密、禁用端口、網絡攻擊防御、安全漏洞等信息安全要求［3］。

圖2 攝像機接入系統結構圖

根據變電站不同應用需求，需要配備不同的攝像機。變電站內需要靈活監視范圍較大的設備區，通常配備云臺攝像機；需要全景監控的室內設備區，通常配備球機攝像機；變電站內可以用固定焦距和固定視角監視和拍攝的設備，通常配備槍機攝像機；變電站內設備的各種非數字化表計，通常配備卡片相機或低功耗無線讀表相機；變電站內如需要更廣闊的視野監視整個設備區，通常配備魚眼攝像機。

攝像機巡視技術具有以下特點與優勢：

（1）快速靈活：利用攝像機巡視可以實現預置位快速切換，低延時遠程控制攝像機的方向和角度。

（2）安全：攝像機不會受到移動過程中的風險和站內障礙物的干擾，提供了更高的操作安全性。

（3）圖像穩定：攝像機通常安裝在固定的支架上，有更穩定的影像。

（4）節約能源：攝像機是直接供電，無需額外的能源供應，節約了能源成本。

2.2 機器人巡視技術應用

變電站巡視機器人（以下簡稱機器人）是由移動載體、供電設備、通信設備和檢測設備等組成，采用遙控或全自主運行模式［4］，用于變電站設備巡視作業的移動巡視裝置。機器人巡視技術是利用各類機器人對變電站室內外電力設備及環境狀態，按預設路線或者選點進行精準巡視的技術。機器人巡視技術作為變電站智能巡視的重要手段，可發揮機器人靈活機動特性，主要聚焦變電站設備紅外測溫、表計讀數自動識別抄錄、重要巡視點位補強復核、特殊場景應急處置等功能。機器人接入系統結構圖所圖3所示。

圖3 機器人接入系統結構圖

機器人巡視技術遵循變電站智能巡視體系總體架構設計，如站端單獨部署有機器人主機，機器人可以先接入機器人主機再接入智能巡視系統，沒有則直接接入智能巡視系統。機器人通過物聯安全接入網關接入管理信息大區網絡，可以實現雙向認證和數據加密，滿足安全接入技術要求。機器人巡檢主機單獨部署時，與智能巡視系統進行通信，實現接收執行遠程下發任務、上傳巡檢結果、上傳機器人狀態信息等功能。巡視采集的可見光照片和紅外圖譜文件傳輸，遵循FTPS安全文件傳輸規范。

根據變電站不同應用需求，同樣需要配備不同的機器人。對于地勢平緩、地面較為堅硬的設備區，需要在室內和室外設備區中自由移動的場景，通常配備輪式機器人；對于有復雜、不平整地面環境的設備區，需要更好的通過性和穩定性，通常配備履帶式機器人；對于需要機器人沿著導軌或網格進行移動的設備區，通常配備導軌機器人；對于有崎嶇地面環境或者受災后的設備區，可以選擇使用具備更好平衡性和靈活性的四足機器人。

機器人巡視技術具有以下特點與優勢：

（1）移動靈活：機器人可以自主移動和導航，具備自動避障能力，可以在不同設備區之間較為安全的自由移動并進行巡視。

（2）模塊豐富：機器人可以自定義搭載模塊，如可見光檢測模塊、紅外測溫模塊、溫度傳感器模塊、激光雷達模塊、環境溫濕度檢測模塊、聲音檢測模塊，環境氣體檢測模塊、局部放電檢測模塊等，以獲取更全面和多樣化的環境信息［5］。

（3）快速識別缺陷：機器人可以通過內置算法，快速識別缺陷，輔助決策。

2.3 無人機巡視技術應用

無人機巡視技術是利用無人機（無人駕駛飛行器）在變電站戶外設備區，進行變電站一次設備部件級巡視的技術。無人機巡視技術結合了機巢、無人機、實時圖傳和無線遙控等技術，通過無人機飛行器搭載的相機、傳感器等設備，在變電站高空或中低空實現對目標區域進行多角度、高分辨率的圖像和數據采集。

無人機接入智能巡視系統結構和機器人類似，無人機接入系統結構圖如圖4所示，無人機通過無線接入機巢，機巢通過物聯安全接入網關先接入無人機主機再接入智能巡視系統。無人機接入主機與機巢之間文件交互采用HTTPS協議。

圖4 無人機接入系統結構圖

根據變電站不同應用需求，適用于變電站的無人機一般為輕型、小型多旋翼類無人機，多旋翼類無人機可以分為多類。普通型無人機用于操作人員手動控制無人機進行變電站巡視，常見型號如御2、御3等；功能型無人機有RTK定位功能，可以執行變電站的自主巡視、紅外測溫等，常見型號如經緯M30系列等；載荷型無人機同樣有RTK定位功能，可以更換掛載，搭載激光掃描設備及其他載荷，通常用于變電站的激光掃描或傾斜攝影建模，常見型號如經緯M300、經緯M350等。

無人機巡視技術具有以下特點與優勢：

（1）高分辨航拍數據：無人機可以生成高分辨率的航拍圖像，更利于缺陷的發現，如搭載測繪相機可以實現變電站建模等需要大范圍視角和高精度數據的任務。

（2）成本效益高：一臺機巢和一臺無人機即可完成變電站室外設備區的中、高空巡視，相對其他巡視技術巡視成本低、巡視效率高。

（3）巡視視角全：無人機在相對地面2m以上的距離完成對變電站室外設備區的巡視，拍攝角度全，對類似于主變套管升高座滲漏油的缺陷也能有效巡視，彌補了以往設備頂部無法直接巡視的不足。

3 綜合系統設計方案對比

智能巡視系統的第一種設計方案是以攝像機巡視技術為主，其他巡視技術為輔實現變電站巡視的模式。這種方案有快速靈活、安全、圖像穩定、節約能源的優點，同時也存在一些問題。第一，由于預置點位量大，需要配置較多攝像機，施工量大，日常運維也存在較大工作量；第二，在實際替代例行巡視過程中，發現預置位偏離、攝像機故障掉線等問題頻發，直接影響巡視質量；第三，攝像機運行時間越長故障率會逐年增加，大量的攝像機所產生的故障原因也會更加多樣，導致變電站巡視設備的維護費用逐年提高。

智能巡視系統的第二種設計方案是以無人機巡視技術為主，其他巡視技術為輔實現變電站巡視的模式。這種方案有巡視視角全、施工量小，成本效益高、高分辨航拍數據的優點，同時也存在一些問題。第一，無人機巡視受天氣條件的限制；第二，無人機續航能力有限，需要定期更換電池或者充電。

綜合考慮，可以采取綜合應用這兩種方案的方式，以無人機巡視為主，將無人機、攝像機和機器人巡視技術相結合。在變電站巡視中，可以使用無人機覆蓋常規巡視的大部分巡視點位，獲取高分辨率的圖像數據。同時，利用攝像機、機器人進行補充，補充無人機無法覆蓋的區域，實現快速靈活的巡視模式，快速獲取變電站整體的狀態。這種方式既保證了巡視質量，又解決了大規模建設成本過高的問題。

4 結束語

隨著巡視終端的不斷升級，變電站巡視技術正在逐步完善，巡視技術的研究愈發有意義。本文綜合分析了攝像機巡視技術、機器人巡視技術和無人機巡視技術在變電站智能巡視系統中的應用，提出了以無人機巡視為主的綜合系統應用方案，為優化智能巡視系統運行效率和安全性，人員減負提供了更加高效、精準的解決方案。未來，我們需要進一步探索不同技術之間的整合，優化系統設計，提高智能巡視系統在實際變電站中的運用效果。