变电站智能巡检设备关键技术研究

魏晓伟，王建伟，李广渊，马国义，于文博，刘志国

（1.国网冀北电力检修公司 变电检修中心，北京 102488；2.国网冀北电力检修公司 二次检修中心，北京 102488；3.北京中飞艾维航空科技有限公司，北京 100176）

0 引 言

变电站设备运行巡检是变电运维日常工作开展的重要组成部分，能够帮助工作人员及时掌握变电站的最新运行状态和运行安全隐患，有效保护变电站的运行安全。目前，随着电力信息系统的不断发展，变电站朝着智能化的方向发展，其中变电站智能巡检设备是其中的一个典型代表，借助地面巡检设备、空中巡检无人机等先进设备，为整体电力系统运行提供了有力保障。文章着重围绕变电站智能巡检设备关键技术进行相关分析、探讨，以期为相关研究提供一些参考价值。

1 应用变电站智能巡检设备的必要性分析

众所周知，电力系统在推动社会经济发展发挥着重要作用，任何一个环节出现故障问题，都有可能引发连锁反应，产生大面积停电问题，为社会生产造成严重的经济损失。变电站是连接主电网和配电网的关键设施，对其进行日常监控巡查与维护，对电力系统运行安全而言具有重要意义。传统的变电站巡视与检查主要依赖于人工方式，由相关工作人员依靠个人经验简单的定性判断分析变电站设备运行状态。这种方式虽然能够起到一定效果，但依然存在诸多弊端，例如劳动强度较大、巡检质量较为分散、巡检手段单一和巡检效率低下等，并且在实际进行检测过程中，受人为失误因素影响，存在一定的不确定性，人工检测数据无法及时、准确传输到管理信息系统。随着无人值守模式的推广，进一步加大了变电站巡检工作人员的工作量，难以有效保证巡检的到位率、准确率。此外，高原、偏远山区等地理条件相对较恶劣的地区，人工巡检存在一定的安全风险；在大风、暴雨、暴雪等恶劣天气下，难以保证变电站巡检的及时性。为有效弥补传统变电站巡检方式的弊端，满足人们日益提升的供电质量安全需求，有必要在变电站巡检中加强智能设备的应用。通过借助地面巡检设备、空中无人机等先进设备，有效减轻变电站维护人员的负担，能够在无人值守或少人值守的变电站巡检室外高压设备，能够甄别电力设备的缺陷，发现其中存在的问题，能够自动触发报警，真正起到减员增效的作用，进而有效推动变电站无人值守的发展进程[1]。

2 变电站智能巡检设备功能分析

变电站智能巡检设备基于实际巡检工作需要，应具备以下功能。一是检测功能。该功能实现需要借助红外热像仪、传感器等设备，从而能够及时发现变电站设备损伤、发热等异常问题，并在传感器的帮助下，准确提供各种有效数据。二是导航功能。即在该功能的帮助下，智能巡检设备能够根据事先设定的巡检路径，通过改变导航参数实时调整设备运动状态，促使巡检设备执行起步、行驶、转弯和爬坡等动作，并能够结合路面实际参照障碍物分布，自动规划出最佳行使路径。三是自动报警功能。巡检设备发现设备故障后能够自动发出警报。四是控制功能。即相关技术人员能够在后台实时监控巡检设备的运行状态，并能够手动遥控智能设备主体，调用智能设备的各种功能，实现人机互动；智能巡检设备具备数据库功能，能够将巡检过程中获得的信息进行实时储存，方便后台技术人员查询应用。五是自动充电功能。智能巡检设备一般配备车载蓄电池，充电30 min能够持续工作5 h，当设备电量达到警戒状态，能够自主返回充电。六是清除障碍功能。无人机作为变电站特殊的“巡检设备”，有效扩展了变电站巡检空间，有效提升了变电站智能巡检水平。例如，高压线上常常会挂一些塑料袋、孔明灯等垃圾杂物，若处理不及时很可能引发短路、跳闸等问题。采取常规的巡检清除方式，需要经历登塔、挂软梯、出线等高危作业环节，且清除作业时间较长，效率低下，而采用无人机，利用其喷火消缺功能，能够在几分钟内完成垃圾障碍清理。无人机能够精准控制喷火位置、喷火量和喷火时间，并且将着火点控制在了400 ℃，高压线熔点控制在600 ℃以上，在短时间内燃烧不会对高压线造成影响[2]。

3 变电站智能巡检设备关键技术研究

3.1 红外热图像处理技术

变电站设备实际运行过程中会产生各种参数变化，如负荷变化、设备压力值变化等。在多数情况下，通过检测设备运行状态判断是否存在异常，一般通过监测其运行温度进行确定。智能巡检设备巡检变电站时，围绕现场设备，通过利用红外热图像处理技术，在红外热像仪的帮助下获取设备温度特征信息，相应信息主要以温度分布热成像图体现；之后，巡检设备将热成图像信息上传至终端设备，并对相应信息进行智能分析处理，判断变电站设备故障。由于变电站现场环境通常比较复杂，智能巡检设备在实际监测过程中会受到外界各种噪声信号的干扰，从而对红外热图像灰度值测量效果造成严重影响，不利于提升温度值计算精度。基于此，为有效改善这一问题，提高温度计算精度，需要围绕采集的热图像信息，对其做好去燥与增强效果处理。

首先，智能巡检设备携带的移动摄像机或电荷耦合元件（CCD）获取现场监控视频信息后，对热图像展开处理，先校正热图像颜色信息，并采用相应平滑、增强处理等算法，对图像进行去噪处理，使原本的图像更加真实清晰，更易识别。其次，利用分割与滤波等算法，对完成降噪处理的热图像进行提取操作，即先进行图像分割，然后围绕分割的图像提出相应特征，根据特征做好分类，定位热缺陷具体位置，发送定位信息的同时出发报警信号。最后，收集整理相关事故信息，并将其存入后台数据库。值得注意的是，获得的红外图像信息一般不能直接应用，需要经过进一步处理。文章主要采用混沌神经网络对相关图像进行融合计算，使其能够充分发挥出应有的应用价值[3]。

3.2 视觉导航技术

视觉导航技术是变电站巡检设备在实现规划好的路径范围内，由设备系统中携带的CCD摄像头拍摄、提取道路视频图像，并识别相关路径，引导控制设备按照规划的路径行驶，最终完成巡检任务。因此，整体技术应用的实时稳定性对变电站智能巡检设备作业效果至关重要。基于此，文章设计了一种基于模糊逻辑的视觉导航技术方法，运用该方法，即使面对光照强度很大的环境也能起到良好的导航效果。

首先，在事先规划好的巡检路线上铺设导引线，利用CCD摄像机采集相关视频图像信息，并围绕这些图像信息应用色彩分割法进行预处理。其次，利用形态学滤波算法有效祛除图像干扰，采用B样条曲面自适应拟合算法有效检测导引线。最后，应用模糊逻辑控制算法引导巡检设备自动跟踪导引线，并根据不断变化的视觉导航参数实时调整设备的运动状态，使其能够在导引线的指引下按照规定路线进行巡检作业[4]。

3.3 路径规划技术

20世纪70年代，国内外就开始研究设备移动路径规划问题。从路径规划目标角度来看，路径规划主要分为两种，分别是全局路径规划和局部路径规划。对于全局路径规划来说，以地图信息与任务信息为依据，在相关最优标准的引导下，例如路线最短、转弯爬坡次数最少等，合理规划巡检设备运动路径。局部路径规划在全局路径规划的基础上，综合分析周围环境的数据，并向设备实时发出相关指令信息，控制设备根据相关操作指令行驶运行。

传统的全局路径规划方法需要采用多种算法，如Dijkstra算法、拓扑法、A算法等；局部路径规划方法实现也需要采用多种算法，如遗传算法、模拟退火算法、神经网络算法等。目前，很多学者进行路径规划时，往往会将多种算法结合在一起，以便更好地解决相应问题。文章在基于Dijkstra算法与模拟退火算法结合的基础上，对其应用进行了改进，从而成功求出全局最优路径，并在运动控制系统的帮助下，结合相关路径信息，实现设备智能驱动与控制。

传统Dijkstra算法在具体应用方面，如果遇到大规模、多路径节点状况，实际运行时会占用大量存储空间，且相应路径搜索时间会成倍延长。为有效解决这一问题，文章利用一种双直角坐标系的象限划分方法，从而有效划分目标捜索区域。具体来说，将目标区域分成四个象限，将路径搜索起点设置为A点，终点设置为B点，并将A点视为原点，判断B点所在的象限，直接朝着B点所在的象限区域进行搜索，从而有效缩小搜索范围，避开无关的象限范围，有效减小搜索时间与存储空间压力。同时，结合生成的路径，直接过滤不必要的点，从而得到任意两个停靠点之间的最短路径。

多次实验结果证明，通过采用改进后的Dijkstra算法，平均搜索效率提高了87%。为了获取停靠点之间的最优路径，文章采用模拟退火算法，有效解决了组合优化问题。具体来说，围绕所有停靠点，对其进行随机选择，最终构成一个数据集合；利用其数据序列，用x表示一个解，然后围绕路径的总长度，用一个能量函数E(x)表示；该能量函数能够表示x解优化程度，函数值大小与优化程度呈反比。随机交换两个停靠点的顺序后，会构成一个新的数据集合，并将其作为一个新的解，用x′表示。新数据集合序列的总路径长度用 E(x′)表示，若 E(x′)＜ E(x)，则接受新解 x，否则在满足一定概率条件下，接受新解x′，该接受方式遵循Metropolis准则[5]。

3.4 无人机巡检技术

变电站智能巡检无人机系统主要由以下几部分构成。（1）无人机，负责搭载运动摄像机、驱鸟设备以及红外成像仪等，主要部件包括电机、飞控模块、电调、动力电池、GPS模块、惯性测量单元以及云台等。（2）地面站，负责与无人机实施通信，确保遵循设定航迹和具体时间开展飞行。借助地面站相关程序，即可制订无人机巡视的具体策略，并结合无人机配备的飞行模块、GPS模块以及惯性测量单元等，设定无人机航行路线。（3）运动摄像机，负责检查变电站配备的内断路器和隔离开关等相应的分合闸位置，并判断设备运行实际工况。运动摄像机可采用1 200万像素，采用30 Mb/s的传输效率，以AV接口作为数据传输口。（4）红外成像仪，负责对变电设备实施相应的红外成像，借助设备温度间接判断设备运行工况，诸如绝缘性和导电性等。通常情况下，可采用致冷型红外成像仪，将测量范围控制在-40～550 ℃，采用USB接口作为数据传输口。（5）驱鸟器，负责驱逐变电站中栖息的鸟类，避免鸟巢及各种鸟类导致短路事故。可采用多模式驱鸟器，通常采用声光驱鸟模式和超声波驱鸟模式。驱鸟器借助切换开关可切换驱鸟模式。驱鸟器采用1.5 V干电池，并借助支架在无人机机架上进行固定。

4 结 论

综上所述，相对于传统的以人工为主的变电站巡检法，变电站智能巡检方式更加灵活，能够有效减轻运行人员的工作负担，某种程度上还能够减少安全事故的发生概率，避免人为失误带来的影响，更有助于实现变电站运行维护一体化。相关人员需要提高应用变电站智能设备员巡检的重视程度，加强相关关键技术的创新研究，有效提高巡视质量，推动变电站智能建设实现稳定发展。