变电站不停电近距离观察装置的设计与应用

姜凌霄

（国网山西省电力公司检修公司，山西太原 030001）

0 引言

根据《国家电网公司电力安全工作规程》规定，随着电压等级的升高，所对应的安全距离也越来越大[1]，如±800 kV带电运行设备的安全距离是9.3 m，1 000 kV带电运行设备的安全距离是8.7 m，500 kV带电运行设备的安全距离是5 m，220 kV带电运行设备的安全距离是3 m。为保证人身安全，“超高压”及“特高压”设备离地距离会非常高，这给高空带电设备和高大电气设备顶部的故障排查带来了很大的挑战。

根据实际运行经验，运维人员对带电设备巡视过程中主要会面对以下问题：第一，人工无法近距离观察缺陷，故障定性准确率低。选择人工进行高空带电设备检查时通常使用目测或望远镜观测，但是由于设备位置过高或者带电设备对安全距离的要求，在巡视过程中存在盲区，无法及时发现故障，或者对故障定性不准确[2]。究其原因主要是因为安全距离大、设备太高、设备互相遮挡、缺陷位置由于角度问题等无法近距离观察。在实际巡视高空带电设备的过程中，如果带电设备高处出现异常时，运维人员无法进行实时查看和记录，这就造成运维人员无法迅速对异常设备做出判断和分析，很可能在设备轻微异常时，做出停电检修的错误决策，导致设备停运；或者在设备异常严重时，未能快速适当地处置，造成缺陷劣化，甚至危及人身和设备安全。第二，对高空高压带电设备近距离观察可能危及人身和设备安全。如果运维人员为了近距离观察带电设备上发生的缺陷而过分地靠近带电设备，比如低于安全距离的规定范围，必然会发生放电事故，造成人员伤害和设备损坏。

为了解决上述问题，研发了一种可以在不停电情况下近距离靠近带电设备的电子观察装置，下面将详细阐述该装置的功能原理、使用方法和在工作实际中的应用。

1 装置的组成及其功能原理

不停电近距离观察装置由控制模块（中央处理器和云台驱动）、视频模块、电源模块（用于装置的整体供电）、通信模块（ESP8266 Wi-Fi无线数据）组成，App操作软件需要安装在智能手机上，实现对装置的遥控操作[3]。

1.1 装置控制平台

装置使用专用语言进行编程，并在Arduino平台上进行实验，在程序通过运行测试后，下载进控制模块的中央处理器中。中央处理器对控制模块的云台2路电机进行驱动，控制摄像头云台的上下运动和左右运动，实现180°半球面的视角观察。中央处理器的指令通过通信模块（ESP8266 Wi-Fi无线数据）发射的信号与手机App实现通信[4]，装置的运动控制流程如图1所示，实物照片如图2所示。

图1 装置控制框图

图2 不停电近距离观察装置实物照片

1.2 装置通信模块

该装置的遥控和遥视通过手机App客户端实现，只需要开发一次手机App客户端，即可在任意安卓智能手机上进行安装，有效节约了后期遥控器成本。该装置将数字图传和云台遥控创新地结合在一起，仅需一部手机即可实现画面和云台的联动，此项技术在电网系统的“第一人称主视角”字图传类产品为首次使用（一般情况下画面观看和云台遥控是2个装置），在技术创新上有明显的优势。装置通信模块可以设定为无线接入点AP（wireless access point）模式、局域网模式。在AP模式下，装置通信模块的ESP8266 Wi-Fi模块作为热点发射2.4 GHz的无线信号，手机连接此Wi-Fi信号后通过客户端App实现装置的遥控和遥视。在局域网模式下，可以通过设置无线中继路由器来扩展信号，增强数据的传输距离，这首先需要在手机App上进行设置，将通信模块的ESP8266 Wi-Fi模块接入无线中继路由器。手机连接无线中继路由器后，通过客户端App实现装置的遥控和遥视。此时ESP8266 Wi-Fi模块作为一个终端模块使用。由于在AP模式和局域网模式下都是信号的直连，不涉及外连互联网，因此不存在数据的泄露和网络攻击问题。

1.3 云台控制及照明

装置云台使用了2个LFD-01数字舵机，这种舵机具有防止堵转的功能，即使在云台卡涩不能正常运作时，也可以保证舵机不会因为堵转而烧坏，降低了后期维护费用。云台支架使用塑料支架，以尽可能降低质量。云台与控制模块外壳连接部位使用铝合金角片，以增加云台舵机转向强度。LFD-01数字舵机可以通过控制模块与电脑相连，以确定和重新设定初始位置。云台底部安装有LED照明灯，在进行夜间检查工作时，LED照明灯可以为装置提供照明，185 lm的光通量和45°的照射角度可以保证装置前方及可视范围内的空间清晰可见，同时由于LED光源超低的耗电量，在500 mAh的锂离子电池下可以保证55 min的照明供电。45°的照射角度通过LED照明灯前方的透镜实现，也可以根据需求，更换为60°或者180°的透镜。使用陀螺仪夹持主控板，利用陀螺仪稳定原理，自动控制系统通过横滚轴对摄像头进行矫正，使得画面时刻保持水平，且画质更稳定，抖动更小。

2 装置的使用方法和应用

装置主体分为两部分，一部分为夹持组件，另一部分为摄像头整体组件。夹持组件由2个万向节、1个快拆夹、1个稳定器组成。摄像头整体组件由带云台的摄像头和带亚克力外壳的主控板组成。使用时，将快拆夹安装在绝缘杆上，调整2个万向节的方向，以使稳定器背板初始位置处于竖直状态。拉开稳定器上的弹簧夹，将摄像头整体组件夹持在上面。打开装置电源，程序自检和启动1 min后，可以正常发射信号。2个云台在启动瞬间会各向自身的左侧旋转30°角，并立即复位，增加此功能的目的是在开机时就可以判断云台舵机是否可以正常使用。长按稳定器侧面电源，稳定器启动后1个蓝灯闪烁，再按一下电源，进入二级稳定状态，此时2个蓝灯闪烁，在此状态的稳定效果反馈更及时。手机App启动连接成功后，输入用户名和密码就可以进入操作界面。操作界面可以实现画面的实时观看，滑动屏幕可以遥控云台，点击画面下方会弹出功能菜单，可以选择分辨率、录像和拍照功能。

将绝缘杆顶端的摄像头靠近高压带电部分的缺陷位置，通过滑动手机屏幕来调整摄像头云台的方向，以便实现正常观察。绝缘杆借助变电站内已有的验电器或者拉闸杆，既满足不同电压的绝缘要求又能满足定期试验要求，同时节约了杆材成本；而使用快拆组件，携带方便，组装方便，不影响验电器或拉闸杆的后续使用；同时适应多种杆材的使用。

运维人员可以通过手机App控制无线遥控云台（180°半球面视野），摄像头可以将画面实时传输回手机屏幕上，使得装置可以查看到设备的各个角落，实现高空巡视不留死角。在陀螺稳定器的作用下，摄像头可以始终保持水平稳定的状态，这样传输到手机App上的画面也是水平和稳定画面。

使用此装置可以在设备不停电的情况下，近距离靠近带电设备，拍摄装置的缺陷，如500 kV主变压器的顶盖渗油、500 kV电压互感器油位、500 kV电流互感器SF6表计读数、220 kV电流互感器防爆膜、35 kV电力电容器漏液等。装置解决了人员拍摄带电运行高压电气设备时，不能清晰拍摄渗漏油、放电、破损等缺陷及设备铭牌的问题[5]。使用这种装置不需要电气设备停电，可以在日常的运维工作中使用，使运维人员保证了与带电设备的安全距离，同时不需要单独的遥控器就可以操控摄像头，能显著提高工作效率，大幅度减少工作时间，试验效果好。使用此装置可以解决运维人员在巡视观察时的死角问题，及时发现设备隐患。

3 装置主要技术说明

a）实现手机客户端App实时“遥控”。开发手机App相较于研发物理遥控器，可以实现开发一次能在多个手机上使用的设想，降低了后期成本，但是仅限于安卓手机。用手机遥控可以实现画面和遥控在同一界面，这样更加方便快捷，符合实际使用需求。

b）使用陀螺仪稳定技术。该观测装置安装了陀螺仪稳定装置，稳定装置通过横滚轴对摄像头进行矫正，使得画面时刻保持水平，且画质更稳定，抖动更小。

c）通过移动互联技术，实现“遥视”装置。在使用过程中，利用图传技术，最远可以将28 m（AP模式）、无线中继路由器情况下将90～1 500 m（局域网模式）视频数据实时回传。

d）2个自由度遥控云台。可以实现180°半球面视野，同时集中在手机画面上进行遥控。

e）手机客户端具有照相和录像功能。可以进行近距离甚至微距拍摄，将摄像头第一视角的图像进行实时的记录，方便后期进行查看，拍摄的照片和视频存储在安装App的手机中。

f）使用快拆组件。携带方便，组装方便，不影响验电器或拉闸杆的使用。

g）绝缘杆借助变电站内已有的验电器或者拉闸杆，既能满足不同电压的绝缘要求又能满足定期试验要求，同时节约了成本，可适应两种杆材的使用。

h）不需要连接外网，信息安全可靠。装置使用Wi-Fi的频率传输实时画面和遥控信号，不使用334 MHz的频率，对变电站内数据传输设备无干扰。LED光源补光，满足阴暗角落及夜间照明使用要求。

4 结束语

装置依托“移动互联”等新技术应用，以变电运维人员需求分析为基础，以“移动互联”为实现手段，实现运检数据智能驱动；以智能手机技术为作业基础，以物联网为数据流、设备等生产要素的互联基础，全面推进“移动互联”技术与现代变电运维巡视的深度融合[6]。装置创新点及先进性突出，技术难度高，首次将“移动互联”技术运用到超高压及特高压的变电运维的巡视当中；首次使用手机App同时实现无线视频及无线遥控技术。该项目曾获2019年中电联全国QC成果一等奖，2019年国网山西省电力公司群众性科技创新一等奖。

高压带电设备近距离观察装置可以作为物联网感知层的设备存在，为电力物联网提供更加丰富的数据，并极大提升变电站运行维护工作的效率[7]。装置主要解决人工无法近距离观察带电设备缺陷、故障定性准确率低的问题，同时对高空高压带电设备近距离观察可能危及人身和设备安全的问题也给出了解决方法，具有非常强的现场实用性。