变电站立体智能巡检新技术研究与应用

张海华，陈 昊*，许 驰，叶昱媛，李中烜，孙小磊，史俊祎

（1.国网江苏省电力有限公司检修分公司，江苏 南京211102；2.国网江苏省电力有限公司经济技术研究院，江苏 南京210008）

0 引言

2011 年年初，智能电网建设全面纳入国家“十二五”规划纲要，智能电网技术研究与应用开始步入快车道，取得了一系列从“0”到“1”的重要突破［1-4］。时至今日，国家电网有限公司的战略目标从“三型两网，世界一流”过渡到“建设具有中国特色国际领先的能源互联网企业”，“智能电网”也由一个独立概念向“能源互联网”大体系融合［5-8］。作为智能电网关键技术的一种，变电站立体智能巡检技术已经走向实用化环节，目前已部分实现人工巡检全替代［9-12］。

1 变电站立体智能巡检技术

变电运检是电网的核心业务，变电运检对智能巡检技术的迫切需求主要有两个方面的原因：一是当前特高压等先进输变电技术、物联网等现代信息技术以及云计算等高性能计算与控制技术的不断进步，传统电力网与电信网、广播电视网、互联网紧密融合，推动传统电网运营方式发生变革；二是随着人力成本的不断增加，无人值守或少人值守已成为常态，人力资源与电力生产的冲突必须通过革命性的技术来解决［13-15］。

2019年，华东地区某500 kV变电站开始进行立体智能巡检平台改造，在变电站内部署高清视频、智能机器人、无人机，通过巡视主机下发控制、巡检任务等指令，展开室内外设备联合巡检作业。改造以实现立体联合巡检为目标，同时具备实时监控、智能联动等功能。

1.1 高清视频巡检技术

对设备区已有摄像头进行高清视频改造，同时对原监控死角补装高清摄像头。改造后现场共有高清摄像头129台，通过对摄像头布点位置最优计算设置，已经能够完成现场一键顺控、设备全面巡视需求。

此外，为加强主变、低抗等注油设备实时监测，持续跟踪注油设备套管温度、本体油位及导线联接头温度变化情况，安装4台红外摄像头对3组主变及低抗进行红外持续监测。后续将配置可移动式红外测温布控球，利用无线传输技术及可移动布置特点，满足对其它温度异常设备消缺前的持续跟踪需求。

根据变电站巡视要点，高清视频及红外相机进行数据采集时须包含以下功能：

1）支持日间/夜间设备设施的外观状况识别；

2）支持SF6压力表、开关动作次数计数器、避雷器泄漏电流表、油温表、液压表、有载调压档位表、油位计等表计示数采集；

3）支持断路器、隔离开关等一次设备及切换把手、压板、指示灯、空开等二次设备的位置状态指示识别；

4）支持本体、接头、引线、瓷套等重点部位红外图谱采集及发热识别；

5）支持视频存储及回放。

1.2 智能机器人巡检技术

相对而言，智能机器人巡检技术起步较早，已在变电站中投入使用多年并一直在更新换代，功能日趋完善［16-18］。变电站中配置的智能机器人分为室内机器人与室外机器人，如图1 所示。机器人代替人工巡检工作，给高温、大负荷运行和新投入设备运行前及风雪、大雾、冰雹、雷雨后等进行的特殊巡检，提供了极大的帮助。

图1 变电站智能机器人Fig.1 Intelligent robots in substation

室外机器人主要用于室外一次设备巡视测温，对设备现场规划巡视路线以及简单改造巡视通道后，机器人即可按预置程序逐间隔、逐设备、逐点位巡视，完成派发的巡视任务。室外机器人可实时上传巡视报告并发送报警信息，同时设有“一键返航”功能，电量不足或遭遇恶劣天气时可暂停巡视任务返回机器人小室。目前室外机器人已开始替代人工红外普测任务，并多次发现发热缺陷，巡检效果显著。

室内机器人主要用于保护室、交直流室屏柜的巡视测温工作。室内机器人同样需要预先规划巡视路线，通过感应地标确认坐标，通过内置红外传感器遥控开启关闭屏柜门，通过红外测温检查端子排、空开的发热情况，通过图像识别判断保护装置有无异常信号及压板状态是否正确。

1.3 无人机巡检技术

随着近年来无人机技术的成熟与成本的下降，无人机已经大规模应用到电网巡检中。国网技术学院定期开展无人机培训班对员工培训取证，目前取证等级分为“视距内驾驶员（驾驶员）”、“超视距驾驶员（机长）”、“教员”3种，资质等级依次递增［19-22］。无人机在输电线路巡检中的应用已趋成熟，包括日常巡线与清除异物，极大降低了人工巡线成本。而受限于站内复杂的电气环境，无人机在变电站中的应用尚处于起步阶段，飞行时需与站内运行设备时刻保持足够安全距离，飞行风险极大，每次执行站内飞行任务必须经过严格审核。目前站内无人机巡检主要用于避雷针隐患排查、二层构架巡视、变电站周边巡视，其共同点是飞行区域较为广阔，确保与带电设备在不在同一平面内，触碰运行设备风险较小。

1.4 变电站立体智能巡检系统

目前高清视频巡检、智能机器人巡检、无人机巡检由不同厂家分别调试，设备软硬件接口、通信方式必然存在差异。立体智能巡检系统的作用就是整合站内各种智能巡检技术，使信息可以共享，任务可以配合，高效完成变电站立体智能巡检。变电站立体智能巡检系统由巡检主机、机器人、无人机、高清视频等组成，实现数据采集、自动巡检、智能识别、智能分析、实时监控、智能联动、远程遥控等功能，如图2所示。

图2 变电站立体智能巡检系统架构图Fig.2 Architecture of stereo intelligent inspection system in substation

立体智能巡检系统部署在变电站控制室，下发控制、巡检任务等指令，控制高清视频、智能机器人、无人机开展室内外设备联合巡检作业，接收巡检数据、采集文件，对采集的数据进行智能分析，形成巡检结果和巡检报告，及时发送告警，同时具备实时监控、与主辅监控系统智能联动等功能。

2 立体智能巡检技术存在的问题及改进方案

1）高清视频巡检点位多，主机负载率过高

目前高清视频巡检的思路是逐间隔、逐设备、逐点位巡检，理论上要求点位划分覆盖现场任一设备的任一部位［23-24］。以500 kV 一台断路器的A 相点位划分为例，巡检部位划分为全景、上节瓷瓶、中节瓷瓶、下节瓷瓶、隔离开关侧均压电容、流变侧均压电容、隔离开关侧灭弧室、流变侧灭弧室等共计16 个部位，每个部位又可划分为东南西北四个方向，因此仅一台500 kV断路器至少便有192个点位，去除某些无效点位（视频死角、遮挡等）之后依然有156个点位。统计后全站点位数量将达20 000 个以上，导致执行巡检任务时高清视频主机超负荷运行，系统极易卡顿崩溃，每次完成巡检任务需近8个小时。

改进方案：

①优化云台布点。系统卡顿的重要原因之一是云台之间的点位分布不均衡，对同一设备间隔的点位，主机需要来回调用不同云台完成巡检，导致高清视频云台需要不停重新定位，占用处理器资源和巡检时间。

②利用在线监测装置。目前站内已安装油色谱在线监测、避雷器在线监测、断路器机械特性在线监测等各种在线监测装置，其功能可靠性已得到验证，因此可以将现有成熟的在线监测装置接入智能巡检系统，优化资源配置。

2）智能机器人巡检效率低，与高清视频缺乏配合

智能巡检时还发现如下问题：

①红外固定摄像头单价约20万元，可移动红外布控球单价约40万元，费用如此高昂的红外摄像头不可能大规模布置；

②高清视频点位虽多但依然存在很大一部分无效点位，无法进行视频巡检；

③智能机器人白天对设备外观巡检，晚上进行设备测温，全天高负荷运行，受电池影响每天仅能完成一次完整巡检。

改进方案：建立统筹巡检体系，进行资源整合，高清视频与智能机器人互为补充。高清视频巡检的特点是摄像头固定地点布置，屏柜、相机死角及无法红外测温的缺点正好可以通过移动灵活的智能机器人巡检弥补。因此可对整个智能巡检任务进行优化分解，白天巡检以高清视频为主，智能机器人补充视频无法覆盖的点位，夜间巡视以机器人为主，对全站设备进行红外测温，安装红外相机的设备则不再重复占用巡视资源。

3）无人机人工操控风险大，巡检范围受限

无人机巡检是打通立体智能巡检最后1公里的关键一环，然而受变电站内复杂电气环境的影响，目前主要通过依靠无人机驾驶资质的驾驶员操纵无人机进行特定设备巡检，巡检时需与站内运行设备时刻保持足够安全距离，目前已实现对高处避雷针及远处变电站周边巡检。

改进方案：定制站用巡检无人机，编写无人机巡检算法。如今无人机飞控算法已非常成熟，可通过编程实现巡视通道预先设定，因此另一个需要解决的问题是如何防止特殊情况下无人机失控导致设备跳闸。这个问题可与设备厂家进行联合攻关，例如机身采用高电压等级绝缘材料，设置安全距离保护机制使无人机偏离航线时可通过强行断电或预设算法紧急降落在巡视通道上。

3 现场应用

2020 年6 月，华东电网某500 kV 变电站已完成500 kV区域、主变区域、35 kV区域及室内区域智能巡检系统建设，每周通过高清视频和智能机器人完成两次完整巡检，包括可见光与红外测温。其中，500 kV区域巡检任务覆盖点位6 331个，平均耗时4 h 47 min；主变区域巡检任务覆盖点位3 074 个，平均耗时1 h 44 min；35 kV区域巡检任务覆盖点位2 317个，平均耗时1 h 17 min；室内区域巡检任务覆盖点位3 218个，平均耗时3 h 42 min；巡检失败点数累计3 735个。

2020 年11 月起，对现有巡检资源进行优化配置，截止2021 年1 月，累计精简冗余点位3 547 个，引入无人机巡检，补充点位754 个，总点位数量较之前减少18.7%。目前站内立体智能巡检体系已初步搭建完成，每周通过高清视频、智能机器人、无人机完成两次完整巡检，包括可见光与红外测温。其中，500 kV区域巡检任务平均耗时2 h 42 min，缩短43.6%；主变区域巡检任务平均耗时1 h 20 min，较之前缩短40.4%；35 kV 区域巡检任务平均耗时46 min，较之前缩短40.3%；室内区域巡检任务平均耗时1 h 21 min，较之前缩短63.5%；巡检失败点数累计1 556 个，较之前减少58.4%。综上，在已搭建完成的智能巡检系统进行一次完整巡视平均耗时减少约47%。

4 未来立体智能巡检技术的发展方向

随着5G技术的不断深入应用，互联网时代已经进入万物互联的新阶段［25-28］，前景可期。展望未来，断路器、隔离开关、变压器、端子箱、GIS管道都将是智能设备，面板显示实时状态，可与值班员交流沟通。未来的变电站不仅仅是数字化变电站，更是智能化变电站，值班员足不出户便可掌控全站设备，人员配置不再制约变电站发展，将是从厂家到用户的一次彻底技术变革！回归眼下，接下来立体智能巡检技术的发展方向主要有以下3个方面。

1）图像识别算法不断改进

高清视频巡检最重要的技术支撑是图像识别技术，其也是人工智能领域的一个重要分支。图像识别技术以图像的主要特征为基础，排除多余信息抽出关键信息，最终整合成一个完整的知觉映象，模拟人类大脑对复杂图像进行的不同层次信息加工。目前该500 kV 变电站已实现500 kV 设备区、主变区域、500 kV保护室、交直流室的立体智能巡检，每天进行两次例行巡视任务。当前高清视频巡检的平均巡视完成率为92.35%，平均缺陷识别准确率为13.05%，算法精度仍有较大提升空间。图3为通过图像识别算法发现隐患和缺陷。

图3 图像识别算法改进成效Fig.3 Improvements by refined image recognition algorithm

2）现场设备信息不断融合

现阶段进行的立体智能巡检尝试是将高清视频、智能机器人、无人机巡检技术进行融合，充分利用高清视频响应速度快、智能机器人移动灵活、无人机高空飞行的优势，实现室内外电气设备、构架、避雷针、变电站周边的全方位巡检。下一步立体智能巡检技术的发展可考虑综合采集处理站内的在线监测装置信息以及继电保护装置信息，充分利用人工智能系统方法对站内信息进行处理，以结果为导向逐步实现全站信息智能化，实现设备巡检、缺陷发现、异常处理、顺控操作一体化服务。

3）智能巡检系统与其余自动化系统功能整合

近年来随着各种技术改造工程的实施，变电站内控制室布置的后台机越来越多，包括变电站综合自动化系统、变电站智能辅助系统、变电站立体智能巡检系统、变电站消防控制系统、智能机器人系统等。各种自动化信号上传路径不一致导致信息冗余的问题日趋严重［29-30］。未来的一个重要改进方向便是以变电站立体智能巡检系统为主，整合综合和自动化系统的遥控操作、信号告警功能，整合智辅系统的设备在线监测功能与辅助设施遥控功能，整合消防控制系统的遥控与报警功能、整合智能机器人系统的机器人实时状态信息读取功能。通过功能整合，打破各类自动化系统的信息互通障碍，实现站内信息读取、操作控制、立体巡检功能的大一统，使智能巡检系统更加“智能”。

5 结语

本文以正在进行立体智能巡检平台改造的某500 kV变电站为案例，详细介绍了高清视频巡检、智能机器人巡检、无人机巡检的阶段性成果，分析了当前变电站立体智能巡检技术存在的主机负载率高、联合巡检配合度低、无人机巡检范围受限等问题，提出了优化布点、任务分解、飞行路线编程等改进方案，并在变电站现场进行试验验证。最后，根据当前智能巡检技术的实施效果，展望了未来立体智能巡检技术的发展方向。