无人机自主巡检在变电站中的应用研究

引言

目前,变电站内运维巡检主要有人工巡检、机器人巡检两种方式,人工巡检为传统巡检方式,机器人巡检为近年来广受欢迎的新兴巡检方式。但变电站机器人巡检存在巡检点位偏差、表计度数易受环境影响、行驶过程易受外界干扰导致偏航等问题。无人机巡检是当前逐步推广的巡检技术,在输电线路巡检应用中已形成一定规模,具有全自主、近距离、高质量等特点。

本文通过研究RTK厘米级卫星定位技术,提出基于该技术的变电站无人机巡检方案,弥补变电站内高空引线、销子等设备巡检的不足,帮助运维人员更好地掌握变电站电气设备运行状况,提高变电站运维的智能化和信息化水平。

1RTK技术

RTK（Real-time kinematic)是载波相位差分技术的英文简写,是当前一种新的常用的卫星定位测量方法。以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度,而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法,是GPS应用的重大里程碑,能在工程放样、地形测图等应用中极大地提高作业效率。

如图l所示,在RTK作业模式下,基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送到流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据,还要采集GPS观测数据,并在系统内组成差分观测值进行实时处理,同时给出厘米级定位结果,历时不足1s。可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业,也可在动态条件下直接开机,并在动态环境下完成整周模糊度的搜索求解。

图1RTK工作原理

2无人机自主巡检技术方案

如何对变电站快速进行全方位、立体化的巡检,一直都是困扰电力运维人员的一大难题,尤其是高处的避雷器、进出母线等,往往是地面机器人巡检和人工巡检的痛点。由于视角原因,无法做到彻底巡检,巡检部位存在遗漏:在冬季遭遇冰雪、严寒等极端天气时,地面机器人巡检和传统人工巡检变得难度极大,这就使得一线电力运维人员无法及时获得详细准确的现场实际资料,给运维工作带来了困难。如今无人机技术飞速发展,随着GPS、北斗等高精度卫星定位导航技术日益成熟,配合先进的无人机集控系统,为无人机对变电站电气设备进行全自主巡检规划航迹成为可能,控制无人机全天时全天候一键起降、自主飞巡,已经成为一种行之有效的巡检方式。

2.1方案难点及应对策略

难点l:变电站电气设备众多,无人机飞行难度大。

应对策略:在巡检开始前,首先对变电站进行三维建模,得到变电站不大于1:1000比例尺的高精度三维模型,使得规划的航迹展示在三维模型上,得以准确判断出航迹的合理性和安全性,保证规划航迹的绝对安全。变电站巡检采用高性能无人机,无人机具备GPS和北斗双重定位模式,支持RTK厘米级定位,同时无人机具备五向避障功能,能够保障飞行安全。

难点2:变电站电磁环境复杂,给无人机飞行控制带来考验。

应对策略:巡检的高性能无人机采用双GPS天线定向技术,当遇到变电站强电磁环境干扰时,飞控系统采用双天线定向技术,使得无人机在磁罗盘受磁场干扰的情况下依然拥有精确的航向信息,从而保障飞行安全。

难点3:变电站巡检设备众多,巡检点复杂,巡检照片

数量大。

应对策略:智能巡检方案采用先进的无人机集控技术,依托变电站三维模型,实现对变电站巡检航迹的科学规划,将变电站按功能分区,按高层、中层、低层分层,保证巡检航迹可灵活配置,结合巡检管控平台可以实现巡检成果与巡检部位的一一对应,方便运维人员查看巡检成果。

2.2技术方案

分析某变电站的实际情况,其虽然占地面积不大,但电气设备众多,安全要求高,因此选用多旋翼无人机进行"井"字飞行的方式,配合云台控制相机在垂直90°和45°倾斜状态变化拍照,采集变电站全部影像。该变电站倾斜摄影航迹规划示意图如图2所示。通过采用自动建模软件系统,基于图形运算单元GPU的快速自动三维场景运算,整个过程几乎无须人工干预,即可从简单连续的影像中生成高度还原的实景三维场景模型。

图2某变电站倾斜摄影航迹规划示意图

运用倾斜摄影技术获取的影像数据,通过合理布设地面像片控制点,将影像数据、地面像片控制点数据导入自动建模软件系统进行批处理,人工只需参与质量控制和三维模型编辑修饰工作。三维建模生产流程图如图3所示。利用软件输出OSGB格式三维成果,对模型明显的拉伸变形、纹理漏洞和贴图模糊进行处理,直到满足三维模型制作精度要求。图4所示为三维建模过程中的空三加密环节。

根据机型特点,无人机巡检作业应遵照标准化作业流程开展,将变电站根据实际功能分成主控室、主变场地、电容器场地、高低压场地等若干区域。在无人机飞巡时,巡检航线遵循分区设置、避免穿插的原则,最大程度地使得无人机飞行不跨越电气设备,从而最大限度地保障安全。在各个分区中,航线分为高、中、低三层,巡检时由高到低、最终返航,在此过程中要做到巡检部位高层全覆盖、中层重点部位不遗漏、低层在保证安全时尽量全拍摄,从而实现对整个变电站电气设备关注点的全面覆盖,获取高质量的影像资料,完成对变电站的全方位、立体化巡检。

3结语

无人机利用其精度高的特点可解决传统人工巡检和机器人巡检对于高空设备存在盲区的问题,同时其机动性、灵活性都比较高。但是目前无人机在变电站巡检中应用极少,还没完全普及,无人机巡检标准缺陷库也不够完善,人工神经网络等智能算法应用于缺陷识别的准确率不高,从而影响了无人机的实际工作效率。因此,还需继续加强对无人机在变电站中深度应用的研究,在开发基于图像识别的隐患缺陷判断技术和基于人工神经网络等算法的缺陷智能诊断技术方面继续下功夫,以便实现变电站的无人机全自动、智能化巡检。