变电站无人机巡检技术的发展探讨

引言

变电站设备巡检机器人分为有轨和无轨两种。一种是有轨机器人,需要事先敷设磁条、安装RFID定位芯片,用于对机器人进行导航及定位。另一种无轨巡检机器人无需磁条,依靠智能识别技术进行导航:相比有轨机器人,其工程量小,利用现成的巡视道路即可。但是变电站设备巡检机器人在运行中仍存在着诸如机器人经常出现点位偏差、表计读数不准确、测温准确性较低、机器人机身笨重、行动不灵活、巡视效率低等问题。无人机技术是目前非常火热的新兴技术,在电力行业输电线路运维中,无人机已经能开展大量巡视测温工作,显著提升了工作效率。变电站内电场磁场强度较大,设备分布密集,对无人机的抗电磁能力、云台稳定性及远距离拍摄能力要求较高,目前无人机在变电站内的使用是非常罕见的。因此,本文提出新思路、新想法:将无人机应用于变电站巡检,并探讨无人机应用于变电站设备巡检作业方面具备的优势。

1巡检机器人及无人机的发展

20世纪60年代末期,斯坦福研究院开始研究移动机器人,研制出了名为shakey的自主移动机器人。2005年11月,长青变电站巡检机器人样机正式投入运营,为无人值守变电站的推广应用提供了创新型的技术检测手段。变电站巡检机器人出现的短短十年间,国内外在理论与应用研究方面均取得了一定进展,巡检机器人已经在我国的多个电站获得了十分广泛的应用。

无人机迄今为止经历了三个发展阶段:

(1)萌芽期:1935年,"蜂后"式无人机问世,开始了无人机的发展。

(2)发展期:1982年,以色列首创无人机与有人机协同作战,同时无人机在海湾战争中大放异彩,引起了各国军事高层的重视,开启了无人机真正的发展之路。

(3)蓬勃期:21世纪初,研制出了迷你无人机,机型更加小巧,性能更加稳定,催发了民用无人机的诞生。

目前,将无人机应用于变电站巡检,需要开发无人机自动巡检功能、基于图像识别的在线检测以及通过神经网络进行大量训练的智能诊断系统,建立和完善变电站无人机作业管理和技术标准。无人机巡检可以提升工作效率,代替人工完成各项作业,降低值班员的工作风险。

2巡检机器人在运行中存在的问题及采用无人机的优势

2.1巡检机器人机身笨重,行动不灵活,巡视效率低

一座常规敞开式500kV变电站,全站可见光巡视点位接近6000个,正常情况下分为500kV区域可见光巡视、主变区域可见光巡视、220kV区域可见光巡视及35kV区域可见光巡视。巡检机器人机身笨重,行动不灵活,其正常行驶速度一般为0.5m/s,要做到全站巡视,将要耗费大量时间,巡视效率低。普通无人机的飞行速度一般为20m/s,在定位导航模式下也可达到5m/s。无人机机身轻盈,飞行灵活,巡视效率将大大提高。

2.2巡检机器人偏离预定设定路径

机器人开始任务前的位置状态存在偏差,在机器人运行过一段时间后,初始位置状态的偏差会被放大,出现偏离预定设定路径的问题。因偏离预定设定路径,机器人有可能会:

(1)驶入道路边缘,发生侧翻,损坏机器人。

(2)卡在高压场地某个角落来回移动,调整路径失败,直到电池电量耗尽,需要值班员人工推动机器人回到充电室中进行充电。

(3)无法正确定位,未能正确拍摄到设备或仪表,不能完成预定的巡检任务。

机器人运动空间只能是二维平面模式,而应用无人机将是三维立体模式。无人机地面基站系统可建立变电站电子地图,采用三维坐标系0XYZ,先选取一个零坐标点(0,0,0),对变电站的所有设备巡视点位及飞行空间建立一个数据库,无人机在运行过程中,与数据库实时通信,采用高精度导航定位技术、视觉导航定位功能进行导航。目前的无人机技术,动态定位精度最高可达厘米级,理论上可精确地得到变电站内任意位置的坐标。应用无人机地面基站控制,可设定无人机的巡视策略,具体包括巡视周期和一天之中具体的巡视时间,以及设定无人机自主航行的路线。

2.3巡检机器人表计读数不准确

巡检机器人的表计读数一般有主变油位、油温、绕组温度:断路器sF6压力值、开关动作次数:避雷器泄漏电流、动作次数:套管、电压互感器等充油类设备油位指示等。巡检机器人在实际运行中,由于机器人镜头精度、对焦、距离和角度等因素,无法对所拍摄照片中表计的读数进行准确识别,经常误告警,使得值班运维人员花费了大量时间确认告警信息。

应用无人机,携带高分辨率可见光摄像头,除变电站存在设备本身的表计刻度模糊、镜面脏污等问题外,对于安装位置较高的表计,无人机可以上下调节摄像头高度,还可以远近调节与表计距离,使摄像头垂直正对表计,从而避免因对焦、距离和角度等因素造成的误差。

2.4巡检机器人红外测温准确性问题

巡检机器人的测温准确性受多方面影响,镜头精度、对焦、距离和角度等都会影响所测设备温度。《变电站智能机器人巡检系统运维规范》中规定:对于主变等大型设备要求360o全覆盖,如主变本体,要求从正面、背面、左面和右面进行巡检,以确认主变无渗漏油、破损、锈蚀,测温正常:对于隔离开关等柱型设备,要求进行不少于两个方向的外观拍摄和红外测温,以确认无歪斜、破损、裂纹、渗漏油,测温正常。

但巡检机器人是在场地二维平面行驶的,对于处于高处的设备,红外测温仪角度上仰,与设备成一定夹角,其测温往往低于设备实际温度,并不准确。

相比之下,应用无人机可以完美避免这些问题。无人机红外测温具有三维立体,突破二维空间的限制全方位无死角测温,测温速度快、范围广等优点。搭载红外成像仪的无人机,热像仪的热分布可视化、测温等特性能够有效地发现设备发热点,及时发现设备缺陷,保障设备安全稳定运行。应用无人机代替巡检机器人,可以按照《变电站智能机器人巡检系统运维规范》中的相关规定完成测温任务。

3未来变电站巡检无人机的发展

无人机在输电线路巡视中的应用已经有了良好的开端,依照南方电网规划,2020年将实现"机巡为主,人巡为辅"的智能化、可视化巡检模式。但无人机在变电站巡检方面的应用还比较欠缺,还需要在变电站勇于尝试,推广变电站无人机巡检技术,逐步实现智能化的巡检方式。结合目前无人机技术的新发展,还需开发无人机自动巡检功能、基于图像识别的在线检测以及通过神经网络进行大量训练的智能诊断系统,以便实现变电站无人机巡检全自动、智能化运行管控。将来无人机巡检技术成熟,广泛应用于变电站后,可有效推进电力环保、绿色巡检的进程。