姜凌霄

（國網(wǎng)山西省電力公司檢修公司，山西太原 030001）

0 引言

根據(jù)《國家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程》規(guī)定，隨著電壓等級的升高，所對應(yīng)的安全距離也越來越大[1]，如±800 kV帶電運(yùn)行設(shè)備的安全距離是9.3 m，1 000 kV帶電運(yùn)行設(shè)備的安全距離是8.7 m，500 kV帶電運(yùn)行設(shè)備的安全距離是5 m，220 kV帶電運(yùn)行設(shè)備的安全距離是3 m。為保證人身安全，“超高壓”及“特高壓”設(shè)備離地距離會非常高，這給高空帶電設(shè)備和高大電氣設(shè)備頂部的故障排查帶來了很大的挑戰(zhàn)。

根據(jù)實際運(yùn)行經(jīng)驗，運(yùn)維人員對帶電設(shè)備巡視過程中主要會面對以下問題：第一，人工無法近距離觀察缺陷，故障定性準(zhǔn)確率低。選擇人工進(jìn)行高空帶電設(shè)備檢查時通常使用目測或望遠(yuǎn)鏡觀測，但是由于設(shè)備位置過高或者帶電設(shè)備對安全距離的要求，在巡視過程中存在盲區(qū)，無法及時發(fā)現(xiàn)故障，或者對故障定性不準(zhǔn)確[2]。究其原因主要是因為安全距離大、設(shè)備太高、設(shè)備互相遮擋、缺陷位置由于角度問題等無法近距離觀察。在實際巡視高空帶電設(shè)備的過程中，如果帶電設(shè)備高處出現(xiàn)異常時，運(yùn)維人員無法進(jìn)行實時查看和記錄，這就造成運(yùn)維人員無法迅速對異常設(shè)備做出判斷和分析，很可能在設(shè)備輕微異常時，做出停電檢修的錯誤決策，導(dǎo)致設(shè)備停運(yùn)；或者在設(shè)備異常嚴(yán)重時，未能快速適當(dāng)?shù)靥幹?，造成缺陷劣化，甚至危及人身和設(shè)備安全。第二，對高空高壓帶電設(shè)備近距離觀察可能危及人身和設(shè)備安全。如果運(yùn)維人員為了近距離觀察帶電設(shè)備上發(fā)生的缺陷而過分地靠近帶電設(shè)備，比如低于安全距離的規(guī)定范圍，必然會發(fā)生放電事故，造成人員傷害和設(shè)備損壞。

為了解決上述問題，研發(fā)了一種可以在不停電情況下近距離靠近帶電設(shè)備的電子觀察裝置，下面將詳細(xì)闡述該裝置的功能原理、使用方法和在工作實際中的應(yīng)用。

1 裝置的組成及其功能原理

不停電近距離觀察裝置由控制模塊（中央處理器和云臺驅(qū)動）、視頻模塊、電源模塊（用于裝置的整體供電）、通信模塊（ESP8266 Wi-Fi無線數(shù)據(jù)）組成，App操作軟件需要安裝在智能手機(jī)上，實現(xiàn)對裝置的遙控操作[3]。

1.1 裝置控制平臺

裝置使用專用語言進(jìn)行編程，并在Arduino平臺上進(jìn)行實驗，在程序通過運(yùn)行測試后，下載進(jìn)控制模塊的中央處理器中。中央處理器對控制模塊的云臺2路電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，控制攝像頭云臺的上下運(yùn)動和左右運(yùn)動，實現(xiàn)180°半球面的視角觀察。中央處理器的指令通過通信模塊（ESP8266 Wi-Fi無線數(shù)據(jù)）發(fā)射的信號與手機(jī)App實現(xiàn)通信[4]，裝置的運(yùn)動控制流程如圖1所示，實物照片如圖2所示。

圖1 裝置控制框圖

圖2 不停電近距離觀察裝置實物照片

1.2 裝置通信模塊

該裝置的遙控和遙視通過手機(jī)App客戶端實現(xiàn)，只需要開發(fā)一次手機(jī)App客戶端，即可在任意安卓智能手機(jī)上進(jìn)行安裝，有效節(jié)約了后期遙控器成本。該裝置將數(shù)字圖傳和云臺遙控創(chuàng)新地結(jié)合在一起，僅需一部手機(jī)即可實現(xiàn)畫面和云臺的聯(lián)動，此項技術(shù)在電網(wǎng)系統(tǒng)的“第一人稱主視角”字圖傳類產(chǎn)品為首次使用（一般情況下畫面觀看和云臺遙控是2個裝置），在技術(shù)創(chuàng)新上有明顯的優(yōu)勢。裝置通信模塊可以設(shè)定為無線接入點AP（wireless access point）模式、局域網(wǎng)模式。在AP模式下，裝置通信模塊的ESP8266 Wi-Fi模塊作為熱點發(fā)射2.4 GHz的無線信號，手機(jī)連接此Wi-Fi信號后通過客戶端App實現(xiàn)裝置的遙控和遙視。在局域網(wǎng)模式下，可以通過設(shè)置無線中繼路由器來擴(kuò)展信號，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的傳輸距離，這首先需要在手機(jī)App上進(jìn)行設(shè)置，將通信模塊的ESP8266 Wi-Fi模塊接入無線中繼路由器。手機(jī)連接無線中繼路由器后，通過客戶端App實現(xiàn)裝置的遙控和遙視。此時ESP8266 Wi-Fi模塊作為一個終端模塊使用。由于在AP模式和局域網(wǎng)模式下都是信號的直連，不涉及外連互聯(lián)網(wǎng)，因此不存在數(shù)據(jù)的泄露和網(wǎng)絡(luò)攻擊問題。

1.3 云臺控制及照明

裝置云臺使用了2個LFD-01數(shù)字舵機(jī)，這種舵機(jī)具有防止堵轉(zhuǎn)的功能，即使在云臺卡澀不能正常運(yùn)作時，也可以保證舵機(jī)不會因為堵轉(zhuǎn)而燒壞，降低了后期維護(hù)費(fèi)用。云臺支架使用塑料支架，以盡可能降低質(zhì)量。云臺與控制模塊外殼連接部位使用鋁合金角片，以增加云臺舵機(jī)轉(zhuǎn)向強(qiáng)度。LFD-01數(shù)字舵機(jī)可以通過控制模塊與電腦相連，以確定和重新設(shè)定初始位置。云臺底部安裝有LED照明燈，在進(jìn)行夜間檢查工作時，LED照明燈可以為裝置提供照明，185 lm的光通量和45°的照射角度可以保證裝置前方及可視范圍內(nèi)的空間清晰可見，同時由于LED光源超低的耗電量，在500 mAh的鋰離子電池下可以保證55 min的照明供電。45°的照射角度通過LED照明燈前方的透鏡實現(xiàn)，也可以根據(jù)需求，更換為60°或者180°的透鏡。使用陀螺儀夾持主控板，利用陀螺儀穩(wěn)定原理，自動控制系統(tǒng)通過橫滾軸對攝像頭進(jìn)行矯正，使得畫面時刻保持水平，且畫質(zhì)更穩(wěn)定，抖動更小。

2 裝置的使用方法和應(yīng)用

裝置主體分為兩部分，一部分為夾持組件，另一部分為攝像頭整體組件。夾持組件由2個萬向節(jié)、1個快拆夾、1個穩(wěn)定器組成。攝像頭整體組件由帶云臺的攝像頭和帶亞克力外殼的主控板組成。使用時，將快拆夾安裝在絕緣桿上，調(diào)整2個萬向節(jié)的方向，以使穩(wěn)定器背板初始位置處于豎直狀態(tài)。拉開穩(wěn)定器上的彈簧夾，將攝像頭整體組件夾持在上面。打開裝置電源，程序自檢和啟動1 min后，可以正常發(fā)射信號。2個云臺在啟動瞬間會各向自身的左側(cè)旋轉(zhuǎn)30°角，并立即復(fù)位，增加此功能的目的是在開機(jī)時就可以判斷云臺舵機(jī)是否可以正常使用。長按穩(wěn)定器側(cè)面電源，穩(wěn)定器啟動后1個藍(lán)燈閃爍，再按一下電源，進(jìn)入二級穩(wěn)定狀態(tài)，此時2個藍(lán)燈閃爍，在此狀態(tài)的穩(wěn)定效果反饋更及時。手機(jī)App啟動連接成功后，輸入用戶名和密碼就可以進(jìn)入操作界面。操作界面可以實現(xiàn)畫面的實時觀看，滑動屏幕可以遙控云臺，點擊畫面下方會彈出功能菜單，可以選擇分辨率、錄像和拍照功能。

將絕緣桿頂端的攝像頭靠近高壓帶電部分的缺陷位置，通過滑動手機(jī)屏幕來調(diào)整攝像頭云臺的方向，以便實現(xiàn)正常觀察。絕緣桿借助變電站內(nèi)已有的驗電器或者拉閘桿，既滿足不同電壓的絕緣要求又能滿足定期試驗要求，同時節(jié)約了桿材成本；而使用快拆組件，攜帶方便，組裝方便，不影響驗電器或拉閘桿的后續(xù)使用；同時適應(yīng)多種桿材的使用。

運(yùn)維人員可以通過手機(jī)App控制無線遙控云臺（180°半球面視野），攝像頭可以將畫面實時傳輸回手機(jī)屏幕上，使得裝置可以查看到設(shè)備的各個角落，實現(xiàn)高空巡視不留死角。在陀螺穩(wěn)定器的作用下，攝像頭可以始終保持水平穩(wěn)定的狀態(tài)，這樣傳輸?shù)绞謾C(jī)App上的畫面也是水平和穩(wěn)定畫面。

使用此裝置可以在設(shè)備不停電的情況下，近距離靠近帶電設(shè)備，拍攝裝置的缺陷，如500 kV主變壓器的頂蓋滲油、500 kV電壓互感器油位、500 kV電流互感器SF6表計讀數(shù)、220 kV電流互感器防爆膜、35 kV電力電容器漏液等。裝置解決了人員拍攝帶電運(yùn)行高壓電氣設(shè)備時，不能清晰拍攝滲漏油、放電、破損等缺陷及設(shè)備銘牌的問題[5]。使用這種裝置不需要電氣設(shè)備停電，可以在日常的運(yùn)維工作中使用，使運(yùn)維人員保證了與帶電設(shè)備的安全距離，同時不需要單獨的遙控器就可以操控攝像頭，能顯著提高工作效率，大幅度減少工作時間，試驗效果好。使用此裝置可以解決運(yùn)維人員在巡視觀察時的死角問題，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患。

3 裝置主要技術(shù)說明

a）實現(xiàn)手機(jī)客戶端App實時“遙控”。開發(fā)手機(jī)App相較于研發(fā)物理遙控器，可以實現(xiàn)開發(fā)一次能在多個手機(jī)上使用的設(shè)想，降低了后期成本，但是僅限于安卓手機(jī)。用手機(jī)遙控可以實現(xiàn)畫面和遙控在同一界面，這樣更加方便快捷，符合實際使用需求。

b）使用陀螺儀穩(wěn)定技術(shù)。該觀測裝置安裝了陀螺儀穩(wěn)定裝置，穩(wěn)定裝置通過橫滾軸對攝像頭進(jìn)行矯正，使得畫面時刻保持水平，且畫質(zhì)更穩(wěn)定，抖動更小。

c）通過移動互聯(lián)技術(shù)，實現(xiàn)“遙視”裝置。在使用過程中，利用圖傳技術(shù)，最遠(yuǎn)可以將28 m（AP模式）、無線中繼路由器情況下將90～1 500 m（局域網(wǎng)模式）視頻數(shù)據(jù)實時回傳。

d）2個自由度遙控云臺?？梢詫崿F(xiàn)180°半球面視野，同時集中在手機(jī)畫面上進(jìn)行遙控。

e）手機(jī)客戶端具有照相和錄像功能?？梢赃M(jìn)行近距離甚至微距拍攝，將攝像頭第一視角的圖像進(jìn)行實時的記錄，方便后期進(jìn)行查看，拍攝的照片和視頻存儲在安裝App的手機(jī)中。

f）使用快拆組件。攜帶方便，組裝方便，不影響驗電器或拉閘桿的使用。

g）絕緣桿借助變電站內(nèi)已有的驗電器或者拉閘桿，既能滿足不同電壓的絕緣要求又能滿足定期試驗要求，同時節(jié)約了成本，可適應(yīng)兩種桿材的使用。

h）不需要連接外網(wǎng)，信息安全可靠。裝置使用Wi-Fi的頻率傳輸實時畫面和遙控信號，不使用334 MHz的頻率，對變電站內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備無干擾。LED光源補(bǔ)光，滿足陰暗角落及夜間照明使用要求。

4 結(jié)束語

裝置依托“移動互聯(lián)”等新技術(shù)應(yīng)用，以變電運(yùn)維人員需求分析為基礎(chǔ)，以“移動互聯(lián)”為實現(xiàn)手段，實現(xiàn)運(yùn)檢數(shù)據(jù)智能驅(qū)動；以智能手機(jī)技術(shù)為作業(yè)基礎(chǔ)，以物聯(lián)網(wǎng)為數(shù)據(jù)流、設(shè)備等生產(chǎn)要素的互聯(lián)基礎(chǔ)，全面推進(jìn)“移動互聯(lián)”技術(shù)與現(xiàn)代變電運(yùn)維巡視的深度融合[6]。裝置創(chuàng)新點及先進(jìn)性突出，技術(shù)難度高，首次將“移動互聯(lián)”技術(shù)運(yùn)用到超高壓及特高壓的變電運(yùn)維的巡視當(dāng)中；首次使用手機(jī)App同時實現(xiàn)無線視頻及無線遙控技術(shù)。該項目曾獲2019年中電聯(lián)全國QC成果一等獎，2019年國網(wǎng)山西省電力公司群眾性科技創(chuàng)新一等獎。

高壓帶電設(shè)備近距離觀察裝置可以作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的設(shè)備存在，為電力物聯(lián)網(wǎng)提供更加豐富的數(shù)據(jù)，并極大提升變電站運(yùn)行維護(hù)工作的效率[7]。裝置主要解決人工無法近距離觀察帶電設(shè)備缺陷、故障定性準(zhǔn)確率低的問題，同時對高空高壓帶電設(shè)備近距離觀察可能危及人身和設(shè)備安全的問題也給出了解決方法，具有非常強(qiáng)的現(xiàn)場實用性。