張海華，陳 昊*，許 馳，葉昱媛，李中烜，孫小磊，史俊祎

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京211102；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，江蘇 南京210008）

0 引言

2011 年年初，智能電網(wǎng)建設(shè)全面納入國家“十二五”規(guī)劃綱要，智能電網(wǎng)技術(shù)研究與應(yīng)用開始步入快車道，取得了一系列從“0”到“1”的重要突破［1-4］。時至今日，國家電網(wǎng)有限公司的戰(zhàn)略目標(biāo)從“三型兩網(wǎng)，世界一流”過渡到“建設(shè)具有中國特色國際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)”，“智能電網(wǎng)”也由一個獨立概念向“能源互聯(lián)網(wǎng)”大體系融合［5-8］。作為智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的一種，變電站立體智能巡檢技術(shù)已經(jīng)走向?qū)嵱没h(huán)節(jié)，目前已部分實現(xiàn)人工巡檢全替代［9-12］。

1 變電站立體智能巡檢技術(shù)

變電運檢是電網(wǎng)的核心業(yè)務(wù)，變電運檢對智能巡檢技術(shù)的迫切需求主要有兩個方面的原因：一是當(dāng)前特高壓等先進(jìn)輸變電技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)以及云計算等高性能計算與控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)電力網(wǎng)與電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)緊密融合，推動傳統(tǒng)電網(wǎng)運營方式發(fā)生變革；二是隨著人力成本的不斷增加，無人值守或少人值守已成為常態(tài)，人力資源與電力生產(chǎn)的沖突必須通過革命性的技術(shù)來解決［13-15］。

2019年，華東地區(qū)某500 kV變電站開始進(jìn)行立體智能巡檢平臺改造，在變電站內(nèi)部署高清視頻、智能機器人、無人機，通過巡視主機下發(fā)控制、巡檢任務(wù)等指令，展開室內(nèi)外設(shè)備聯(lián)合巡檢作業(yè)。改造以實現(xiàn)立體聯(lián)合巡檢為目標(biāo)，同時具備實時監(jiān)控、智能聯(lián)動等功能。

1.1 高清視頻巡檢技術(shù)

對設(shè)備區(qū)已有攝像頭進(jìn)行高清視頻改造，同時對原監(jiān)控死角補裝高清攝像頭。改造后現(xiàn)場共有高清攝像頭129臺，通過對攝像頭布點位置最優(yōu)計算設(shè)置，已經(jīng)能夠完成現(xiàn)場一鍵順控、設(shè)備全面巡視需求。

此外，為加強主變、低抗等注油設(shè)備實時監(jiān)測，持續(xù)跟蹤注油設(shè)備套管溫度、本體油位及導(dǎo)線聯(lián)接頭溫度變化情況，安裝4臺紅外攝像頭對3組主變及低抗進(jìn)行紅外持續(xù)監(jiān)測。后續(xù)將配置可移動式紅外測溫布控球，利用無線傳輸技術(shù)及可移動布置特點，滿足對其它溫度異常設(shè)備消缺前的持續(xù)跟蹤需求。

根據(jù)變電站巡視要點，高清視頻及紅外相機進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時須包含以下功能：

1）支持日間/夜間設(shè)備設(shè)施的外觀狀況識別；

2）支持SF6壓力表、開關(guān)動作次數(shù)計數(shù)器、避雷器泄漏電流表、油溫表、液壓表、有載調(diào)壓檔位表、油位計等表計示數(shù)采集；

3）支持?jǐn)嗦菲?、隔離開關(guān)等一次設(shè)備及切換把手、壓板、指示燈、空開等二次設(shè)備的位置狀態(tài)指示識別；

4）支持本體、接頭、引線、瓷套等重點部位紅外圖譜采集及發(fā)熱識別；

5）支持視頻存儲及回放。

1.2 智能機器人巡檢技術(shù)

相對而言，智能機器人巡檢技術(shù)起步較早，已在變電站中投入使用多年并一直在更新?lián)Q代，功能日趨完善［16-18］。變電站中配置的智能機器人分為室內(nèi)機器人與室外機器人，如圖1 所示。機器人代替人工巡檢工作，給高溫、大負(fù)荷運行和新投入設(shè)備運行前及風(fēng)雪、大霧、冰雹、雷雨后等進(jìn)行的特殊巡檢，提供了極大的幫助。

圖1 變電站智能機器人Fig.1 Intelligent robots in substation

室外機器人主要用于室外一次設(shè)備巡視測溫，對設(shè)備現(xiàn)場規(guī)劃巡視路線以及簡單改造巡視通道后，機器人即可按預(yù)置程序逐間隔、逐設(shè)備、逐點位巡視，完成派發(fā)的巡視任務(wù)。室外機器人可實時上傳巡視報告并發(fā)送報警信息，同時設(shè)有“一鍵返航”功能，電量不足或遭遇惡劣天氣時可暫停巡視任務(wù)返回機器人小室。目前室外機器人已開始替代人工紅外普測任務(wù)，并多次發(fā)現(xiàn)發(fā)熱缺陷，巡檢效果顯著。

室內(nèi)機器人主要用于保護(hù)室、交直流室屏柜的巡視測溫工作。室內(nèi)機器人同樣需要預(yù)先規(guī)劃巡視路線，通過感應(yīng)地標(biāo)確認(rèn)坐標(biāo)，通過內(nèi)置紅外傳感器遙控開啟關(guān)閉屏柜門，通過紅外測溫檢查端子排、空開的發(fā)熱情況，通過圖像識別判斷保護(hù)裝置有無異常信號及壓板狀態(tài)是否正確。

1.3 無人機巡檢技術(shù)

隨著近年來無人機技術(shù)的成熟與成本的下降，無人機已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用到電網(wǎng)巡檢中。國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院定期開展無人機培訓(xùn)班對員工培訓(xùn)取證，目前取證等級分為“視距內(nèi)駕駛員（駕駛員）”、“超視距駕駛員（機長）”、“教員”3種，資質(zhì)等級依次遞增［19-22］。無人機在輸電線路巡檢中的應(yīng)用已趨成熟，包括日常巡線與清除異物，極大降低了人工巡線成本。而受限于站內(nèi)復(fù)雜的電氣環(huán)境，無人機在變電站中的應(yīng)用尚處于起步階段，飛行時需與站內(nèi)運行設(shè)備時刻保持足夠安全距離，飛行風(fēng)險極大，每次執(zhí)行站內(nèi)飛行任務(wù)必須經(jīng)過嚴(yán)格審核。目前站內(nèi)無人機巡檢主要用于避雷針隱患排查、二層構(gòu)架巡視、變電站周邊巡視，其共同點是飛行區(qū)域較為廣闊，確保與帶電設(shè)備在不在同一平面內(nèi)，觸碰運行設(shè)備風(fēng)險較小。

1.4 變電站立體智能巡檢系統(tǒng)

目前高清視頻巡檢、智能機器人巡檢、無人機巡檢由不同廠家分別調(diào)試，設(shè)備軟硬件接口、通信方式必然存在差異。立體智能巡檢系統(tǒng)的作用就是整合站內(nèi)各種智能巡檢技術(shù)，使信息可以共享，任務(wù)可以配合，高效完成變電站立體智能巡檢。變電站立體智能巡檢系統(tǒng)由巡檢主機、機器人、無人機、高清視頻等組成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、自動巡檢、智能識別、智能分析、實時監(jiān)控、智能聯(lián)動、遠(yuǎn)程遙控等功能，如圖2所示。

圖2 變電站立體智能巡檢系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 Architecture of stereo intelligent inspection system in substation

立體智能巡檢系統(tǒng)部署在變電站控制室，下發(fā)控制、巡檢任務(wù)等指令，控制高清視頻、智能機器人、無人機開展室內(nèi)外設(shè)備聯(lián)合巡檢作業(yè)，接收巡檢數(shù)據(jù)、采集文件，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，形成巡檢結(jié)果和巡檢報告，及時發(fā)送告警，同時具備實時監(jiān)控、與主輔監(jiān)控系統(tǒng)智能聯(lián)動等功能。

2 立體智能巡檢技術(shù)存在的問題及改進(jìn)方案

1）高清視頻巡檢點位多，主機負(fù)載率過高

目前高清視頻巡檢的思路是逐間隔、逐設(shè)備、逐點位巡檢，理論上要求點位劃分覆蓋現(xiàn)場任一設(shè)備的任一部位［23-24］。以500 kV 一臺斷路器的A 相點位劃分為例，巡檢部位劃分為全景、上節(jié)瓷瓶、中節(jié)瓷瓶、下節(jié)瓷瓶、隔離開關(guān)側(cè)均壓電容、流變側(cè)均壓電容、隔離開關(guān)側(cè)滅弧室、流變側(cè)滅弧室等共計16 個部位，每個部位又可劃分為東南西北四個方向，因此僅一臺500 kV斷路器至少便有192個點位，去除某些無效點位（視頻死角、遮擋等）之后依然有156個點位。統(tǒng)計后全站點位數(shù)量將達(dá)20 000 個以上，導(dǎo)致執(zhí)行巡檢任務(wù)時高清視頻主機超負(fù)荷運行，系統(tǒng)極易卡頓崩潰，每次完成巡檢任務(wù)需近8個小時。

改進(jìn)方案：

①優(yōu)化云臺布點。系統(tǒng)卡頓的重要原因之一是云臺之間的點位分布不均衡，對同一設(shè)備間隔的點位，主機需要來回調(diào)用不同云臺完成巡檢，導(dǎo)致高清視頻云臺需要不停重新定位，占用處理器資源和巡檢時間。

②利用在線監(jiān)測裝置。目前站內(nèi)已安裝油色譜在線監(jiān)測、避雷器在線監(jiān)測、斷路器機械特性在線監(jiān)測等各種在線監(jiān)測裝置，其功能可靠性已得到驗證，因此可以將現(xiàn)有成熟的在線監(jiān)測裝置接入智能巡檢系統(tǒng)，優(yōu)化資源配置。

2）智能機器人巡檢效率低，與高清視頻缺乏配合

智能巡檢時還發(fā)現(xiàn)如下問題：

①紅外固定攝像頭單價約20萬元，可移動紅外布控球單價約40萬元，費用如此高昂的紅外攝像頭不可能大規(guī)模布置；

②高清視頻點位雖多但依然存在很大一部分無效點位，無法進(jìn)行視頻巡檢；

③智能機器人白天對設(shè)備外觀巡檢，晚上進(jìn)行設(shè)備測溫，全天高負(fù)荷運行，受電池影響每天僅能完成一次完整巡檢。

改進(jìn)方案：建立統(tǒng)籌巡檢體系，進(jìn)行資源整合，高清視頻與智能機器人互為補充。高清視頻巡檢的特點是攝像頭固定地點布置，屏柜、相機死角及無法紅外測溫的缺點正好可以通過移動靈活的智能機器人巡檢彌補。因此可對整個智能巡檢任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化分解，白天巡檢以高清視頻為主，智能機器人補充視頻無法覆蓋的點位，夜間巡視以機器人為主，對全站設(shè)備進(jìn)行紅外測溫，安裝紅外相機的設(shè)備則不再重復(fù)占用巡視資源。

3）無人機人工操控風(fēng)險大，巡檢范圍受限

無人機巡檢是打通立體智能巡檢最后1公里的關(guān)鍵一環(huán)，然而受變電站內(nèi)復(fù)雜電氣環(huán)境的影響，目前主要通過依靠無人機駕駛資質(zhì)的駕駛員操縱無人機進(jìn)行特定設(shè)備巡檢，巡檢時需與站內(nèi)運行設(shè)備時刻保持足夠安全距離，目前已實現(xiàn)對高處避雷針及遠(yuǎn)處變電站周邊巡檢。

改進(jìn)方案：定制站用巡檢無人機，編寫無人機巡檢算法。如今無人機飛控算法已非常成熟，可通過編程實現(xiàn)巡視通道預(yù)先設(shè)定，因此另一個需要解決的問題是如何防止特殊情況下無人機失控導(dǎo)致設(shè)備跳閘。這個問題可與設(shè)備廠家進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)，例如機身采用高電壓等級絕緣材料，設(shè)置安全距離保護(hù)機制使無人機偏離航線時可通過強行斷電或預(yù)設(shè)算法緊急降落在巡視通道上。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2020 年6 月，華東電網(wǎng)某500 kV 變電站已完成500 kV區(qū)域、主變區(qū)域、35 kV區(qū)域及室內(nèi)區(qū)域智能巡檢系統(tǒng)建設(shè)，每周通過高清視頻和智能機器人完成兩次完整巡檢，包括可見光與紅外測溫。其中，500 kV區(qū)域巡檢任務(wù)覆蓋點位6 331個，平均耗時4 h 47 min；主變區(qū)域巡檢任務(wù)覆蓋點位3 074 個，平均耗時1 h 44 min；35 kV區(qū)域巡檢任務(wù)覆蓋點位2 317個，平均耗時1 h 17 min；室內(nèi)區(qū)域巡檢任務(wù)覆蓋點位3 218個，平均耗時3 h 42 min；巡檢失敗點數(shù)累計3 735個。

2020 年11 月起，對現(xiàn)有巡檢資源進(jìn)行優(yōu)化配置，截止2021 年1 月，累計精簡冗余點位3 547 個，引入無人機巡檢，補充點位754 個，總點位數(shù)量較之前減少18.7%。目前站內(nèi)立體智能巡檢體系已初步搭建完成，每周通過高清視頻、智能機器人、無人機完成兩次完整巡檢，包括可見光與紅外測溫。其中，500 kV區(qū)域巡檢任務(wù)平均耗時2 h 42 min，縮短43.6%；主變區(qū)域巡檢任務(wù)平均耗時1 h 20 min，較之前縮短40.4%；35 kV 區(qū)域巡檢任務(wù)平均耗時46 min，較之前縮短40.3%；室內(nèi)區(qū)域巡檢任務(wù)平均耗時1 h 21 min，較之前縮短63.5%；巡檢失敗點數(shù)累計1 556 個，較之前減少58.4%。綜上，在已搭建完成的智能巡檢系統(tǒng)進(jìn)行一次完整巡視平均耗時減少約47%。

4 未來立體智能巡檢技術(shù)的發(fā)展方向

隨著5G技術(shù)的不斷深入應(yīng)用，互聯(lián)網(wǎng)時代已經(jīng)進(jìn)入萬物互聯(lián)的新階段［25-28］，前景可期。展望未來，斷路器、隔離開關(guān)、變壓器、端子箱、GIS管道都將是智能設(shè)備，面板顯示實時狀態(tài)，可與值班員交流溝通。未來的變電站不僅僅是數(shù)字化變電站，更是智能化變電站，值班員足不出戶便可掌控全站設(shè)備，人員配置不再制約變電站發(fā)展，將是從廠家到用戶的一次徹底技術(shù)變革！回歸眼下，接下來立體智能巡檢技術(shù)的發(fā)展方向主要有以下3個方面。

1）圖像識別算法不斷改進(jìn)

高清視頻巡檢最重要的技術(shù)支撐是圖像識別技術(shù)，其也是人工智能領(lǐng)域的一個重要分支。圖像識別技術(shù)以圖像的主要特征為基礎(chǔ)，排除多余信息抽出關(guān)鍵信息，最終整合成一個完整的知覺映象，模擬人類大腦對復(fù)雜圖像進(jìn)行的不同層次信息加工。目前該500 kV 變電站已實現(xiàn)500 kV 設(shè)備區(qū)、主變區(qū)域、500 kV保護(hù)室、交直流室的立體智能巡檢，每天進(jìn)行兩次例行巡視任務(wù)。當(dāng)前高清視頻巡檢的平均巡視完成率為92.35%，平均缺陷識別準(zhǔn)確率為13.05%，算法精度仍有較大提升空間。圖3為通過圖像識別算法發(fā)現(xiàn)隱患和缺陷。

圖3 圖像識別算法改進(jìn)成效Fig.3 Improvements by refined image recognition algorithm

2）現(xiàn)場設(shè)備信息不斷融合

現(xiàn)階段進(jìn)行的立體智能巡檢嘗試是將高清視頻、智能機器人、無人機巡檢技術(shù)進(jìn)行融合，充分利用高清視頻響應(yīng)速度快、智能機器人移動靈活、無人機高空飛行的優(yōu)勢，實現(xiàn)室內(nèi)外電氣設(shè)備、構(gòu)架、避雷針、變電站周邊的全方位巡檢。下一步立體智能巡檢技術(shù)的發(fā)展可考慮綜合采集處理站內(nèi)的在線監(jiān)測裝置信息以及繼電保護(hù)裝置信息，充分利用人工智能系統(tǒng)方法對站內(nèi)信息進(jìn)行處理，以結(jié)果為導(dǎo)向逐步實現(xiàn)全站信息智能化，實現(xiàn)設(shè)備巡檢、缺陷發(fā)現(xiàn)、異常處理、順控操作一體化服務(wù)。

3）智能巡檢系統(tǒng)與其余自動化系統(tǒng)功能整合

近年來隨著各種技術(shù)改造工程的實施，變電站內(nèi)控制室布置的后臺機越來越多，包括變電站綜合自動化系統(tǒng)、變電站智能輔助系統(tǒng)、變電站立體智能巡檢系統(tǒng)、變電站消防控制系統(tǒng)、智能機器人系統(tǒng)等。各種自動化信號上傳路徑不一致導(dǎo)致信息冗余的問題日趨嚴(yán)重［29-30］。未來的一個重要改進(jìn)方向便是以變電站立體智能巡檢系統(tǒng)為主，整合綜合和自動化系統(tǒng)的遙控操作、信號告警功能，整合智輔系統(tǒng)的設(shè)備在線監(jiān)測功能與輔助設(shè)施遙控功能，整合消防控制系統(tǒng)的遙控與報警功能、整合智能機器人系統(tǒng)的機器人實時狀態(tài)信息讀取功能。通過功能整合，打破各類自動化系統(tǒng)的信息互通障礙，實現(xiàn)站內(nèi)信息讀取、操作控制、立體巡檢功能的大一統(tǒng)，使智能巡檢系統(tǒng)更加“智能”。

5 結(jié)語

本文以正在進(jìn)行立體智能巡檢平臺改造的某500 kV變電站為案例，詳細(xì)介紹了高清視頻巡檢、智能機器人巡檢、無人機巡檢的階段性成果，分析了當(dāng)前變電站立體智能巡檢技術(shù)存在的主機負(fù)載率高、聯(lián)合巡檢配合度低、無人機巡檢范圍受限等問題，提出了優(yōu)化布點、任務(wù)分解、飛行路線編程等改進(jìn)方案，并在變電站現(xiàn)場進(jìn)行試驗驗證。最后，根據(jù)當(dāng)前智能巡檢技術(shù)的實施效果，展望了未來立體智能巡檢技術(shù)的發(fā)展方向。