摘要：如今变电站无人值班模式在电力系统的广泛推行，出现机构精简、工作量加大的现实问题。加之传统的巡检任务范围广、工作量大、及其重复性，很容易导致一部分巡检人员产生厌烦心理，巡检工作不到位。变电站无人值班模式的进展，在一定程度上还存在因无人在现场及时监视、巡视而带来的一系列问题，甚至留下安全运行隐患。随着国家电网公司无人机巡检技术的逐步深化应用，无人机应用到变电站巡检中可大大提高电力维护和检修的速度，代替人工攀爬巡检，使许多工作能在完全带电的环境下迅速完成，确保了用电安全。而且可将运维人员从繁重的巡视工作中解放出来，投入到运维一体及设备诊断分析工作中去，从而提高运维工作效率，本文针对变电站设备巡检无人机的实际应用经验进行了探析。
关键词：无人飞行器；变电站；巡检；工作模式；分析
引言
随着消费级无人机相关技术的蓬勃发展，又有些电网企业将其应用于电力线路巡视并取得一定成效。但目前电力系统对无人机的应用研究均集中在电力巡线方面，尚无将无人机应用于变电站巡视中的研究。因此，本文无人机在变电站巡视中的应用进行研究分析。
1 无人机介绍
无人机就是利用无线遥控或程序控制来执行特定航空任务的不载人飞行器，指不搭载操作人员的一种动力空中飞行器。其采用空气动力为飞行器提供所需的升力，能够自动飞行或远程引导；既能一次性使用也能进行回收；能够携带较小型负载。
无人机飞行控制系统集成了高精度的感应器元件，主要由陀螺仪（飞行姿态感知），加速计，角速度计，气压计，GPS及指南针模块，以及控制电路等部件组成。通过高效的控制算法内核，能够精准地感应并计算出飞行器的飞行姿态等数据，再通过主控制单元实现精准定位悬停和自主平稳飞行。根据机型的不同，可以有不同类型的飞行辅助控制系统，有支持固定翼、多旋翼及直升机的飞行控制系统。其主要功能如下：
1.1实现精准定位悬停
利用GPS指南针模块，可以实现锁定经纬度和高度的精准定位。即使碰到有风或者其它外力的作用下，飞行控制系统也能通过主控制单元发出的定位指令来自主控制飞行器以实现精准定位悬停。
1.2实现自动巡航和自动返航
飞行员能预先设置无人机飞行路线，实现自动巡航。飞行过程中，飞行控制系统将对飞机按指定路线引航，根据既定路线进行拍摄跟踪。飞行途中，飞行员也可根据需要调整摄像头观察目标情况。计划任务完成后，飞机将自动返航至预定地点，实现自动返航和降落，使飞行或航拍更加安全可靠。利用避碰传感器，飞机能在自动巡航中，安全避开障碍物，保证巡航安全。
1.3实现稳定拍摄
飞行过程中，受风力和操作等影响，飞机无法避免颠簸。无人机内置的云台系统起到了稳定拍摄的作用，能有效避免镜头的晃动，提高拍摄效果。
1.4实现定点环绕
在GPS信号良好的情况下，将飞行器当前所在的坐标点记录为热点。飞行器就会实现360度的定点环绕飞行，机头方向始终指向定点的方向。
2 变电站巡视无人机方案设计
2.1无人机整体系统组成
智能巡检无人机通过定期巡检变电站设备来实现变电站正常运维，它的巡检目标主要是通过机器自身视觉、无线通讯与人工智能功能来实现自主规律性巡检，达到提高变电站巡检工作自动化程度与工作效率的目的。
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无人机与巡视机器人在本质上都是为各种电力检测设备提供一个移动式平台，因此对于无人机在变电站中的应用也可以借鉴巡视机器人的思路，并在此基础上进行一定的扩展。考虑到无人机在空中飞行，与地面机器人相比更适合于搭载驱鸟设备进行驱鸟工作。因此可以将驱鸟器、可见光摄像头和红外摄像头运用于无人机上。整体系统包括五大部分。
①无人机。用于搭载运动摄像机、红外成像仪及驱鸟器，部件包括电机、电调、飞控模块、惯性测量单元、CPS模块、动力电池、电源管理模块、遥控图传一体化模块、云台等。飞行器部分可采用四轴飞行器，450mm碳纤维机架。
②地面站。用于与无人机进行通讯，实现无人机按照设定的航迹及时间进行自主定时飞行。通过地面站中的程序即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，并与无人机上的飞控模块、惯性测量单元、CPS模块配合，设定无人机自主航行的路线。
③运动摄像机。用于对变电站内断路器、隔离开关等设备的分合闸位置及各类设备外观进行检查，以判断设备的运行工况。运动摄像机像素可采用1200万，数据传输速率为30M/s，数据传输接口采用AV接口。
④红外成像仪。用于对电力设备进行红外成像，通过设备温度间接判断其导电性和绝缘性等运行工况。红外成像仪应采用致冷型红外成像仪，测量范围为-40～550℃，支持变焦，放大率为2-4X，最大分辨率为2℃，数据传输接口为USB接口。
⑤驱鸟器。用于驱逐变电站中的鸟类，防止电力设备因鸟类或鸟巢造成短路事故。具体可采用多模式驱鸟器，包括声光及超声波2种驱鸟模式。驱鸟器光线部分采用532nm的棒状绿色激光，声音部分可自定义加载音频，超声波部分采用的频段为16～25kHz。驱鸟器可通过切换开关对具体驱鸟模式进行切换，驱鸟器为独立供电，即通过1.5V干电池进行供电，并通过支架固定于无人机机架上。
2.2变电站无人机巡检需要注重的几个方面
由于变电站巡视与输电巡线在具体工作环境上特点不同，因此在飞行器未来的研究方向上也会有不同的侧重点。对于变电站巡视无人机，需要着重注意以下几点：
①安全性研究。变电站中各种高压带电设备布局复杂，且随着生产用地日趋紧张，未来变电站建设都将朝着紧凑化的方向发展。这种情况下，如何保证飞行器在空间狭小的高压带电场所安全飞行就是一个急需解决的问题。目前的基本思路是在飞行器的巡航路线上规避此类风险，比如在带电场区外围限高飞行等。
②精准定位与控制技术研究。精准控制技术对于飞行器具有至关重要的意义。同时，精准控制技术还将对飞行器其它顶层功能的实现产生重大影响，如避障功能、自动充电功能等都有赖于精准控制的实现。目前消费级无人机多采用CPS技术和超声波技术进行定位，而这2种技术均存在较大的测量误差，制约控制精度的进一步提高。由于飞行器与机器人在定位技术上具有一定的共通之处，因此未来对飞行器定位技术的研究可以借鉴机器人的相关技术，而飞行器定位技术的发展反过来也将促进机器人技术的发展。
③电源技术研究。目前电池仍是制约飞行器性能提高的瓶颈，主要问题在于缺少充电时间短、体积小、重量轻、容量较大、使用寿命较长的电池。电池的充电时间和容量直接影响飞行器使用的便捷性，而体积及重量则限制了飞行器对其它检测设备的搭载能力。
3 结语
电力系统是一个结构非常复杂、对可靠性要求特别高的自动化系统，它运行的安全性与稳定性将会关系到社会民生的安全，所以需要新材料以及新技术的支撑。变电站为电力系统的主要环节之一，无人机在电力变电巡检中的应用具有十分重要的意义，将大大提高电力系统自动化程度，同时减少运行人员劳动强度，提高设备巡检质量。随着变电站维护需求的不断提升，我们还需要结合无人机的特点，借鉴并吸收其它行业的先进技术和做法，从而促进电力行业的技术发展。
参考文献
[1]王振华，黄宵宁，等.基于四旋翼无人机的输电线路巡检系统研究[J].中国电力，2012，45（10）：59-62.
[2]汤明文，戴礼豪，林朝辉等.无人机在电力线路巡视中的应用[J].中国电力，2013，46（3）：35-38.
论文作者:陈晓佳
论文发表刊物:《电力设备》2018年第9期
论文发表时间:2018/7/5
标签：无人机论文; 飞行器论文; 变电站论文; 精准论文; 设备论文; 技术论文; 工作论文; 《电力设备》2018年第9期论文;