無人機自動化驗電關鍵技術研究

東莞供電局變電管理三所 周智明 田旦瑜 鄭安然 陳 庚

驗電的目的是檢驗設備和線路是否確無電壓，以防止帶電裝設地線或帶電合地刀而發(fā)生嚴重事故?，F(xiàn)行操作模式下，操作人員需要手持驗電器先觸碰帶電設備，再觸碰停電設備。由于高壓驗電器長度長，重量大，如果操作人技能水平不足，可能發(fā)生驗電器倒桿，碰撞損壞設備。以500kV驗電器為例，重量約3kg，展開長度接近8m，展開后由于工具重心上移，使用者需要遠大于3kg的握力及臂力才能正常操作，不僅驗電操作效率低下，而且具有較高的操作風險。為解決此問題，行業(yè)內研究了無人機驗電裝置[1]，但在如何實現(xiàn)無人機自動化驗電，尚存在研究空白。

1 無人機自動化驗電難點

1.1 檢測結果可靠性問題

驗電的準確性與否，對后續(xù)操作的影響重大。在不考慮無人機的負重、功耗及飛行穩(wěn)定性的前提下，攜帶接觸式驗電器驗電可以獲取較為可靠的結果。實際應用中，接觸式驗電需要控制機載的驗電觸頭觸碰帶電導線，而大部分高壓導線的半徑小于4cm，因而對無人機飛行精度要求極高。民用無人機在使用高精度的差分衛(wèi)星導航的情況下，至少仍有2～3cm的誤差。此外高壓場地內的空間電磁場對無人機定位系統(tǒng)也會有無法忽略的影響。因此，在不附加其他輔助定位手段（如增加二維碼）的情況下，接觸式驗電實現(xiàn)難度較大。

非接觸式驗電對無人機航行的精度要求不高，可以回避定位精度的問題。在非接觸驗電模式下，驗電傳感器測量數(shù)據(jù)的準確性是影響驗電可靠性的關鍵因素，目前已有一些非接觸驗電方向上的研究[2]。

在其他研究中，提出了接觸式驗電與非接觸式驗電組合的方案，但沉重的集成驗電裝置會影響無人機的靈活性，其可行性有待驗證。

本項目基于非接觸驗電的技術路線，在檢測裝置的開發(fā)上，深入研究帶電設備與停電設備的空間電氣物理特征，提出一種集成電場、磁場與超聲波局放檢測的非接觸式驗電裝置。在驗電方法上，采用過程檢測的方式，對飛行過程的中的空間電氣量進行實時采集與分析，具有更高的可靠性。

1.2 雙編校驗問題

驗電無人機的開發(fā)僅解決了工具問題，但其驗電過程仍然需要人工控制。要實現(xiàn)無需人工介入的無人機的自動化驗電，必須解決雙編校驗的問題，即確保所檢測的對象是下令人員所期望的對象，并能反饋核對結果。

圖1 驗電作業(yè)核對雙編流程

為解決該問題，在驗電之前，可命令無人機飛抵待驗設備的雙編標識牌處拍攝設備雙編照片后，進行圖像識別提取雙編內容，通過比對操作指令中的設備雙編完成校驗。但是，在雙編核對完成后，無人機飛往待驗設備的驗電部位的過程中，無法判斷航線是否偏移，故此方法仍無法保證檢測對象為期望檢測設備。

本項目結合前述空間電氣量檢測的方法，提出核對飛行檢測航程首末兩端空間坐標的校驗方法，通過計算采集點首末兩端的空間坐標與檢測對象坐標之間的距離，反映采集數(shù)據(jù)的過程是否確在檢測對象周邊來判定檢測結果的可靠性。

1.3 作業(yè)流程管控問題

驗電作業(yè)時必須遵循先到帶電設備上檢測設備有電，確認驗電裝置正常，再到停電設備上檢測設備無電的作業(yè)流程。無人機的航跡規(guī)劃技術是解決此問題的可行手段。綜合應用三維建模與衛(wèi)星導航技術，復合設備布局信息以及遠程遙感信息以獲得全面的無人機飛行現(xiàn)狀以及環(huán)境信息。按照特定航跡規(guī)劃方法，動態(tài)制定最優(yōu)或次優(yōu)路徑，并且能夠檢測航線的可安全通過性。定制的適應性驗電航線應能夠實時分析作業(yè)航線的約束條件，即無人機的每一步行動均應根據(jù)雙編核對結果、驗電器功能檢測結果而進行選擇。此外，在航線規(guī)劃階段，適應性驗電航線還要能夠正確選擇相鄰帶電設備，避開已停電的設備。

2 無人機自動化驗電技術

本方案提出一種基于高精度復合電氣量的變電站三維模型，以及檢測空間電氣變化量的無人機驗電裝置構成作業(yè)系統(tǒng)，通過虛擬雙編校核與無人機航線智能動態(tài)規(guī)劃來實現(xiàn)無人機的自動化驗電的方法。

2.1 基于空間電氣變化量的無人機驗電裝置

基于空間電氣變化量的無人機驗電裝置（以下簡稱“驗電裝置”）是本技術方案的采集判據(jù)主要技術手段。本技術方案中的驗電方式，是一種以“磁場、電場、局放”三項電氣量（以下簡稱“檢測量”）的空間變化量特性來區(qū)分表征的非接觸式驗電手段。無人機機載的檢測裝置測量電氣量后，實時傳值至地面端算法器綜合計算后，輸出線路帶電情況結果。

圖2 無人機自動化驗電系統(tǒng)框架

驗電前，首先獲取待驗電設備的最佳驗電部位。每個驗電部位應為一段驗電無人機逐漸靠近待驗設備的航行行程。

驗電時，在無人機驗電部位航行行程上，檢測裝置高頻地采集行程上各位置的電場，磁場以及局放量。在行程末段，將連續(xù)測得的數(shù)值傳遞至后臺系統(tǒng)，由運算器計算數(shù)值變化情況，若數(shù)值均呈現(xiàn)減小趨勢，則檢驗結果為無電，若數(shù)值呈現(xiàn)增大趨勢，則檢驗結果為帶電。檢驗判據(jù)結果應如下：

上述檢驗公式中，E為電場場強，H為磁感應強度，dB為SDT超聲波采集儀測量的聲波強度，S為無人機空間中的坐標位置。檢驗指標隨變電站設備現(xiàn)場情況不同而變化，通過理論計算與現(xiàn)場實測的方式確定合適的Δ1、Δ2、Δ3，作為驗明無電的證據(jù)。

為減輕無人機負重，機載驗電裝置不負責進行數(shù)據(jù)處理，只進行數(shù)據(jù)采集及存儲轉發(fā)，由通信模塊發(fā)送至地面控制主站進行作業(yè)進程的管控、雙編核對與數(shù)據(jù)運算。

2.2 高精度復合電氣量變電站三維模型

為了使前述驗電無人機可以在空間內按作業(yè)進程控制程序來執(zhí)行任務，須建立高精度復合電氣量的變電站三維模型（以下簡稱“模型”）。

首先通過傾斜攝影或激光掃描等各種手段建立變電站的空間三維模型。然后結合運行經(jīng)驗與理論計算，在空間模型中錨定各設備的最佳驗電部位，標定的最佳驗電部位應符合以下要求：

一是應為驗電無人機一段直線航線，以航程的首末坐標Si[(xi,yi,zi),(xi+1,yi+1,zi+1)]表示；二是最佳驗電部位需考慮設備周邊環(huán)境情況及待驗設備與其他設備的距離；三是為避免線路相間短路，對于三相線路的邊緣相驗電應從外側逐漸靠近線路；四是中間相應從上方逐漸往下靠近線路；五是全站任一可能需要驗電的設備均應預設置驗電航程Si。

進一步在系統(tǒng)內收集標定的全量設備最佳驗電部位組合形成數(shù)據(jù)庫，并對任一最佳驗電部位關聯(lián)周圍相同電壓等級設備的最佳驗電部位形成關聯(lián)組[Si-1,Si,Si+1]，形成最佳驗電部位的邏輯組合，用于實現(xiàn)“先驗帶電設備，再驗停電設備”的路線規(guī)劃。為避免待驗設備周圍設備停電檢修的影響，因此每一最佳驗電部位需關聯(lián)至少兩個周圍設備。

形成驗電部位數(shù)據(jù)庫后，使用前述驗電無人機，對變電站內每一設備的最佳驗電部位的電場、磁場及局放進行初始檢測，并將初始檢測數(shù)值一一對應地關聯(lián)至模型中的各驗電坐標上，以便后續(xù)應用。通過以上措施，形成高精度復合電氣量的變電站三維模型。

2.3 虛擬雙編核對方法

本方案提供了一種基于三維空間坐標運算的虛擬雙編校核方法。在控制主站內通過人工智能語義分析或點位映射關系，使驗電管控系統(tǒng)獲取調度操作指令或操作票并中的待驗電設備雙編。在前述模型內根據(jù)待驗電設備雙編檢索各目標最佳驗電部位S[(x0,y0,z0),(x1,y1,z1)]，并規(guī)劃航線指揮無人機開始驗電。

無人機到達航線規(guī)劃的期望驗電部位的起始點S（x0,y0,z0）時，無人機將實時坐標Si（xi,yi,zi）反饋至管控系統(tǒng)進行虛擬雙編比較，當坐標滿足Si-S0＜k時，表明雙編校核正確，開始執(zhí)行驗電操作；當坐標不滿足上述條件時，表明無人機處在非期望位置，航線出現(xiàn)偏移，指揮無人機結束驗電操作，并反饋“驗電操作異?！备婢?。

正常驗電操作時，無人機到達航線規(guī)劃的期望驗電部位的末端點S（x1,y1,z1）時，無人機將檢測數(shù)據(jù)反饋至后臺運算器的同時將實時坐標Si（xi,yi,zi）反饋至管控系統(tǒng)進行虛擬雙編比較，當坐標滿足Si-S1＜k時，表明雙編校核正確，測量結果可信；當坐標不滿足上述條件時，表明無人機所驗部位的行程非期望行程，測量結果不可信，應結束驗電操作，反饋“驗電操作異常”告警。本方法可以檢驗實際驗電設備與期望驗電設備是否一致，保證驗電結果的可靠性。

圖3 復合電氣量變電站三維模型

圖4 虛擬雙編核對方法流程

2.4 無人機自動化驗電作業(yè)方法

本方案提供一種通過地面控制主站來動態(tài)控制無人機動作實現(xiàn)無人機自動化驗電方法。首先通過人工智能語義分析，獲取調度操作指令或操作票并從中提取待驗電設備雙編。然后調用前述高精度復合電氣量變電站三維模型中的數(shù)據(jù)，獲取待驗設備的最佳驗電部位及其關聯(lián)的周邊帶電設備最佳驗電部位關聯(lián)組[Si-1,Si,Si+1]。為了避免出現(xiàn)周圍設備同時停電，無法檢測驗電裝置工況的情況，控制主站結合變電站監(jiān)控系統(tǒng)獲取設備帶電信息，排除停電檢修設備；當相鄰兩個設備都符合帶電條件時，通過最優(yōu)航線算法計算出最佳帶電設備。最優(yōu)航線制定應滿足以下要求：

一是路徑包含停機坪、待驗停電設備、待驗帶電設備；二是路徑閉環(huán)檢測：檢驗起始點與返還點閉合；三是路徑安全性校驗：檢測路徑與所有帶電設備保持足夠的安全距離；四是路徑通過性校驗：檢測路徑上無任何物體阻擋。

圖5 無人機自動化驗電作業(yè)方法

航線制定完畢后，管控平臺應進行作業(yè)條件判斷。利用停機坪及氣象站硬件，檢測雨量、風力并獲取無人機電池電量及衛(wèi)星信號強度，條件不符合時，暫緩驗電作業(yè)。當條件滿足時，開始驗電。

首先，管控平臺指揮無人機航行至相鄰設備帶電部位B，使用非接觸式驗電裝置測量帶電部位最佳驗電行程的電場，磁場與局放超聲波，以βB表征三項檢測結果數(shù)組并通過通信模塊反饋至主站計算器，比較實測βB與前述高精度復合電氣量變電站三維模型中的記錄的初始電氣量相比較，當差值符合條件時，證明驗電裝置正常，可以進行下一步操作；當差值不符合條件時，證明驗電裝置異常，結束驗電并反饋“裝置異?！备婢?。

然后，管控平臺指揮無人機航行至待驗停電設備部位A，使用前述虛擬雙編核對方法，核對無人機驗電設備雙編符合操作指令要求。雙編核對符合條件后，利用前述第1點中的無人機非接觸式驗電設備，進行停電設備的驗電操作，通過管控平臺運算器計算設備空間電氣變化量，得出設備驗電結果。若雙編不符則結束驗電，反饋異常信息并等待操作人員處理。

3 結語

本項目研究了非接觸式無人機驗電裝置、三維空間建模及航線規(guī)劃技術的集成性創(chuàng)新應用，針對無人機自動化驗電的技術瓶頸，提出了可行的解決方案。使用無人機非接觸式驗電系統(tǒng)替代人工操作驗電，節(jié)省大量操作時間的同時，可有效降低操作的風險。通過無人機程序化驗電作業(yè)管控系統(tǒng)與操作指令系統(tǒng)的對接，可實現(xiàn)作業(yè)流程的自動化執(zhí)行，并將檢測結果返回操作端，實現(xiàn)驗電作業(yè)全流程的機器替代，大大提高驗電效率。項目研究成果適用于變電站自動化驗電作業(yè)場景，掃除限制程序化接地操作的最后一環(huán)，有助于深化電網(wǎng)程序化操作。