東莞供電局變電管理三所 周智明 田旦瑜 鄭安然 陳 庚

驗(yàn)電的目的是檢驗(yàn)設(shè)備和線路是否確無(wú)電壓，以防止帶電裝設(shè)地線或帶電合地刀而發(fā)生嚴(yán)重事故?，F(xiàn)行操作模式下，操作人員需要手持驗(yàn)電器先觸碰帶電設(shè)備，再觸碰停電設(shè)備。由于高壓驗(yàn)電器長(zhǎng)度長(zhǎng)，重量大，如果操作人技能水平不足，可能發(fā)生驗(yàn)電器倒桿，碰撞損壞設(shè)備。以500kV驗(yàn)電器為例，重量約3kg，展開(kāi)長(zhǎng)度接近8m，展開(kāi)后由于工具重心上移，使用者需要遠(yuǎn)大于3kg的握力及臂力才能正常操作，不僅驗(yàn)電操作效率低下，而且具有較高的操作風(fēng)險(xiǎn)。為解決此問(wèn)題，行業(yè)內(nèi)研究了無(wú)人機(jī)驗(yàn)電裝置[1]，但在如何實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自動(dòng)化驗(yàn)電，尚存在研究空白。

1 無(wú)人機(jī)自動(dòng)化驗(yàn)電難點(diǎn)

1.1 檢測(cè)結(jié)果可靠性問(wèn)題

驗(yàn)電的準(zhǔn)確性與否，對(duì)后續(xù)操作的影響重大。在不考慮無(wú)人機(jī)的負(fù)重、功耗及飛行穩(wěn)定性的前提下，攜帶接觸式驗(yàn)電器驗(yàn)電可以獲取較為可靠的結(jié)果。實(shí)際應(yīng)用中，接觸式驗(yàn)電需要控制機(jī)載的驗(yàn)電觸頭觸碰帶電導(dǎo)線，而大部分高壓導(dǎo)線的半徑小于4cm，因而對(duì)無(wú)人機(jī)飛行精度要求極高。民用無(wú)人機(jī)在使用高精度的差分衛(wèi)星導(dǎo)航的情況下，至少仍有2～3cm的誤差。此外高壓場(chǎng)地內(nèi)的空間電磁場(chǎng)對(duì)無(wú)人機(jī)定位系統(tǒng)也會(huì)有無(wú)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(yàn)電實(shí)現(xiàn)難度較大。

非接觸式驗(yàn)電對(duì)無(wú)人機(jī)航行的精度要求不高，可以回避定位精度的問(wèn)題。在非接觸驗(yàn)電模式下，驗(yàn)電傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是影響驗(yàn)電可靠性的關(guān)鍵因素，目前已有一些非接觸驗(yàn)電方向上的研究[2]。

在其他研究中，提出了接觸式驗(yàn)電與非接觸式驗(yàn)電組合的方案，但沉重的集成驗(yàn)電裝置會(huì)影響無(wú)人機(jī)的靈活性，其可行性有待驗(yàn)證。

本項(xiàng)目基于非接觸驗(yàn)電的技術(shù)路線，在檢測(cè)裝置的開(kāi)發(fā)上，深入研究帶電設(shè)備與停電設(shè)備的空間電氣物理特征，提出一種集成電場(chǎng)、磁場(chǎng)與超聲波局放檢測(cè)的非接觸式驗(yàn)電裝置。在驗(yàn)電方法上，采用過(guò)程檢測(cè)的方式，對(duì)飛行過(guò)程的中的空間電氣量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與分析，具有更高的可靠性。

1.2 雙編校驗(yàn)問(wèn)題

驗(yàn)電無(wú)人機(jī)的開(kāi)發(fā)僅解決了工具問(wèn)題，但其驗(yàn)電過(guò)程仍然需要人工控制。要實(shí)現(xiàn)無(wú)需人工介入的無(wú)人機(jī)的自動(dòng)化驗(yàn)電，必須解決雙編校驗(yàn)的問(wèn)題，即確保所檢測(cè)的對(duì)象是下令人員所期望的對(duì)象，并能反饋核對(duì)結(jié)果。

圖1 驗(yàn)電作業(yè)核對(duì)雙編流程

為解決該問(wèn)題，在驗(yàn)電之前，可命令無(wú)人機(jī)飛抵待驗(yàn)設(shè)備的雙編標(biāo)識(shí)牌處拍攝設(shè)備雙編照片后，進(jìn)行圖像識(shí)別提取雙編內(nèi)容，通過(guò)比對(duì)操作指令中的設(shè)備雙編完成校驗(yàn)。但是，在雙編核對(duì)完成后，無(wú)人機(jī)飛往待驗(yàn)設(shè)備的驗(yàn)電部位的過(guò)程中，無(wú)法判斷航線是否偏移，故此方法仍無(wú)法保證檢測(cè)對(duì)象為期望檢測(cè)設(shè)備。

本項(xiàng)目結(jié)合前述空間電氣量檢測(cè)的方法，提出核對(duì)飛行檢測(cè)航程首末兩端空間坐標(biāo)的校驗(yàn)方法，通過(guò)計(jì)算采集點(diǎn)首末兩端的空間坐標(biāo)與檢測(cè)對(duì)象坐標(biāo)之間的距離，反映采集數(shù)據(jù)的過(guò)程是否確在檢測(cè)對(duì)象周邊來(lái)判定檢測(cè)結(jié)果的可靠性。

1.3 作業(yè)流程管控問(wèn)題

驗(yàn)電作業(yè)時(shí)必須遵循先到帶電設(shè)備上檢測(cè)設(shè)備有電，確認(rèn)驗(yàn)電裝置正常，再到停電設(shè)備上檢測(cè)設(shè)備無(wú)電的作業(yè)流程。無(wú)人機(jī)的航跡規(guī)劃技術(shù)是解決此問(wèn)題的可行手段。綜合應(yīng)用三維建模與衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，復(fù)合設(shè)備布局信息以及遠(yuǎn)程遙感信息以獲得全面的無(wú)人機(jī)飛行現(xiàn)狀以及環(huán)境信息。按照特定航跡規(guī)劃方法，動(dòng)態(tài)制定最優(yōu)或次優(yōu)路徑，并且能夠檢測(cè)航線的可安全通過(guò)性。定制的適應(yīng)性驗(yàn)電航線應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)分析作業(yè)航線的約束條件，即無(wú)人機(jī)的每一步行動(dòng)均應(yīng)根據(jù)雙編核對(duì)結(jié)果、驗(yàn)電器功能檢測(cè)結(jié)果而進(jìn)行選擇。此外，在航線規(guī)劃階段，適應(yīng)性驗(yàn)電航線還要能夠正確選擇相鄰帶電設(shè)備，避開(kāi)已停電的設(shè)備。

2 無(wú)人機(jī)自動(dòng)化驗(yàn)電技術(shù)

本方案提出一種基于高精度復(fù)合電氣量的變電站三維模型，以及檢測(cè)空間電氣變化量的無(wú)人機(jī)驗(yàn)電裝置構(gòu)成作業(yè)系統(tǒng)，通過(guò)虛擬雙編校核與無(wú)人機(jī)航線智能動(dòng)態(tài)規(guī)劃來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的自動(dòng)化驗(yàn)電的方法。

2.1 基于空間電氣變化量的無(wú)人機(jī)驗(yàn)電裝置

基于空間電氣變化量的無(wú)人機(jī)驗(yàn)電裝置（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“驗(yàn)電裝置”）是本技術(shù)方案的采集判據(jù)主要技術(shù)手段。本技術(shù)方案中的驗(yàn)電方式，是一種以“磁場(chǎng)、電場(chǎng)、局放”三項(xiàng)電氣量（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“檢測(cè)量”）的空間變化量特性來(lái)區(qū)分表征的非接觸式驗(yàn)電手段。無(wú)人機(jī)機(jī)載的檢測(cè)裝置測(cè)量電氣量后，實(shí)時(shí)傳值至地面端算法器綜合計(jì)算后，輸出線路帶電情況結(jié)果。

圖2 無(wú)人機(jī)自動(dòng)化驗(yàn)電系統(tǒng)框架

驗(yàn)電前，首先獲取待驗(yàn)電設(shè)備的最佳驗(yàn)電部位。每個(gè)驗(yàn)電部位應(yīng)為一段驗(yàn)電無(wú)人機(jī)逐漸靠近待驗(yàn)設(shè)備的航行行程。

驗(yàn)電時(shí)，在無(wú)人機(jī)驗(yàn)電部位航行行程上，檢測(cè)裝置高頻地采集行程上各位置的電場(chǎng)，磁場(chǎng)以及局放量。在行程末段，將連續(xù)測(cè)得的數(shù)值傳遞至后臺(tái)系統(tǒng)，由運(yùn)算器計(jì)算數(shù)值變化情況，若數(shù)值均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，則檢驗(yàn)結(jié)果為無(wú)電，若數(shù)值呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，則檢驗(yàn)結(jié)果為帶電。檢驗(yàn)判據(jù)結(jié)果應(yīng)如下：

上述檢驗(yàn)公式中，E為電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)，H為磁感應(yīng)強(qiáng)度，dB為SDT超聲波采集儀測(cè)量的聲波強(qiáng)度，S為無(wú)人機(jī)空間中的坐標(biāo)位置。檢驗(yàn)指標(biāo)隨變電站設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)情況不同而變化，通過(guò)理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方式確定合適的Δ1、Δ2、Δ3，作為驗(yàn)明無(wú)電的證據(jù)。

為減輕無(wú)人機(jī)負(fù)重，機(jī)載驗(yàn)電裝置不負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，只進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，由通信模塊發(fā)送至地面控制主站進(jìn)行作業(yè)進(jìn)程的管控、雙編核對(duì)與數(shù)據(jù)運(yùn)算。

2.2 高精度復(fù)合電氣量變電站三維模型

為了使前述驗(yàn)電無(wú)人機(jī)可以在空間內(nèi)按作業(yè)進(jìn)程控制程序來(lái)執(zhí)行任務(wù)，須建立高精度復(fù)合電氣量的變電站三維模型（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“模型”）。

首先通過(guò)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(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)與理論計(jì)算，在空間模型中錨定各設(shè)備的最佳驗(yàn)電部位，標(biāo)定的最佳驗(yàn)電部位應(yīng)符合以下要求：

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

進(jìn)一步在系統(tǒng)內(nèi)收集標(biāo)定的全量設(shè)備最佳驗(yàn)電部位組合形成數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)任一最佳驗(yàn)電部位關(guān)聯(lián)周?chē)嗤妷旱燃?jí)設(shè)備的最佳驗(yàn)電部位形成關(guān)聯(lián)組[Si-1,Si,Si+1]，形成最佳驗(yàn)電部位的邏輯組合，用于實(shí)現(xiàn)“先驗(yàn)帶電設(shè)備，再驗(yàn)停電設(shè)備”的路線規(guī)劃。為避免待驗(yàn)設(shè)備周?chē)O(shè)備停電檢修的影響，因此每一最佳驗(yàn)電部位需關(guān)聯(lián)至少兩個(gè)周?chē)O(shè)備。

形成驗(yàn)電部位數(shù)據(jù)庫(kù)后，使用前述驗(yàn)電無(wú)人機(jī)，對(duì)變電站內(nèi)每一設(shè)備的最佳驗(yàn)電部位的電場(chǎng)、磁場(chǎng)及局放進(jìn)行初始檢測(cè)，并將初始檢測(cè)數(shù)值一一對(duì)應(yīng)地關(guān)聯(lián)至模型中的各驗(yàn)電坐標(biāo)上，以便后續(xù)應(yīng)用。通過(guò)以上措施，形成高精度復(fù)合電氣量的變電站三維模型。

2.3 虛擬雙編核對(duì)方法

本方案提供了一種基于三維空間坐標(biāo)運(yùn)算的虛擬雙編校核方法。在控制主站內(nèi)通過(guò)人工智能語(yǔ)義分析或點(diǎn)位映射關(guān)系，使驗(yàn)電管控系統(tǒng)獲取調(diào)度操作指令或操作票并中的待驗(yàn)電設(shè)備雙編。在前述模型內(nèi)根據(jù)待驗(yàn)電設(shè)備雙編檢索各目標(biāo)最佳驗(yàn)電部位S[(x0,y0,z0),(x1,y1,z1)]，并規(guī)劃航線指揮無(wú)人機(jī)開(kāi)始驗(yàn)電。

無(wú)人機(jī)到達(dá)航線規(guī)劃的期望驗(yàn)電部位的起始點(diǎn)S（x0,y0,z0）時(shí)，無(wú)人機(jī)將實(shí)時(shí)坐標(biāo)Si（xi,yi,zi）反饋至管控系統(tǒng)進(jìn)行虛擬雙編比較，當(dāng)坐標(biāo)滿足Si-S0＜k時(shí)，表明雙編校核正確，開(kāi)始執(zhí)行驗(yàn)電操作；當(dāng)坐標(biāo)不滿足上述條件時(shí)，表明無(wú)人機(jī)處在非期望位置，航線出現(xiàn)偏移，指揮無(wú)人機(jī)結(jié)束驗(yàn)電操作，并反饋“驗(yàn)電操作異?！备婢?。

正常驗(yàn)電操作時(shí)，無(wú)人機(jī)到達(dá)航線規(guī)劃的期望驗(yàn)電部位的末端點(diǎn)S（x1,y1,z1）時(shí)，無(wú)人機(jī)將檢測(cè)數(shù)據(jù)反饋至后臺(tái)運(yùn)算器的同時(shí)將實(shí)時(shí)坐標(biāo)Si（xi,yi,zi）反饋至管控系統(tǒng)進(jìn)行虛擬雙編比較，當(dāng)坐標(biāo)滿足Si-S1＜k時(shí)，表明雙編校核正確，測(cè)量結(jié)果可信；當(dāng)坐標(biāo)不滿足上述條件時(shí)，表明無(wú)人機(jī)所驗(yàn)部位的行程非期望行程，測(cè)量結(jié)果不可信，應(yīng)結(jié)束驗(yàn)電操作，反饋“驗(yàn)電操作異?！备婢?。本方法可以檢驗(yàn)實(shí)際驗(yàn)電設(shè)備與期望驗(yàn)電設(shè)備是否一致，保證驗(yàn)電結(jié)果的可靠性。

圖3 復(fù)合電氣量變電站三維模型

圖4 虛擬雙編核對(duì)方法流程

2.4 無(wú)人機(jī)自動(dòng)化驗(yàn)電作業(yè)方法

本方案提供一種通過(guò)地面控制主站來(lái)動(dòng)態(tài)控制無(wú)人機(jī)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自動(dòng)化驗(yàn)電方法。首先通過(guò)人工智能語(yǔ)義分析，獲取調(diào)度操作指令或操作票并從中提取待驗(yàn)電設(shè)備雙編。然后調(diào)用前述高精度復(fù)合電氣量變電站三維模型中的數(shù)據(jù)，獲取待驗(yàn)設(shè)備的最佳驗(yàn)電部位及其關(guān)聯(lián)的周邊帶電設(shè)備最佳驗(yàn)電部位關(guān)聯(lián)組[Si-1,Si,Si+1]。為了避免出現(xiàn)周?chē)O(shè)備同時(shí)停電，無(wú)法檢測(cè)驗(yàn)電裝置工況的情況，控制主站結(jié)合變電站監(jiān)控系統(tǒng)獲取設(shè)備帶電信息，排除停電檢修設(shè)備；當(dāng)相鄰兩個(gè)設(shè)備都符合帶電條件時(shí)，通過(guò)最優(yōu)航線算法計(jì)算出最佳帶電設(shè)備。最優(yōu)航線制定應(yīng)滿足以下要求：

一是路徑包含停機(jī)坪、待驗(yàn)停電設(shè)備、待驗(yàn)帶電設(shè)備；二是路徑閉環(huán)檢測(cè)：檢驗(yàn)起始點(diǎn)與返還點(diǎn)閉合；三是路徑安全性校驗(yàn)：檢測(cè)路徑與所有帶電設(shè)備保持足夠的安全距離；四是路徑通過(guò)性校驗(yàn)：檢測(cè)路徑上無(wú)任何物體阻擋。

圖5 無(wú)人機(jī)自動(dòng)化驗(yàn)電作業(yè)方法

航線制定完畢后，管控平臺(tái)應(yīng)進(jìn)行作業(yè)條件判斷。利用停機(jī)坪及氣象站硬件，檢測(cè)雨量、風(fēng)力并獲取無(wú)人機(jī)電池電量及衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度，條件不符合時(shí)，暫緩驗(yàn)電作業(yè)。當(dāng)條件滿足時(shí)，開(kāi)始驗(yàn)電。

首先，管控平臺(tái)指揮無(wú)人機(jī)航行至相鄰設(shè)備帶電部位B，使用非接觸式驗(yàn)電裝置測(cè)量帶電部位最佳驗(yàn)電行程的電場(chǎng)，磁場(chǎng)與局放超聲波，以βB表征三項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果數(shù)組并通過(guò)通信模塊反饋至主站計(jì)算器，比較實(shí)測(cè)βB與前述高精度復(fù)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(dāng)差值符合條件時(shí)，證明驗(yàn)電裝置正常，可以進(jìn)行下一步操作；當(dāng)差值不符合條件時(shí)，證明驗(yàn)電裝置異常，結(jié)束驗(yàn)電并反饋“裝置異?！备婢?。

然后，管控平臺(tái)指揮無(wú)人機(jī)航行至待驗(yàn)停電設(shè)備部位A，使用前述虛擬雙編核對(duì)方法，核對(duì)無(wú)人機(jī)驗(yàn)電設(shè)備雙編符合操作指令要求。雙編核對(duì)符合條件后，利用前述第1點(diǎn)中的無(wú)人機(jī)非接觸式驗(yàn)電設(shè)備，進(jìn)行停電設(shè)備的驗(yàn)電操作，通過(guò)管控平臺(tái)運(yùn)算器計(jì)算設(shè)備空間電氣變化量，得出設(shè)備驗(yàn)電結(jié)果。若雙編不符則結(jié)束驗(yàn)電，反饋異常信息并等待操作人員處理。

3 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目研究了非接觸式無(wú)人機(jī)驗(yàn)電裝置、三維空間建模及航線規(guī)劃技術(shù)的集成性創(chuàng)新應(yīng)用，針對(duì)無(wú)人機(jī)自動(dòng)化驗(yàn)電的技術(shù)瓶頸，提出了可行的解決方案。使用無(wú)人機(jī)非接觸式驗(yàn)電系統(tǒng)替代人工操作驗(yàn)電，節(jié)省大量操作時(shí)間的同時(shí)，可有效降低操作的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)無(wú)人機(jī)程序化驗(yàn)電作業(yè)管控系統(tǒng)與操作指令系統(tǒng)的對(duì)接，可實(shí)現(xiàn)作業(yè)流程的自動(dòng)化執(zhí)行，并將檢測(cè)結(jié)果返回操作端，實(shí)現(xiàn)驗(yàn)電作業(yè)全流程的機(jī)器替代，大大提高驗(yàn)電效率。項(xiàng)目研究成果適用于變電站自動(dòng)化驗(yàn)電作業(yè)場(chǎng)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。