來源：東北電力技術(shù)，作者：田小壯，石輝，曾慶松，張志輝，關(guān)靖濤

變電站安防監(jiān)視系統(tǒng)主要依靠固定的視頻監(jiān)控?cái)z像頭作為監(jiān)控主體，監(jiān)控及安防問題以變電站監(jiān)控人員判斷為準(zhǔn)，這會(huì)產(chǎn)生一定問題。

a. 加大監(jiān)控人員的工作量，增加監(jiān)控人員數(shù)量，違背了變電站無人值守化目標(biāo);

b. 由于監(jiān)控人員的疏忽，未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全或其他安防問題，影響變電站的正常運(yùn)行;

c. 視頻監(jiān)控存在死角，監(jiān)控人員沒有發(fā)現(xiàn)安全隱患，導(dǎo)致問題惡化，威脅整個(gè)變電站的安全。這些問題是固定視頻監(jiān)控?cái)z像頭本身存在的問題，為此提出了變電站周界無人機(jī)的安防巡邏系統(tǒng)。利用無人機(jī)在變電站巡邏已在部分變電站使用，并逐漸擴(kuò)大應(yīng)用。國網(wǎng)新疆電力有限公司檢修公司目前對于變電站周界及內(nèi)部的監(jiān)控安防主要是視頻設(shè)備監(jiān)控，經(jīng)過多年操作與實(shí)踐，積極學(xué)習(xí)現(xiàn)代高科技、新技術(shù)后，為實(shí)現(xiàn)無人值守變電站，對于變電站安防系統(tǒng)，要安排最少的監(jiān)控人員甚至不 需要監(jiān)控人員，全部由智能安防巡邏系統(tǒng)來進(jìn)行。在滿足無人值守的前提下，盡可能節(jié)約成本，又起 到全面監(jiān)控、安防的作用，為此研究出變電站周界 無人機(jī)安防巡邏系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展

隨著通用航空技術(shù)的普及和發(fā)展，特別是無人機(jī)技術(shù)的提高，無人機(jī)支持的巡檢載波和地面監(jiān)測設(shè)備的傳輸線檢測系統(tǒng)具有覆蓋面廣、效率高、可靠性高、風(fēng)險(xiǎn)低、成本低等優(yōu)點(diǎn)。近年來，多旋翼無人機(jī)由于機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、控制簡單、維護(hù)和運(yùn)輸方便，逐步取代傳統(tǒng)的單旋翼無人機(jī)。基于航拍影像的圖像處理與識(shí)別技術(shù)的快速發(fā)展，為變電站安防的快速智能診斷提供了理論支持。

變電站巡檢系統(tǒng)組成主要包含多旋翼無人飛行器系統(tǒng) （ Unmanned Multi-Rotor System，UMRS） 和地面站系統(tǒng) （ Ground Station System，GSS） ，如圖 1 所示。UMRS 用于獲取傳輸線路周界的全方位圖像數(shù)據(jù)，通過無線影像傳輸系統(tǒng)將獲取的圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)?GSS 的空中工作部件。GSS 對當(dāng)前獲取的傳輸線路具有實(shí)時(shí)觀察和存儲(chǔ)的功能。GSS 圖像功能和地面診斷系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)診斷采集的圖像，找出存在的缺陷，為監(jiān)控人員提供真實(shí)、全面的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和缺陷信息，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的設(shè)備維護(hù)檢修。

圖 1 變電站巡檢系統(tǒng)組成

1. 1 多旋翼無人飛行器系統(tǒng)

多旋翼無人飛行器系統(tǒng)是以 UMRS 為主體， 搭載機(jī)載電源、飛行控制系統(tǒng)和機(jī)載任務(wù)設(shè)備。UMRS 由機(jī)體、起落架和多個(gè)旋翼構(gòu)成。

a. 機(jī)載電源使用鋰/ 鋰聚合物動(dòng)力電池。根據(jù) UMRS 的性能規(guī)格優(yōu)化電池的容量和質(zhì)量，使UMRS 滿足變電站檢測的飛行要求。

b. 飛行控制系統(tǒng)是 UMRS 的核心部分，可確保穩(wěn)定飛行、快速轉(zhuǎn)彎、高精度懸停等。飛行控制系統(tǒng)包括導(dǎo)航組件 （ 慣性導(dǎo)航單元IMU+GPS） ，飛行控制計(jì)算機(jī)，旋翼驅(qū)動(dòng)組件，遠(yuǎn)程遙測系統(tǒng)機(jī)載端和線路防撞預(yù)警系統(tǒng)。其中導(dǎo)航組件用于差分定位 UMRS，并感測 UMRS 的角速率以解決姿態(tài)角信息。

c. 通過電線防撞警告系統(tǒng)實(shí)時(shí)判斷 UMRS 與附近電線之間的位置關(guān)系。UMRS 與輸電線路的距離小于電網(wǎng)規(guī)定的安全距離時(shí)，預(yù)警系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警 并產(chǎn)生驅(qū)逐驅(qū)動(dòng)命令，使 UMRS 遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域， 避免撞線對輸電線路的再次破壞，使 UMRS 和輸電線路更加安全。

a. 機(jī)載任務(wù)設(shè)備系統(tǒng)包括 1 個(gè)減震云臺(tái)、1 個(gè)圖像采集系統(tǒng)和 1 個(gè)無線圖像數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的機(jī)載端。圖像采集系統(tǒng)安裝在減震平臺(tái)上，由控制平臺(tái)滾轉(zhuǎn)，對變電站進(jìn)行全方位拍攝，得到的圖像信息由無線圖像傳輸系統(tǒng)機(jī)載端實(shí)時(shí)發(fā)送到 GSS 地面接收端。

b. 為了增強(qiáng) UMRS 的自主性，機(jī)載任務(wù)系統(tǒng)可以加強(qiáng)傳輸設(shè)備識(shí)別和跟蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn) UMRS智能跟蹤檢測。

1. 2 地面站系統(tǒng)

GSS 由遙控遙測系統(tǒng)地面端、無線圖像數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)地面端、飛行監(jiān)控系統(tǒng)、圖像監(jiān)控系統(tǒng)、圖像巡檢綜合診斷系統(tǒng)等組成［。

a. 遙控遙測系統(tǒng)地面端對 UMRS 實(shí)時(shí)發(fā)送遙控遙測指令以對 UMRS 有更高指令控制。

b. 無線圖像數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)地面端主要接收機(jī)載端發(fā)送的實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)。

c. 圖像監(jiān)控系統(tǒng)用于監(jiān)控機(jī)載任務(wù)系統(tǒng)中圖像采集裝置的工作狀態(tài)，保證圖像成像系統(tǒng)正常運(yùn)行。

d. 圖像巡檢綜合診斷系統(tǒng)主要對航拍視頻和圖像的線路缺陷進(jìn)行智能識(shí)別和診斷。

1. 3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖 2 所示。

圖 2 系統(tǒng)工作流程

無人機(jī)在變電站周界飛行環(huán)繞，在指定的地點(diǎn)對變電站進(jìn)行圖像記錄，通過無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控 計(jì)算機(jī)，根據(jù)計(jì)算機(jī)對每次同一位置、不同時(shí)刻的 圖像進(jìn)行對比，判斷該位置是否發(fā)生安全事故或者 其他安防問題，從而自動(dòng)識(shí)別安全隱患以及對變電 站進(jìn)行全局監(jiān)控，改善并解決原有監(jiān)控安防系統(tǒng)的 缺陷。利用無人機(jī)進(jìn)行變電站周界的安防巡邏工作， 結(jié)合紅外圍欄、電子圍欄等傳統(tǒng)技術(shù)，在無人機(jī)高清 攝像頭的主導(dǎo)作用下，將拍攝圖像進(jìn)行灰度化、二值化等處理，清楚地判斷變電站周界是否被入侵和接近，并通過自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)來提示變電站監(jiān)控人員。

2 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)主要依靠無人機(jī)進(jìn)行監(jiān)控、報(bào)警。無人機(jī)通過編寫的特定程序在變電站周界特定位置進(jìn)行圖像采集。

2. 1 無人機(jī)特定位置采集圖像原理

對變電站的周界進(jìn)行合理考察，用計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行編程，將具體的飛行航線編寫進(jìn)程序，與無人機(jī)的內(nèi)部程序相連接，使無人機(jī)能夠按照指定的軌道進(jìn)行巡視，既不會(huì)影響變電站內(nèi)部設(shè)施運(yùn)行，又不會(huì)飛得過遠(yuǎn)浪費(fèi)電能，還能在特定位置穩(wěn)定停止，從而采集到穩(wěn)定清晰的圖像。無人機(jī)巡邏系統(tǒng)包括 3 個(gè)部分，如圖 3 所示。

圖 3 無人機(jī)巡邏系統(tǒng)組成

2. 2 無線數(shù)據(jù)傳輸原理

傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，傳輸數(shù)據(jù)速度快、可靠性好、通信效果理想，但不適用無人機(jī)的周界 巡邏。隨著射頻技術(shù)發(fā)展，無線傳輸變得簡單方便， 可以隨時(shí)移動(dòng)，避免了有線傳輸系統(tǒng)布線麻煩的問 題。無人機(jī)屬于移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，無人機(jī)和地面 監(jiān)測系統(tǒng)通過無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，數(shù) 據(jù)傳輸設(shè)備分為機(jī)載設(shè)備和地面設(shè)備，監(jiān)控軟件的 計(jì)算機(jī)通過 USB 和地面數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備交換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)鏈路工作流程如圖 4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)鏈路工作流程

無人機(jī)與地面監(jiān)控系統(tǒng)之間使用全雙工通信傳輸模式，同時(shí)進(jìn)行無人機(jī)遙測數(shù)據(jù)接收和監(jiān)控系統(tǒng)控制指令發(fā)送。交換數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對實(shí)現(xiàn)無人機(jī)監(jiān)測和電力巡檢人員的決策非常重要，數(shù)據(jù)通信模塊的可靠性對變電站無人機(jī)安防巡邏的安全執(zhí)行具有重要作用。

無人機(jī)每次在同一位置進(jìn)行圖像采集后，比較 2 次圖像之間的差別，通過計(jì)算機(jī)判斷該圖像區(qū)域是否有物體入侵，達(dá)到不需要監(jiān)控人員觀察就能實(shí) 現(xiàn)變電站周界的安全防范。無人機(jī)將記錄的圖像傳回，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像對比和入侵判斷，因此需要 編寫圖像的對比算法，判斷同一位置的 2 張圖像在灰度化、二值化后，其 “0”、 “1” 值的組合或數(shù)量是否滿足規(guī)定要求，一旦計(jì)算機(jī)通過比較算法發(fā) 現(xiàn)不滿足要求，則為入侵事件。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的圖 像采集模塊主要對航拍圖像進(jìn)行濾波、去模糊復(fù) 原、邊緣檢測提取等圖像處理過程，從圖像中提取 必要的信息為故障判斷和線路跟蹤提供依據(jù)。目標(biāo)跟蹤就是找到相鄰圖像之間的聯(lián)系，尤其是對 無人機(jī)鏡頭中的突變、漸變以及復(fù)雜背景引起的高 斯噪聲和混合噪聲進(jìn)行前期處理。

無人機(jī)對某變電站設(shè)備進(jìn)行巡檢，實(shí)際效果如圖 5 所示。

圖 5 無人機(jī)巡檢畫面

2. 3 報(bào)警系統(tǒng)

當(dāng)計(jì)算機(jī)判定出現(xiàn)入侵事件時(shí)，將會(huì)記錄入侵圖像，打包發(fā)給監(jiān)控后臺(tái)或控制中心，監(jiān)控人員通過提示或警報(bào)直接接收入侵圖像和信息，方便進(jìn)行下一步的警告或其他行為，不需要一直進(jìn)行監(jiān)視。

3 結(jié) 束 語

無人機(jī)安防巡檢系統(tǒng)提高了變電站周界巡邏的 效率以及視頻監(jiān)控的可靠性，降低了成本，減少了 監(jiān)控人員的數(shù)量。系統(tǒng)改變程序后，可以進(jìn)行變電 站全局監(jiān)控巡邏，進(jìn)一步減少監(jiān)控人員數(shù)量，進(jìn)一 步實(shí)現(xiàn)變電站無人值守化。該系統(tǒng)在重要的工廠、企業(yè)都可以應(yīng)用，將對安防工作起到重大作用。

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