李 游，范 琪，钟昱铭，周泳庭

（1.国网湖南省电力有限公司 检修公司，湖南 长沙 410004；2.变电智能运检国网湖南省电力有限公司实验室，湖南 长沙 410004）

0 引 言

无人机巡检已在架空输电线路巡视方面得到广泛应用，大宽带、多角度以及高效率等优势，可快捷高效地提供变电站一次设备巡视和带电检测结果，解决高空变电设备运维巡视“盲区”问题[1]。变电站内电磁场环境复杂、设备布局紧密，因此对无人机飞行安全性和稳定性要求是变电行业推广无人机巡检首要考虑的问题[2]。目前，变电无人机智能巡检技术逐步在变电站运维中得到广泛应用，巡检系统应用过程中，存在异常情况不能立即中断任务和电池待机时间较短等问题，不符合远程控制无人机巡检安全作业要求[3]。为进一步完善变电站无人机智能巡检系统功能，提升远程控制无人机巡检的安全性能，需增加无人机异常情况下的应急处理手段和技术规范标准，以提高无人机在变电站巡检中的安全可靠性。

近年，为提高巡检效率，消除变电站人工巡检的视觉盲区和短板，5G无人机技术在电力系统的巡检作业研究成为热点。刘冲等人分析当前输电线路无人机巡检存在的运行维护力度低、通信技术落后以及操控距离受限等问题，设计了输电线路无人机巡检平台构架、无人机VR巡检和无人机智能巡检，优化巡检任务，进一步提升了输电线路巡检自动化水平[4]。李瞻宇等人阐述了东莞联通与东莞供电局基于5G无人机巡检技术合作及研究，提出无人机电力巡检方案，实现了巡检数据一键采集，可大幅度提高作业效率[5]。张帆等人提出了输电线路旋翼无人机多源定位智慧换电平台，使无人机几乎不中断地长时间高空作业，同时应用新型的驱动转向结构，提高了无人机的运动能力和运行速度[6]。上述研究中，多应用在输电线路的巡检运维工作中，而基于5G技术无人机巡检在变电站上的应用暂未有相关研究，远程巡检安全控制技术方面的研究更少。变电站无人机巡检技术方案及远程安全控制技术的研究，能大幅提高变电站运维工作效率，提升巡检安全系数，保障变电设备的安全稳定运行[7,8]。

变电站无人机巡检作业中，基于5G通信技术超低时延和超大带宽的特性，提出在无人机巡检安全控制系统内制定异常智能应急悬停、任务中断原路返回以及低电量就地迫降等安全控制策略，可有效实现无人机的远程应急控制，保证变电站复杂环境下无人机巡检安全，提高了作业安全系数和巡检工作效率。

1 变电站无人机巡检系统

变电站无人机巡检系统包含巡检控制系统、巡检装备、通信设备以及供电系统。供电系统分为220 V交流电供电和锂电池供电两种模式，适应于不同的作业情景，实现不间断的能源供给和无人机巡检作业。

1.1 无人机巡检控制系统

变电站无人机巡检控制系统在智能运检管控中心、集控站以及智慧站三级同步部署。通过部署在信息内网的变电站无人机巡检智能运检管控中心实时控制系统远程控制无人机，集控站包含所有变电站的主设备，所有变电站的数据信息通过光纤传输到集控站中集中管理，实时控制无人机巡检动态。智慧站集设备监测、状态感知、智能管控以及全面机器巡视于一体，提升运维效率。无人机巡检控制系统架构如图1所示。

1.2 无人机巡检装备

巡检装备主要包括移动智能机巢、无人机集群、气象监测站、无人机起降平台、机舱、挂载作业单元(可见光、热红外、紫外)以及服务器等设备。5G技术应用在移动式智能机巢上，可容纳多种、多台、多挂载无人机开展变电站设备智能巡检。自动起降小型多旋翼无人机挂载多种作业单元开展带电检测，气象监测站为无人机集群提供起降平台，采用RTK与视觉识别的融合技术，红外感知，控制无人机降落在停机坪标志所在处，实现精准降落，降落误差半径限制在10 cm以内。此外，设备通信通过服务器实现快速对接，超低时延。

1.3 无人机巡检通信设备

通信设备包含无人机2.4G/5.8G、5G通信基站、光纤以及用户终端等。无线通信技术可以实现无人机的远程遥控测量以及无人机飞行状态的检测。无人机上装载通信设备，将采集的图像数据信息通过5G通信基站传至云端服务器，用户终端可实时监测无人机巡检现场状态，以便操控读取变电站数据变化。

2 变电站无人机巡检安全控制系统

2.1 平台架构

无人机巡检过程中安全问题不容忽视，在巡检系统中加入安全控制系统能在最大程度上保证无人机作业安全问题。无人机巡检安全控制系统流程如图2所示，应用平台向服务器发布指令，服务器通过Mqtt服务、流服务以及后台服务等服务系统将信号发送给管控平台，便于客户端实时获取无人机飞行情况。同时主控板收到服务器发出的指令，控制电机操作，电池装载后舱门打开，平台上升，释放无人机。在检测安全后，无人机起飞，到达变电站高空作业指定高度进行巡检工作。安全检测不通过，系统会反馈信息给服务器，检查故障所在，重新发出指令起飞。反馈系统的加入保证了无人机和设备的安全。

图2 无人机巡检安全控制系统流程图

2.2 功能实现

5G技术应用在移动式智能机巢上，5G网络切片技术为变电站应用场景提供隔离的网络环境，结合终端设备、接入网资源、核心网资源以及网络运营和维护管理系统，为远程控制指令和图片视频数据传输等传输作业场景提供独立、隔离和集成的网络。利用5G通信技术的优势，无人机智能管控平台与移动式机巢保持低延迟作为通信优先级，控制无人机巡检作业异常时及时发出应急悬停、任务中断原路返航以及低电量就地迫降等安全控制策略[9,10]。

采用多机协同控制技术，系统同时支持对多台无人机进行监控，随时根据作业情况进行管控。规范化管理不同作业模式下飞行任务的创建、编辑以及下发。同时支持本地航线、航点飞行、线状巡视、动态规划（勾选台账动态生成航线）、全景采集、正射影像、倾斜摄影、精细巡视等任务管理，通过移动式智能机巢将数据传输至无人机智能控制平台终端软件。

3 无人机巡检安全控制方案

3.1 异常智能应急悬停

无人机在巡检过程中，因遇到磁场干扰或线路阻隔等情况，造成飞行异常，容易引起安全事故。在无人机加载设备中安装智能感应装置，巡检过程异常时无人机传感器接收信号，机身悬停，避免无人机坠毁造成经济损失和安全问题。

3.2 任务中断原路返航

多数无人机在工作过程中，由于环境的复杂不能及时做出反馈。在变电站这种高磁场环境中，无线通信易受到干扰，巡检工作中断。因此在无人机中安装智能反馈系统，作业中断时无人机智能返航，有效保证了无人机在巡检过程中的安全飞行。

3.3 低电量就地迫降

巡检工作规模大，因此在无人机改造上更为精密，大体积的机身和携带设备要求无人机续航能力足够高，保证一次作业顺利进行。超长待机需增加机身重量，造成飞行效率低，在巡检中当电量不足时，无人机在当前位置智能迫降，等待工作人员更换电池，避免因电量不足空中坠落造成事故，提高了变电站无人机巡航的可靠性。

4 结 论

针对变电站巡检作业的安全问题，采用5G技术联网通信，将无人机巡检技术应用到变电站运维作业中，保证无人机在巡检过程中安全运行。同时利用5G通信技术的超低时和超大带宽的特性，加快巡航数据传送速度。此外，在无人机巡检系统中加入安全控制系统，执行安全检测反馈，制定作业异常智能应急悬停、任务中断原路返航以及低电量就地迫降等安全控制策略，实现了远程应急处理，保证变电站复杂环境下无人机巡检安全进行，提高了安全系数和工作效率。