面向智能電網(wǎng)輸電線路巡檢的泛在物聯(lián)網(wǎng)UAV研究

張 靜，黃國方，劉曉銘，謝 芬

（1.南瑞集團（國網(wǎng)電力科學研究院）有限公司，南京211106；2.國電南瑞科技股份有限公司，南京211106）

電網(wǎng)輸電線路對于電網(wǎng)的正常運行具有舉足輕重的作用。通過電網(wǎng)輸電線路巡檢能夠及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)的異常情況，及時消除電網(wǎng)系統(tǒng)中潛在的隱患或者電網(wǎng)損失，并及時、有效地保障電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行[1]。在現(xiàn)有技術(shù)中，電網(wǎng)輸電線路的巡檢主要依靠人工作業(yè)，通過現(xiàn)場工作人員在現(xiàn)場進行目測檢驗，巡檢時需要工作人員攀爬鐵搭、帶電登高作業(yè)等，勞動強度大，巡檢效率低下，尤其在地理位置險惡、崇山峻嶺、道路崎嶇難走的地帶，人工作業(yè)難以滿足電網(wǎng)發(fā)展和現(xiàn)代化智能管理的需要。隨著電網(wǎng)規(guī)模和建設的不斷擴大，長距離跨區(qū)域輸電線路增長迅速，復雜地勢輸電線路日常運行維護、檢修和故障檢測、帶電作業(yè)等存在特殊性，因此有必要采用無須人工到場并能智能巡檢的工作方式[2]。

無人機UAV（unmanned aerial vehicle）技術(shù)能夠動態(tài)地實現(xiàn)信息部署[3]，還能在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)揮極其重要的作用。借助于諸如傳感器、攝像機、RFID等機載物聯(lián)網(wǎng)裝置，無人機能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)輸電線路信息的收集，配置方便、自主能力強。在2019年泛在電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高峰論壇，國家電網(wǎng)公司提出泛在電力物聯(lián)網(wǎng)UEIoT（ubiquitous electric internet of things）概念，由此本研究提出新型的電網(wǎng)輸電線巡檢方法。

1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)UAV 巡檢系統(tǒng)

UEIoT 圍繞電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)，充分應用現(xiàn)代信息技術(shù)、先進通信技術(shù)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機交互，具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應用便捷靈活特征的智慧服務[4]。

在此，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和云計算等技術(shù)融合在一起[5]，構(gòu)建出新型的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)UAV 巡檢系統(tǒng)。作為重大的技術(shù)創(chuàng)新，該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)電網(wǎng)輸電線路的智能巡檢，還擴大了檢測范圍，由單點檢測轉(zhuǎn)換為區(qū)域檢測，形成區(qū)域網(wǎng)格化巡視，通過使用無人機技術(shù)，實現(xiàn)電網(wǎng)輸電線路的大規(guī)模、自動化巡檢，使得輸電線路的巡檢效率得到大幅度地提升[6]，也使電網(wǎng)輸電線路的巡檢精度大大提高，有力地保障電網(wǎng)穩(wěn)定運行。該系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)包括信息感知層、信息傳輸層、信息處理層和信息應用層。

該系統(tǒng)以安卓版移動式智能設備為信息接收載體，并融合嵌入式智能設備[7]，借助于裝載了Zig-Bee 通訊模塊及各種傳感器的無人機和ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡，對大面積電網(wǎng)輸電線路數(shù)據(jù)信息進行實時、在線采集，最終通過無人機接收采集到的大面積的數(shù)據(jù)信息[8]。在底層設備中，用戶通過控制單元實現(xiàn)無人機的智能控制，并且構(gòu)建UAV 群。在UAV 中設置有無線傳感器網(wǎng)絡、RFID 射頻識別單元和攝像機、近程通訊單元等各種通訊單元，可實現(xiàn)對輸電線路的智能信息采集[9]。

圖1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)UAV 巡檢系統(tǒng)架構(gòu)設計Fig.1 Architecture design of ubiquitous electric internet of things UAV inspection system

在信息感知層中，將無人機作為信息通信的無線中繼和空中基站，實現(xiàn)與地面物聯(lián)網(wǎng)的用戶數(shù)據(jù)進行交互。通過在UAV 上配置不同的物聯(lián)網(wǎng)設備實現(xiàn)與各種電力設備的數(shù)據(jù)通訊[10]。UAV 采集到的輸電線信息，通過各種通訊方式與電網(wǎng)信息管理中心互通，比如機載ZigBee 路由模塊、無節(jié)點的網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)等進行組網(wǎng)通訊。通過這種組網(wǎng)方式，能夠有效地防止構(gòu)建起來的無人機群體在通訊過程中，由于某個UAV 的通訊不佳而與地面或者信息中心失去聯(lián)系，有力地保證了機群UAV 之間通訊的穩(wěn)定性和安全性[11]。

在電網(wǎng)信息管理中心，用戶對UAV 采集的數(shù)據(jù)信息進行分析，比如導線狀態(tài)分析、桿塔狀態(tài)分析、氣象條件分析、一次設備狀態(tài)分析、二次設備狀態(tài)分析、配電網(wǎng)自動化分析、電能質(zhì)量管理、精細用電管理、信息互動等各種分析。通過上述分析，電網(wǎng)信息管理中心將分析后的結(jié)果輸出，供用戶分析、使用[12]。

2 泛在物聯(lián)網(wǎng)UAN 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多鏈路無人機群體系統(tǒng)

在研究中構(gòu)建出多鏈路無人機群體系統(tǒng)，如圖2所示，并將其應用到無人機中。該系統(tǒng)主要由控制單元、無人機群、控制器、ZigBee 通訊模塊、智能移動式終端等模塊組成。

圖2 多鏈路無人機群體系統(tǒng)Fig.2 Multilink UAV group system

在此，控制單元采用的主控芯片為STM32 的控制器（ARM32 位的CortexTM-M3 CPU），在結(jié)構(gòu)上其連接ZigBee 協(xié)調(diào)模塊和WiFi 通訊模塊[13]。CortexTMM3 CPU 連接有調(diào)試模塊，該調(diào)試模塊上設置有SWD 串行調(diào)試接口以及JTAG 通訊接口。

串口通訊芯片為支持WiFi 通訊端接口且型號為ESP8266 的高集成芯片[14]。該芯片集成設置開關(guān)型控制天線，射頻類型為balun；設置功率放大器；集成設置濾波器、電源管理模塊。

將多個不同的無人機組建成無人機群體，并將每個無人機組網(wǎng)通訊，即每個無人機均承載ZigBee通訊模塊，模塊間通過無人機節(jié)點連接[15]。無人機節(jié)點利用ZigBee 協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，即傳遞采集到的輸電線路數(shù)據(jù)，ZigBee 通訊模塊采用ZigBee 協(xié)議實現(xiàn)各種無人機之間的數(shù)據(jù)通訊；以串口通訊方式將采集到的數(shù)據(jù)傳遞到控制單元，其中的STM32 主控芯片，再以串口通訊方式將數(shù)據(jù)傳送到服務器。用戶使用智能移動式終端隨時接收或查看采集到的輸電線電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息，并與電網(wǎng)信息管理中心實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通[16]。

2.2 泛在物聯(lián)網(wǎng)UAN 傳感網(wǎng)絡設計

UAN 傳感網(wǎng)絡架構(gòu)如圖3所示。圖中，底層設備為設置在電網(wǎng)輸電線路中的傳感器、智能設備、RFID 射頻設備單元等其他物聯(lián)網(wǎng)設備，在這些物聯(lián)網(wǎng)設備內(nèi)通過設置不同的無線傳感器節(jié)點，布局能夠互通互信的無線傳感器網(wǎng)絡。

圖3 UAN 傳感網(wǎng)絡架構(gòu)Fig.3 Architecture of UAN sensor network

為了傳遞信息的便利，在無線傳感器網(wǎng)絡中設置多個網(wǎng)關(guān)節(jié)點，并在多個網(wǎng)關(guān)節(jié)點處連接接入網(wǎng)，在接入網(wǎng)設置核心網(wǎng)，由此設置UAN 傳感網(wǎng)絡，最終將UAN 采集到的數(shù)據(jù)傳遞到電網(wǎng)信息管理中心。

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，通過在電網(wǎng)輸電線路中設置無線傳感器，數(shù)據(jù)信息通過傳感器網(wǎng)絡節(jié)點進行中繼、中轉(zhuǎn)，最終獲取電網(wǎng)輸電線路中不同環(huán)節(jié)（比如輸電環(huán)節(jié)、變電環(huán)節(jié)或者配電環(huán)節(jié)）內(nèi)的運行信息。

在系統(tǒng)工作過程中，將收集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)讲煌W(wǎng)絡的網(wǎng)關(guān)節(jié)點，各個網(wǎng)關(guān)節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)信息再傳遞到接入網(wǎng)以進行信息融合，融合后的數(shù)據(jù)信息輸入到電網(wǎng)輸電線路中的核心網(wǎng)[17]。經(jīng)過上述運行，電網(wǎng)輸電線路的傳感數(shù)據(jù)再借助于電力通信專網(wǎng)，進一步傳遞至電網(wǎng)信息管理中心，進行分類、計算等后續(xù)處理。

在利用所構(gòu)建的UAN 傳感網(wǎng)絡架構(gòu)采集輸電線路中的數(shù)據(jù)信息時，由于傳感器節(jié)點不同，通過節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)信息也不同。在網(wǎng)關(guān)節(jié)點中，由于其包含的數(shù)據(jù)模塊有多種，采集到的數(shù)據(jù)也不同[18]。因此，這些數(shù)據(jù)信息在傳遞之前需要進行預處理、集中分類或者其它處理。

3 應用分析及結(jié)果

在國電南瑞科技公司驗證該技術(shù)方案。由于工作環(huán)境和場地的局限，將實際工作中由無人機群構(gòu)成的無人機自組織網(wǎng)絡通過軟件模擬仿真。其實際工作中具有高動態(tài)的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，通信鏈路容易在高空中變得不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)通訊的中斷意味著無人機巡檢效果不佳[19]。因此，機載中繼節(jié)點工作性能與數(shù)據(jù)通訊的穩(wěn)定性有直接關(guān)系，衡量數(shù)據(jù)通訊成功率就可以衡量出所設計系統(tǒng)工作性能的好壞。

試驗分析在仿真環(huán)境Keil+Protues 下進行。通過C 語言試驗通訊數(shù)據(jù)的仿真和模擬，具體的參數(shù)設置如表1。

表1 數(shù)據(jù)參數(shù)設置Tab.1 Data parameter settings

設置完成通訊數(shù)據(jù)，先檢測數(shù)據(jù)發(fā)送是否正確，其仿真示意如圖4所示。假設從第1 無人機X向第2 無人機Y 發(fā)送數(shù)據(jù)。當?shù)? 無人機Y 接收到數(shù)據(jù)后，開始比較目的地址與本地地址是否相同，如果二者地址相同，則判斷幀頭、幀尾是否正確，如果幀頭、幀尾是正確的，則表明數(shù)據(jù)接受無誤。然后，將節(jié)點B 向節(jié)點A 返回ACK 來確認幀，表明數(shù)據(jù)成功接收。

圖4 數(shù)據(jù)通訊成功仿真示意圖Fig.4 Simulation schematic diagram of successful data communication

在數(shù)據(jù)判斷時，根據(jù)表1的數(shù)據(jù)參數(shù)設置來判斷數(shù)據(jù)發(fā)送是否成功，如果仿真結(jié)果與設置的參數(shù)相同，即表明第1 無人機X 收到第2 無人機Y 對序列號為0x00 幀的接收確認幀，并在顯示屏上顯示“T-24.00 rec ok”的字樣（由圖4可見），表明物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊接收無誤。

數(shù)據(jù)通訊失敗仿真示意如圖5所示。假設數(shù)據(jù)發(fā)送的的目的地址不同于本地地址，則丟棄收到的數(shù)據(jù)，即表明第1 無人機X 未收到第2 無人機Y 對序列號為0x00 幀的接收確認幀，并在顯示屏上顯示“T-22.00”字樣[20]（由圖5可見），表明物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊接收有誤，繼續(xù)等待下一輪的數(shù)據(jù)通訊接收。

圖5 數(shù)據(jù)通訊失敗仿真示意圖Fig.5 Simulation schematic diagram of data communication failure

在試驗時，數(shù)據(jù)通訊成功后可獲取物聯(lián)網(wǎng)設備（比如RFID 射頻設置裝置）上傳數(shù)據(jù)，該步驟通過物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理平臺試驗，接收RFID 射頻設置裝置等物聯(lián)網(wǎng)設備上傳的數(shù)據(jù)，根據(jù)RFID 射頻設置裝置等物聯(lián)網(wǎng)設備上傳數(shù)據(jù)所采用的通信協(xié)議標準，對上傳的數(shù)據(jù)進行存儲、處理、計算和分析。物聯(lián)網(wǎng)通訊與傳統(tǒng)通訊的數(shù)據(jù)比對見表2。

表2 物聯(lián)網(wǎng)通訊與傳統(tǒng)通訊的數(shù)據(jù)比對Tab.2 Data comparison between IoT communication and traditional communication

再對人工巡檢的工作情況與采用UAV 巡檢的工作情況進行對比分析，得到的數(shù)據(jù)信息見表3。

表3 不同工作情況下的數(shù)據(jù)比對Tab.3 Data comparison of different working conditions

對比結(jié)果表明，采用物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)的電力營銷管理信息系統(tǒng)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢；數(shù)據(jù)發(fā)送成功、數(shù)據(jù)接收成功率和數(shù)據(jù)傳遞時間均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)通訊模式； 采用所設計的物聯(lián)網(wǎng)電力營銷管理信息系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠，數(shù)據(jù)通訊及時的特點；采用UAV 巡檢的方式，相比采用人工方式，具有無法比擬的技術(shù)優(yōu)勢，解決了傳統(tǒng)技術(shù)中由于操作人員巡檢困難、要求高、人工作業(yè)復雜的技術(shù)弊端。

4 結(jié)語

該技術(shù)方案在國網(wǎng)電力科學研究院、國電南瑞科技公司等電力公司均得到應用。該技術(shù)成為行業(yè)內(nèi)安全、高效、可控的智能巡檢模式，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的目標是構(gòu)建電力能源互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈，將來要實現(xiàn)“引流+賦能”的形式，最終引起產(chǎn)業(yè)鏈上下游的同步發(fā)展。該技術(shù)方案也可為其它行業(yè) （交通、金融、IT、房地產(chǎn)等領(lǐng)域）提供技術(shù)支撐，為實現(xiàn)一體化的綜合服務提供技術(shù)參考。