無人機電力巡檢系統(tǒng)研究

馮新江 林澤科 陳岳賢 潘楨

摘要：隨著電力系統(tǒng)改革的深化，電力行業(yè)快速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模也越來越大，但這也給電力巡檢任務(wù)帶來了一定困難，亦提出了更高的要求。在傳統(tǒng)的人工巡檢無法應(yīng)對當下巡檢任務(wù)的背景下，無人機憑借其較高的靈活度與工作效率，為電力巡檢帶來了更自動化、智能化的解決方案。現(xiàn)提出一套無人機電力巡檢系統(tǒng)，實現(xiàn)了無人機自動化巡線，通過多路運營商無線網(wǎng)卡高速、穩(wěn)定地回傳圖像與視頻，地面服務(wù)器端通過測溫校準及分析進行故障檢測，并將接收到的數(shù)據(jù)進行智能歸檔，保證了無人機電力巡檢的準確性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：無人機;輸電線路;巡檢系統(tǒng);無線通信;故障檢測

0 引言

現(xiàn)有的電力系統(tǒng)主要由四個部分組成，分別是發(fā)電、輸電、配電和用電，任意一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會影響整個電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。輸電部分的線路主要有電纜線路和架空線路兩種，不同于電纜線路主要分布在城市企業(yè)、醫(yī)院等地，檢修起來較為方便，架空線路通常分布在野外、山區(qū)等人跡罕至的地方，甚至分布在峭壁、雪山等惡劣的自然環(huán)境中，若是出現(xiàn)輸電線老化、斷股或絕緣子損壞等情況，則經(jīng)常會因為無法及時檢修而導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障，從而造成嚴重的經(jīng)濟損失[1-5]。

傳統(tǒng)的電力巡檢主要依靠專業(yè)的巡檢人員前往現(xiàn)場對輸電線路進行排查和檢修，一方面，這樣的人工巡檢效率較低，耗時較長;另一方面，野外復(fù)雜地形的設(shè)備運輸和高空作業(yè)的安全保障等都面臨嚴峻考驗。因此，電力巡檢亟需向智能化和自動化方向發(fā)展[6-7]。

為了解決上述問題，無人機越來越多地應(yīng)用于電力巡檢解決方案中，其體型小、重量輕，且具有較強的靈活性和自主性，可以較好地實現(xiàn)對架空輸電線路的全方位檢查。巡檢用無人機主要分為三類：無人直升機、固定翼無人機和多旋翼無人機。其中，無人直升機具有優(yōu)越的性能，具備續(xù)航久、可懸停和穩(wěn)定性強等優(yōu)點，但是造價和耗費相對較高，一般用于特殊自然災(zāi)害救援等情況;固定翼無人機可以飛行較遠距離，速度快且較為穩(wěn)定，但不能懸停，靈活性較差，適用于大面積輸電網(wǎng)絡(luò)的巡查;多旋翼無人機機動性強，靈活度高，具有較高的性價比，但續(xù)航能力一般，抗風(fēng)能力較差，對氣象條件要求較高，適用于局部的精細檢查以及復(fù)雜地理環(huán)境下的巡檢任務(wù)[8-9]。

萬琪等人提出了電力巡檢中無人機的數(shù)據(jù)鏈路覆蓋增強技術(shù)，對數(shù)據(jù)鏈的通信技術(shù)進行了升級，提升了通信系統(tǒng)的飛行控制和數(shù)據(jù)回傳的可靠性[10]。王亞萍等人提出了一種可見光圖像中的輸電線路缺陷診斷方法，可自動診斷電力線路上可能存在的斷股、異物附著等缺陷[11]。陽一雄等人則研究了六翼無人機搭載紅外測溫儀在電力巡線中的應(yīng)用，采用測溫分析方法診斷電力線路中的缺陷與故障[12]。彭向陽等人設(shè)計研發(fā)了一套無人直升機多傳感器電力安全巡檢系統(tǒng)，實現(xiàn)了電力線路的安全巡檢和智能診斷，提高了電力巡檢的效率[13]。

本文提出了一套無人機電力巡檢系統(tǒng)，實現(xiàn)了無人機對指定任務(wù)的自動巡線，并結(jié)合4G網(wǎng)絡(luò)進行高帶寬傳輸，完成無人機與地面服務(wù)器之間的通信與數(shù)據(jù)交換，包括指令信號和回傳圖片、視頻等，最高支持流暢、穩(wěn)定傳輸1 080p60i全高清視頻，保證故障檢測的實時性。該系統(tǒng)還利用無人機拍攝回傳的可見光圖像、原始紅外圖像以及相機校準參數(shù)，實時進行溫度校準分析，并支持自動分析與人工定點分析功能，以保證故障檢測的準確性。

1 無人機電力巡檢技術(shù)簡介

在無人機電力巡檢任務(wù)中，除了對無人機本身的品質(zhì)有一定的要求外，整個系統(tǒng)中的各個模塊也有各自的技術(shù)特點和難點，每一個模塊都直接影響著整個系統(tǒng)的巡檢效率和精度。

1.1? ? 巡線及避障技術(shù)

無人機在執(zhí)行既定電力巡檢任務(wù)時，需要準確地按照任務(wù)路線進行飛行，躲避線路上可能存在或突然出現(xiàn)的障礙物，并在躲避結(jié)束后及時回歸到任務(wù)路線上繼續(xù)巡檢。目前的無人機巡線技術(shù)主要通過GPS定位及導(dǎo)航技術(shù)、基于攝像的視覺技術(shù)等結(jié)合應(yīng)用實現(xiàn)，但在飛行過程中易受到如惡劣天氣造成無人機姿態(tài)異常等因素影響，導(dǎo)致視覺技術(shù)的識別率下降。避障技術(shù)主要通過視覺技術(shù)、紅外探測技術(shù)和聲吶探測技術(shù)等結(jié)合應(yīng)用實現(xiàn)，但對于較大或者移動速度較快的障礙物，無人機可能會因為來不及躲避而損壞。因此，無人機自身以及掛載設(shè)備的硬件品質(zhì)和各種軟件技術(shù)都需要進一步提升，以保證無人機在巡檢任務(wù)中的安全性和穩(wěn)定性。

1.2? ? 無人機姿態(tài)控制技術(shù)

無人機通常質(zhì)量輕、體型小，在巡檢任務(wù)飛行過程中容易受到惡劣天氣的影響而失去平衡，甚至墜毀，同時，無人機姿態(tài)的正常與否也影響著巡線、避障和故障檢測的準確性。目前無人機的姿態(tài)控制技術(shù)主要依賴安裝在無人機上的飛行控制器來實現(xiàn)。當無人機姿態(tài)發(fā)生異常時，飛行控制器將根據(jù)當前無人機的具體姿態(tài)、線速度、角速度和加速度等對無人機進行動作調(diào)整，幫助無人機回歸到正常的飛行狀態(tài)，保證巡檢任務(wù)的正常執(zhí)行。

1.3? ? 無線通信技術(shù)

執(zhí)行巡檢任務(wù)時，無人機需要與地面服務(wù)器保持實時的無線連接，以保證可以實時回傳無人機的狀態(tài)信息、任務(wù)信息和所拍攝的圖像、視頻等數(shù)據(jù)文件，以及接收地面服務(wù)器發(fā)送的控制信號并給予反饋等。但電力巡檢的環(huán)境往往十分復(fù)雜，且充滿變化和不確定因素，系統(tǒng)的無線通信技術(shù)需要具備很強的抗干擾能力，以及足夠的傳輸速度和帶寬來支撐實時信息傳輸甚至巡視高清視頻的直播，以保證整個電力巡檢任務(wù)完成的及時性和穩(wěn)定性。

1.4? ? 故障檢測技術(shù)

目前圍繞無人機的電力巡檢任務(wù)主要是通過無人機在巡檢過程中掛載相應(yīng)的攝像設(shè)備，拍攝輸電線路的相關(guān)圖像、視頻等并進行回傳，地面服務(wù)器再對接收到的圖像、視頻等進行處理和分析，得到輸電線路的健康狀況并判斷是否有缺陷或故障。常見的故障分析手段有測溫分析、線路外形分析等。影響故障檢測準確性的因素主要有：拍攝的角度，圖像、視頻文件的清晰度，分析技術(shù)的精度等，各部分的準確性和穩(wěn)定性都決定了整個故障檢測的準確性，因此都不容忽視。

2 無人機電力巡檢系統(tǒng)

應(yīng)用于輸電線路巡檢的無人機系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：無人機及其飛控平臺、通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊、測溫分析與故障檢測模塊、數(shù)據(jù)文件管理模塊以及地面服務(wù)器等。無人機電力巡檢系統(tǒng)流程如圖1所示。

2.1? ? 無人機及其飛控平臺

本系統(tǒng)中，主要采用大疆公司經(jīng)緯系列行業(yè)M210 RTK四旋翼無人機，如圖2和圖3所示，掛載FLIR公司雙光熱成像相機作為測溫相機，其具備1 200萬像素鏡頭，并支持4K高清可見光JPEG照片，TIFF、R-JPEG圖像以及MOV、MP4視頻等。

飛控平臺基于大疆公司SDK開發(fā)，包含飛行線路管理模塊、自動飛行模塊、桿塔位置模塊、采樣數(shù)據(jù)管理模塊和文本信息模塊等。其中，飛行線路管理模塊可以幫助工作人員預(yù)先設(shè)定所要巡檢的片區(qū)和飛行的路線;自動飛行模塊和桿塔位置模塊則幫助無人機按照指定的飛行任務(wù)進行自動巡檢;無人機采集回傳的圖像、視頻等數(shù)據(jù)將通過采樣數(shù)據(jù)管理模塊進行收集、整理并發(fā)送到相應(yīng)的地面服務(wù)器;文本信息模塊會將無人機的實時狀態(tài)、任務(wù)實時進展和其他信息等記錄為日志，方便工作人員實時了解無人機的狀態(tài)以及任務(wù)結(jié)束后的回溯和檢查。

2.2? ? 通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊

在執(zhí)行輸電線路巡檢任務(wù)的過程中，無人機需要與地面服務(wù)器保持實時連接，一方面，地面服務(wù)器要獲取無人機的實時狀態(tài)信息，并發(fā)送相應(yīng)的控制信號指揮無人機進行下一步動作;另一方面，無人機拍攝、采集到的圖像和視頻等數(shù)據(jù)需要回傳給地面服務(wù)器進行直播、保存和分析等。本系統(tǒng)的視頻傳輸設(shè)備如圖4所示，為Altera公司可編程邏輯器件搭載Fujitsu公司編碼芯片實現(xiàn)的無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，分為傳輸模塊和供電模塊兩部分。

視頻傳輸過程中，將無人機搭載的熱成像相機錄制的視頻通過HDMI接口導(dǎo)入傳輸設(shè)備，傳輸設(shè)備中基于FPGA的串并行轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，經(jīng)過編碼后再通過AT91SAM9G45芯片把視頻流傳輸給地面服務(wù)器。AT91SAM9G45芯片的主要功能有：狀態(tài)控制、TCP協(xié)議實現(xiàn)、帶寬優(yōu)化、心跳包、重傳管理、網(wǎng)卡管理、數(shù)據(jù)處理和設(shè)置信號等。其中，帶寬優(yōu)化主要是為了確保網(wǎng)卡帶寬與需發(fā)送的視頻數(shù)據(jù)量相匹配，主控芯片會根據(jù)網(wǎng)卡當前的信號強度和RTT等來預(yù)估網(wǎng)卡的網(wǎng)絡(luò)帶寬，通過計算整體的網(wǎng)絡(luò)帶寬動態(tài)調(diào)整傳輸碼率，再根據(jù)網(wǎng)卡的鏈路帶寬狀態(tài)調(diào)整其傳輸數(shù)據(jù)緩存，達到調(diào)整其傳輸數(shù)據(jù)量的目的。理論上，4G網(wǎng)絡(luò)下行帶寬可達100 Mbps，上行帶寬達50 Mbps，4路網(wǎng)卡能達到的總下行帶寬為400 Mbps，總上行帶寬為200 Mbps，可支撐1 080p60i的全高清視頻傳輸，保證之后故障檢測的準確性。

在地面服務(wù)器端，也會有相應(yīng)的程序?qū)ζ溥M行控制，與無人機進行實時通信和數(shù)據(jù)傳輸，并在有直播需求時，將需要直播的視頻傳送到相應(yīng)的直播地址，利用直播端播放程序進行解碼、直播。

2.3? ? 測溫分析與故障檢測模塊

輸電線路中的故障往往伴隨著異常高溫，尤其是線夾、絕緣子上的掛環(huán)和防振錘等金具，通過對這些異常高溫的檢測可以發(fā)現(xiàn)輸電線路中的安全隱患或者存在的缺陷等。一般的紅外成像設(shè)備采用輻射測溫法計算物體溫度，通過接收到的目標輻射的紅外能量值計算目標的溫度。但紅外成像設(shè)備一般使用黑體輻射源（發(fā)射率近似為1，發(fā)射率為物體表面單位面積上輻射出的輻通量與同溫度下黑體輻射出的輻通量的比值）分度，實際上目標的發(fā)射率通常小于1，導(dǎo)致所生成的熱度圖像中測量溫度值偏離目標的表面實際溫度[14]。

本系統(tǒng)利用原始紅外圖像中每個像素點的16位紅外圖像原始值RAW、反射溫度Trefl以及從圖像META信息里獲取的相機校準參數(shù)，如物體發(fā)射率（Emissivity）、相機普朗克常數(shù)B、相機普朗克常數(shù)F、相機普朗克常數(shù)O、相機普朗克常數(shù)R1、相機普朗克常數(shù)R2等來對目標物體的實際溫度進行校準。經(jīng)過校準后的紅外圖像中的溫度信息與目標表面的真實溫度更加接近，提高了故障檢測的準確度。

對于無人機回傳的圖像，系統(tǒng)會自動進行溫度校準和分析，若是存在區(qū)域溫度超過閾值的情況，將觸發(fā)系統(tǒng)警報，警報信息包含溫度信息、桿塔地理位置信息和桿塔編號等。此外，工作人員也可以手動對任意圖像的溫度信息進行查看和分析，如圖5所示。

2.4? ? 數(shù)據(jù)文件管理模塊

隨著無人機數(shù)量的不斷增加以及電力巡線任務(wù)的次數(shù)積累，回傳的日志、圖像和視頻文件等數(shù)據(jù)量將會積累成一個龐大的數(shù)字，僅靠人工管理這些數(shù)據(jù)效率極低，需要智能化的管理手段和平臺來完成此項任務(wù)。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)文件管理模塊在接收到數(shù)據(jù)文件后，將會自動對接收到的可見光JPEG圖、R-JPEG圖、圖片詳細參數(shù)txt文本文檔以及分析得到的紅外成像圖按照時間、巡檢線路、桿塔等信息進行命名，并存儲到云服務(wù)器相應(yīng)的文件夾內(nèi)，方便以后的文件整理和回溯。

3 結(jié)語

本文提出了一套基于無人機的電力巡檢系統(tǒng)，無人機將按照事先制定好的飛行路線完成巡線任務(wù)，同時工作人員也可以采用人工操作的方式進行電力巡檢。巡線任務(wù)中，無人機與地面服務(wù)器將通過運營商無線網(wǎng)卡進行高帶寬、高穩(wěn)定性的圖像與視頻傳輸，最高支持1 080p60i全高清視頻直播。對于接收到的日志、圖像和視頻等文件，系統(tǒng)將智能化地歸檔保存，方便回溯，同時將自動對圖像進行測溫校準和分析，對異常高溫的零部件和桿塔進行報警，保證了電力巡檢任務(wù)的實時性和準確性，同時也提升了巡檢的質(zhì)量和效率。

[參考文獻]

[1] 錢金菊，韓正偉，易琳，等.圖像處理技術(shù)在無人機電力線路巡檢中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（15）：72-73.

[2] 彭向陽，劉正軍，麥曉明，等.無人機電力線路安全巡檢系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)[J].遙感信息，2015（1）：51-57.

[3] 李寧，鄭仟，謝貴文，等.基于無人機圖像識別技術(shù)的輸電線路缺陷檢測[J].電子設(shè)計工程，2019，27（10）：102-106.

[4] 郭昕陽，李衛(wèi)國，鄭建剛，等.一種輕型電動無人機在輸電線路巡視中的應(yīng)用技術(shù)[J].華北電力技術(shù)，2013（4）：61-64.

[5] 湯明文，戴禮豪，林朝輝，等.無人機在電力線路巡視中的應(yīng)用[J].中國電力，2013，46（3）：35-38.

[6] 張文峰，彭向陽，陳銳民，等.基于無人機紅外視頻的輸電線路發(fā)熱缺陷智能診斷技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014（5）：1334-1338.

[7] 厲秉強，王騫，王濱海，等.利用無人直升機巡檢輸電線路[J].山東電力技術(shù)，2010（1）：1-4.

[8] 楊沖.無人機在電力巡線中的應(yīng)用[J].上海電力，2015，28（5）：29-32.

[9] 徐健.無人機巡檢輸電線路技術(shù)的應(yīng)用探析[J].科研，2016（35）：21-22.

[10] 萬琪，鄭濤，何云翔，等.電力巡檢無人機數(shù)據(jù)鏈路覆蓋增強技術(shù)[J].郵電設(shè)計技術(shù)，2017（9）：60-64.

[11] 王亞萍，韓軍，陳舫明，等.可見光圖像中的高壓線缺陷自動診斷方法[J].計算機工程與應(yīng)用，2011，47（12）：180-184.

[12] 陽一雄，梁照敏，徐曉峰.六旋翼無人機紅外測溫在電力巡線中的應(yīng)用研究[J].科技風(fēng)，2015（13）：90.

[13] 彭向陽，陳馳，饒章權(quán)，等.基于無人機多傳感器數(shù)據(jù)采集的電力線路安全巡檢及智能診斷[J].高電壓技術(shù)，2015，41（1）：159-166.

[14] 張偉，高魁明.發(fā)射率對輻射測溫精度的影響及其在線測量技術(shù)[J].沈陽工業(yè)學(xué)院學(xué)報，1990（2）：69-76.

收稿日期：2020-12-21

作者簡介：馮新江（1988—），男，浙江紹興人，工程師，研究方向：配電線路。

林澤科（1984—），男，浙江紹興人，碩士，高級工程師，研究方向：電氣工程、配電線路故障分析。

陳岳賢（1991—），男，浙江紹興人，碩士，助理工程師，研究方向：配網(wǎng)自動化。