配電網(wǎng)架空線路無人機(jī)自主巡檢技術(shù)分析

陳洪亮,賈亞飛,李志雷,侯 超,劉海峰

(國網(wǎng)雄安新區(qū)供電公司,河北 雄安新區(qū) 071800)

0 引言

配電網(wǎng)線路分布廣,運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜,導(dǎo)線、絕緣子、金具在長期運(yùn)行過程中可能會(huì)發(fā)生斷股、過熱、銹蝕等缺陷,如處理不及時(shí)會(huì)導(dǎo)致故障,影響人們的正常用電[1-2]。雄安新區(qū)配電網(wǎng)10 kV 架空線路約4 700 km,且部分線路位于白洋淀水區(qū),傳統(tǒng)配電網(wǎng)巡視主要依靠人工進(jìn)行,工作量大,對人員經(jīng)驗(yàn)依賴度高。此外,位于工地、水區(qū)、農(nóng)田范圍內(nèi)的配電網(wǎng)線路,受環(huán)境和地理?xiàng)l件限制,普遍存在巡視周期長、巡視效率低、巡視不到位等問題。隨著雄安新區(qū)大規(guī)模開工建設(shè),現(xiàn)狀、過渡、目標(biāo)“三張電網(wǎng)”交織共存,傳統(tǒng)人工巡線模式難以滿足雄安新區(qū)電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展的需要。

近年來國內(nèi)外電力企業(yè)開始研究無人機(jī)(unmanned aerial vehicle,UAV)智能巡檢方法[4-7]。隨著無人機(jī)在電力巡檢中的應(yīng)用不斷發(fā)展,其優(yōu)勢日益凸顯。目前,無人機(jī)巡檢已經(jīng)在輸電巡檢中成熟運(yùn)用,但在配電線路巡檢方面的研究相對較少[8-10]。采用輕型無人機(jī)開展配電網(wǎng)線路巡檢可以大幅提高巡檢質(zhì)量和效率,但必須克服飛行控制、路徑規(guī)劃、實(shí)時(shí)圖傳、續(xù)航能力等一系列技術(shù)問題。

為了滿足架空配電網(wǎng)線路的巡檢需要,本文選用輕型無人機(jī),構(gòu)建無人機(jī)自主巡檢平臺(tái)。為了保證無人機(jī)自主巡檢的精確性,采用基于關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)的路徑規(guī)劃算法對配電網(wǎng)線路進(jìn)行規(guī)劃,提高了無人機(jī)巡檢效率和智能化水平。

1 無人機(jī)自主巡檢平臺(tái)

本文采用的無人機(jī)自主巡檢平臺(tái)主要由無人機(jī)、地面站套件和自主飛行控件三部分組成,各部分介紹如下。

1.1 無人機(jī)

配電網(wǎng)線路具有設(shè)備種類多、設(shè)備總量大、設(shè)備間距小、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、部分線路經(jīng)過地區(qū)為城鎮(zhèn)人口密集區(qū)等特點(diǎn),衛(wèi)星定位信號(hào)存在短暫或部分方向被遮擋的情況,選用巡檢無人機(jī)要滿足以下要求:受飛行環(huán)境影響,選用的無人機(jī)要具備較強(qiáng)的可靠性、起降方便、墜機(jī)風(fēng)險(xiǎn)低、墜機(jī)傷害低;配電網(wǎng)巡檢要求搭載可見光、紅外測溫設(shè)備;具備較強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性,攜帶方便,便于小型車輛運(yùn)輸[3]。

國網(wǎng)雄安新區(qū)供電公司選擇使用DJI M210-RTK 型號(hào)無人機(jī)作為自主巡檢體系搭建的基礎(chǔ)無人機(jī)平臺(tái)。該平臺(tái)具備的D-RTK 定位技術(shù)及北斗、GPS多模定位方式,多云臺(tái)的配置可以支持配電巡檢一次飛行測溫、局部放電及樹障巡檢等多項(xiàng)內(nèi)容全面檢測的需要。DJI M210-RTK 相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 DJI M210-RTK相關(guān)參數(shù)

1.2 地面站套件

地面站套件由機(jī)載AI控制盒、無人機(jī)地面站裝置組成。地面站套件將AI飛行功能模塊封裝在AI控制盒中,人員攜帶1個(gè)飛機(jī)+遙控器+高亮屏即可以出門作業(yè),遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)精準(zhǔn)起降功能使得現(xiàn)場人員無需掌握無人機(jī)飛行技能,僅需具備簡單的無人機(jī)維護(hù)保養(yǎng)能力,即可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)營。

a.實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主起飛降落。AI控制盒可以實(shí)時(shí)獲取無人機(jī)的飛行信息,并基于云臺(tái)拍攝的圖像數(shù)據(jù)測算出降落目標(biāo)點(diǎn)的降落位置,并通過運(yùn)載的飛行控制策略實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)降落,圖像識(shí)別精度±3 cm,降落精度可達(dá)±10 cm。

b.實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主巡檢巡邏。AI自動(dòng)控制盒可以實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別、運(yùn)算控制,能實(shí)時(shí)對特征目標(biāo)進(jìn)行精確定位,可以實(shí)時(shí)控制云臺(tái)對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤拍攝,并通過圖像識(shí)別精準(zhǔn)拍攝目標(biāo)對象。無人機(jī)自主飛行地面站套件見圖1。

圖1 無人機(jī)自主飛行地面站套件

1.3 自主飛行控件

自主飛行控件由“無人機(jī)自主巡檢事務(wù)控制移動(dòng)應(yīng)用”和“無人機(jī)自主巡檢管控平臺(tái)”系統(tǒng)組成,用于現(xiàn)場與無人機(jī)飛控信息交互,指導(dǎo)無人機(jī)自主飛行作業(yè),作為后臺(tái)管理系統(tǒng)進(jìn)行巡檢任務(wù)及巡檢成果管理。通過移動(dòng)應(yīng)用與管控平臺(tái)的協(xié)同配合,支撐配電網(wǎng)無人機(jī)巡檢作業(yè),實(shí)現(xiàn)以下應(yīng)用功能。

a.巡檢任務(wù)協(xié)同管理。根據(jù)巡檢任務(wù)要求,平臺(tái)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)可用資源信息供巡檢人員選擇,并根據(jù)巡檢任務(wù)分配自主巡檢路徑。平臺(tái)可將任務(wù)信息自動(dòng)推送至現(xiàn)場作業(yè)人員,并進(jìn)行作業(yè)提醒。實(shí)現(xiàn)一對多的巡檢任務(wù)協(xié)同管理。

b.一鍵高效自主巡視。無人機(jī)飛控系統(tǒng)將巡檢任務(wù)里的高精度自主巡檢路徑下發(fā)至無人機(jī),在北斗差分定位服務(wù)的保障下,只需一鍵啟動(dòng)便可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主巡視、精準(zhǔn)懸停及定點(diǎn)起降。

c.巡檢過程實(shí)景可視。平臺(tái)對接無人機(jī)飛控系統(tǒng),可在三維實(shí)景中直觀的監(jiān)控?zé)o人機(jī)飛行狀態(tài),并可通過高清影像進(jìn)行遠(yuǎn)程協(xié)同巡視及疑難問題的專家診斷,實(shí)時(shí)指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)。集成智能識(shí)別模塊還可自動(dòng)標(biāo)注缺陷位置,提醒巡檢人員重點(diǎn)關(guān)注。

d.巡檢成果便捷處置。移動(dòng)應(yīng)用自動(dòng)將巡檢成果打包發(fā)送至后臺(tái)服務(wù)器,線路管理人員可通過任務(wù)、線路等多種渠道輕松查找及管理巡檢成果,做到歷史數(shù)據(jù)可追溯,現(xiàn)存數(shù)據(jù)可查詢,同時(shí)便于線路管理人員對缺陷進(jìn)行標(biāo)注、復(fù)核及消缺管理。

2 無人機(jī)自主巡檢路徑規(guī)劃

2.1 基于北斗定位的巡檢路徑規(guī)劃

利用無人機(jī)精細(xì)化巡檢獲取路徑點(diǎn)需要在無人機(jī)上搭載基于RTK 差分技術(shù)的高精度定位裝置,在該裝置的輔助下無人機(jī)平臺(tái)能夠在復(fù)雜環(huán)境下?lián)碛休^高的定位精度和航向精度,結(jié)合高精度的云臺(tái)控制機(jī)構(gòu),使得相機(jī)能夠獲得較好的朝向精度。

采用無人機(jī)平臺(tái)逐塔采集架空線路每一基桿塔信息,記錄飛行路線以獲取無人機(jī)飛行路徑,同時(shí)填寫單基桿塔采集數(shù)據(jù)信息記錄拍照信息。

利用已飛數(shù)據(jù)進(jìn)行路徑規(guī)劃需要5個(gè)流程,分別是路徑點(diǎn)獲取、路徑點(diǎn)整理、路徑點(diǎn)檢核、多基規(guī)劃和定點(diǎn)復(fù)拍,路徑規(guī)劃流程如圖2所示。

圖2 無人機(jī)自主飛行路徑規(guī)劃流程

a.路徑點(diǎn)獲取。利用搭載北斗高精度定位裝置的無人機(jī)進(jìn)行路徑規(guī)劃,采集無人機(jī)的明顯轉(zhuǎn)彎點(diǎn),作為路徑點(diǎn)的補(bǔ)充,采集連接點(diǎn)、降落點(diǎn)、起飛點(diǎn),為多基規(guī)劃做準(zhǔn)備。

b.路徑點(diǎn)整理。整理記錄的路徑點(diǎn)數(shù)據(jù),刪除距離過近,或偏離度大的點(diǎn)。根據(jù)空間距離以及空間角度,判斷路徑點(diǎn)是否保留。若水平距離小于0.5 m 且高度相等或夾角大于25°且小于45°,則將該點(diǎn)刪除。保證距離較遠(yuǎn)和夾角偏離度較小的點(diǎn)。

c.路徑點(diǎn)校核。選取部分測點(diǎn)進(jìn)行校核,進(jìn)行實(shí)地飛行和測量,確保采集的路徑點(diǎn)位置正確。計(jì)算所有點(diǎn)的相對位置關(guān)系,確保路徑點(diǎn)相對位置關(guān)系正確。添加路徑點(diǎn)說明,為細(xì)粒度識(shí)別提供基礎(chǔ)信息。

d.多基規(guī)劃。設(shè)置算法,將多基桿塔的連接點(diǎn)順次相連。連接點(diǎn)是指在單基塔巡檢路徑中互相通視的點(diǎn),利用連接點(diǎn)可將單基桿塔的巡檢路線連接起來形成多基桿塔的整體巡檢路線,將多基桿塔之間的起飛點(diǎn)和降落點(diǎn)略過。

2.2 基于關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)的路徑規(guī)劃算法

在路徑規(guī)劃階段,為了提高自主巡檢路徑規(guī)劃的靈活度,本方案結(jié)合路徑采集方案提出了基于關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)的無人機(jī)配電線路巡檢路徑規(guī)劃及自主巡檢方法中路徑規(guī)劃算法,算法流程如圖3所示。

圖3 基于關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)的路徑規(guī)劃算法流程

確定需要進(jìn)行路徑規(guī)劃的基桿塔,判定用戶所選擇桿塔的集合種類。設(shè)定A 為連續(xù)選擇桿塔,B為桿塔之間跨度在兩基桿塔以內(nèi),C 為桿塔之間跨度超過兩基桿塔。根據(jù)桿塔間跨度選擇相應(yīng)模式下的無人機(jī)路徑規(guī)劃飛行模式。若桿塔集合種類為A,則略去1,2,3,4,…,n-1基桿塔(n為巡檢桿塔數(shù))的降落點(diǎn),將1號(hào)桿塔的后序連接點(diǎn)與2號(hào)桿塔的前序連接點(diǎn)相連以此類推直至n號(hào)桿塔的后序連接點(diǎn),最后降落到n號(hào)桿塔的降落點(diǎn)上。

若桿塔集合種類為B,補(bǔ)全中間缺失的桿塔后,按照連續(xù)桿塔的路徑規(guī)劃算法進(jìn)行路徑規(guī)劃后,將缺失桿塔的路徑點(diǎn)上動(dòng)作全部刪除,直接飛過,以保證無人機(jī)自主巡檢的路徑安全可控。

若桿塔集合種類為C,為了節(jié)約燃料,選擇兩基桿塔離地面最高點(diǎn)上方15 m 作為前后序連接點(diǎn),然后順次連接前后桿塔的前后序號(hào)連接點(diǎn)。

a.重新計(jì)算路徑點(diǎn)高程。由于自主飛行時(shí)路徑點(diǎn)的高度是相對起飛點(diǎn)的高度,所以需要對路徑點(diǎn)的高程進(jìn)行重新計(jì)算,如公式(1)

式中:h為相對高度,H為地面高度。

b.計(jì)算總的飛行距離。

將規(guī)劃的路徑點(diǎn)序列(B,L,H)投影到高斯平面的(x,y,h)。

計(jì)算總的水平飛行路徑,如式(2)

計(jì)算總的爬升及降落距離,如式(3)

c.計(jì)算總的飛行時(shí)間。水平飛行的總時(shí)間按照8 m/s的速度估計(jì),則水平飛行時(shí)間如式(4)

d.爬升及降落速度按照2 m/s的速度估計(jì),則爬升飛行時(shí)間如式(5)

e.計(jì)算總的飛行時(shí)間,如式(6)

f.根據(jù)飛行總時(shí)間、總路程和無人機(jī)飛行能力對路徑合理性進(jìn)行判斷。

圖4為采用基于關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)的路徑規(guī)劃算法對雄安新區(qū)某條配電線路進(jìn)行路徑建模的實(shí)例,由圖可知采用該算法取得了較高的路徑規(guī)劃精度,滿足無人機(jī)自主巡檢要求。

圖4 基于關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)的路徑規(guī)劃算法的路徑規(guī)劃實(shí)例

3 無人機(jī)自主巡檢

3.1 任務(wù)執(zhí)行

巡檢任務(wù)執(zhí)行過程中,依托自主巡檢控制方案與安全策略,巡檢人員只需攜帶無人機(jī)到達(dá)現(xiàn)場,由云端下載自動(dòng)生成的巡檢路徑到巡檢控制端,點(diǎn)擊“起飛”按鈕,即可完成對目標(biāo)線路的巡檢工作。結(jié)合站點(diǎn)式自動(dòng)機(jī)場,按照設(shè)定的周期和對象執(zhí)行自主起飛、巡檢、拍照并回傳管控平臺(tái),實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在配電網(wǎng)線路的自主巡檢。

3.2 結(jié)果處理

根據(jù)電力巡檢任務(wù)關(guān)鍵信息(線路名稱、桿塔編號(hào)等),結(jié)合無人機(jī)巡視飛行中高精度差分坐標(biāo),檢索匹配巡檢設(shè)備的ID 及臺(tái)賬屬性,實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主巡檢缺陷與設(shè)備屬性匹配,構(gòu)建了基于地理信息空間信息的巡檢成果管理體系和基于高精度復(fù)拍影像的缺陷識(shí)別方法。

在巡檢管理方面,開發(fā)巡檢成果自動(dòng)整理命名工具,該工具通過讀取成果照片內(nèi)部的EXIF信息,與配電電桿坐標(biāo)進(jìn)行對比,自動(dòng)對成果圖片進(jìn)行命名,分文件夾儲(chǔ)存,提高了巡檢成果整理的準(zhǔn)確性和便捷性。

4 應(yīng)用效果

4.1 常規(guī)巡視

通過無人機(jī)對射擊場553線路進(jìn)行自主巡檢。將整片區(qū)域分為28段自主巡檢路徑,采用自主飛行僅耗時(shí)3 h完成巡檢。共發(fā)現(xiàn)缺陷22處,其中嚴(yán)重缺陷1處。發(fā)現(xiàn)最多的為線箍缺失松動(dòng)類缺陷,該類缺陷在地面很難發(fā)現(xiàn),未及時(shí)發(fā)現(xiàn)治理極易造成導(dǎo)線脫落引發(fā)接地故障,缺陷圖片見圖5。

圖5 避雷器引線斷開和抱箍松動(dòng)缺陷

4.2 淀區(qū)線路特巡

通過無人機(jī)對南街541線路淀區(qū)內(nèi)桿塔進(jìn)行無人機(jī)自主巡檢,該段線路為防汛保電線路,本次共巡檢線路約1.5 km、13基桿塔,發(fā)現(xiàn)一般缺陷5處。無人機(jī)巡檢避免員工涉水作業(yè),減少租船的費(fèi)用,使淀區(qū)線路巡視更加方便、快捷、高效和安全。淀區(qū)線路巡視和缺陷圖片見圖6。

圖6 淀區(qū)線路巡視和缺陷

4.3 外破高發(fā)區(qū)特巡

政府建設(shè)施工項(xiàng)目全面開工,現(xiàn)有大量配電網(wǎng)線路處于施工區(qū)域內(nèi),施工區(qū)域內(nèi)圍欄縱橫、溝壑交錯(cuò)增加了人工巡視難度和危險(xiǎn)性。通過無人機(jī)對東照562線施工作業(yè)區(qū)域線路開展巡視,規(guī)劃路徑12.4 km,共發(fā)現(xiàn)缺陷13處,外破隱患點(diǎn)3處。通過無人機(jī)只需30 min可以完成巡視工作,大大提升巡檢效率,減少巡視人員的工作強(qiáng)度和巡視過程中安全風(fēng)險(xiǎn)。施工區(qū)域線路無人機(jī)巡檢照片見圖7。

圖7 施工區(qū)域線路無人機(jī)巡檢照片

5 結(jié)束語

配電網(wǎng)架空線路無人機(jī)自主巡檢已在雄安新區(qū)配電網(wǎng)巡檢、現(xiàn)場勘查、重大活動(dòng)保電等工作中得到了實(shí)際應(yīng)用,無人機(jī)自主巡檢代替人工巡檢,每千米巡檢時(shí)間只需要3～5 min,相對于人工巡檢效率提升了10倍以上;無人機(jī)巡檢是從桿塔上方觀察設(shè)備,相比于地面人工巡檢,可查出諸如瓷瓶綁線抱箍松動(dòng)、瓷瓶損壞等缺陷,巡檢視頻及照片可以存檔隨時(shí)查看,為線路安全運(yùn)行提供了重要保障。