立體化智能電力系統(tǒng)巡檢平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究

于培勇　張慧琳　郭志剛　鄭文雷　李俊州

摘 要：電能作為能量來源的重要組成部分，直接關(guān)系到社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，保證電能供應(yīng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。因此需要對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)巡檢，以保證電力系統(tǒng)工作在最優(yōu)的狀態(tài)，持續(xù)不斷提供優(yōu)質(zhì)電能。立體化智能電力巡檢平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)巡檢區(qū)域的多角度、全方位覆蓋，對(duì)電力系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)巡檢，該平臺(tái)運(yùn)用了智能機(jī)器人技術(shù)、視頻采集技術(shù)、光譜分析技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的智能化、立體化巡檢，完全取代了傳統(tǒng)的人工巡檢方式，大大提高了電力巡檢的作業(yè)效率。該立體化智能電力巡檢平臺(tái)的應(yīng)用對(duì)于國家大力推進(jìn)的智能電網(wǎng)建設(shè)，具有促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：智能;電力系統(tǒng);巡檢

中圖分類號(hào)：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2022）05-0122-04

Research on key technologies of three-dimensional intelligent power system inspection platform

Abstract： As an important part of the energy source， electric energy is directly related to the development of the society and economy， and it is crucial to ensure the stability of electric energy supply. Therefore， it is necessary to carry out routine inspection of the electric power system to ensure that the electric power system works in the optimal state and continuously provides high-quality electric energy. The three-dimensional intelligent power inspection platform can realize multi-angle and all-round coverage of the inspection area and carry out systematic inspection of the working status of the power system. The platform uses intelligent robot technology， video acquisition technology， spectral analysis technology， big data technology and other advanced technologies to realize intelligent， three-dimensional inspection of the power system， which completely replaces the traditional manual inspection mode and greatly improves the operational efficiency of power inspection. The application of this three-dimensional intelligent power inspection platform has a promotional role for the smart grid construction which is vigorously promoted by the country.

Key words： smart;power systems;inspection

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)正朝著高電壓、大容量、高智能的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的人工電力巡檢方式已經(jīng)無法適應(yīng)電力系統(tǒng)的發(fā)展要求[1-2]。新型的電力系統(tǒng)智能巡檢平臺(tái)集成了機(jī)器人技術(shù)、視頻采集技術(shù)、光譜分析技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等多項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)，能夠?qū)φ麄€(gè)電力系統(tǒng)進(jìn)行全方位、多角度、多功能的智能電力巡檢，最大限度保證電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，提高電力巡檢的工作效率[3-4]。立體化智能電力系統(tǒng)巡檢平臺(tái)為電力系統(tǒng)持續(xù)不斷向工業(yè)生產(chǎn)和日常生活供電提供技術(shù)保障[5]。

1 巡檢平臺(tái)功能需求分析

隨著電力系統(tǒng)復(fù)雜程度的不斷提升，與其相對(duì)應(yīng)的電力巡檢技術(shù)也需要實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大、更多樣的功能[6]，具體分析該平臺(tái)的功能需求主要包括：

（1）“五遙”功能性：需要對(duì)輸配電線路、電力電子設(shè)備等進(jìn)行遙視、遙控、遙調(diào)、遙測、遙信，即五遙功能;

（2）主動(dòng)監(jiān)控性：智能巡檢平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)從傳統(tǒng)的被動(dòng)監(jiān)視向主動(dòng)防御監(jiān)控轉(zhuǎn)變，以保證巡檢平臺(tái)具備主動(dòng)檢測跟蹤目標(biāo)、智能管理、主動(dòng)干預(yù)等功能，可以通過智能控制進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、檢索、回放，遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)警告等多種功能[7];

（3）光譜分析功能：該平臺(tái)集成了光譜檢測單元，具備了提取光譜特征和空間圖像信息的能力，能夠?qū)斉潆娋€路、電力電子設(shè)備的溫度狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控分析，一旦溫度出現(xiàn)異常變化會(huì)進(jìn)行預(yù)警;

（4）功能整合性：為了提高巡檢平臺(tái)的推廣性，保證該巡檢平臺(tái)能夠適用于不同的電力系統(tǒng)，與電力系統(tǒng)中的其他輔助性平臺(tái)進(jìn)行高效的功能整合;

（5）功能擴(kuò)展性：巡檢平臺(tái)必須采用模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)功能模塊需要以實(shí)際需求進(jìn)行配置，硬件接口也要提前進(jìn)行預(yù)留;軟件部分同樣需要預(yù)留集成接口，便于進(jìn)行功能添加。

2 巡檢平臺(tái)架構(gòu)

該巡檢平臺(tái)將多種智能化設(shè)備進(jìn)行了集成，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程視頻巡檢、機(jī)器人遠(yuǎn)程作業(yè)、光譜檢測分析、火情遠(yuǎn)程監(jiān)測等[8-9]。在電力系統(tǒng)的巡檢區(qū)域內(nèi)的高、中、低多個(gè)位置合理布置視頻圖像采集裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢區(qū)域的全范圍、無死角覆蓋，視頻圖像數(shù)據(jù)以及平臺(tái)中其他數(shù)據(jù)采集裝置采集到的數(shù)據(jù)回傳到主控單元進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，完成視頻巡檢、光譜檢測分析、火情遠(yuǎn)程監(jiān)測等功能，部分可由電力巡檢機(jī)器人完成的作業(yè)任務(wù)，可以遠(yuǎn)程操作電力巡檢機(jī)器人來執(zhí)行[10]。

3 巡檢平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

該立體化智能巡檢平臺(tái)采用了多種先進(jìn)的智能化技術(shù)，具體來說包括了：智能機(jī)器人技術(shù)、視頻成像技術(shù)、光譜分析技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)[11]。

3.1 智能機(jī)器人技術(shù)

巡檢平臺(tái)所集成的智能機(jī)器人搭載有高清紅外視頻攝像頭，該機(jī)器人能夠按照預(yù)先設(shè)定好的巡檢路線執(zhí)行電力巡檢作業(yè)，通過高清紅外視頻攝像頭智能機(jī)器人[12-13]，其結(jié)構(gòu)主要包括了主控單元、位置傳感器、脈沖編碼器、高清紅外視頻攝像頭、步進(jìn)電機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸單元等，其硬件組成如圖1所示。

智能機(jī)器人通過數(shù)據(jù)傳輸與主控單元進(jìn)行信息交互，主控單元能夠?qū)崟r(shí)顯示智能機(jī)器人的工作狀態(tài)，以及智能機(jī)器人實(shí)時(shí)采集的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)[14]。位置傳感器采集機(jī)器人實(shí)時(shí)位置信息，用于實(shí)時(shí)定位;步進(jìn)電機(jī)從主控單元接收控制命令，驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器人運(yùn)行，進(jìn)行多個(gè)區(qū)域的電力巡檢作業(yè);機(jī)器人上搭載有高清紅外視頻攝像頭，實(shí)時(shí)采集巡檢區(qū)域內(nèi)的輸配電線路以及電力設(shè)備的信息，并將視頻數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)街骺貑卧M(jìn)行后期處理，以判定被巡檢的輸配電線路是否正常，巡檢區(qū)域內(nèi)是否存在異物、無關(guān)人員等，巡檢區(qū)域內(nèi)作業(yè)人員是否按規(guī)定進(jìn)行作業(yè)[15]。同時(shí)智能機(jī)器人也能夠從主控單元接收控制命令，完成特定的電力作業(yè)任務(wù)。智能機(jī)器人的圖片如圖2所示。

智能機(jī)器人的控制軟件結(jié)構(gòu)根據(jù)具體的控制功能進(jìn)行劃分，具體的功能包括：視頻數(shù)據(jù)采集、位置數(shù)據(jù)采集、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)傳輸。運(yùn)動(dòng)控制模塊負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，主要包括前進(jìn)、后退、停止、加速、減速、越障等;視頻數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集巡檢區(qū)域內(nèi)部的輸配電線路圖像信息、電力電子設(shè)備圖像信息、巡檢區(qū)域內(nèi)人員信息、異物信息等;位置數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集智能機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置信息，便于主控單元了解智能機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置，調(diào)配其到故障位置，進(jìn)行故障處理作業(yè)。

3.2 視頻成像技術(shù)

電力系統(tǒng)中，普遍采用的是本地及無人值守電力巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)由于受制于巡檢區(qū)域的照明光線、檢測距離、檢測速度、成像清晰度等因素，存在一定的視覺盲區(qū)，無法對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行全方位、無死角的全面實(shí)時(shí)監(jiān)控。

該立體化智能電力系統(tǒng)巡檢平臺(tái)在視頻成像技術(shù)上采用普遍應(yīng)用在軍事武器上的像方掃描和積分穩(wěn)像技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)能夠確保在極短的時(shí)間內(nèi)完成全監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的廣角度視頻數(shù)據(jù)采集，并且成像效果不會(huì)受到攝像頭旋轉(zhuǎn)速度的制約。徹底解決了在進(jìn)行視頻圖像掃描過程中原有的監(jiān)控死角以及圖像拖尾模糊現(xiàn)象，保證了視頻數(shù)據(jù)能夠完全還原監(jiān)控現(xiàn)場的實(shí)時(shí)場景。

軟件上算法功能很強(qiáng)大，能夠自主識(shí)別外界電磁干擾，并且能識(shí)別外部環(huán)境（例如：日光、降雨、降雪、強(qiáng)風(fēng)等），通過主控單元對(duì)視頻成像數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算分析，識(shí)別巡檢環(huán)境中是否存在不應(yīng)當(dāng)屬于該巡檢區(qū)域的異物，并通知智能機(jī)器人抵達(dá)異物所在位置，由智能機(jī)器人將異物清除掉;同時(shí)能夠?qū)﹃J入到巡檢環(huán)境中的人員進(jìn)行跟蹤鎖定，記錄其運(yùn)動(dòng)軌跡及行為，辨識(shí)是否為電力巡檢作業(yè)人員，如果是則監(jiān)控其行為是否滿足安全作業(yè)準(zhǔn)則的具體要求，杜絕違章作業(yè)現(xiàn)象的發(fā)生，如果不是則立即發(fā)出警報(bào)將其驅(qū)離出電力巡檢區(qū)域。

3.3 光譜分析技術(shù)

光譜分析技術(shù)的核心在于光譜特征的提取，在基于光譜特征的具體信息進(jìn)行后期的圖像處理，得到物體的光譜圖，在通過光譜圖對(duì)被測電力電子設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及溫度情況進(jìn)行分析，從細(xì)微的變化預(yù)判出可能出現(xiàn)的結(jié)果，從而做出預(yù)警。光譜檢測技術(shù)的基本工作原理就是將光信號(hào)合理的分解成為多個(gè)窄波段的光信號(hào)，其中的每一個(gè)窄波段的光信號(hào)需要進(jìn)行單獨(dú)處理，映射到與其對(duì)應(yīng)的光信號(hào)檢測器上，再將檢測的結(jié)果進(jìn)行組合，得到基于不同光譜波段的圖像集成。在進(jìn)行分解的時(shí)候，要求窄波段盡可能窄，以保證最大限度將光信號(hào)細(xì)化處理，得到更為細(xì)致的光譜波段圖像，以便能夠更有效的對(duì)光信號(hào)的特征進(jìn)行深度提取。

具備光譜信號(hào)采集功能的高清紅外攝像頭通常會(huì)布置在電力系統(tǒng)中的高、中、低位置，形成高低錯(cuò)落的布置結(jié)構(gòu)，增加視野的廣角。主控單元在進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)分析的時(shí)候，會(huì)自主調(diào)用對(duì)應(yīng)的算法，進(jìn)行綜合判定，分析算法會(huì)自主關(guān)聯(lián)到檢測區(qū)域，結(jié)合檢測區(qū)域的實(shí)際情況展開分析。能夠?qū)?dāng)前數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而判斷電力電子設(shè)備是否處于不正常的運(yùn)行狀態(tài)，不正常的具體位置等。

電力電子設(shè)備的火災(zāi)通常都是源自基于電力電子設(shè)備的溫度過高，電力電子設(shè)備溫度的變化是一個(gè)逐漸變化的過程。一般的火情檢測技術(shù)都是在火情發(fā)生后才會(huì)做出反應(yīng)進(jìn)行報(bào)警，無法對(duì)火情進(jìn)行預(yù)判，采用了光譜分析技術(shù)后，由于能對(duì)巡檢區(qū)域各個(gè)位置的溫升數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，得到精確地設(shè)備表層的熱力場分布，以及由熱傳導(dǎo)引發(fā)的設(shè)備外表面細(xì)微變化，可以在火情發(fā)生之前就對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)警，從而為分析判斷電氣火情發(fā)生提供數(shù)據(jù)支撐。

3.4 云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算技術(shù)安全可靠，擴(kuò)展靈活，數(shù)據(jù)處理能力很強(qiáng)，能夠充分利用數(shù)據(jù)處理設(shè)備。在巡檢平臺(tái)中，主要由主控單元完成數(shù)據(jù)運(yùn)算，視頻成像設(shè)備、光譜數(shù)據(jù)采集設(shè)備、智能機(jī)器人等，也會(huì)承擔(dān)一部分?jǐn)?shù)據(jù)處理任務(wù)，這樣就將數(shù)據(jù)處理任務(wù)合理的分散了開來，能夠保證硬件資源的充分利用，數(shù)據(jù)運(yùn)算的效率也大幅度提高，也減少了不必要的數(shù)據(jù)通信，使得整個(gè)巡檢平臺(tái)的工作效率得到了顯著的提高。

例如，通過主控單元向智能機(jī)器人下達(dá)控制命令后，智能機(jī)器人就能夠自主進(jìn)行工作，根據(jù)障礙跨越模型完成運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)跨越障礙任務(wù)，自己運(yùn)算跨越障礙物時(shí)需要執(zhí)行的動(dòng)作，以及執(zhí)行的順序。其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程如式（1）所示：

式（1）中：θ1、θ4、d3、d2分別為兩個(gè)旋轉(zhuǎn)變量和兩個(gè)伸縮關(guān)節(jié)變量。對(duì)式（1）求導(dǎo)數(shù)則可以得到智能機(jī)器人的雅可比矩陣方程如式（2）所示：

式（2）中：，分別為找線機(jī)械夾持爪末端速度和智能機(jī)器人伸縮關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)速度。

4 平臺(tái)運(yùn)用實(shí)例

平臺(tái)中的視頻采集設(shè)備，例如固定式高清紅外攝像頭、智能機(jī)器人搭載的高清紅外攝像頭，合理布置在電力系統(tǒng)的巡檢區(qū)域內(nèi)，既有布置在較高位置處的，也有布置在較低位置處，全部的攝像頭都能夠自由旋轉(zhuǎn)，能夠進(jìn)行全方位視頻覆蓋，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的立體式巡檢，如圖3所示。

平臺(tái)基于高清紅外攝像頭對(duì)電力電子設(shè)備的溫度進(jìn)行采集，通過熱成像技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到最后的紅外熱成像圖，如圖4所示為輸配電線路紅外熱成像圖。

從熱成像圖中可以清晰地觀察到輸配電線路不同位置的溫度分布情況，將此設(shè)備的紅外熱成像圖與標(biāo)準(zhǔn)的紅外熱成像圖進(jìn)行對(duì)比研究就能夠?qū)斉潆娋€路進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)分析、判定輸配電線路是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)，如果輸配電線路處于故障狀態(tài)，則會(huì)直接給出故障存在的位置以及故障類型。

5 結(jié)語

本文所介紹的立體化智能電力巡檢平臺(tái)采用了多項(xiàng)先進(jìn)的智能技術(shù)，智能機(jī)器人技術(shù)、視頻成像技術(shù)、光譜分析技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等。能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)的巡檢區(qū)域進(jìn)行立體化、多角度、全方位的巡檢，將多種先進(jìn)的智能設(shè)備有機(jī)的融合在一起，構(gòu)成一個(gè)功能強(qiáng)大的整體。實(shí)現(xiàn)電力巡檢效率的提高，保證電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

【參考文獻(xiàn)】

[1]錢金菊，吳功平，彭向陽.架空輸電線路巡檢機(jī)器人風(fēng)載下姿態(tài)檢測及作業(yè)控制技術(shù)[J].廣東電力，2017，30（1）：116-120.

[2]錢平，徐街明，張永，等.變電站巡檢機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)與應(yīng)用功能設(shè)計(jì)[J].電力信息與通信技術(shù)，2017，15（12）：19-24.

[3]徐長福，周廣洋，胡成博，等.紫外成像圖譜參數(shù)量化提取改進(jìn)算法的研究[J].智慧電力，2017，45（11）：52-56.

[4]劉勇，陳海濱，劉方，等.基建現(xiàn)場巡檢無人機(jī)智能感知系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2018，46（15）：155-161.

[5]吳煒，李勃，錢瑛，等.基于人眼視覺特性的變電站圖像清晰化方法[J].電力信息與通信技術(shù)，2017，15（1）：11-17.

[6]鄭欣，楊迎春，宋飛宇，等.高壓輸電設(shè)施巡檢多旋翼無人機(jī)掛載相機(jī)的選用方法[J].電力科學(xué)與工程，2016，32（6）：73-78.

[7]王萬國，張晶晶，韓軍，等.基于無人機(jī)圖像的輸電線斷股與異物缺陷檢測方法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2015，35（8）：2 404-2 408.

[8]唐思華，宋燕伶，陳軍.無線在線監(jiān)測系統(tǒng)在配電自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016，（13）：39-40.

[9]蘇浩溢，賀偉明，吳小勇，等.配電自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)過程中的關(guān)鍵問題及系統(tǒng)運(yùn)行健康度模型[J].智能電網(wǎng)，2014，37（10）：13-18.

[10]趙永強(qiáng).三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在輸電線路運(yùn)檢中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018，15（02）：14-17.

[11]] 肖峰，高正平，朱海峰，等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在輸電線路大跨越高塔組立模擬系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)與清潔能源，2018，13（2）：116-120.

[12]李春燕，王東，張鵬，等.計(jì)及負(fù)荷聚合商調(diào)度優(yōu)先權(quán)的獨(dú)立微網(wǎng)雙層實(shí)時(shí)調(diào)度模型[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2017，41（16）：37-43.

[13]騰云，陳雙，鄧潔清，等.智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)在蘇通GIL綜合管廊工程中的應(yīng)用[J]. 高電壓技術(shù)，2019，11（16）：17-23.

[14]馮正偉，孟憲華，黃浩林，等.變電站智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用提升研究[J].浙江電力，2019，13（6）：11-14.

[15]陳能成，李丹丹，肖長江，等.基于物聯(lián)網(wǎng)GIS的消防智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].地理信息世界，2016，19（13）：31-35.

收稿日期：2021-01-14;修回日期：2022-03-30

作者簡介：于培勇（1977-），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：電氣工程。

基金項(xiàng)目：國網(wǎng)黑龍江科技資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：52140018001Y）。