基于北斗導航技術(shù)的配電線路智能巡檢系統(tǒng)

魏友金 陳世群 李逸源 楊運楠

關(guān)鍵詞：北斗導航技術(shù)；坐標轉(zhuǎn)換；導航數(shù)據(jù)；巡檢系統(tǒng)；配電線路

1引言

巡檢是每個電力企業(yè)市場運營中不可忽略的一個主要工作環(huán)節(jié)，由于配電線路較長，且配電線路在電網(wǎng)中的分布較為廣泛[1]。為最大限度地減少配電線路事故，保證配電管線和電力設(shè)備的安全運行，巡檢人員需要做好對配電線路的安全巡視。根據(jù)相關(guān)工作的實際情況，對電力管線和輸電設(shè)備的運行情況進行檢查與記錄，以保證電力企業(yè)在市場內(nèi)的穩(wěn)定、規(guī)范運營。但在電力企業(yè)相關(guān)工作的研究中發(fā)現(xiàn)，此人工巡視模式在實際中的應(yīng)用效果十分不理想[2]。由于配電線路管線太長、巡檢環(huán)境不佳，導致巡檢人員難以集中注意力檢查管線、設(shè)備運行狀況，在工作中極易出現(xiàn)漏檢、誤檢等問題。同時，由于巡檢技術(shù)人員無法及時獲得配電線路維修資料，導致巡檢中的故障與異常無法得到有效排除。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，造成配電線路故障、損壞的主要原因是日常巡查工作疏忽。隨著配電線路越來越復雜、覆蓋范圍越來越廣，常規(guī)的配電線路巡檢方法已不能滿足電力公司的現(xiàn)代化發(fā)展要求。為了保證配電線路的安全，必須盡快建立完善、科學的監(jiān)測和維護體系，因此，本文引進北斗導航技術(shù)，設(shè)計了一種針對配電線路的全新智能巡檢系統(tǒng)，旨在通過此設(shè)計，加強配電線路的管理，以保障電力設(shè)備設(shè)施的安全運行。

2系統(tǒng)架構(gòu)

為充分發(fā)揮智能巡檢系統(tǒng)的價值，在開展相關(guān)研究前，參照IMS系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計智能巡檢系統(tǒng)架構(gòu)，并根據(jù)配電線路管理系統(tǒng)架構(gòu)。該系統(tǒng)主要由前端設(shè)備與后臺管理2個模塊構(gòu)成，其中后臺管理以瀏覽器／服務(wù)器為支撐[3]。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

在智能巡檢的過程中，技術(shù)人員需要攜帶手持式北斗導航設(shè)備巡視線路，并將故障信息錄入管理機。返回后，移動設(shè)備通過USB和串口與管理員（用戶瀏覽終端）進行通信，而用戶瀏覽終端則利用IP協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交互，由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進行數(shù)據(jù)傳輸，完成移動設(shè)備與后臺管理之間的數(shù)據(jù)交互和查詢。后臺管理也可與已有的MIS等電力信息管理終端進行聯(lián)網(wǎng)，通過局域網(wǎng)或遠程通信的方式實現(xiàn)信息交流。

3北斗導航定位終端設(shè)計

為實現(xiàn)對配電線路的智能巡檢，設(shè)計系統(tǒng)軟件功能前，選型手持式北斗導航設(shè)備[4]。相關(guān)內(nèi)容如表1所列。

將手持式北斗導航設(shè)備集成在定位終端，在此過程中應(yīng)明確終端設(shè)備的主要功能為對當前位置信息的獲取與反饋。根據(jù)設(shè)計需求，終端由定位設(shè)備、芯片、功能按鍵、藍牙、指示燈、電源等構(gòu)成。終端以STM32F103ZET6芯片為核心，集成為意法半導體公司研制的Cortex-M3核心控制器，此控制器具有高性能、功耗低，以及具備112路增強通用輸入、輸出（ GPIO），能夠在-40℃～85℃范圍內(nèi)與外部設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳送的優(yōu)勢。本次開發(fā)的系統(tǒng)主要解析的指令包括BDGGA和BDRMC，在解析過程中，需要先分析BDRMC中的定位狀態(tài)代碼是否正確，如果有效，即可得到目前的經(jīng)緯度、定位精度、平移速度、高度等必要的信息。最后，利用Transmission 4.0將定位信息傳輸?shù)揭苿佣恕?/p>

4建立導航數(shù)據(jù)模型

導航電子地圖也屬于GIS技術(shù)研究范疇，為實現(xiàn)對配電線路的智能巡檢，完成上述設(shè)計后，在導航電子地圖中提取導航數(shù)據(jù)，建立導航數(shù)據(jù)模型。在此過程中應(yīng)明確導航數(shù)據(jù)有物理格式和交換格式2種格式。利用KIWI格式，對提取的導航數(shù)據(jù)采用縱向分層、橫向分段的方式處理。在數(shù)據(jù)的垂直方向上，按照層次結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)。此時，導航數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和物理存儲器是緊密相連的，通過此種方式，可以在各個層次上快速對數(shù)據(jù)進行參考。在數(shù)據(jù)的水平方向上，采用分段分割的方法，將大量數(shù)據(jù)分解為單獨的數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)塊與數(shù)據(jù)塊的連接。其中，數(shù)據(jù)組織方式如圖2所示。

對多種形式的導航數(shù)據(jù)進行規(guī)范化存儲，集成具有相同特征的導航數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)對導航數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建。

5基于北斗導航技術(shù)的巡檢線路坐標轉(zhuǎn)換

在上述設(shè)計內(nèi)容的基礎(chǔ)上，引進北斗導航技術(shù)，對巡檢線路坐標轉(zhuǎn)換展開設(shè)計。在此過程中，應(yīng)明確通過手持式巡檢終端，可以得到球心坐標系統(tǒng)中的經(jīng)緯坐標，但此部分數(shù)據(jù)由于不能直接利用經(jīng)緯度坐標進行巡檢線路中異常點的定位[5]，因此，在電力工程中，需要將球面的經(jīng)緯坐標投影到墨卡托坐標上，進而更加直接地定位線路異常點。在此過程中，參照等角條件，生成巡檢線路平面坐標，計算式為：式中，x表示巡檢線路平面投影后的橫向坐標：R表示巡檢范圍半徑；B表示坐標維度值；y表示巡檢線路平面投影后的縱向坐標；L表示坐標經(jīng)度值。按照上述方式，實現(xiàn)基于北斗導航技術(shù)的巡檢線路坐標轉(zhuǎn)換。

6巡檢維護終端功能規(guī)劃

完成上述設(shè)計后，對智能巡檢系統(tǒng)進行配電線路維護終端功能的規(guī)劃。在此過程中，需要先設(shè)計系統(tǒng)的配置功能，即增設(shè)系統(tǒng)配置界面，用戶可以根據(jù)其自身需求，自主選擇增加、刪除、修改電力對象信息，包括線路節(jié)點等。同時，配置系統(tǒng)實時監(jiān)控功能，北斗衛(wèi)星具有快速定位的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)對移動目標的實時定位與反饋。反饋過程中，監(jiān)測中心可以建立與手機用戶的雙向通信，也可以進行廣播消息的發(fā)布，移動對象可以通過終端向監(jiān)測中心反饋報告信息。

為進一步優(yōu)化巡檢系統(tǒng)的功能，并提供用戶對巡檢線路地圖的視圖功能，包括通過各種技術(shù)手段與方式對圖像進行縮放處理、漫游、全幅顯示與鷹眼處理等。同時，提供用戶端多種角度的觀測視角，以便對觀測區(qū)域內(nèi)負載終端地理位置進行管理。通過上述方式，實現(xiàn)對巡檢維護終端功能的規(guī)劃與部署。

7對比實驗

完成上述設(shè)計后，為實現(xiàn)對巡檢系統(tǒng)在實際應(yīng)用中效果的測試，選用RMSDU173型號高存儲便攜式計算機，搭建對比實驗環(huán)境。環(huán)境參數(shù)如表2所列。

完成上述配置后，將本文系統(tǒng)集成在測試環(huán)境中。使用設(shè)計的系統(tǒng)進行配電線路的智能巡檢。在巡檢過程中，需要先建立導航數(shù)據(jù)與巡檢設(shè)施數(shù)據(jù)模型，在此基礎(chǔ)上，引進北斗導航技術(shù)，并根據(jù)巡檢作業(yè)環(huán)境，進行巡檢線路坐標的轉(zhuǎn)換，通過對巡檢維護終端功能的規(guī)劃，完成對巡檢系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。

在此基礎(chǔ)上，引進基于IED和SCD的巡檢系統(tǒng)與基于圖像識別技術(shù)的巡檢系統(tǒng)，將其作為對照組系統(tǒng)1與對照組系統(tǒng)2，使用本文系統(tǒng)與對照組系統(tǒng)對配電線路進行智能巡檢。統(tǒng)計系統(tǒng)在巡檢過程中對線路異常點的定位精度，在統(tǒng)計過程中，由智能巡檢系統(tǒng)進行配電線路異常點的定位，利用通信傳輸鏈路反饋巡檢定位結(jié)果后，安排巡檢人員在現(xiàn)場進行異常點的人工定位，計算人工巡檢定位結(jié)果與智能巡檢系統(tǒng)定位結(jié)果的偏差，統(tǒng)計不同定位偏差的信息條數(shù)，將其作為對比實驗的最終結(jié)果，統(tǒng)計結(jié)果如表3所列。

從表3所列的實驗結(jié)果可以看出，3種智能巡檢系統(tǒng)中，只有本文系統(tǒng)在巡檢過程中可以實現(xiàn)無>10m的定位偏差，即所有的巡檢定位偏差均<5m，而對照組系統(tǒng)1與對照組系統(tǒng)2的巡檢定位偏差較大。在此基礎(chǔ)上，對表3數(shù)據(jù)進行分析可以看出，對照組系統(tǒng)2的定位數(shù)據(jù)缺失171條，說明系統(tǒng)在巡檢過程中存在反饋數(shù)據(jù)丟失的問題。因此，在完成上述實驗后，綜合實驗結(jié)果，得到如下結(jié)論：相較于傳統(tǒng)系統(tǒng)，本文開發(fā)的基于北斗導航技術(shù)的系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的效果良好，該系統(tǒng)可以有效控制配電線路智能巡檢定位結(jié)果偏差。

8結(jié)束語

本文通過建立導航數(shù)據(jù)模型、基于北斗導航技術(shù)的巡檢線路坐標轉(zhuǎn)換、巡檢維護終端功能規(guī)劃，完成了配電線路智能巡檢系統(tǒng)的設(shè)計。設(shè)計的系統(tǒng)在通過測試后證明了該系統(tǒng)可以有效控制配電線路智能巡檢定位結(jié)果偏差，從而提高線路智能巡檢精度。