立体化智能电力系统巡检平台关键技术研究

于培永，张慧琳，郭志刚，郑文雷，李俊州

（1.国网黑龙江省电力有限公司 检修公司，黑龙江 哈尔滨 150090；2.国网黑龙江省电力有限公司，黑龙江 哈尔滨 150090）

随着社会经济的不断发展，电力系统正朝着高电压、大容量、高智能的方向发展，传统的人工电力巡检方式已经无法适应电力系统的发展要求。新型的电力系统智能巡检平台集成了机器人技术、视频采集技术、光谱分析技术、大数据技术等多项先进的技术，能够对整个电力系统进行全方位、多角度、多功能的智能电力巡检，最大限度保证电力系统的安全、稳定、可靠运行，提高电力巡检的工作效率。立体化智能电力系统巡检平台为电力系统持续不断向工业生产和日常生活供电提供技术保障。

1 巡检平台功能需求分析

随着电力系统复杂程度的不断提升，与其相对应的电力巡检技术也需要实现更强大、更多样的功能，具体分析该平台的功能需求主要包括：

（1）“五遥”功能性：需要对输配电线路、电力电子设备等进行遥视、遥控、遥调、遥测、遥信，即五遥功能；

（2）主动监控性：智能巡检平台能够实现从传统的被动监视向主动防御监控转变，以保证巡检平台具备主动检测跟踪目标、智能管理、主动干预等功能，可以通过智能控制进行远程视频监控、视频数据存储、检索、回放，远程联动警告等多种功能；

（3）光谱分析功能：该平台集成了光谱检测单元，具备了提取光谱特征和空间图像信息的能力，能够对输配电线路、电力电子设备的温度状况进行实时监控分析，一旦温度出现异常变化会进行预警；

（4）功能整合性：为了提高巡检平台的推广性，保证该巡检平台能够适用于不同的电力系统，与电力系统中的其他辅助性平台进行高效的功能整合；

（5）功能扩展性：巡检平台必须采用模块化设计，各个功能模块需要以实际需求进行配置，硬件接口也要提前进行预留；软件部分同样需要预留集成接口，便于进行功能添加。

2 巡检平台架构

该巡检平台将多种智能化设备进行了集成，能够实现远程视频巡检、机器人远程作业、光谱检测分析、火情远程监测等。在电力系统的巡检区域内的高、中、低多个位置合理布置视频图像采集装置，实现对巡检区域的全范围、无死角覆盖，视频图像数据以及平台中其他数据采集装置采集到的数据回传到主控单元进行数据分析，完成视频巡检、光谱检测分析、火情远程监测等功能，部分可由电力巡检机器人完成的作业任务，可以远程操作电力巡检机器人来执行。

3 巡检平台关键技术

该立体化智能巡检平台采用了多种先进的智能化技术，具体来说包括了：智能机器人技术、视频成像技术、光谱分析技术、云计算技术。

3.1 智能机器人技术

巡检平台所集成的智能机器人搭载有高清红外视频摄像头，该机器人能够按照预先设定好的巡检路线执行电力巡检作业，通过高清红外视频摄像头智能机器人，其结构主要包括了主控单元、位置传感器、脉冲编码器、高清红外视频摄像头、步进电机、数据传输单元等，其硬件组成如图1所示。

图1 智能机器人硬件结构图Fig.1 Hardware structure diagram of intelligent robot

智能机器人通过数据传输与主控单元进行信息交互，主控单元能够实时显示智能机器人的工作状态，以及智能机器人实时采集的动态数据。位置传感器采集机器人实时位置信息，用于实时定位；步进电机从主控单元接收控制命令，驱动智能机器人运行，进行多个区域的电力巡检作业；机器人上搭载有高清红外视频摄像头，实时采集巡检区域内的输配电线路以及电力设备的信息，并将视频数据信息传输到主控单元进行后期处理，以判定被巡检的输配电线路是否正常，巡检区域内是否存在异物、无关人员等，巡检区域内作业人员是否按规定进行作业。同时智能机器人也能够从主控单元接收控制命令，完成特定的电力作业任务。智能机器人的图片如图2所示。

图2 智能机器人Fig.2 Intelligent robot

智能机器人的控制软件结构根据具体的控制功能进行划分，具体的功能包括：视频数据采集、位置数据采集、运动控制、数据传输。运动控制模块负责对机器人的运动进行控制，主要包括前进、后退、停止、加速、减速、越障等；视频数据采集模块负责采集巡检区域内部的输配电线路图像信息、电力电子设备图像信息、巡检区域内人员信息、异物信息等；位置数据采集模块负责采集智能机器人的实时位置信息，便于主控单元了解智能机器人的实时位置，调配其到故障位置，进行故障处理作业。

3.2 视频成像技术

电力系统中，普遍采用的是本地及无人值守电力巡检系统，该系统由于受制于巡检区域的照明光线、检测距离、检测速度、成像清晰度等因素，存在一定的视觉盲区，无法对电力系统进行全方位、无死角的全面实时监控。

该立体化智能电力系统巡检平台在视频成像技术上采用普遍应用在军事武器上的像方扫描和积分稳像技术，该项技术能够确保在极短的时间内完成全监控区域内的广角度视频数据采集，并且成像效果不会受到摄像头旋转速度的制约。彻底解决了在进行视频图像扫描过程中原有的监控死角以及图像拖尾模糊现象，保证了视频数据能够完全还原监控现场的实时场景。

软件上算法功能很强大，能够自主识别外界电磁干扰，并且能识别外部环境（例如：日光、降雨、降雪、强风等），通过主控单元对视频成像数据进行运算分析，识别巡检环境中是否存在不应当属于该巡检区域的异物，并通知智能机器人抵达异物所在位置，由智能机器人将异物清除掉；同时能够对闯入到巡检环境中的人员进行跟踪锁定，记录其运动轨迹及行为，辨识是否为电力巡检作业人员，如果是则监控其行为是否满足安全作业准则的具体要求，杜绝违章作业现象的发生，如果不是则立即发出警报将其驱离出电力巡检区域。

3.3 光谱分析技术

光谱分析技术的核心在于光谱特征的提取，在基于光谱特征的具体信息进行后期的图像处理，得到物体的光谱图，在通过光谱图对被测电力电子设备的运行状态及温度情况进行分析，从细微的变化预判出可能出现的结果，从而做出预警。光谱检测技术的基本工作原理就是将光信号合理的分解成为多个窄波段的光信号，其中的每一个窄波段的光信号需要进行单独处理，映射到与其对应的光信号检测器上，再将检测的结果进行组合，得到基于不同光谱波段的图像集成。在进行分解的时候，要求窄波段尽可能窄，以保证最大限度将光信号细化处理，得到更为细致的光谱波段图像，以便能够更有效的对光信号的特征进行深度提取。

具备光谱信号采集功能的高清红外摄像头通常会布置在电力系统中的高、中、低位置，形成高低错落的布置结构，增加视野的广角。主控单元在进行光谱数据分析的时候，会自主调用对应的算法，进行综合判定，分析算法会自主关联到检测区域，结合检测区域的实际情况展开分析。能够将当前数据与历史数据进行对比，从而判断电力电子设备是否处于不正常的运行状态，不正常的具体位置等。

电力电子设备的火灾通常都是源自基于电力电子设备的温度过高，电力电子设备温度的变化是一个逐渐变化的过程。一般的火情检测技术都是在火情发生后才会做出反应进行报警，无法对火情进行预判，采用了光谱分析技术后，由于能对巡检区域各个位置的温升数据进行实时分析，得到精确地设备表层的热力场分布，以及由热传导引发的设备外表面细微变化，可以在火情发生之前就对其进行准确的预警，从而为分析判断电气火情发生提供数据支撑。

3.4 云计算技术

云计算技术安全可靠，扩展灵活，数据处理能力很强，能够充分利用数据处理设备。在巡检平台中，主要由主控单元完成数据运算，视频成像设备、光谱数据采集设备、智能机器人等，也会承担一部分数据处理任务，这样就将数据处理任务合理的分散了开来，能够保证硬件资源的充分利用，数据运算的效率也大幅度提高，也减少了不必要的数据通信，使得整个巡检平台的工作效率得到了显著的提高。

例如，通过主控单元向智能机器人下达控制命令后，智能机器人就能够自主进行工作，根据障碍跨越模型完成运算，实现跨越障碍任务，自己运算跨越障碍物时需要执行的动作，以及执行的顺序。其运动学方程如式（1）所示：

式（1）中：、、、分别为两个旋转变量和两个伸缩关节变量。对式（1）求导数则可以得到智能机器人的雅可比矩阵方程如式（2）所示：

4 平台运用实例

平台中的视频采集设备，例如固定式高清红外摄像头、智能机器人搭载的高清红外摄像头，合理布置在电力系统的巡检区域内，既有布置在较高位置处的，也有布置在较低位置处，全部的摄像头都能够自由旋转，能够进行全方位视频覆盖，实现对电力系统的立体式巡检，如图3所示。

图3 立体巡检模式Fig.3 Three-dimensional patrol inspection mode

平台基于高清红外摄像头对电力电子设备的温度进行采集，通过热成像技术对数据进行处理，得到最后的红外热成像图，如图4所示为输配电线路红外热成像图。

图4 输配电线路红外热成像图Fig.4 Infrared thermal imaging map of the power transmission and distribution lines

从热成像图中可以清晰地观察到输配电线路不同位置的温度分布情况，将此设备的红外热成像图与标准的红外热成像图进行对比研究就能够对输配电线路进行运行状态分析、判定输配电线路是否处于正常运行状态，如果输配电线路处于故障状态，则会直接给出故障存在的位置以及故障类型。

5 结语

本文所介绍的立体化智能电力巡检平台采用了多项先进的智能技术，智能机器人技术、视频成像技术、光谱分析技术、云计算技术等。能够对电力系统的巡检区域进行立体化、多角度、全方位的巡检，将多种先进的智能设备有机的融合在一起，构成一个功能强大的整体。实现电力巡检效率的提高，保证电力系统安全、稳定、可靠运行。