基于无人机的电力线路安全巡检系统设计

蒋 钰，何 强，宋 治，孙 睿，陈 翔

(1.国网山西省电力公司长治供电公司，山西 长治 046000；2.武汉傲睿尔科技有限公司，湖北 武汉 430000)

0 引言

电力线路是电力企业输电与供电的关键设施，其巡检效果对电网的安全稳定运行有着重要影响。电力线路巡检工作包含了电缆线路、电杆、电缆隧道、导线、照明设施、电线接头、防火封堵、电缆标牌、消防防汛设施等众多设备或设施的检查项目，通过相关的巡查，可以确保电力线路的安全运行，预防发生事故，进一步提高电力传输的稳定性。

传统的电力线路安全巡检以人工检查为主，专业能力不足、责任心不够均会导致隐患无法被发现，影响输电安全。此外，电杆是电力线路中关键的巡检设备，而传统的人工巡检方式无法实现对电杆的全部检测，很难保证巡检的质量[1]。因此，针对传统人工巡检的缺陷，通过设计无人机电力线路安全巡检系统，以提高巡检质量，提升电力线路安全供电水平。

1 系统硬件设计

1.1 数模转换器

数模转换器(digital to analog converter，DAC)是具有高频处理单元的硬件设备将无人机摄像模块采集到的图像与视频通过AMKL 接口初次处理后传输至DAC 转换器中，利用FGHK 进行信号调节转换成数据信号，便于系统的接收与录入。

考虑到无人机的实际应用，将DAC 转换器转换数据与无人机数据传输进行融合，对图像或视频进行二次处理：首先将图像数据转化成中频信号，通过改变射频信号的布局，实现图像与视频信号的转变；其次将中频信号转化成高频信号，保证了数据的传输效果；最后通过AD9957 接口，将高频信号转化成基带数据，从而在无人机电力线路安全巡检系统中还原出电力线路巡检过程中的图像和视频。由于电力线路时常出现变频情况，在确保无人机安全使用的前提下，将220 kV 作为参考电压，DAC 转换器中数据转换模数设置为24 bits，以实现DAC 转换器500 MSPS 的采样转换率，保证系统对电力线路安全的实时监控。

1.2 ADIRF 芯片

ADIRF 芯片主要为DAC 转换器服务，其信号频率设置在140 MHz～12 GHz 范围，信号宽带的范围保持在400 kHz～112 MHz 的区间内。

ADIRF 芯片内部设计有多条链路，其中MX与MN 链路为最关键[2]：MX 链路具有接收DAC转换器信号的功能；MN 链路具有较强的采样频率，可有效保证图像数据转换信号的精准度。除此之外，ADIRF 芯片CPU 选择为双核64 GHz，可以最大限度地保证芯片的图像处理与图像接收能力。在ADIRF 芯片正常运行时，ADIRF 芯片 拥 有ADIRF-12，ADIRF-22，ADIRF-33，ADIRF-44，ADIRF-55 等5 个 控 制 接 口 方 式，每一个接口均存在通往DAC 转换器的链路，在SIO 管 脚 的 配 置 下，ADIRF-12，ADIRF-22，ADIRF-33，ADIRF-44，ADIRF-55 等5 个控制接口可以随意转换工作状态，每个接口之间存在交互功能，当其中一个接口发生故障时，其他接口均可以作为备用接口，辅助ADIRF 芯片的运行，最大限度地保证系统可以正常使用。

2 软件设计

2.1 需求分析

电力线路的正常运行是电力企业的主要任务，随着科技的进步，人工巡检系统已不再适应当前巡检任务需求。因此，基于无人机应用设计了电力线路安全巡检系统，增加了网络化、信息化、智能化等相关内容，为电力线路的安全运行提供条件[3]。

2.2 流程设计

基本流程如下：首先，设定出巡检路线，对人工很难到达的区域进行检查；其次，在无人机上安装摄像模块，并将该装置与系统进行网络连接，将无人机飞行区域的图像或视频传输至系统中，实现巡检数据的保存；最后，将无人机传回的图像与视频通过DAC 转换器转换成系统可分析的数据信号，并将所有电力线路数据进行汇总、分析。

2.3 巡检数据采集

电力线路是由多个设备或设施共同组成，而巡检的重点目标主要为导线、电杆、电缆隧道等，因此，巡检数据采集以上述设备或设施为主。

电杆巡检数据以电杆变形数据为主，如果出现电杆变形，需提醒及时处理；电缆隧道数据以积水、积冰、杂物情况为主，需提醒及时清理以降低设备腐蚀；导线与电线作为电力传输的关键设备，其发热情况关系到电力是否可以安全传输；防火封堵与消防防汛设施是电力线路的预防设施，采集防火封堵与消防防汛设施的数据，有利于系统进一步分析电力线路的状态，综合提高电力线路的巡检效果。

2.4 电力线路故障探测

系统基于无人机应用设计了电力线路故障探测模块，其可通过两方面探测电力线路故障：一方面是物理探测，通过高清摄像模块对电力线路情况进行录制或拍照，将所得图像或视频上传至系统中，由专业人员进行综合分析[4]；另一方面通过激光雷达对电力线路及周围环境进行精准探测，系统可以通过无人机的飞行路径，对电力线路进行故障阈值检测，见公式(1)。

式中，γm为电力线路故障检测阈值；N1与N2为故障点的阈值；N0为电力线路标准阈值。

如果监测出来的阈值在标准范围内，则说明电力线路运行状态良好；反之则需要加强电力线路的维护。

2.5 人机交互

为安全地巡检电力线路，对电力线路的巡检项目进行数据统计，并将相关数据输入至系统，通过将无人机数据与标准数据进行对比，可以直接显示出此时电力线路的运行情况。此外，系统有着良好、直观的人机交互界面，在系统登录后，直接进入无人机采集的图像界面，并支持数据、文字、图像等多种媒体表现形式，通过系统、无人机与操作人员之间的互动，可以最大限度地获取到线路的巡检情况，及时发现隐患，进一步保证系统对电力线路的安全巡检能力。

3 系统测试

3.1 测试过程

(1) 硬件调试。系统使用B/S 结构开发，操作系统Windows xx mx，工具为BorlanC++Builder，BorlanDelphi，BorlanJBuilder，PowerBuilder，Eclipse 等，控制接口选择：ADIRF-12，ADIRF-22，ADIRF-33，ADIRF-44，ADIRF-55，硬盘1 500 G，内存8 G。相关参数应提前与无人机进行适配，确保线路安全巡检系统和无人机硬件具有较好的适应性。

(2) 软件调试。首先，对用户进行登记并分级授权，分别配置专用密码，保证系统的安全使用，分析系统的功能性需求，调整划分界面功能；其次，将无人机采集到的数据通过DAC 转换器进行处理，为系统提供电力线路的实时监控；最后，调试系统的故障探测模块，使得系统能够实时接收到电力线路巡检的数据。此时，会出现系统的登录界面，通过输入用户名与密码登录系统，即可浏览电力线路安全巡检的全过程。

3.2 测试结果

在上述测试环境下，选取电缆线路、电杆、电缆隧道、导线、照明设施、电线接头、防火封堵、电缆标牌和消防防汛设施等电力线路安全巡检中的巡检项目进行测试，测试结果见表1。

表1 测试结果

测试结果表明：电力线路安全巡检系统可以精准地探查电力线路中存在的问题，并与实际检查结果一致。

4 结束语

随着社会的发展，家家户户均离不开电力供应，其为人们的生活提供了便利。电力线路作为保证社会供电的基础设施，其巡检能力至关重要。传统的电力线路安全巡检系统中，以人工巡检方式为主，容易发生巡检失误或不可到达的情况，造成运行隐患无法被发现。基于无人机技术采集电力线路的图像与视频，传输至电力线路安全巡检系统中，再利用DAC 转换器将图像数据进行转换、分析与辨别，实现了电力线路巡检的安全性与精准性，为电力事业的进一步发展提供支撑。