基于输电线路三维信息的无人机智能巡检技术

班革革 张 雷 沙 鑫 袁晓东 王又祥 姬俊国

(国网河南省电力公司商丘供电公司)

0 引言

我国幅员辽阔, 为了满足人们日益增长的用电需求, 建设了很多的输电线路。为了使电网长期安全稳定运行, 需要做好日常的线路巡检工作。传统人工巡检方式存在着巡检周期长、作业强度大以及部分检修点人力不可达的缺点, 随着科技的不断进步, 电力企业逐渐将无人机智能巡检技术运用到巡检工作中, 改进了巡检工作模式[1], 使输电线路巡检向着经济化、自动化和智能化方向发展。

1 输电线路三维信息无人机智能巡检现状

无人机智能巡检技术是人工远程操控无人机, 对架空输电线路巡视并通过机载传感设备传递信息的巡查和检修的技术。根据无人机机体结构划分, 无人机可分为多旋翼无人机、无人直升机、复合翼无人机和固定翼无人机等几种。目前, 多旋翼无人机凭借可垂直升降、小巧灵活、操作简单、精准悬停的优点广泛应用于高压架空输电线路的巡查和检修中。

无人机智能巡检技术的原理是利用遥感设备检测输电线路运行状态[2]。其中常用的遥感手段有红外线成像、紫外线成像、可见光成像以及激光雷达电能等。其中, 可见光遥感检测用于检测输电线路及附属电力设备的变化和特性, 在巡检工作中应用广泛; 紫外线遥感检测由于成本高, 尚未广泛应用, 主要检测电力设备和输电线路有无发生闪络和电晕现象; 红外遥感检测主要用于检测是否出现过热缺陷现象; 激光雷达检测主要用于定位和测绘地理信息。

在输电线路的巡检过程中, 无人机会拍摄大量的图片信息, 并传递给相关技术人员, 由人工判断和处理, 现有的输电线路无人机还不能做到自动化自主巡检, 还需要一定的人工参与, 而无人机图片智能处理技术已处于研究阶段, 相信不远的将来,无人机可以做到完全自主巡检, 大大提高巡检的效率。

目前, 输电线路三维信息无人机智能巡检的智能化和自动化程度仍不足以满足大规模巡检要求, 相关的技术人员还要对输电线路设计的电力设备、附属配件异常发热检测、线路距离测量等相关技术进行更深入的研究, 不断为实现输电线路三维信息无人机全自主智能巡检的目标提供高效、准确的智能化手段和方式。

2 基于部件的输电线路三维建模技术

2.1 输电线路部件属性信息构建

输电线路的主要组成部分有导线、杆塔和附属部件, 由于建设输电线路会严格遵守一定的标准和规范, 同时大部分塔基、塔头具有相似的结构[3], 因此, 对输电线路基于非参数部件方法进行抽象建模时, 只需参照建设标准分解出输电线路的各部分部件, 后在对其灵活组合, 降低了三维建模的难度和工作量。

对接国家电网系统, 可快速获取到输电线路各部件的属性信息, 根据相关规范和施工标准, 可获取输电线路部件的基本属性信息, 形成属性信息的.xml文件, 并根据属性信息表, 对输电线路建立三维抽象模型, 方法流程如图1 所示。

图1 输电线路三维建模流程

2.2 输电线路部件库与三维建模

输电线路部件库主要是提供现成的模型, 输电线路的三维模型主要分为塔基、塔头、导线以及附属部件四部分。塔头有猫头型、酒杯型和干字型等。输电线路的塔基通常有相似结构[4], 其形态见图2。塔基的高度和电压等级有密切关系, 如表1 所示。

表1 输电线路塔基高度与电压等级对应表

图2 塔杆塔基形态

2.3 基于功能关系的杆塔三维重建

塔杆各部件均有各自的用途, 塔头主要悬挂金具、绝缘子部件, 塔基与大地连接用来支撑塔头。基于此,对接国网GIS 系统, 获取相关的部件, 首先先拼接出杆塔主体结构, 其次, 向杆塔主体上放置绝缘子等部件。

2.4 输电线路精细参数调整

在构建了输电线路本体的几何模型后, 还要对精细参数做调整, 在电压等级作为调整基数条件下, 分别调整塔基、附属部件以及塔头的尺寸。

3 基于输电线路三维信息的无人机智能巡检技术

3.1 无人机智能巡检悬停点制定

无人机巡检对象主要是塔杆上的金具部件, 可制定巡检规范对安全距离进行规定, 以保证巡检过程中无人机平台和输电线路的安全, 其中安全距离是根据线路的电压等级来决定的。

3.2 无人机智能巡检路径规划

智能巡检的无人机要具有悬停的功能, 可根据悬停信息以及输电线路走向, 制定智能巡检路径。智能巡检路径的制定可参照国家GIS 系统中的基本信息[5]、作业的安全距离及每个悬停点依据前进、水平和垂直方向排序, 进而综合制定出无人机巡检的基准航迹路线、全局航迹以及局部航迹等。

3.3 基于输电线路三维信息智能采集

无人机可按照已制定的智能巡检路径完成巡检,利用智能采集系统对巡检数据进行采集。

4 输电线路三维信息的无人机智能巡检应用

4.1 输电线路巡检无人机安全距离参数估计

在无人机智能巡检过程中, 传输线数据可能会向输电线路无人机发送错误的信号指令, 可在处理数据的芯片中添加响应程序来避免这种情况的发生。同时及时启动对输电线路巡检无人机的控制, 检测输电线路中电流情况, 让无人机保护装置启动元件, 开启无人机保护装置电源。

在处理输电线路信号时, 如果遇到高频信号,DSP 模块有着信号极值分类问题, 对于最大值的信号频率值, 要确保输电线路三维信息的无人机保护装置的故障检测可以逐个分解高频信号, 对于最小值的信号频率, 可通过设置波形故障检测阈值的方式来实现识别干扰信号的目的, 同时在自检是在输电线路三维信息的无人机保护装置内部进行完成的, 自检符合标准后, 保护动作程序开始启动, 如果自检信号的质量不符合标准, 断开外部信号输出, 多次在输电线路三维信息无人机保护装置内部进行巡检, 当自检结果符合标准后再启动保护动作程序。

4.2 自主巡检技术

自主巡检技术可分为建模与定位和人工示教两种, 是实现输电线路三维信息无人机自主巡测和检修的核心技术[6]。人工示教航线学习技术主要是巡检的姿态信息和精准的位置信息是由相关技术或是巡检人员来设定的, 无人机对这些基础信息进行存储, 在根据预先设定的信息完成自主巡检过程。同时GPS 定位和北斗技术为该技术提供有力支撑, 民用的无人机存在2 ～10m 的误差。

在电力巡检过程中, 面临的航道环境是非常复杂且处在不断变化之中的, 按照电网巡检规范, 无人机智能巡检的安全距离在10m 以上。目前, 现阶段采用的主流手段是PTK 动态载波实时相位差分定位技术,通过利用激光雷达扫描, 获得激光点云, 有着扫描精度高、数据采集多样以及数据处理速度快的优势, 于此同时, 在采集的数据的基础上构建三维地图, 同时无人机内部配合有人工智能深度学习算法, 从而达到无人机智能自主巡航的目的。

近年来, 随着5G 技术、AI 技术以及边缘计算的迅速发展, 现阶段有将高精度定位技术和人工示教相结合, 在智能巡检过程中, 无人机有着更好的智能识别, 同时可根据实际环境和设备结构计算合适的拍摄角度和拍摄距离, 完成智能自主巡航, 实现了无人机智能的“一键巡航”。

4.3 移动式机巢无人机智能巡检方案

当巡检区域是地势平坦或者是城市环境, 可以采用移动式机巢无人机完成机动性输电线路三维信息巡检。移动式机巢无人机可以根据实际的输电线路前面边缘计算和现有塔杆的情况, 采集装备信息并进行反馈[7], 输电线路总监控平台通过对多源信息进行综合分析下达合适的巡检指令。相关巡检人员根据特定风险排查巡检任务和常规性巡检任务对巡检线路进行规划, 后按照规划路线实施巡检任务。

相关巡检人员操作移动式机巢无人机前往指定位置, 达到后开始正常巡检工作, 移动式机巢无人机根据接到的指令开展巡视和检测工作, 并实时拍摄巡检图像, 将巡检图像数据传输到车载服务器, 通过边缘计算算法实时处理数据, 并将处理的初始结果上传到巡检监控平台, 以便平台对巡检数据的综合分析。巡检监控平台的分析结果会经有移动作业APP 下传消缺信息, 一旦接收到消缺信息, 相关作业人员就开展消缺作业, 作业完成后的消息和结果在经由作业APP回传到巡检监控平台, 最终完成移动式机巢无人机巡检和隐患、故障信息确认, 而后消缺指令下达、完成消缺作业的工作闭环流程。

4.4 5G 技术在无人机巡检中的应用

智能化巡检集控飞行系统是一套综合应用解决方案, 其核心功能是多台无人机可超视距集控飞行。该系统有七个子系统组成, 分别是一体化航飞信服子系统、集控无人机子系统、通信与辅助网络子系统、机载任务系统、智能航空站子系统、智能化巡检综合管控平台以及集控中心子系统。该解决方案包括着多智能航空站无人值守作业、多无人机超视距集控飞行、集中式飞行信息服务等核心功能, 其中还包含飞行控制、网络管理、数据管理和传输、充换电和电源管理, 航飞管理、视频管理等功能模块, 它可以根据用户自定义需求配置, 制定适合用户的具体实施方案,搭建实战化集控飞行作业系统。

其采用前后端分离的模式, 前段可以单独使用,也可以和其他模块组合使用, 通过模块化的设计方式, 可以灵活组合使用, 不仅满足了电力行业输电线路的各种需求, 还满足了不同行业无人机集控飞行系统的问题。无人机集控飞行巡检模式利用5G 技术,大大节省了人力、财力成本, 提高了输电线路的巡检效率, 有效解了数据回传和分析、统一调度等技术问题, 有力保障了输电线路电力设备和配线电路以及无人机的安全。

4.5 基于强化学习的无人机全自主巡检

目前, 电力行业的巡检模式是人员巡检和无人机辅助巡检相结合的方式[8], 这种模式节约了大量的人力成本, 同时可以扩大巡检范围以及巡检效率, 使得输电线路的巡检更加安全、高效。无人机操作人员要时刻关注无人机飞行状态, 尤其是对于比较繁琐的巡检任务, 在执行过程中, 相关技术人员要集中注意力, 正确操作无人机。同时, 利用智能联调充电桩和无人机, 通过强化学习技术, 无人机可以做到自主决策是否继续巡检还是需要充电;应用深度学习技术和视觉技术, 无人机可以较为精准的识别充电桩并悬停在充电桩上; 应用无线充电技术, 无人机自主完成充电后, 自主决策并继续开始工作, 直至任务完成。

受到地形和天气因素的影响, 无人机的巡检环境比价复杂, 该项技术在多区段或是较远距离的巡检中存在很多的困难。而未来, 输电线路三维信息无人机智能巡检技术也将不断提升无人机飞行适用性, 不断解决在实际的巡检过程中存在的各种问题, 让基于强化学习的无人机全自主巡检有更强的适用性、较大的使用范围、让其得以使用于多种情况和环境中。

5 结束语

综上所述, 在未来无人机智能巡检越来越会代替人工巡检并广泛应用于各供电企业。无人机智能巡检降低了相关技术人员的检修难度和强度, 大大提升了巡检的效率, 为电网系统稳定正常运行提供有利保障。本文对无人机智能巡检现状进行了阐述, 分析了基于部件的输电线路三维建模技术和基于输电线路三维信息的无人机智能巡检技术, 梳理了输电线路三维信息的无人机智能巡检应用, 以期为输电线路无人机智能巡检技术的快速发展以及相关研究提供一定参考。