馮新江 林澤科 陳岳賢 潘楨

摘要：隨著電力系統(tǒng)改革的深化，電力行業(yè)快速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模也越來(lái)越大，但這也給電力巡檢任務(wù)帶來(lái)了一定困難，亦提出了更高的要求。在傳統(tǒng)的人工巡檢無(wú)法應(yīng)對(duì)當(dāng)下巡檢任務(wù)的背景下，無(wú)人機(jī)憑借其較高的靈活度與工作效率，為電力巡檢帶來(lái)了更自動(dòng)化、智能化的解決方案?，F(xiàn)提出一套無(wú)人機(jī)電力巡檢系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)自動(dòng)化巡線，通過(guò)多路運(yùn)營(yíng)商無(wú)線網(wǎng)卡高速、穩(wěn)定地回傳圖像與視頻，地面服務(wù)器端通過(guò)測(cè)溫校準(zhǔn)及分析進(jìn)行故障檢測(cè)，并將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能歸檔，保證了無(wú)人機(jī)電力巡檢的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);輸電線路;巡檢系統(tǒng);無(wú)線通信;故障檢測(cè)

0 引言

現(xiàn)有的電力系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成，分別是發(fā)電、輸電、配電和用電，任意一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)影響整個(gè)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。輸電部分的線路主要有電纜線路和架空線路兩種，不同于電纜線路主要分布在城市企業(yè)、醫(yī)院等地，檢修起來(lái)較為方便，架空線路通常分布在野外、山區(qū)等人跡罕至的地方，甚至分布在峭壁、雪山等惡劣的自然環(huán)境中，若是出現(xiàn)輸電線老化、斷股或絕緣子損壞等情況，則經(jīng)常會(huì)因?yàn)闊o(wú)法及時(shí)檢修而導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障，從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1-5]。

傳統(tǒng)的電力巡檢主要依靠專(zhuān)業(yè)的巡檢人員前往現(xiàn)場(chǎng)對(duì)輸電線路進(jìn)行排查和檢修，一方面，這樣的人工巡檢效率較低，耗時(shí)較長(zhǎng);另一方面，野外復(fù)雜地形的設(shè)備運(yùn)輸和高空作業(yè)的安全保障等都面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。因此，電力巡檢亟需向智能化和自動(dòng)化方向發(fā)展[6-7]。

為了解決上述問(wèn)題，無(wú)人機(jī)越來(lái)越多地應(yīng)用于電力巡檢解決方案中，其體型小、重量輕，且具有較強(qiáng)的靈活性和自主性，可以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)架空輸電線路的全方位檢查。巡檢用無(wú)人機(jī)主要分為三類(lèi)：無(wú)人直升機(jī)、固定翼無(wú)人機(jī)和多旋翼無(wú)人機(jī)。其中，無(wú)人直升機(jī)具有優(yōu)越的性能，具備續(xù)航久、可懸停和穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是造價(jià)和耗費(fèi)相對(duì)較高，一般用于特殊自然災(zāi)害救援等情況;固定翼無(wú)人機(jī)可以飛行較遠(yuǎn)距離，速度快且較為穩(wěn)定，但不能懸停，靈活性較差，適用于大面積輸電網(wǎng)絡(luò)的巡查;多旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，靈活度高，具有較高的性?xún)r(jià)比，但續(xù)航能力一般，抗風(fēng)能力較差，對(duì)氣象條件要求較高，適用于局部的精細(xì)檢查以及復(fù)雜地理環(huán)境下的巡檢任務(wù)[8-9]。

萬(wàn)琪等人提出了電力巡檢中無(wú)人機(jī)的數(shù)據(jù)鏈路覆蓋增強(qiáng)技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)鏈的通信技術(shù)進(jìn)行了升級(jí)，提升了通信系統(tǒng)的飛行控制和數(shù)據(jù)回傳的可靠性[10]。王亞萍等人提出了一種可見(jiàn)光圖像中的輸電線路缺陷診斷方法，可自動(dòng)診斷電力線路上可能存在的斷股、異物附著等缺陷[11]。陽(yáng)一雄等人則研究了六翼無(wú)人機(jī)搭載紅外測(cè)溫儀在電力巡線中的應(yīng)用，采用測(cè)溫分析方法診斷電力線路中的缺陷與故障[12]。彭向陽(yáng)等人設(shè)計(jì)研發(fā)了一套無(wú)人直升機(jī)多傳感器電力安全巡檢系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電力線路的安全巡檢和智能診斷，提高了電力巡檢的效率[13]。

本文提出了一套無(wú)人機(jī)電力巡檢系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)對(duì)指定任務(wù)的自動(dòng)巡線，并結(jié)合4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高帶寬傳輸，完成無(wú)人機(jī)與地面服務(wù)器之間的通信與數(shù)據(jù)交換，包括指令信號(hào)和回傳圖片、視頻等，最高支持流暢、穩(wěn)定傳輸1 080p60i全高清視頻，保證故障檢測(cè)的實(shí)時(shí)性。該系統(tǒng)還利用無(wú)人機(jī)拍攝回傳的可見(jiàn)光圖像、原始紅外圖像以及相機(jī)校準(zhǔn)參數(shù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行溫度校準(zhǔn)分析，并支持自動(dòng)分析與人工定點(diǎn)分析功能，以保證故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

1 無(wú)人機(jī)電力巡檢技術(shù)簡(jiǎn)介

在無(wú)人機(jī)電力巡檢任務(wù)中，除了對(duì)無(wú)人機(jī)本身的品質(zhì)有一定的要求外，整個(gè)系統(tǒng)中的各個(gè)模塊也有各自的技術(shù)特點(diǎn)和難點(diǎn)，每一個(gè)模塊都直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的巡檢效率和精度。

1.1? ? 巡線及避障技術(shù)

無(wú)人機(jī)在執(zhí)行既定電力巡檢任務(wù)時(shí)，需要準(zhǔn)確地按照任務(wù)路線進(jìn)行飛行，躲避線路上可能存在或突然出現(xiàn)的障礙物，并在躲避結(jié)束后及時(shí)回歸到任務(wù)路線上繼續(xù)巡檢。目前的無(wú)人機(jī)巡線技術(shù)主要通過(guò)GPS定位及導(dǎo)航技術(shù)、基于攝像的視覺(jué)技術(shù)等結(jié)合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，但在飛行過(guò)程中易受到如惡劣天氣造成無(wú)人機(jī)姿態(tài)異常等因素影響，導(dǎo)致視覺(jué)技術(shù)的識(shí)別率下降。避障技術(shù)主要通過(guò)視覺(jué)技術(shù)、紅外探測(cè)技術(shù)和聲吶探測(cè)技術(shù)等結(jié)合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于較大或者移動(dòng)速度較快的障礙物，無(wú)人機(jī)可能會(huì)因?yàn)閬?lái)不及躲避而損壞。因此，無(wú)人機(jī)自身以及掛載設(shè)備的硬件品質(zhì)和各種軟件技術(shù)都需要進(jìn)一步提升，以保證無(wú)人機(jī)在巡檢任務(wù)中的安全性和穩(wěn)定性。

1.2? ? 無(wú)人機(jī)姿態(tài)控制技術(shù)

無(wú)人機(jī)通常質(zhì)量輕、體型小，在巡檢任務(wù)飛行過(guò)程中容易受到惡劣天氣的影響而失去平衡，甚至墜毀，同時(shí)，無(wú)人機(jī)姿態(tài)的正常與否也影響著巡線、避障和故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性。目前無(wú)人機(jī)的姿態(tài)控制技術(shù)主要依賴(lài)安裝在無(wú)人機(jī)上的飛行控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)無(wú)人機(jī)姿態(tài)發(fā)生異常時(shí)，飛行控制器將根據(jù)當(dāng)前無(wú)人機(jī)的具體姿態(tài)、線速度、角速度和加速度等對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行動(dòng)作調(diào)整，幫助無(wú)人機(jī)回歸到正常的飛行狀態(tài)，保證巡檢任務(wù)的正常執(zhí)行。

1.3? ? 無(wú)線通信技術(shù)

執(zhí)行巡檢任務(wù)時(shí)，無(wú)人機(jī)需要與地面服務(wù)器保持實(shí)時(shí)的無(wú)線連接，以保證可以實(shí)時(shí)回傳無(wú)人機(jī)的狀態(tài)信息、任務(wù)信息和所拍攝的圖像、視頻等數(shù)據(jù)文件，以及接收地面服務(wù)器發(fā)送的控制信號(hào)并給予反饋等。但電力巡檢的環(huán)境往往十分復(fù)雜，且充滿(mǎn)變化和不確定因素，系統(tǒng)的無(wú)線通信技術(shù)需要具備很強(qiáng)的抗干擾能力，以及足夠的傳輸速度和帶寬來(lái)支撐實(shí)時(shí)信息傳輸甚至巡視高清視頻的直播，以保證整個(gè)電力巡檢任務(wù)完成的及時(shí)性和穩(wěn)定性。

1.4? ? 故障檢測(cè)技術(shù)

目前圍繞無(wú)人機(jī)的電力巡檢任務(wù)主要是通過(guò)無(wú)人機(jī)在巡檢過(guò)程中掛載相應(yīng)的攝像設(shè)備，拍攝輸電線路的相關(guān)圖像、視頻等并進(jìn)行回傳，地面服務(wù)器再對(duì)接收到的圖像、視頻等進(jìn)行處理和分析，得到輸電線路的健康狀況并判斷是否有缺陷或故障。常見(jiàn)的故障分析手段有測(cè)溫分析、線路外形分析等。影響故障檢測(cè)準(zhǔn)確性的因素主要有：拍攝的角度，圖像、視頻文件的清晰度，分析技術(shù)的精度等，各部分的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性都決定了整個(gè)故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性，因此都不容忽視。

2 無(wú)人機(jī)電力巡檢系統(tǒng)

應(yīng)用于輸電線路巡檢的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：無(wú)人機(jī)及其飛控平臺(tái)、通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊、測(cè)溫分析與故障檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)文件管理模塊以及地面服務(wù)器等。無(wú)人機(jī)電力巡檢系統(tǒng)流程如圖1所示。

2.1? ? 無(wú)人機(jī)及其飛控平臺(tái)

本系統(tǒng)中，主要采用大疆公司經(jīng)緯系列行業(yè)M210 RTK四旋翼無(wú)人機(jī)，如圖2和圖3所示，掛載FLIR公司雙光熱成像相機(jī)作為測(cè)溫相機(jī)，其具備1 200萬(wàn)像素鏡頭，并支持4K高清可見(jiàn)光JPEG照片，TIFF、R-JPEG圖像以及MOV、MP4視頻等。

飛控平臺(tái)基于大疆公司SDK開(kāi)發(fā)，包含飛行線路管理模塊、自動(dòng)飛行模塊、桿塔位置模塊、采樣數(shù)據(jù)管理模塊和文本信息模塊等。其中，飛行線路管理模塊可以幫助工作人員預(yù)先設(shè)定所要巡檢的片區(qū)和飛行的路線;自動(dòng)飛行模塊和桿塔位置模塊則幫助無(wú)人機(jī)按照指定的飛行任務(wù)進(jìn)行自動(dòng)巡檢;無(wú)人機(jī)采集回傳的圖像、視頻等數(shù)據(jù)將通過(guò)采樣數(shù)據(jù)管理模塊進(jìn)行收集、整理并發(fā)送到相應(yīng)的地面服務(wù)器;文本信息模塊會(huì)將無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)、任務(wù)實(shí)時(shí)進(jìn)展和其他信息等記錄為日志，方便工作人員實(shí)時(shí)了解無(wú)人機(jī)的狀態(tài)以及任務(wù)結(jié)束后的回溯和檢查。

2.2? ? 通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊

在執(zhí)行輸電線路巡檢任務(wù)的過(guò)程中，無(wú)人機(jī)需要與地面服務(wù)器保持實(shí)時(shí)連接，一方面，地面服務(wù)器要獲取無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，并發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)指揮無(wú)人機(jī)進(jìn)行下一步動(dòng)作;另一方面，無(wú)人機(jī)拍攝、采集到的圖像和視頻等數(shù)據(jù)需要回傳給地面服務(wù)器進(jìn)行直播、保存和分析等。本系統(tǒng)的視頻傳輸設(shè)備如圖4所示，為Altera公司可編程邏輯器件搭載Fujitsu公司編碼芯片實(shí)現(xiàn)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，分為傳輸模塊和供電模塊兩部分。

視頻傳輸過(guò)程中，將無(wú)人機(jī)搭載的熱成像相機(jī)錄制的視頻通過(guò)HDMI接口導(dǎo)入傳輸設(shè)備，傳輸設(shè)備中基于FPGA的串并行轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)編碼后再通過(guò)AT91SAM9G45芯片把視頻流傳輸給地面服務(wù)器。AT91SAM9G45芯片的主要功能有：狀態(tài)控制、TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)、帶寬優(yōu)化、心跳包、重傳管理、網(wǎng)卡管理、數(shù)據(jù)處理和設(shè)置信號(hào)等。其中，帶寬優(yōu)化主要是為了確保網(wǎng)卡帶寬與需發(fā)送的視頻數(shù)據(jù)量相匹配，主控芯片會(huì)根據(jù)網(wǎng)卡當(dāng)前的信號(hào)強(qiáng)度和RTT等來(lái)預(yù)估網(wǎng)卡的網(wǎng)絡(luò)帶寬，通過(guò)計(jì)算整體的網(wǎng)絡(luò)帶寬動(dòng)態(tài)調(diào)整傳輸碼率，再根據(jù)網(wǎng)卡的鏈路帶寬狀態(tài)調(diào)整其傳輸數(shù)據(jù)緩存，達(dá)到調(diào)整其傳輸數(shù)據(jù)量的目的。理論上，4G網(wǎng)絡(luò)下行帶寬可達(dá)100 Mbps，上行帶寬達(dá)50 Mbps，4路網(wǎng)卡能達(dá)到的總下行帶寬為400 Mbps，總上行帶寬為200 Mbps，可支撐1 080p60i的全高清視頻傳輸，保證之后故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

在地面服務(wù)器端，也會(huì)有相應(yīng)的程序?qū)ζ溥M(jìn)行控制，與無(wú)人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信和數(shù)據(jù)傳輸，并在有直播需求時(shí)，將需要直播的視頻傳送到相應(yīng)的直播地址，利用直播端播放程序進(jìn)行解碼、直播。

2.3? ? 測(cè)溫分析與故障檢測(cè)模塊

輸電線路中的故障往往伴隨著異常高溫，尤其是線夾、絕緣子上的掛環(huán)和防振錘等金具，通過(guò)對(duì)這些異常高溫的檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)輸電線路中的安全隱患或者存在的缺陷等。一般的紅外成像設(shè)備采用輻射測(cè)溫法計(jì)算物體溫度，通過(guò)接收到的目標(biāo)輻射的紅外能量值計(jì)算目標(biāo)的溫度。但紅外成像設(shè)備一般使用黑體輻射源（發(fā)射率近似為1，發(fā)射率為物體表面單位面積上輻射出的輻通量與同溫度下黑體輻射出的輻通量的比值）分度，實(shí)際上目標(biāo)的發(fā)射率通常小于1，導(dǎo)致所生成的熱度圖像中測(cè)量溫度值偏離目標(biāo)的表面實(shí)際溫度[14]。

本系統(tǒng)利用原始紅外圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的16位紅外圖像原始值RAW、反射溫度Trefl以及從圖像META信息里獲取的相機(jī)校準(zhǔn)參數(shù)，如物體發(fā)射率（Emissivity）、相機(jī)普朗克常數(shù)B、相機(jī)普朗克常數(shù)F、相機(jī)普朗克常數(shù)O、相機(jī)普朗克常數(shù)R1、相機(jī)普朗克常數(shù)R2等來(lái)對(duì)目標(biāo)物體的實(shí)際溫度進(jìn)行校準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后的紅外圖像中的溫度信息與目標(biāo)表面的真實(shí)溫度更加接近，提高了故障檢測(cè)的準(zhǔn)確度。

對(duì)于無(wú)人機(jī)回傳的圖像，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行溫度校準(zhǔn)和分析，若是存在區(qū)域溫度超過(guò)閾值的情況，將觸發(fā)系統(tǒng)警報(bào)，警報(bào)信息包含溫度信息、桿塔地理位置信息和桿塔編號(hào)等。此外，工作人員也可以手動(dòng)對(duì)任意圖像的溫度信息進(jìn)行查看和分析，如圖5所示。

2.4? ? 數(shù)據(jù)文件管理模塊

隨著無(wú)人機(jī)數(shù)量的不斷增加以及電力巡線任務(wù)的次數(shù)積累，回傳的日志、圖像和視頻文件等數(shù)據(jù)量將會(huì)積累成一個(gè)龐大的數(shù)字，僅靠人工管理這些數(shù)據(jù)效率極低，需要智能化的管理手段和平臺(tái)來(lái)完成此項(xiàng)任務(wù)。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)文件管理模塊在接收到數(shù)據(jù)文件后，將會(huì)自動(dòng)對(duì)接收到的可見(jiàn)光JPEG圖、R-JPEG圖、圖片詳細(xì)參數(shù)txt文本文檔以及分析得到的紅外成像圖按照時(shí)間、巡檢線路、桿塔等信息進(jìn)行命名，并存儲(chǔ)到云服務(wù)器相應(yīng)的文件夾內(nèi)，方便以后的文件整理和回溯。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一套基于無(wú)人機(jī)的電力巡檢系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)將按照事先制定好的飛行路線完成巡線任務(wù)，同時(shí)工作人員也可以采用人工操作的方式進(jìn)行電力巡檢。巡線任務(wù)中，無(wú)人機(jī)與地面服務(wù)器將通過(guò)運(yùn)營(yíng)商無(wú)線網(wǎng)卡進(jìn)行高帶寬、高穩(wěn)定性的圖像與視頻傳輸，最高支持1 080p60i全高清視頻直播。對(duì)于接收到的日志、圖像和視頻等文件，系統(tǒng)將智能化地歸檔保存，方便回溯，同時(shí)將自動(dòng)對(duì)圖像進(jìn)行測(cè)溫校準(zhǔn)和分析，對(duì)異常高溫的零部件和桿塔進(jìn)行報(bào)警，保證了電力巡檢任務(wù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，同時(shí)也提升了巡檢的質(zhì)量和效率。

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收稿日期：2020-12-21

作者簡(jiǎn)介：馮新江（1988—），男，浙江紹興人，工程師，研究方向：配電線路。

林澤科（1984—），男，浙江紹興人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：電氣工程、配電線路故障分析。

陳岳賢（1991—），男，浙江紹興人，碩士，助理工程師，研究方向：配網(wǎng)自動(dòng)化。