配電網架空線路無人機自主巡檢技術分析

陳洪亮,賈亞飛,李志雷,侯 超,劉海峰

(國網雄安新區供電公司,河北 雄安新區 071800)

0 引言

配電網線路分布廣,運行環境復雜,導線、絕緣子、金具在長期運行過程中可能會發生斷股、過熱、銹蝕等缺陷,如處理不及時會導致故障,影響人們的正常用電[1-2]。雄安新區配電網10 kV 架空線路約4 700 km,且部分線路位于白洋淀水區,傳統配電網巡視主要依靠人工進行,工作量大,對人員經驗依賴度高。此外,位于工地、水區、農田范圍內的配電網線路,受環境和地理條件限制,普遍存在巡視周期長、巡視效率低、巡視不到位等問題。隨著雄安新區大規模開工建設,現狀、過渡、目標“三張電網”交織共存,傳統人工巡線模式難以滿足雄安新區電網建設和發展的需要。

近年來國內外電力企業開始研究無人機(unmanned aerial vehicle,UAV)智能巡檢方法[4-7]。隨著無人機在電力巡檢中的應用不斷發展,其優勢日益凸顯。目前,無人機巡檢已經在輸電巡檢中成熟運用,但在配電線路巡檢方面的研究相對較少[8-10]。采用輕型無人機開展配電網線路巡檢可以大幅提高巡檢質量和效率,但必須克服飛行控制、路徑規劃、實時圖傳、續航能力等一系列技術問題。

為了滿足架空配電網線路的巡檢需要,本文選用輕型無人機,構建無人機自主巡檢平臺。為了保證無人機自主巡檢的精確性,采用基于關鍵坐標點的路徑規劃算法對配電網線路進行規劃,提高了無人機巡檢效率和智能化水平。

1 無人機自主巡檢平臺

本文采用的無人機自主巡檢平臺主要由無人機、地面站套件和自主飛行控件三部分組成,各部分介紹如下。

1.1 無人機

配電網線路具有設備種類多、設備總量大、設備間距小、運行環境復雜、部分線路經過地區為城鎮人口密集區等特點,衛星定位信號存在短暫或部分方向被遮擋的情況,選用巡檢無人機要滿足以下要求:受飛行環境影響,選用的無人機要具備較強的可靠性、起降方便、墜機風險低、墜機傷害低;配電網巡檢要求搭載可見光、紅外測溫設備;具備較強環境適應性,攜帶方便,便于小型車輛運輸[3]。

國網雄安新區供電公司選擇使用DJI M210-RTK 型號無人機作為自主巡檢體系搭建的基礎無人機平臺。該平臺具備的D-RTK 定位技術及北斗、GPS多模定位方式,多云臺的配置可以支持配電巡檢一次飛行測溫、局部放電及樹障巡檢等多項內容全面檢測的需要。DJI M210-RTK 相關參數見表1。

表1 DJI M210-RTK相關參數

1.2 地面站套件

地面站套件由機載AI控制盒、無人機地面站裝置組成。地面站套件將AI飛行功能模塊封裝在AI控制盒中,人員攜帶1個飛機+遙控器+高亮屏即可以出門作業,遠程控制和自動精準起降功能使得現場人員無需掌握無人機飛行技能,僅需具備簡單的無人機維護保養能力,即可以實現系統的運營。

a.實現無人機自主起飛降落。AI控制盒可以實時獲取無人機的飛行信息,并基于云臺拍攝的圖像數據測算出降落目標點的降落位置,并通過運載的飛行控制策略實現精準降落,圖像識別精度±3 cm,降落精度可達±10 cm。

b.實現無人機自主巡檢巡邏。AI自動控制盒可以實現圖像識別、運算控制,能實時對特征目標進行精確定位,可以實時控制云臺對目標進行跟蹤拍攝,并通過圖像識別精準拍攝目標對象。無人機自主飛行地面站套件見圖1。

圖1 無人機自主飛行地面站套件

1.3 自主飛行控件

自主飛行控件由“無人機自主巡檢事務控制移動應用”和“無人機自主巡檢管控平臺”系統組成,用于現場與無人機飛控信息交互,指導無人機自主飛行作業,作為后臺管理系統進行巡檢任務及巡檢成果管理。通過移動應用與管控平臺的協同配合,支撐配電網無人機巡檢作業,實現以下應用功能。

a.巡檢任務協同管理。根據巡檢任務要求,平臺自動統計可用資源信息供巡檢人員選擇,并根據巡檢任務分配自主巡檢路徑。平臺可將任務信息自動推送至現場作業人員,并進行作業提醒。實現一對多的巡檢任務協同管理。

b.一鍵高效自主巡視。無人機飛控系統將巡檢任務里的高精度自主巡檢路徑下發至無人機,在北斗差分定位服務的保障下,只需一鍵啟動便可實現無人機自主巡視、精準懸停及定點起降。

c.巡檢過程實景可視。平臺對接無人機飛控系統,可在三維實景中直觀的監控無人機飛行狀態,并可通過高清影像進行遠程協同巡視及疑難問題的專家診斷,實時指導現場作業。集成智能識別模塊還可自動標注缺陷位置,提醒巡檢人員重點關注。

d.巡檢成果便捷處置。移動應用自動將巡檢成果打包發送至后臺服務器,線路管理人員可通過任務、線路等多種渠道輕松查找及管理巡檢成果,做到歷史數據可追溯,現存數據可查詢,同時便于線路管理人員對缺陷進行標注、復核及消缺管理。

2 無人機自主巡檢路徑規劃

2.1 基于北斗定位的巡檢路徑規劃

利用無人機精細化巡檢獲取路徑點需要在無人機上搭載基于RTK 差分技術的高精度定位裝置,在該裝置的輔助下無人機平臺能夠在復雜環境下擁有較高的定位精度和航向精度,結合高精度的云臺控制機構,使得相機能夠獲得較好的朝向精度。

采用無人機平臺逐塔采集架空線路每一基桿塔信息,記錄飛行路線以獲取無人機飛行路徑,同時填寫單基桿塔采集數據信息記錄拍照信息。

利用已飛數據進行路徑規劃需要5個流程,分別是路徑點獲取、路徑點整理、路徑點檢核、多基規劃和定點復拍,路徑規劃流程如圖2所示。

圖2 無人機自主飛行路徑規劃流程

a.路徑點獲取。利用搭載北斗高精度定位裝置的無人機進行路徑規劃,采集無人機的明顯轉彎點,作為路徑點的補充,采集連接點、降落點、起飛點,為多基規劃做準備。

b.路徑點整理。整理記錄的路徑點數據,刪除距離過近,或偏離度大的點。根據空間距離以及空間角度,判斷路徑點是否保留。若水平距離小于0.5 m 且高度相等或夾角大于25°且小于45°,則將該點刪除。保證距離較遠和夾角偏離度較小的點。

c.路徑點校核。選取部分測點進行校核,進行實地飛行和測量,確保采集的路徑點位置正確。計算所有點的相對位置關系,確保路徑點相對位置關系正確。添加路徑點說明,為細粒度識別提供基礎信息。

d.多基規劃。設置算法,將多基桿塔的連接點順次相連。連接點是指在單基塔巡檢路徑中互相通視的點,利用連接點可將單基桿塔的巡檢路線連接起來形成多基桿塔的整體巡檢路線,將多基桿塔之間的起飛點和降落點略過。

2.2 基于關鍵坐標點的路徑規劃算法

在路徑規劃階段,為了提高自主巡檢路徑規劃的靈活度,本方案結合路徑采集方案提出了基于關鍵坐標點的無人機配電線路巡檢路徑規劃及自主巡檢方法中路徑規劃算法,算法流程如圖3所示。

圖3 基于關鍵坐標點的路徑規劃算法流程

確定需要進行路徑規劃的基桿塔,判定用戶所選擇桿塔的集合種類。設定A 為連續選擇桿塔,B為桿塔之間跨度在兩基桿塔以內,C 為桿塔之間跨度超過兩基桿塔。根據桿塔間跨度選擇相應模式下的無人機路徑規劃飛行模式。若桿塔集合種類為A,則略去1,2,3,4,…,n-1基桿塔(n為巡檢桿塔數)的降落點,將1號桿塔的后序連接點與2號桿塔的前序連接點相連以此類推直至n號桿塔的后序連接點,最后降落到n號桿塔的降落點上。

若桿塔集合種類為B,補全中間缺失的桿塔后,按照連續桿塔的路徑規劃算法進行路徑規劃后,將缺失桿塔的路徑點上動作全部刪除,直接飛過,以保證無人機自主巡檢的路徑安全可控。

若桿塔集合種類為C,為了節約燃料,選擇兩基桿塔離地面最高點上方15 m 作為前后序連接點,然后順次連接前后桿塔的前后序號連接點。

a.重新計算路徑點高程。由于自主飛行時路徑點的高度是相對起飛點的高度,所以需要對路徑點的高程進行重新計算,如公式(1)

式中:h為相對高度,H為地面高度。

b.計算總的飛行距離。

將規劃的路徑點序列(B,L,H)投影到高斯平面的(x,y,h)。

計算總的水平飛行路徑,如式(2)

計算總的爬升及降落距離,如式(3)

c.計算總的飛行時間。水平飛行的總時間按照8 m/s的速度估計,則水平飛行時間如式(4)

d.爬升及降落速度按照2 m/s的速度估計,則爬升飛行時間如式(5)

e.計算總的飛行時間,如式(6)

f.根據飛行總時間、總路程和無人機飛行能力對路徑合理性進行判斷。

圖4為采用基于關鍵坐標點的路徑規劃算法對雄安新區某條配電線路進行路徑建模的實例,由圖可知采用該算法取得了較高的路徑規劃精度,滿足無人機自主巡檢要求。

圖4 基于關鍵坐標點的路徑規劃算法的路徑規劃實例

3 無人機自主巡檢

3.1 任務執行

巡檢任務執行過程中,依托自主巡檢控制方案與安全策略,巡檢人員只需攜帶無人機到達現場,由云端下載自動生成的巡檢路徑到巡檢控制端,點擊“起飛”按鈕,即可完成對目標線路的巡檢工作。結合站點式自動機場,按照設定的周期和對象執行自主起飛、巡檢、拍照并回傳管控平臺,實現無人機在配電網線路的自主巡檢。

3.2 結果處理

根據電力巡檢任務關鍵信息(線路名稱、桿塔編號等),結合無人機巡視飛行中高精度差分坐標,檢索匹配巡檢設備的ID 及臺賬屬性,實現無人機自主巡檢缺陷與設備屬性匹配,構建了基于地理信息空間信息的巡檢成果管理體系和基于高精度復拍影像的缺陷識別方法。

在巡檢管理方面,開發巡檢成果自動整理命名工具,該工具通過讀取成果照片內部的EXIF信息,與配電電桿坐標進行對比,自動對成果圖片進行命名,分文件夾儲存,提高了巡檢成果整理的準確性和便捷性。

4 應用效果

4.1 常規巡視

通過無人機對射擊場553線路進行自主巡檢。將整片區域分為28段自主巡檢路徑,采用自主飛行僅耗時3 h完成巡檢。共發現缺陷22處,其中嚴重缺陷1處。發現最多的為線箍缺失松動類缺陷,該類缺陷在地面很難發現,未及時發現治理極易造成導線脫落引發接地故障,缺陷圖片見圖5。

圖5 避雷器引線斷開和抱箍松動缺陷

4.2 淀區線路特巡

通過無人機對南街541線路淀區內桿塔進行無人機自主巡檢,該段線路為防汛保電線路,本次共巡檢線路約1.5 km、13基桿塔,發現一般缺陷5處。無人機巡檢避免員工涉水作業,減少租船的費用,使淀區線路巡視更加方便、快捷、高效和安全。淀區線路巡視和缺陷圖片見圖6。

圖6 淀區線路巡視和缺陷

4.3 外破高發區特巡

政府建設施工項目全面開工,現有大量配電網線路處于施工區域內,施工區域內圍欄縱橫、溝壑交錯增加了人工巡視難度和危險性。通過無人機對東照562線施工作業區域線路開展巡視,規劃路徑12.4 km,共發現缺陷13處,外破隱患點3處。通過無人機只需30 min可以完成巡視工作,大大提升巡檢效率,減少巡視人員的工作強度和巡視過程中安全風險。施工區域線路無人機巡檢照片見圖7。

圖7 施工區域線路無人機巡檢照片

5 結束語

配電網架空線路無人機自主巡檢已在雄安新區配電網巡檢、現場勘查、重大活動保電等工作中得到了實際應用,無人機自主巡檢代替人工巡檢,每千米巡檢時間只需要3～5 min,相對于人工巡檢效率提升了10倍以上;無人機巡檢是從桿塔上方觀察設備,相比于地面人工巡檢,可查出諸如瓷瓶綁線抱箍松動、瓷瓶損壞等缺陷,巡檢視頻及照片可以存檔隨時查看,為線路安全運行提供了重要保障。