基于無人機的電力線路安全巡檢系統設計

蔣 鈺，何 強，宋 治，孫 睿，陳 翔

(1.國網山西省電力公司長治供電公司，山西 長治 046000；2.武漢傲睿爾科技有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

電力線路是電力企業輸電與供電的關鍵設施，其巡檢效果對電網的安全穩定運行有著重要影響。電力線路巡檢工作包含了電纜線路、電桿、電纜隧道、導線、照明設施、電線接頭、防火封堵、電纜標牌、消防防汛設施等眾多設備或設施的檢查項目，通過相關的巡查，可以確保電力線路的安全運行，預防發生事故，進一步提高電力傳輸的穩定性。

傳統的電力線路安全巡檢以人工檢查為主，專業能力不足、責任心不夠均會導致隱患無法被發現，影響輸電安全。此外，電桿是電力線路中關鍵的巡檢設備，而傳統的人工巡檢方式無法實現對電桿的全部檢測，很難保證巡檢的質量[1]。因此，針對傳統人工巡檢的缺陷，通過設計無人機電力線路安全巡檢系統，以提高巡檢質量，提升電力線路安全供電水平。

1 系統硬件設計

1.1 數模轉換器

數模轉換器(digital to analog converter，DAC)是具有高頻處理單元的硬件設備將無人機攝像模塊采集到的圖像與視頻通過AMKL 接口初次處理后傳輸至DAC 轉換器中，利用FGHK 進行信號調節轉換成數據信號，便于系統的接收與錄入。

考慮到無人機的實際應用，將DAC 轉換器轉換數據與無人機數據傳輸進行融合，對圖像或視頻進行二次處理：首先將圖像數據轉化成中頻信號，通過改變射頻信號的布局，實現圖像與視頻信號的轉變；其次將中頻信號轉化成高頻信號，保證了數據的傳輸效果；最后通過AD9957 接口，將高頻信號轉化成基帶數據，從而在無人機電力線路安全巡檢系統中還原出電力線路巡檢過程中的圖像和視頻。由于電力線路時常出現變頻情況，在確保無人機安全使用的前提下，將220 kV 作為參考電壓，DAC 轉換器中數據轉換模數設置為24 bits，以實現DAC 轉換器500 MSPS 的采樣轉換率，保證系統對電力線路安全的實時監控。

1.2 ADIRF 芯片

ADIRF 芯片主要為DAC 轉換器服務，其信號頻率設置在140 MHz～12 GHz 范圍，信號寬帶的范圍保持在400 kHz～112 MHz 的區間內。

ADIRF 芯片內部設計有多條鏈路，其中MX與MN 鏈路為最關鍵[2]：MX 鏈路具有接收DAC轉換器信號的功能；MN 鏈路具有較強的采樣頻率，可有效保證圖像數據轉換信號的精準度。除此之外，ADIRF 芯片CPU 選擇為雙核64 GHz，可以最大限度地保證芯片的圖像處理與圖像接收能力。在ADIRF 芯片正常運行時，ADIRF 芯片 擁 有ADIRF-12，ADIRF-22，ADIRF-33，ADIRF-44，ADIRF-55 等5 個 控 制 接 口 方 式，每一個接口均存在通往DAC 轉換器的鏈路，在SIO 管 腳 的 配 置 下，ADIRF-12，ADIRF-22，ADIRF-33，ADIRF-44，ADIRF-55 等5 個控制接口可以隨意轉換工作狀態，每個接口之間存在交互功能，當其中一個接口發生故障時，其他接口均可以作為備用接口，輔助ADIRF 芯片的運行，最大限度地保證系統可以正常使用。

2 軟件設計

2.1 需求分析

電力線路的正常運行是電力企業的主要任務，隨著科技的進步，人工巡檢系統已不再適應當前巡檢任務需求。因此，基于無人機應用設計了電力線路安全巡檢系統，增加了網絡化、信息化、智能化等相關內容，為電力線路的安全運行提供條件[3]。

2.2 流程設計

基本流程如下：首先，設定出巡檢路線，對人工很難到達的區域進行檢查；其次，在無人機上安裝攝像模塊，并將該裝置與系統進行網絡連接，將無人機飛行區域的圖像或視頻傳輸至系統中，實現巡檢數據的保存；最后，將無人機傳回的圖像與視頻通過DAC 轉換器轉換成系統可分析的數據信號，并將所有電力線路數據進行匯總、分析。

2.3 巡檢數據采集

電力線路是由多個設備或設施共同組成，而巡檢的重點目標主要為導線、電桿、電纜隧道等，因此，巡檢數據采集以上述設備或設施為主。

電桿巡檢數據以電桿變形數據為主，如果出現電桿變形，需提醒及時處理；電纜隧道數據以積水、積冰、雜物情況為主，需提醒及時清理以降低設備腐蝕；導線與電線作為電力傳輸的關鍵設備，其發熱情況關系到電力是否可以安全傳輸；防火封堵與消防防汛設施是電力線路的預防設施，采集防火封堵與消防防汛設施的數據，有利于系統進一步分析電力線路的狀態，綜合提高電力線路的巡檢效果。

2.4 電力線路故障探測

系統基于無人機應用設計了電力線路故障探測模塊，其可通過兩方面探測電力線路故障：一方面是物理探測，通過高清攝像模塊對電力線路情況進行錄制或拍照，將所得圖像或視頻上傳至系統中，由專業人員進行綜合分析[4]；另一方面通過激光雷達對電力線路及周圍環境進行精準探測，系統可以通過無人機的飛行路徑，對電力線路進行故障閾值檢測，見公式(1)。

式中，γm為電力線路故障檢測閾值；N1與N2為故障點的閾值；N0為電力線路標準閾值。

如果監測出來的閾值在標準范圍內，則說明電力線路運行狀態良好；反之則需要加強電力線路的維護。

2.5 人機交互

為安全地巡檢電力線路，對電力線路的巡檢項目進行數據統計，并將相關數據輸入至系統，通過將無人機數據與標準數據進行對比，可以直接顯示出此時電力線路的運行情況。此外，系統有著良好、直觀的人機交互界面，在系統登錄后，直接進入無人機采集的圖像界面，并支持數據、文字、圖像等多種媒體表現形式，通過系統、無人機與操作人員之間的互動，可以最大限度地獲取到線路的巡檢情況，及時發現隱患，進一步保證系統對電力線路的安全巡檢能力。

3 系統測試

3.1 測試過程

(1) 硬件調試。系統使用B/S 結構開發，操作系統Windows xx mx，工具為BorlanC++Builder，BorlanDelphi，BorlanJBuilder，PowerBuilder，Eclipse 等，控制接口選擇：ADIRF-12，ADIRF-22，ADIRF-33，ADIRF-44，ADIRF-55，硬盤1 500 G，內存8 G。相關參數應提前與無人機進行適配，確保線路安全巡檢系統和無人機硬件具有較好的適應性。

(2) 軟件調試。首先，對用戶進行登記并分級授權，分別配置專用密碼，保證系統的安全使用，分析系統的功能性需求，調整劃分界面功能；其次，將無人機采集到的數據通過DAC 轉換器進行處理，為系統提供電力線路的實時監控；最后，調試系統的故障探測模塊，使得系統能夠實時接收到電力線路巡檢的數據。此時，會出現系統的登錄界面，通過輸入用戶名與密碼登錄系統，即可瀏覽電力線路安全巡檢的全過程。

3.2 測試結果

在上述測試環境下，選取電纜線路、電桿、電纜隧道、導線、照明設施、電線接頭、防火封堵、電纜標牌和消防防汛設施等電力線路安全巡檢中的巡檢項目進行測試，測試結果見表1。

表1 測試結果

測試結果表明：電力線路安全巡檢系統可以精準地探查電力線路中存在的問題，并與實際檢查結果一致。

4 結束語

隨著社會的發展，家家戶戶均離不開電力供應，其為人們的生活提供了便利。電力線路作為保證社會供電的基礎設施，其巡檢能力至關重要。傳統的電力線路安全巡檢系統中，以人工巡檢方式為主，容易發生巡檢失誤或不可到達的情況，造成運行隱患無法被發現。基于無人機技術采集電力線路的圖像與視頻，傳輸至電力線路安全巡檢系統中，再利用DAC 轉換器將圖像數據進行轉換、分析與辨別，實現了電力線路巡檢的安全性與精準性，為電力事業的進一步發展提供支撐。