基于北斗導(dǎo)航技術(shù)的配電線路智能巡檢系統(tǒng)

魏友金 陳世群 李逸源 楊運(yùn)楠

關(guān)鍵詞：北斗導(dǎo)航技術(shù)；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；導(dǎo)航數(shù)據(jù)；巡檢系統(tǒng)；配電線路

1引言

巡檢是每個(gè)電力企業(yè)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)中不可忽略的一個(gè)主要工作環(huán)節(jié)，由于配電線路較長(zhǎng)，且配電線路在電網(wǎng)中的分布較為廣泛[1]。為最大限度地減少配電線路事故，保證配電管線和電力設(shè)備的安全運(yùn)行，巡檢人員需要做好對(duì)配電線路的安全巡視。根據(jù)相關(guān)工作的實(shí)際情況，對(duì)電力管線和輸電設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行檢查與記錄，以保證電力企業(yè)在市場(chǎng)內(nèi)的穩(wěn)定、規(guī)范運(yùn)營(yíng)。但在電力企業(yè)相關(guān)工作的研究中發(fā)現(xiàn)，此人工巡視模式在實(shí)際中的應(yīng)用效果十分不理想[2]。由于配電線路管線太長(zhǎng)、巡檢環(huán)境不佳，導(dǎo)致巡檢人員難以集中注意力檢查管線、設(shè)備運(yùn)行狀況，在工作中極易出現(xiàn)漏檢、誤檢等問題。同時(shí)，由于巡檢技術(shù)人員無法及時(shí)獲得配電線路維修資料，導(dǎo)致巡檢中的故障與異常無法得到有效排除。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，造成配電線路故障、損壞的主要原因是日常巡查工作疏忽。隨著配電線路越來越復(fù)雜、覆蓋范圍越來越廣，常規(guī)的配電線路巡檢方法已不能滿足電力公司的現(xiàn)代化發(fā)展要求。為了保證配電線路的安全，必須盡快建立完善、科學(xué)的監(jiān)測(cè)和維護(hù)體系，因此，本文引進(jìn)北斗導(dǎo)航技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)配電線路的全新智能巡檢系統(tǒng)，旨在通過此設(shè)計(jì)，加強(qiáng)配電線路的管理，以保障電力設(shè)備設(shè)施的安全運(yùn)行。

2系統(tǒng)架構(gòu)

為充分發(fā)揮智能巡檢系統(tǒng)的價(jià)值，在開展相關(guān)研究前，參照IMS系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)智能巡檢系統(tǒng)架構(gòu)，并根據(jù)配電線路管理系統(tǒng)架構(gòu)。該系統(tǒng)主要由前端設(shè)備與后臺(tái)管理2個(gè)模塊構(gòu)成，其中后臺(tái)管理以瀏覽器／服務(wù)器為支撐[3]。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

在智能巡檢的過程中，技術(shù)人員需要攜帶手持式北斗導(dǎo)航設(shè)備巡視線路，并將故障信息錄入管理機(jī)。返回后，移動(dòng)設(shè)備通過USB和串口與管理員（用戶瀏覽終端）進(jìn)行通信，而用戶瀏覽終端則利用IP協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，完成移動(dòng)設(shè)備與后臺(tái)管理之間的數(shù)據(jù)交互和查詢。后臺(tái)管理也可與已有的MIS等電力信息管理終端進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，通過局域網(wǎng)或遠(yuǎn)程通信的方式實(shí)現(xiàn)信息交流。

3北斗導(dǎo)航定位終端設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)配電線路的智能巡檢，設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件功能前，選型手持式北斗導(dǎo)航設(shè)備[4]。相關(guān)內(nèi)容如表1所列。

將手持式北斗導(dǎo)航設(shè)備集成在定位終端，在此過程中應(yīng)明確終端設(shè)備的主要功能為對(duì)當(dāng)前位置信息的獲取與反饋。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，終端由定位設(shè)備、芯片、功能按鍵、藍(lán)牙、指示燈、電源等構(gòu)成。終端以STM32F103ZET6芯片為核心，集成為意法半導(dǎo)體公司研制的Cortex-M3核心控制器，此控制器具有高性能、功耗低，以及具備112路增強(qiáng)通用輸入、輸出（ GPIO），能夠在-40℃～85℃范圍內(nèi)與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的優(yōu)勢(shì)。本次開發(fā)的系統(tǒng)主要解析的指令包括BDGGA和BDRMC，在解析過程中，需要先分析BDRMC中的定位狀態(tài)代碼是否正確，如果有效，即可得到目前的經(jīng)緯度、定位精度、平移速度、高度等必要的信息。最后，利用Transmission 4.0將定位信息傳輸?shù)揭苿?dòng)端。

4建立導(dǎo)航數(shù)據(jù)模型

導(dǎo)航電子地圖也屬于GIS技術(shù)研究范疇，為實(shí)現(xiàn)對(duì)配電線路的智能巡檢，完成上述設(shè)計(jì)后，在導(dǎo)航電子地圖中提取導(dǎo)航數(shù)據(jù)，建立導(dǎo)航數(shù)據(jù)模型。在此過程中應(yīng)明確導(dǎo)航數(shù)據(jù)有物理格式和交換格式2種格式。利用KIWI格式，對(duì)提取的導(dǎo)航數(shù)據(jù)采用縱向分層、橫向分段的方式處理。在數(shù)據(jù)的垂直方向上，按照層次結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)。此時(shí)，導(dǎo)航數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和物理存儲(chǔ)器是緊密相連的，通過此種方式，可以在各個(gè)層次上快速對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行參考。在數(shù)據(jù)的水平方向上，采用分段分割的方法，將大量數(shù)據(jù)分解為單獨(dú)的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)塊與數(shù)據(jù)塊的連接。其中，數(shù)據(jù)組織方式如圖2所示。

對(duì)多種形式的導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化存儲(chǔ)，集成具有相同特征的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建。

5基于北斗導(dǎo)航技術(shù)的巡檢線路坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在上述設(shè)計(jì)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，引進(jìn)北斗導(dǎo)航技術(shù)，對(duì)巡檢線路坐標(biāo)轉(zhuǎn)換展開設(shè)計(jì)。在此過程中，應(yīng)明確通過手持式巡檢終端，可以得到球心坐標(biāo)系統(tǒng)中的經(jīng)緯坐標(biāo)，但此部分?jǐn)?shù)據(jù)由于不能直接利用經(jīng)緯度坐標(biāo)進(jìn)行巡檢線路中異常點(diǎn)的定位[5]，因此，在電力工程中，需要將球面的經(jīng)緯坐標(biāo)投影到墨卡托坐標(biāo)上，進(jìn)而更加直接地定位線路異常點(diǎn)。在此過程中，參照等角條件，生成巡檢線路平面坐標(biāo)，計(jì)算式為：式中，x表示巡檢線路平面投影后的橫向坐標(biāo)：R表示巡檢范圍半徑；B表示坐標(biāo)維度值；y表示巡檢線路平面投影后的縱向坐標(biāo)；L表示坐標(biāo)經(jīng)度值。按照上述方式，實(shí)現(xiàn)基于北斗導(dǎo)航技術(shù)的巡檢線路坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

6巡檢維護(hù)終端功能規(guī)劃

完成上述設(shè)計(jì)后，對(duì)智能巡檢系統(tǒng)進(jìn)行配電線路維護(hù)終端功能的規(guī)劃。在此過程中，需要先設(shè)計(jì)系統(tǒng)的配置功能，即增設(shè)系統(tǒng)配置界面，用戶可以根據(jù)其自身需求，自主選擇增加、刪除、修改電力對(duì)象信息，包括線路節(jié)點(diǎn)等。同時(shí)，配置系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，北斗衛(wèi)星具有快速定位的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)定位與反饋。反饋過程中，監(jiān)測(cè)中心可以建立與手機(jī)用戶的雙向通信，也可以進(jìn)行廣播消息的發(fā)布，移動(dòng)對(duì)象可以通過終端向監(jiān)測(cè)中心反饋報(bào)告信息。

為進(jìn)一步優(yōu)化巡檢系統(tǒng)的功能，并提供用戶對(duì)巡檢線路地圖的視圖功能，包括通過各種技術(shù)手段與方式對(duì)圖像進(jìn)行縮放處理、漫游、全幅顯示與鷹眼處理等。同時(shí)，提供用戶端多種角度的觀測(cè)視角，以便對(duì)觀測(cè)區(qū)域內(nèi)負(fù)載終端地理位置進(jìn)行管理。通過上述方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢維護(hù)終端功能的規(guī)劃與部署。

7對(duì)比實(shí)驗(yàn)

完成上述設(shè)計(jì)后，為實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中效果的測(cè)試，選用RMSDU173型號(hào)高存儲(chǔ)便攜式計(jì)算機(jī)，搭建對(duì)比實(shí)驗(yàn)環(huán)境。環(huán)境參數(shù)如表2所列。

完成上述配置后，將本文系統(tǒng)集成在測(cè)試環(huán)境中。使用設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行配電線路的智能巡檢。在巡檢過程中，需要先建立導(dǎo)航數(shù)據(jù)與巡檢設(shè)施數(shù)據(jù)模型，在此基礎(chǔ)上，引進(jìn)北斗導(dǎo)航技術(shù)，并根據(jù)巡檢作業(yè)環(huán)境，進(jìn)行巡檢線路坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，通過對(duì)巡檢維護(hù)終端功能的規(guī)劃，完成對(duì)巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

在此基礎(chǔ)上，引進(jìn)基于IED和SCD的巡檢系統(tǒng)與基于圖像識(shí)別技術(shù)的巡檢系統(tǒng)，將其作為對(duì)照組系統(tǒng)1與對(duì)照組系統(tǒng)2，使用本文系統(tǒng)與對(duì)照組系統(tǒng)對(duì)配電線路進(jìn)行智能巡檢。統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)在巡檢過程中對(duì)線路異常點(diǎn)的定位精度，在統(tǒng)計(jì)過程中，由智能巡檢系統(tǒng)進(jìn)行配電線路異常點(diǎn)的定位，利用通信傳輸鏈路反饋巡檢定位結(jié)果后，安排巡檢人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行異常點(diǎn)的人工定位，計(jì)算人工巡檢定位結(jié)果與智能巡檢系統(tǒng)定位結(jié)果的偏差，統(tǒng)計(jì)不同定位偏差的信息條數(shù)，將其作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所列。

從表3所列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，3種智能巡檢系統(tǒng)中，只有本文系統(tǒng)在巡檢過程中可以實(shí)現(xiàn)無>10m的定位偏差，即所有的巡檢定位偏差均<5m，而對(duì)照組系統(tǒng)1與對(duì)照組系統(tǒng)2的巡檢定位偏差較大。在此基礎(chǔ)上，對(duì)表3數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，對(duì)照組系統(tǒng)2的定位數(shù)據(jù)缺失171條，說明系統(tǒng)在巡檢過程中存在反饋數(shù)據(jù)丟失的問題。因此，在完成上述實(shí)驗(yàn)后，綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到如下結(jié)論：相較于傳統(tǒng)系統(tǒng)，本文開發(fā)的基于北斗導(dǎo)航技術(shù)的系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的效果良好，該系統(tǒng)可以有效控制配電線路智能巡檢定位結(jié)果偏差。

8結(jié)束語

本文通過建立導(dǎo)航數(shù)據(jù)模型、基于北斗導(dǎo)航技術(shù)的巡檢線路坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、巡檢維護(hù)終端功能規(guī)劃，完成了配電線路智能巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在通過測(cè)試后證明了該系統(tǒng)可以有效控制配電線路智能巡檢定位結(jié)果偏差，從而提高線路智能巡檢精度。