基于云計(jì)算的電力線路無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收技術(shù)

解 明

（寧夏送變電工程有限公司，寧夏 銀川 750001）

0 引 言

輸電線路在電力系統(tǒng)的運(yùn)行中起著重要作用，主要由導(dǎo)線、線路桿塔、接地裝置等構(gòu)成，負(fù)責(zé)輸送電流[1]。在當(dāng)前電力產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的背景下，多個(gè)地區(qū)完成了輸電線路新建工作。通常情況下，輸電線路建設(shè)所處環(huán)境較為嚴(yán)峻，地勢(shì)環(huán)境復(fù)雜，線路巡視驗(yàn)收工作難度較高[2]?，F(xiàn)階段，傳統(tǒng)的電力線路巡視驗(yàn)收技術(shù)多采用人工巡視驗(yàn)收方式為主、直升機(jī)巡視驗(yàn)收方式為輔的模式[3]。該巡視驗(yàn)收技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的局限性較強(qiáng)，工作量較大，需要消耗大量的人力資源與物力資源，且巡視過(guò)程中易受作業(yè)環(huán)境條件的影響，存在較大的安全隱患，作業(yè)人員的生命安全得不到有力保障[4]。同時(shí)，傳統(tǒng)的巡視驗(yàn)收技術(shù)作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)、效率低，巡視存在視角限制問(wèn)題，導(dǎo)致驗(yàn)收結(jié)果與電力線路實(shí)際運(yùn)行工況存在較大偏差。而無(wú)人機(jī)能很好地解決以上問(wèn)題，通過(guò)搭載高清攝像機(jī)、紅外測(cè)溫儀，可以在電力線路實(shí)時(shí)采集全方位的線路影像資料，不存在巡視視角限制問(wèn)題，能快速確定電力線路運(yùn)行工況，巡視靈活性與安全性較高[5]。

通過(guò)研究電力線路無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收技術(shù)，結(jié)合云計(jì)算，將采集到的線路影像資料信息進(jìn)行整合處理，生成高精度的電力線路巡視驗(yàn)收結(jié)果，以提高電力線路運(yùn)行的安全性與可靠性。

1 電力線路無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收技術(shù)研究

1.1 無(wú)人機(jī)模塊設(shè)備選型與調(diào)試

無(wú)人機(jī)模塊設(shè)備性能的好壞直接影響后續(xù)電力線路巡視驗(yàn)收的效果，因此需要對(duì)無(wú)人機(jī)各模塊的設(shè)備進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。首先，無(wú)人機(jī)本體選用KK3 Pro型號(hào)的航拍無(wú)人機(jī)，對(duì)無(wú)人機(jī)本體進(jìn)行設(shè)置，保證其運(yùn)行性能滿足電力線路實(shí)時(shí)巡視驗(yàn)收的需求。其次，選用WKM-02A5S型號(hào)的自動(dòng)駕駛儀，其整體重量較輕，支持多向安裝與二次開發(fā)，具有高性能陀螺穩(wěn)定云臺(tái)，技術(shù)支持能力較強(qiáng)[6]。再次，選用R54820RTM1型號(hào)的遙控接收機(jī)，其信號(hào)接收通道多，運(yùn)行過(guò)程中整體可靠性較強(qiáng)[7]。最后，選擇任務(wù)荷載設(shè)備，包括熱紅外儀與照相機(jī)。其中，熱紅外儀型號(hào)為QRM-264SA1，照相機(jī)型號(hào)為索尼NEX-7。

完成無(wú)人機(jī)模塊設(shè)備選型后，要在電力線路巡視驗(yàn)收作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行全方位的調(diào)試，檢查各設(shè)備是否能正常工作。聯(lián)機(jī)檢查并調(diào)試無(wú)誤后，集中裝箱[8]。

1.2 基于云計(jì)算規(guī)劃巡視驗(yàn)收路徑

完成無(wú)人機(jī)模塊設(shè)備選型與調(diào)試后，基于無(wú)人機(jī)性能參數(shù)，結(jié)合電力線路巡視驗(yàn)收任務(wù)要求，利用云計(jì)算技術(shù)規(guī)劃無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收路徑。

利用云計(jì)算技術(shù)計(jì)算無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收的總航程，公式為

式中：n表示航跡內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)；vi表示第i條巡視驗(yàn)收航跡航程。

通過(guò)式（1）可以得出無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收航跡的總航程。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收最大路徑的偏轉(zhuǎn)角，即無(wú)人機(jī)當(dāng)前巡視路徑段相較于前一路徑段方位角偏轉(zhuǎn)的大小，公式為

式中：Lmin表示無(wú)人機(jī)當(dāng)前巡視姿態(tài)改變時(shí)克服慣性作用產(chǎn)生的最小航跡步長(zhǎng)；rmin表示無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收最小轉(zhuǎn)彎半徑。

計(jì)算出無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收最大路徑的偏轉(zhuǎn)角后，根據(jù)電力線路巡視驗(yàn)收期望的精度，調(diào)整巡視驗(yàn)收路徑節(jié)點(diǎn)數(shù)目，利用路徑節(jié)點(diǎn)規(guī)劃巡視驗(yàn)收路徑[9]?；谠朴?jì)算的電力線路無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收路徑規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為

式中：pi表示無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收第i段的路徑長(zhǎng)度值；h表示路徑規(guī)劃懲罰函數(shù)。

1.3 無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收作業(yè)

利用云計(jì)算技術(shù)完成電力線路無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收路徑的規(guī)劃后，開展無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收作業(yè)。首先，做好巡視驗(yàn)收準(zhǔn)備工作。勘查并確定電力線路巡視驗(yàn)收現(xiàn)場(chǎng)的氣象條件與交通情況，標(biāo)記交叉跨越與鄰近的輸電線路，掌握線路運(yùn)行工況[10]。其次，設(shè)置無(wú)人機(jī)起降點(diǎn)，相關(guān)技術(shù)人員負(fù)責(zé)采集無(wú)人機(jī)飛行線路的各項(xiàng)有關(guān)資料，包括電力線路走向、桿塔明細(xì)號(hào)段、回路色標(biāo)以及塔型等[11]。再次，巡視開始前查詢線路運(yùn)行參數(shù)，標(biāo)記重點(diǎn)巡視驗(yàn)收區(qū)域。最后，做好無(wú)人機(jī)起飛準(zhǔn)備，確認(rèn)氣象條件滿足飛行條件后，控制無(wú)人機(jī)到達(dá)電力線路作業(yè)點(diǎn)。單回電力線路與雙回電力線路的無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收流程存在一定差異。

1.3.1 單回電力線路巡視驗(yàn)收流程

單回電力線路采用單側(cè)巡視驗(yàn)收方式，首先控制無(wú)人機(jī)到達(dá)巡視驗(yàn)收區(qū)域，采集作業(yè)位置1的地線連接部位影像資料，觀察線路上導(dǎo)線低壓端的連接部位情況；其次沿著巡視路徑緩慢移動(dòng)至作業(yè)位置2，以此類推，直至完成所有單回電力線路巡視驗(yàn)收；最后無(wú)人機(jī)沿著地線高度以均速飛行的方式飛往下一線路基桿塔。

1.3.2 雙回電力線路巡視驗(yàn)收流程

開展雙回電力線路巡視驗(yàn)收時(shí)，無(wú)人機(jī)到達(dá)巡視驗(yàn)收區(qū)域后，無(wú)人機(jī)以與待巡視驗(yàn)收線路之間夾角為45°的角度進(jìn)入作業(yè)位置1，采集地線連接部位的影像資料。以相同夾角，依次采集其余線路的影像資料，直至巡視驗(yàn)收完畢。

在巡視驗(yàn)收過(guò)程中，無(wú)人機(jī)旋翼與電力線路之間的距離要超過(guò)20 m，避免干擾線路的正常運(yùn)行。實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收作業(yè)的時(shí)間與路徑情況，并跟蹤記錄電力線路運(yùn)行過(guò)程中各部件的運(yùn)行狀態(tài)變化，重點(diǎn)巡視驗(yàn)收電力線路平口以上的金具、絕緣子與跳線。

無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收作業(yè)結(jié)束后，利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件和云計(jì)算技術(shù)，對(duì)采集的影像資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，編制巡檢報(bào)告。此外，將采集到的巡視驗(yàn)收數(shù)據(jù)移交至電力線路巡檢中心，實(shí)現(xiàn)電力線路無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收的目標(biāo)。

2 實(shí)驗(yàn)分析

在將提出的巡視驗(yàn)收技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際電力線路工程前，需要對(duì)該技術(shù)的可行性和巡視驗(yàn)收效果進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)提出的巡檢驗(yàn)收技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中沒(méi)有異常問(wèn)題且能達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求后，方可應(yīng)用于實(shí)際電力工程。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

以某地區(qū)R電力線路建設(shè)工程為本次研究對(duì)象。該工程中，電力線路緊靠軌道交通，由單回路與雙回路混合架設(shè)而成，電力線路概況如表1所示。

表1 R電力線路建設(shè)工程概況

根據(jù)線路工程的建設(shè)需求與工況特征，電力線路巡視驗(yàn)收的無(wú)人機(jī)選用電動(dòng)六旋翼無(wú)人機(jī)，整體重量較輕，空間體積較小，使用性能優(yōu)勢(shì)顯著。應(yīng)用文章提出的電力線無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收技術(shù)，根據(jù)R電力線路建設(shè)工程的巡視驗(yàn)收要求，開展實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為更加直觀地獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的說(shuō)服力，避免單一實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在的偶然性，本實(shí)驗(yàn)采用對(duì)比分析的方法。將文章提出的基于云計(jì)算的電力線路無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收技術(shù)設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組，將文獻(xiàn)[3]提出的基于人工智能的巡視驗(yàn)收技術(shù)、文獻(xiàn)[5]提出的基于無(wú)人機(jī)的巡視驗(yàn)收技術(shù)分別設(shè)置為對(duì)照組1與對(duì)照組2。通過(guò)模擬3種技術(shù)的無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收全過(guò)程，獲取實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，并進(jìn)行多維度對(duì)比分析。

R電力線路建設(shè)工程中共有520級(jí)塔，其中有8處線路跨越了樹木。分別對(duì)這8處電力線路進(jìn)行標(biāo)號(hào)，即XL-01、XL-02、XL-03、XL-04、XL-05、XL-06、XL-07以及XL-08。選取電力線路無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收測(cè)距相對(duì)誤差作為此次實(shí)驗(yàn)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用3種技術(shù)分別對(duì)8處電力線路進(jìn)行巡視驗(yàn)收，獲取巡視驗(yàn)收結(jié)果，并計(jì)算電力線路無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收測(cè)距相對(duì)誤差。電力線路無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收測(cè)距相對(duì)誤差對(duì)比結(jié)果如圖1所示。

圖1 電力線路無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收測(cè)距相對(duì)誤差對(duì)比結(jié)果

通過(guò)圖1的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比結(jié)果可知，3種技術(shù)在電力線路實(shí)際巡視驗(yàn)收作業(yè)中表現(xiàn)出了不同的性能。實(shí)驗(yàn)組的電力線路無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收測(cè)距相對(duì)誤差明顯小于另外2個(gè)對(duì)照組，相對(duì)誤差最大不超過(guò)0.5%。在3種巡視驗(yàn)收技術(shù)中，文章提出的技術(shù)表現(xiàn)出了顯著的性能優(yōu)勢(shì)，驗(yàn)收測(cè)距相對(duì)誤差較小，能獲取更加準(zhǔn)確的巡視驗(yàn)收結(jié)果。

3 結(jié) 論

為優(yōu)化電力線路巡視驗(yàn)收效果，提高巡視驗(yàn)收作業(yè)的效率與準(zhǔn)確性，文章引入云計(jì)算原理，提出基于云計(jì)算的電力線路無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用文章提出的無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收技術(shù)后，電力線路無(wú)人機(jī)巡視驗(yàn)收測(cè)距相對(duì)誤差最大不超過(guò)0.5%，有效解決了傳統(tǒng)電力線路巡視驗(yàn)收技術(shù)存在的問(wèn)題與不足，促進(jìn)電力線路工程建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展，可以應(yīng)用于實(shí)際電力工程。