一種基于無人機的電氣設備自動化智能監(jiān)測系統(tǒng)

任雪爽 陳峰 王雪晴 王健 王文博

摘 要：該文提出一種基于無人機的電氣設備自動化智能監(jiān)測系統(tǒng)。此系統(tǒng)將無人機與現(xiàn)有的傳感器技術、計算機技術以及無線通訊技術相結合，利用無人機搭載傳感器組，結合無人機的航拍功能，對運行中的電氣設備進行立體式掃描檢測，再經(jīng)過FPGA+DSP高速數(shù)據(jù)處理后，以ANT無線通訊協(xié)議發(fā)送給上位機，進而對電氣設備運行狀態(tài)進行智能化監(jiān)測和診斷分析。

關鍵詞：無人機 傳感器 無線通信 自動化 智能檢測

中圖分類號：V279 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）02（c）-0014-02

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，超高壓大容量電力線路大幅擴建，社會對電力系統(tǒng)的可靠性要求越來越高。但目前的電氣設備測試任務大多仍需人工操作，危險性大，不能納入發(fā)電廠和變電站的整個自動化系統(tǒng)，而且監(jiān)測系統(tǒng)僅停留在提供監(jiān)測數(shù)據(jù)的水平上，缺乏必要的分析判斷功能，需要花費大量的人力物力對監(jiān)測系統(tǒng)進行管理。為此，該文以模塊化設計為基礎，提出了一種基于無人機的電氣設備智能監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可大大提高電氣設備帶電檢測的安全性和自動化水平。

1 整體方案

該系統(tǒng)利用現(xiàn)有成熟的多軸無人機低空懸停和定位等關鍵技術，將其與局部放電檢測技術、圖像的采集處理技術、無線通信技術和大數(shù)據(jù)云計算技術有機結合起來，提供了一種更加安全可行的電氣設備（尤其是架空或高壓電氣設備）運行狀態(tài)監(jiān)測方法。其目的是提高電氣設備監(jiān)測系統(tǒng)的自動化水平，盡可能地避免人工監(jiān)測面臨的障礙和危險。

該監(jiān)測系統(tǒng)的總體結構如圖1所示，主要由無人機、上位機、無線通信網(wǎng)絡以及各類傳感器、相關模塊等構成。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 無人機與上位機

無人機飛行器及成像設備具有安全、可靠、適應性好等優(yōu)點，而且具有監(jiān)測速度快，智能化程度高、可實現(xiàn)超視距遙控飛行、程控自主飛行及自動返航等多種功能。在該系統(tǒng)中，無人機作為一個搭載平臺，替代人工靠近電氣設備實施檢測。能夠大大提高電氣設備在線監(jiān)測的安全性和自動化水平。另外，無人機的開源接口還可以允許開發(fā)者根據(jù)需求對飛行控制做進一步設計。

無人機上設置第一無線通訊模塊、驅動模塊、GPS模塊等。第一無線通訊模塊用于向遠程控制中心發(fā)送實時飛行數(shù)據(jù)以及攝像頭采集到的圖像信息和傳感器檢測到的狀態(tài)信息，此外還接收并回復遠程控制中心發(fā)送的測試命令，接收任務命令和修正命令并發(fā)送至驅動模塊；驅動模塊用于接收第一無線通訊模塊發(fā)送的任務命令、修正命令并驅動無人機執(zhí)行飛行任務。GPS模塊可以獲取無人機的地理位置信息，實現(xiàn)實時定位和導航，進而實現(xiàn)對無人機飛行路線和飛行模式的控制和調整。

上位機即遠程控制中心，包括第二無線通訊模塊、任務分配模塊、信號處理模塊和初始化模塊等。第二無線通訊模塊用于向無人機的第一無線通訊模塊發(fā)送測試命令、任務命令和修正命令，接收無人機的第一無線通訊模塊所發(fā)送的實時飛行數(shù)據(jù)以及攝像頭采集到的圖像信息和傳感器檢測到的狀態(tài)信息；任務分配模塊用于用戶輸入對無人機的控制命令并通過第一無線通訊模塊發(fā)送至對應的無人機；信號處理模塊用于對第二無線通訊模塊接收的數(shù)據(jù)進行抗干擾處理和數(shù)模轉換，便于進一步的數(shù)據(jù)分析和顯示；初始化模塊用于對第一無線通訊模塊、任務分配模塊和信號處理模塊進行初始化。

2.2 傳感器模塊

先進的傳感器技術是實現(xiàn)智能監(jiān)測的重要手段。設備的故障診斷依靠傳感器獲取盡可能多的準確的狀態(tài)量數(shù)據(jù)，因此該系統(tǒng)采用包含多種傳感器的集成傳感器組對電氣設備進行檢測以獲取盡可能多的狀態(tài)量數(shù)據(jù)。為滿足智能監(jiān)測的差異性要求，針對不同的電氣設備需要配置不同類別的傳感器模塊，常見的有電磁傳感器、超聲波傳感器以及紅外溫度傳感器等。

（1）電磁波傳感器：實現(xiàn)非接觸檢測，局部放電脈沖會產(chǎn)生高頻電磁信號并向周圍輻射，電磁波傳感器通過耦合設備內部局部放電產(chǎn)生的超高頻信號實現(xiàn)局部放電的檢測和定位。

（2）超聲波傳感器：選擇壓電晶片機電耦合系數(shù)高的超聲波傳感器。以電氣設備表面作為反射面，根據(jù)反射波的衰減情況進行檢測其表面是否有裂痕。

（3）紅外溫度傳感器：可檢測各部位接頭、冷卻裝置控制元件等運行溫度，對監(jiān)測潛伏比故障有著很大幫助。為了消除環(huán)境溫度影響，傳感器內部封裝有熱敏電阻，通過熱敏電阻獲取與環(huán)境溫度相關的電壓，進行溫度補償。

2.3 FPGA+DSP高速數(shù)據(jù)采集處理模塊

系統(tǒng)可以采用TMS320C6748+Spartan-6高速數(shù)據(jù)采集處理模塊，其中TMS320C6748是德州儀器（TI）低功耗高性能浮點DSP處理器，而Spartan-6是賽靈思（Xilinx）平臺升級靈活、性價比極高的FPGA處理器。該模塊通過TMS320C6748的UPP、EMIF等通信接口將兩個芯片結合在一起，能實現(xiàn)功能強大的DSP+FPGA高速數(shù)據(jù)采集處理功能。

對電磁傳感器的輸出信號首先要進行濾波，再經(jīng)檢波器放大降頻取得局部放電脈沖峰值，因為局部放電激發(fā)的是高頻電磁波，如不降頻將加大采集信號的難度。溫濕度傳感器、超聲波傳感器和紅外傳感器不需要通過濾波和檢波模塊，可直接將傳感器輸出信號接到AD采樣口。AD將數(shù)據(jù)由模擬信號轉換成數(shù)字信號后由FPGA采集，然后通過UPP或EMIF總線傳輸至DSP。DSP對數(shù)據(jù)做進一步處理后通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)傳向上位機。同時DSP根據(jù)處理結果，將得到的邏輯控制命令送往FPGA，由FPGA控制板載DA實現(xiàn)邏輯輸出和速率更新。

2.4 無線通信模塊

該系統(tǒng)可采用基于ANT無線通信協(xié)議的AP2000通訊模塊，該模塊核心為nRF24AP2網(wǎng)絡芯片，其工作頻率為2.4 GHz，并具有-85 dBm的接收靈敏度。該監(jiān)測系統(tǒng)中，上位機作為ANT網(wǎng)絡的中心節(jié)點，選用具有8個ANT通信通道的nRF24AP2-8CH芯片，可以把更多傳感器同時連接到一個集線器上。

nRF24AP2芯片具有很強的抗干擾能力，不會受附近的其他2.4 GHz無線發(fā)射設備（例如藍牙無線技術和Wi-Fi）的干擾，在嘈雜的RF工作環(huán)境下會減少重新發(fā)送的次數(shù)和數(shù)據(jù)包丟失。同時也增大了在使用鈕電池情況下的功率裕度，延長電池的使用壽命。另外該芯片還可以實現(xiàn)以下功能。

（1）鄰近搜索：根據(jù)與搜索設備的接近程度獲得主節(jié)點，可以按照鄰近程度來實現(xiàn)配對，進一步簡化了ANT的操作。

（2）頻率捷變頻道：通過這個功能，ANT頻道使用多個射頻頻道，如果檢測到性能有明顯的下降，可以在各個射頻頻道之間跳變。例如在Wi-Fi這類很強的干擾環(huán)境下，這將進一步提高它的可靠性。

（3）連續(xù)掃描模式：利用該模式能把星形連接網(wǎng)絡的延遲降到非常低。

3 數(shù)據(jù)共享和智能診斷

電力設備監(jiān)測數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流形式連續(xù)生成，數(shù)據(jù)種類豐富、數(shù)量巨大，屬于典型的大數(shù)據(jù)。要實現(xiàn)對檢測結果的智能分析和診斷，首先要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，這就要解決全國各電氣設備在線監(jiān)測系統(tǒng)或局部地區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)的計算機遠程聯(lián)網(wǎng)、聯(lián)機問題，有兩種基本方式。

3.1 全開放式聯(lián)機

該聯(lián)機方式允許被授權單位或部門利用電力系統(tǒng)內微波或公用電話網(wǎng)，直接進入各大電氣設備在線監(jiān)測系統(tǒng)獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)。只要監(jiān)測系統(tǒng)認可聯(lián)機用戶密碼，監(jiān)測系統(tǒng)就對遠方用戶開放。開放方式分為兩個級別，一個級別為只讀方式，用戶無權變更監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)或寫入任何內容；另一級別為系統(tǒng)維護方式，用戶不僅可得到監(jiān)測數(shù)據(jù)，還可以了解監(jiān)測系統(tǒng)運行狀況，更改運行參數(shù)甚至運行程序。

3.2 區(qū)域在線監(jiān)測數(shù)據(jù)中心聯(lián)機

區(qū)域在線監(jiān)測數(shù)據(jù)中心可以設在省電力局或地區(qū)電力局，對下級電氣設備在線監(jiān)測系統(tǒng)提供聯(lián)機服務和監(jiān)測數(shù)據(jù)庫管理工作，還可對外聯(lián)機，直接提供已處理的多年連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

通過聯(lián)機組網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享后，再采用云計算技術Hadoop進行數(shù)據(jù)并行采集和分布式存儲計算，以加強數(shù)據(jù)訪問的可行性和高效性。在線監(jiān)測系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)以及交換監(jiān)測數(shù)據(jù)的另一個重要目的是獲得遠方電氣專家的咨詢與技術支持。當該區(qū)域監(jiān)測到的數(shù)據(jù)變化不足以判斷故障時，可以依靠該網(wǎng)絡向遠方的專家送出數(shù)據(jù)以獲得他們的咨詢意見。

4 結語

隨著超高壓大容量電力線路的大幅擴建，電力系統(tǒng)安全運行必不可少的監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮越來越重要的作用，而無人機遠程飛控技術的發(fā)展以及大數(shù)據(jù)云計算技術的普及使得人們對電氣設備監(jiān)測系統(tǒng)的自動化和智能化性有了更高的要求。因此該文所提出的基于無人機的電氣設備自動化智能監(jiān)測系統(tǒng)擁有很大的市場需求和廣闊的應用前景。

參考文獻

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