城市室內(nèi)與室外同步電力檢修系統(tǒng)設(shè)計

李兆碧，余 情

(1.重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

1 引言

隨著城市化進程的加快以及科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，導(dǎo)航系統(tǒng)在社會經(jīng)濟建設(shè)、國防科技發(fā)展等方面都起著重要作用。隨著城市的發(fā)展與蔓延，城市電力線路的數(shù)量不斷增長，如何進行高效精確的檢修，成為一個新的難題。復(fù)雜的城市線路充斥在城市的每一個角落，線路維護的工作量之大，線路檢修的難度之高，讓城市電力線路的快速、高效檢修成為一個新的研究熱點。

本文綜合利用導(dǎo)航系統(tǒng)、短報文通信、無人機等技術(shù)探討城市室內(nèi)外同步電力檢修系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)城市范圍內(nèi)各類線路的實時探測、精確定位、往復(fù)巡查、動態(tài)監(jiān)控、緊急預(yù)警和應(yīng)急搶修，在很大程度上提高了城市電力線路應(yīng)急檢修系統(tǒng)的監(jiān)控力度和應(yīng)急搶修水平，將南方測繪導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于該領(lǐng)域，能夠?qū)⒊鞘须娏€路安全問題從傳統(tǒng)的“被動安全”上升為“主動安全”，力求“本質(zhì)安全”。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計思路

2.1 線路探測

線路探測的主要目的是對各個區(qū)域和地段的線路進行高精度的位置測量，為之后的數(shù)據(jù)提取和處理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為發(fā)生緊急情況后的指揮調(diào)度、應(yīng)急搶修提供保障。線路探測是整個城市室內(nèi)與室外同步電力檢修系統(tǒng)的根本，也是最重要的一個環(huán)節(jié)，它決定著整個檢修系統(tǒng)的質(zhì)量和運行效率。

2.2 接收數(shù)據(jù)

接受來自導(dǎo)航系統(tǒng)的電力數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行提取、分析和處理，將處理后的異常數(shù)據(jù)發(fā)送給電力部門或者檢修部門，電力部門或者檢修部門采取相關(guān)措施。

2.3 發(fā)出警報

收到異常數(shù)據(jù)后發(fā)出警報，對某一區(qū)域檢修站進行指揮調(diào)度，做好應(yīng)急搶修措施。

2.4 判斷故障來源

到故障信息后，首先要判斷故障來源。室內(nèi)故障應(yīng)急搶修與室外故障應(yīng)急搶修的搶修方法不同，但可以同時進行。之所以采用不同的方法，是為了提高搶修效率并且可以大大降低搶修的人工成本，同時還可以在很大程度上保障檢修人員的生命安全。

2.5 室內(nèi)故障應(yīng)急搶修

室內(nèi)的應(yīng)急搶修是采用短報文通信的方式，將電表用電數(shù)據(jù)發(fā)送給導(dǎo)航系統(tǒng)，再由地面站接受數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)。再將分析異常數(shù)據(jù)得到的精確位置通過導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)給持有移動地面終端的檢修人員，檢修人員通過移動終端找到相應(yīng)的故障點，實施快速檢修。

2.6 室外故障應(yīng)急搶修

室外的故障應(yīng)急搶修由于受到地理位置或者室外障礙物的影響，需要無人機在大范圍內(nèi)對故障點進行故障查找，獲得精確的故障點信息和故障類型信息。地面控制站的檢修人員通過車載終端接收信息指令，攜帶好相關(guān)檢修工具駕駛電動巡檢車前往指定位置，進行電力搶修。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)

3.1 線路探測

在北斗基站信號所包含的區(qū)域，可以采用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)進行測量，通過已經(jīng)建成的北斗基站網(wǎng)實時發(fā)布傳輸信號給地面站或者信號終端。在北斗基站信號未包含的區(qū)域，利用多臺RTK接收機同時對電力線路探測數(shù)據(jù)進行衛(wèi)星信號的接收，將一臺已安裝有導(dǎo)航系統(tǒng)的已知點設(shè)為導(dǎo)航基準(zhǔn)站，另外其他的接收機設(shè)為流動站測定未知點坐標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)RTK由于不受到布網(wǎng)條件、通視條件等的影響和限制，在精度要求不是很高的情況下，可以在很大程度上降低其工作強度、縮短其測量周期[1～3](圖1)。

圖1 網(wǎng)絡(luò)RTK測量原理

3.2 室內(nèi)線路巡檢

提供具有室內(nèi)定位功能的室內(nèi)導(dǎo)航定位系統(tǒng)及巡檢終端，用于城市電力系統(tǒng)的日常巡檢，應(yīng)用短報文通信的用電信息采集系統(tǒng)，在電路發(fā)生故障時及時采集到異常的用電信息，以便將異常信息通過短報文通信發(fā)送至地面接收站。短報文通信可對目標(biāo)實現(xiàn)點對點、多點對多點的雙向數(shù)據(jù)傳輸，用電信息采集成功率可達98.9%，且覆蓋范圍大、通信無盲區(qū)、安全可靠，為城市地區(qū)的線路巡檢提供有力支撐[4,5]。要實現(xiàn)短報文通信必要有一個數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備，該設(shè)備用于對數(shù)量較大的智能電表的用電數(shù)據(jù)進行采集與傳輸。該設(shè)備由7個部分組成：電源電路、串口通信模塊、無線通信模塊、單片機、Flash存儲模塊、SD卡存儲模塊、下載管理模式(圖2)。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框

3.3 室外線路數(shù)據(jù)監(jiān)測

通過RTK數(shù)據(jù)采集傳輸終端結(jié)合搭載有北斗芯片的無人機用于室外電線/電纜的數(shù)據(jù)安全監(jiān)測，無人機的優(yōu)勢在于不受地理條件的限制、巡線速度快。利用無人機機身內(nèi)所搭載高清相機和紅外熱成像儀對電力線路進行高空拍攝，并通過人工分析視頻和照片，判別出主要的故障點位置以及可能產(chǎn)生的電力線路隱患，利用搭載有北斗芯片的無人機能夠大大提高監(jiān)測效率和降低人工成本[6]。

無人機電力線路安全監(jiān)測系統(tǒng)包括了無人機平臺、地面測控站、地面數(shù)據(jù)處理中心、專家系統(tǒng)4個部分。無人機平臺內(nèi)的北斗芯片可以實現(xiàn)對無人機飛行路線的精確規(guī)劃、飛行位置的精確定位。精確的線路規(guī)劃可以大大降低飛行成本并提高巡線效率，減少飛行區(qū)域以及飛行線路的重復(fù)。飛行位置的精確定位可以實現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)故障點后的精確定點及時向地面控制站發(fā)送準(zhǔn)確位置信息，以便及時采取有效措施應(yīng)對突發(fā)狀況[7](圖3)。

圖3 無人機監(jiān)測原理

3.4 線路的應(yīng)急搶修

線路的應(yīng)急搶修可分為室內(nèi)的應(yīng)急搶修和室外的應(yīng)急搶修，室內(nèi)應(yīng)急搶修在商場、大廈等公共活動場所起著重要作用，及時的指揮調(diào)度以及確定解決方案能夠在很大程度上減少經(jīng)濟損失，同時也確保了公共安全，使因電路故障而造成的人身傷亡的幾率降到最低(圖4)。

圖4 應(yīng)急搶修方案

(1)室內(nèi)應(yīng)急搶修。導(dǎo)航系統(tǒng)收到短報文通信設(shè)備的報警指令后，將信號傳送至地面測控站進行指揮調(diào)度，地面測控站派遣持有南方測繪手持終端的檢修人員對室內(nèi)的線路故障進行精確定位，并實施檢修。通過地面測控站對短報文電表數(shù)據(jù)的分析，將精確位置發(fā)送至導(dǎo)航系統(tǒng)，導(dǎo)航系統(tǒng)再將位置信號發(fā)送至檢修人員的手持接收機，實現(xiàn)快速定位。室內(nèi)應(yīng)急搶修會涉及到導(dǎo)航系統(tǒng)在室內(nèi)的導(dǎo)航定位，室內(nèi)導(dǎo)航定位可以運用指紋節(jié)點的定位方法。

(2) 室外應(yīng)急搶修：當(dāng)無人機監(jiān)測到電路故障，機內(nèi)搭載的北斗芯片會將準(zhǔn)確的位置信息發(fā)送給地面控制站，控制站通過對信息的采集和處理，提取出故障點的準(zhǔn)確位置以及故障類型，將信息發(fā)送給地面的車載終端，檢修人員根據(jù)車載終端所提供的信息，攜帶好針對性的檢修工具驅(qū)車前往故障地點進行搶修。利用車載型北斗終端(圖5)作為服務(wù)中心接入系統(tǒng)，接入其他北斗終端上報的位置和信息，可以降低應(yīng)用的組網(wǎng)成本，并且可以實現(xiàn)應(yīng)急響應(yīng)、信息雙向傳輸、移動指揮[8～10]。

圖5 車載導(dǎo)航工作原理

4 結(jié)語

隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用日趨成熟和廣泛，將北斗技術(shù)應(yīng)用于城市的電力檢修是一個具有現(xiàn)實意義的創(chuàng)新。城市的電路故障在很大程度上不僅會導(dǎo)致經(jīng)濟上的損失，嚴重時還會危及人身安全，此時就需要一個能夠快速檢測電力系統(tǒng)故障點又能夠降低人工成本的技術(shù)方法，顯然，將北斗技術(shù)應(yīng)用于此是一個很不錯的選擇。北斗技術(shù)在城市電力檢修系統(tǒng)上的應(yīng)用能夠為城市的安全與發(fā)展提供保障，也是人民能夠安居樂業(yè)的“良方”。在未來，北斗系統(tǒng)還會在城市居民的衣食住行各個方面發(fā)揮其重要優(yōu)勢與作用，將北斗系統(tǒng)逐漸融入人們的生活，為更多人所接觸和應(yīng)用。同時，北斗系統(tǒng)亦可在天空、地面、水下、室內(nèi)構(gòu)成一套完整的體系，讓人們無論在哪里都能感受到它的存在，充分發(fā)揮其價值，為國家的安全護航、為國家的發(fā)展助力。