基于云計(jì)算的無(wú)人機(jī)輸電線路架空地線斷股故障修復(fù)系統(tǒng)

摘 要：為了有效提升輸電線路的安全性，本文設(shè)計(jì)了基于云計(jì)算的無(wú)人機(jī)輸電線路架空地線斷股故障修復(fù)系統(tǒng)。在硬件方面，對(duì)無(wú)人機(jī)控制器和圖像處理模塊進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)；在軟件方面，分析了地線斷股的原因，使用無(wú)人機(jī)對(duì)輸電線路進(jìn)行故障定位，并建立了云計(jì)算平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)輸電線路架空地線斷股故障的修復(fù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)修復(fù)地線斷股所用時(shí)間更短，系統(tǒng)性能更優(yōu)越。

關(guān)鍵詞：輸電線路；云計(jì)算；無(wú)人機(jī)影像；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM 75" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

由于電網(wǎng)、土地和檢查設(shè)備的位置限制，一些常規(guī)檢查并不能有效地發(fā)現(xiàn)輸電線路的隱患。因此，需要頻繁監(jiān)測(cè)才能保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行[1-2]。在該背景下，設(shè)計(jì)一個(gè)輸電線路架空地線斷股故障修復(fù)系統(tǒng)顯得非常重要。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種輸電線路自動(dòng)驗(yàn)證系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用無(wú)人機(jī)攝像機(jī)拍攝線路的圖像，并利用圖像識(shí)別方法進(jìn)行線路故障的修復(fù)。但因其適用性相對(duì)較差，且K-means算法預(yù)測(cè)精度低、數(shù)據(jù)分類精度不高，嚴(yán)重影響了輸電線路信息的質(zhì)量。針對(duì)上述技術(shù)的不足，本文提出了一種基于云計(jì)算的無(wú)人機(jī)輸電線路架空地線斷股故障修復(fù)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)思路

該無(wú)人機(jī)的飛行控制器使用的是由Erle Robotics公司開發(fā)Erle Brain 2主板，內(nèi)置了900 MHz、型號(hào)為ARM Cortex-A7的核心處理器。它包括一個(gè)飛行控制單元，用于基本的飛行控制運(yùn)算以及一個(gè)支持計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)圖像處理和傳輸。此外，控制器還包括慣性測(cè)量單元、高度計(jì)和卡爾曼濾波器，用于信號(hào)處理。該無(wú)人機(jī)還配備了全球衛(wèi)星導(dǎo)航天線，其定位誤差僅為1 m。在監(jiān)控模式下，無(wú)人機(jī)通過(guò)SJ4000 Turnigy HD ActionCam 1080P攝像機(jī)采集1 920 px ×1 080 px的視覺(jué)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過(guò)傳輸線路傳送，并存儲(chǔ)在16 GB的內(nèi)部存儲(chǔ)器中，定期作為數(shù)據(jù)包發(fā)送至相關(guān)計(jì)算機(jī)以進(jìn)行處理[4]。為了實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程，無(wú)人機(jī)裝備了一個(gè)433 MHz的發(fā)射/接收器和遙測(cè)無(wú)線連接系統(tǒng)以及一個(gè)5 800 MHz的發(fā)射/接收?qǐng)D像傳輸系統(tǒng)。無(wú)人機(jī)控制器和圖像處理內(nèi)部電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.2 軟件設(shè)計(jì)思路

1.2.1 斷股原因分析

如果左架空地線的補(bǔ)償偏移49.5°，那么線夾分布與地面支撐部件之間的距離將為11 mm。計(jì)算結(jié)果和圖紙顯示，一旦支線懸掛的角度gt;50.5°，地線（尤其是靠近懸掛線的部分）就可能會(huì)與鐵塔接觸。在地線修復(fù)過(guò)程中，地線絕緣子串的偏移情況如圖2所示。

地線懸垂絕緣子串風(fēng)偏角如公式（1）所示。

（1）

式中：φ為系列風(fēng)偏轉(zhuǎn)角；θ為線角；P1為懸掛式隔振器；P為懸垂線風(fēng)壓；lH為塔架的水平距離；T為地線的縱向壓力；?為接地線和接地線的橫截面角，φ=；G1為懸浮線；W1為地線的重力；lv為塔架的垂直距離。

由公式（1）推導(dǎo)得出，一系列地線懸掛的理論偏差角為74°，在年度平面模式下，軀干容器的角度為38.3°（T=20 ℃，V=0 m/s）。年平均工況下的地線絕緣子串偏移如圖3所示。在年度運(yùn)行條件下，使用了周期性環(huán)形循環(huán)的圓弧。分析表明，基線之間、懸浮線、塔架外角和地線制動(dòng)器之間的理論距離約為141 m。然而，塔架外角地線懸架垂線上風(fēng)變形角的理論計(jì)算與塔架的實(shí)際位置之間存在顯著差異。從公式（1）可以看出，θ值和T值對(duì)懸架方向的風(fēng)變形角度有顯著影響。

塔的旋轉(zhuǎn)角度和水平與設(shè)計(jì)值相符。風(fēng)偏轉(zhuǎn)角TZ是導(dǎo)致懸架隔離線方向偏離的主要原因。塔的外角側(cè)地線在不同工況下的運(yùn)行參數(shù)見表1。

從圖3可以看出，地線支架斜材有2個(gè)磨損缺口。盡管地面較高，但是地面片材仍被切割得較小，這使地線支架仍然能夠安裝在塔上。繪圖計(jì)算表明，當(dāng)外部轉(zhuǎn)向?qū)Ь€溫度較高時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)確定接地線，懸架角度為36.8°，從最近點(diǎn)到地線的距離為160 mm。由于壓力升高，地線外角與本體線的距離過(guò)近，因此在風(fēng)力作用下，接地線與塔材之間發(fā)生重復(fù)摩擦，使架空地線和塔材同時(shí)發(fā)熱燒損，最終導(dǎo)致地線斷裂。

1.2.2 使用無(wú)人機(jī)對(duì)輸電線路進(jìn)行故障定位

在分析地線斷裂原因的基礎(chǔ)上，本文采用幾何結(jié)構(gòu)方法來(lái)識(shí)別輸電線路架空地線的故障，這一步驟須確定每個(gè)圖像的坐標(biāo)軸。目標(biāo)是找到一個(gè)包含3條以上直線的組合，以保證傳輸線的平行和穩(wěn)定[5]。使用傅里葉變換（θ）提供的P和tan參數(shù)，進(jìn)行地形波動(dòng)和相機(jī)體積干擾等值線的識(shí)別，本研究開發(fā)了專門用于圖像識(shí)別技術(shù)的無(wú)人機(jī)。在調(diào)整傳輸線圖像的過(guò)程中，利用不同角度和特定距離之間的幾何關(guān)系來(lái)校正不利影響。每個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系如公式（2）所示。

（2）

式中：d1'和d2'為中心傳輸線與左右傳輸線之間測(cè)量的真實(shí)距離，其中無(wú)人機(jī)的平面和傳輸線的平面平行；d1和d2分別為無(wú)人機(jī)的視場(chǎng)一和視場(chǎng)二；γ為圍繞相機(jī)X軸投影的角度；a1和a2為實(shí)際點(diǎn)與傳輸線焦點(diǎn)之間的角度；ψ為中心傳輸線與左右傳輸線之間測(cè)量的軀干距離。

由公式（2）可知，當(dāng)給定數(shù)據(jù)時(shí)，可以利用幾何關(guān)系中的不同角度和特定距離的不同數(shù)據(jù)信息參數(shù)，在校正過(guò)程中調(diào)整傳輸線[6]。無(wú)人機(jī)在傳輸線的參考高度上捕獲了多張圖像，并從每張圖像中提取關(guān)鍵點(diǎn)。隨后，利用后續(xù)視覺(jué)數(shù)據(jù)輔助定位誤差來(lái)直接測(cè)量這些關(guān)鍵點(diǎn)間的距離。為了確定H的正確高度，筆者應(yīng)用了反向線函數(shù)，該函數(shù)結(jié)合了測(cè)量距離、參考距離、參考高度以及無(wú)人機(jī)的高度，計(jì)算過(guò)程如公式（3）所示。

（3）

式中：H為反向線函數(shù)；h為無(wú)人機(jī)基準(zhǔn)距傳輸線的高度；D為傳輸線的圖像中以像素為單位的參考距離。

通過(guò)計(jì)算，可以確定外部模式中參考坐標(biāo)的軸，然后計(jì)算中心傳輸線的預(yù)期無(wú)人機(jī)位置，具體計(jì)算過(guò)程如公式（4）、公式（5）所示。

（4）

（5）

式中：δ為無(wú)人機(jī)位置與坐標(biāo)系X軸之間形成的夾角；a為無(wú)人機(jī)圍繞相機(jī)z軸的旋轉(zhuǎn)角度。

高斯概率密度函數(shù)與每個(gè)傳感器相關(guān)聯(lián)，具體位置如公式（6）所示。

σθ2=γσ12+γσ22 +γσ32" " " " " " " " " " " "（6）

式中：σθ2為高斯概率密度函數(shù)與傳感器之間的關(guān)聯(lián)函數(shù)；σ12、σ22、σ32分別為每個(gè)傳感器空間位置的測(cè)量值。

本文涉及的誤差定位無(wú)人機(jī)和傳輸線的上下比例是通過(guò)測(cè)量位置參數(shù)來(lái)確定的[7]。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，本文提供的無(wú)人機(jī)誤差定位方法能在不同時(shí)間條件下正常工作。另外，該方法還能在特定應(yīng)用中使用理論設(shè)置和角度測(cè)量來(lái)獲取相關(guān)變量，從而得到理論參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)利用無(wú)人機(jī)對(duì)輸電線路進(jìn)行故障定位。

1.2.3 基于云計(jì)算的無(wú)人機(jī)輸電線路架空地線斷股故障修復(fù)

由于無(wú)人機(jī)輸電線路架空地線斷股故障修復(fù)涉及云計(jì)算技術(shù)。因此，在試驗(yàn)過(guò)程中需要建立云計(jì)算平臺(tái)。本文選擇Spark云計(jì)算平臺(tái)作為執(zhí)行平臺(tái)。當(dāng)使用Spark分析國(guó)家電網(wǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)時(shí)，需要配置Hadoop環(huán)境，并安裝Spark及其相關(guān)組件。云計(jì)算平臺(tái)的Hadoop和Spark版本分別為2.6.5和1.4.1。將文件夾“t”復(fù)制到相應(yīng)verge節(jié)點(diǎn)上的任意云計(jì)算平臺(tái)上，并在master節(jié)點(diǎn)上啟動(dòng)Hadoop，以驗(yàn)證Hadoop環(huán)境配置是否成功。這樣可以對(duì)無(wú)人機(jī)輸電線路架空地線斷股故障進(jìn)行修復(fù)，并將最終修復(fù)結(jié)果以可視化形式輸出。在光電指標(biāo)計(jì)算的基礎(chǔ)上，筆者繪制了修復(fù)波形圖，其結(jié)果可以量化，如公式（7）所示。

（7）

式中：H（τ）為波形修復(fù)函數(shù)；ηamplitude為原始電流行波的寬度和振幅之間的比例系數(shù)；A0為波形誤差校正函數(shù)。

如果高壓輸電線路上的所有波流數(shù)據(jù)都被納入在公式計(jì)算中，那么系統(tǒng)就可以自動(dòng)生成適當(dāng)?shù)男迯?fù)波形。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)輸電線路架空地線斷股故障的修復(fù)目標(biāo)，還應(yīng)該對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)以及儀器的波形結(jié)果進(jìn)行人工校正，以保證修復(fù)的準(zhǔn)確性。

2 試驗(yàn)論證

為了驗(yàn)證基于云計(jì)算的無(wú)人機(jī)輸電線路架空地線斷股故障修復(fù)系統(tǒng)的有效性，本文構(gòu)建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并將所提出的方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，具體的試驗(yàn)步驟如下。

為了驗(yàn)證無(wú)人機(jī)輸電線路架空地線斷股故障修復(fù)方法的可行性和有效性，筆者在某市地方政府網(wǎng)絡(luò)公司進(jìn)行了案例研究。利用MATLAB仿真軟件搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在試驗(yàn)過(guò)程中，綜合使用了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、線路狀態(tài)分析信息以及決策分析數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的連接和傳輸。試驗(yàn)體系的最高管理中心負(fù)責(zé)接收模擬數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中。通過(guò)遠(yuǎn)程管理的方式，可以計(jì)算和分析這些數(shù)據(jù)，以模擬和管理輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)。在本試驗(yàn)中，還使用了誤差檢測(cè)裝置對(duì)某市郊區(qū)中段2022年以來(lái)的數(shù)條輸電線路進(jìn)行了運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)。所收集的數(shù)據(jù)涵蓋了2023年1—3月輸電線路的運(yùn)營(yíng)情況。具體的輸電線路試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2描述了不同路段的輸電線路額定電壓、安全輸送電流等參數(shù)，筆者利用這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了后續(xù)的試驗(yàn)。目的是測(cè)試該方法對(duì)輸電線路圖像噪聲進(jìn)行濾波處理的有效性。有效性指標(biāo)是指在規(guī)定的檢測(cè)時(shí)間段（9：00—18：00），對(duì)#3段輸電線路進(jìn)行檢測(cè)和圖像噪聲濾波處理的程度。為了進(jìn)行這項(xiàng)研究，筆者首先在MATLAB仿真軟件中構(gòu)建了一個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)信息模型，并將不同的參數(shù)應(yīng)用于該模型。隨后，利用MATLAB仿真軟件建立了包括輸電線路綜合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息、線路狀況分析信息、決策分析數(shù)據(jù)的綜合數(shù)據(jù)模型。在仿真過(guò)程中，從數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中提取了不同的數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行了存儲(chǔ)和處理。在試驗(yàn)過(guò)程中，筆者進(jìn)行了3次試驗(yàn)，將本文的系統(tǒng)與傳統(tǒng)方法一和傳統(tǒng)方法二的架空斷股地線故障修復(fù)性能進(jìn)行了對(duì)比，并計(jì)算了平均修復(fù)時(shí)間。具體的試驗(yàn)結(jié)果見表3。

根據(jù)表3，筆者得出結(jié)論：本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在修復(fù)輸電線路架空地線斷股故障過(guò)程中，所需時(shí)間相對(duì)較短。與傳統(tǒng)方法一相比，修復(fù)時(shí)間縮短了1.53 h；與傳統(tǒng)方法二相比，修復(fù)時(shí)間則縮短了2.52 h。這表明本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能和應(yīng)用價(jià)值更高。

3 結(jié)語(yǔ)

本文將云計(jì)算應(yīng)用于輸電線路架空地線斷股故障的修復(fù)過(guò)程中，設(shè)計(jì)了基于云計(jì)算的無(wú)人機(jī)輸電線路架空地線斷股故障修復(fù)系統(tǒng)，并從多個(gè)角度對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，云計(jì)算技術(shù)的運(yùn)用不僅為準(zhǔn)確識(shí)別當(dāng)前輸電線路類型提供了技術(shù)支持，而且加快了輸電線路故障修復(fù)的速度，具有一定研究意義。

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