基于5G与北斗的输电线路无人机车载智能移动巡检系统设计

为提高无人机巡检作业效率,针对输电线路无(弱)信号区域实时数据传输效率低的问题,以无人机移动作业平台为研究对象,以5G与北斗的双通信方式保障巡检系统与无人机之间的数据交互,构建一种适应无人机输电线路全地域巡检的智能车载移动作业系统。首先,基于模块化设计思路,给出适应无人机巡检的移动作业车改装设计方案;其次,基于信号增强与卫星通信技术,提出一种基于5G+北斗的通信系统及其部署方案,在5G网络弱覆盖或失效时,进行信号增强并由卫星通信系统完成通信链路建立和数据传输,进而保障巡检数据传输;然后,基于对Tag码的视觉定位与识别,完成巡检无人机的精准降落回收;进一步,研发移动巡检系统应用软件;最后,通过实地测试验证系统的性能。经实验测试,该智能车载移动作业系统能够实现无人机的自主飞行、远程数据传输及基于视觉伺服的精准降落等巡检任务,为输电线路全地域巡检提供一种系统解决方案。

基于GA-SA算法的无人机巡检输电铁塔三维航迹优化

无人机巡检输电铁塔本体和金具、绝缘子等附属部件的航迹优化属于典型的旅行商问题。由于巡检对象的结构复杂、巡检部件多,采用单一的启发式算法会造成航迹重叠、容易陷入局部最优解等问题。为此,考虑无人机航迹三维空间结构的特点,引入全局搜索能力强的遗传算法(genetic algorithm, GA)与局部收敛速度快的模拟退火算法(simulated annealing, SA)相结合的无人机三维航迹混合GA-SA寻优算法。以无人机巡检500 kV超高压交流双回鼓型塔为例,根据三维有限元仿真得到的无人机电磁防护安全距离为2 m,结合巡检对象及常见缺陷出现的位置确定了61个高空安全悬停点,分别采用GA、SA和混合GA-SA算法对无人机遍历高空安全悬停点的航迹进行优化。结果表明:混合GA-SA算法的迭代收敛次数相比GA和SA分别减小了45.6%与55.2%,最优航迹距离分别缩短了8.1%与8.9%,验证了所提方法的有效性。

无人机巡检500 kV典型铁塔的抗干扰路径规划

在规划无人机巡检输电铁塔的飞行路径中,考虑无人机所受的电磁干扰对于保证无人机安全高效地完成巡检作业任务具有重要意义。由于不同形状铁塔的巡检目标位置、导线排布方式不一致,造成无人机的最优巡检路径和安全距离存在差异。为此,选择了4种500 kV典型输电铁塔作为研究对象,通过有限元仿真分析了不同形状铁塔对无人机的电磁干扰并确定了无人机巡检各典型铁塔的安全距离;结合巡检对象及常见缺陷出现的位置确定了无人机巡检4种铁塔的高空安全悬停点;通过混合遗传-模拟退火算法寻优得到了4种典型铁塔下无人机最优巡检路径。结果表明,无人机巡检500 kV酒杯塔、猫头塔、干字型耐张塔和双回鼓型塔的最优路径长度分别为190.4、202.6、213、313.7 m;前3种塔型的最小安全距离为1.5 m,最后一种塔型的最小安全距离为2 m。

基于ToF技术的带电作业安全监测与预警系统

针对目前国内带电作业中安全监控及预警手段和方法缺乏的现状,提出一种基于ToF(time of flight,飞行时间)技术的带电作业实时安全监测与预警系统。采用ToF摄像机实时对工作人员周围的空间进行三维重建,获取工作人员附近物体的坐标信息,进一步检测工作人员与身边物体的距离信息,当工作人员与导线等带电体的距离超过设定值时便会触发报警系统提醒操作人员。试验结果表明:该系统能实时、准确地监测距离,可靠地对危险情况进行提示与报警。

基于星地一体化的北斗高精度定位技术在电力无人机巡检中的应用

本文在分析电网现有巡检作业模式的基础上,创新性地提出将基于星地一体化的北斗高精度定位技术实际应用于电力无人机精细化巡检中,大幅提高无人机电网巡检的适用范围、效率和数据采集精准度,为后续电网缺陷的自动识别提供可靠数据基础,进一步提升电网的线路巡检质量与效率,提升电网的运维管理和安全保障水平。

风载下高压直流巡检机器人磁力矩平衡方法

针对高压直流巡检机器人在高空作业过程中易受风载影响,导致机身稳定性差和作业安全性低的难题,提出了一种基于高压直流磁场的磁力矩平衡方法:利用载流线圈在高压直流磁场中产生的安培力力矩与风载荷力矩的抵消实现动态平衡。根据机器人结构和高压直流输电线路周围的磁场特性,建立了磁力矩装置的物理模型,对磁力矩进行了理论计算并分析了风载下机器人所受风力及其影响;基于ANSYS Workbench平台,在风场环境下对机器人所受风力矩进行仿真计算;利用COMSOL软件对磁力矩模型进行仿真分析。通过对两次仿真结果及理论计算值的比较分析,表明模型在设定参数下能产生符合要求的磁力矩。

高压直流巡检机器人双线圈磁力悬浮方法

针对现有的高压直流输电线路磁悬浮巡检机器人在多功能化过程中出现承载能力低的问题,在原有磁力悬浮物理模型参数不变的前提下,提出了一种双线圈磁力悬浮方法。通过分析高压直流导线周围的磁场特性,建立了双线圈磁力悬浮物理模型。分析了载流线圈所受安培力的大小与载流线圈匝数关系、载流线圈所受安培力的大小与载流线圈层数的关系。通过对两种模型提供的磁力悬浮力的理论计算,证明了在模型其它参数相同的前提下,双线圈模型可大大提高磁力悬浮力。最后运用COMSOL仿真软件对单、双线圈磁力悬浮模型进行仿真,仿真结果与理论计算结果一致,证明了双线圈磁力悬浮模型的正确性。

同塔四回输电线路带电作业可行性分析

带电作业是对同塔多回输电线路检修最直接、有效的手段,因此有必要对同塔多回输电线路带电作业可行性进行分析。文中以110 kV、220/110 kV和500/220 kV同塔四回输电线路为研究对象,并从带电作业典型作业位置危险率和作业人员体表场强2个方面对带电作业安全性进行了评价。计算表明,110 kV、220/110 kV同塔四回线路直线塔导线侧带电作业危险率大于1×10-5;110 kV同塔四回线路耐张塔横担处危险率大于1×10-5,均不满足规程要求;而500/220 kV同塔四回线路各典型位置均小于1×10-5,满足规程要求。利用有限元仿真软件计算得到:当作业人员不穿屏蔽服在同塔四回输电线路开展带电作业时,人体最大场强均出现在脚的位置,分别为1 080.3、1 482.2、2 138 kV/m,当选用屏蔽效率至少为37.15、39.90、42.67 d B的屏蔽服时即能保证作业人员安全。综上表明,当身穿合适的屏蔽服后,作业人员可安全地在500/220 kV同塔四回线路上开展带电作业,但在110 kV、220/110 kV同塔四回线路直线塔和110 kV同塔四回线路耐张塔上开展带电作业时,仍有较大的安全风险。

用于特高压带电作业的碳纤维通用闭式卡设计及研制

针对现有用于特高压带电作业的闭式卡存在的不足,通过对通用结构研究和材料选型设计,设计研制碳纤维通用闭式卡,并利用仿真力学计算对闭式卡具结构进行静力学分析。计算结果表明:闭式卡受力薄弱环节位于双耳螺栓孔,在3倍额定荷载(240 kN)下,卡具最大应力达到58.78 MPa,最大位移量为0.007 156 mm,最小安全系数为5.1。机械强度校核试验结果表明,闭式卡的破坏荷载达到260 kN,满足设计要求。该轻质化碳纤维闭式卡是特高压带电作业大吨位工器具的升级换代产品,具有重要的工程实际意义。

基于超分辨率重建与多尺度特征融合的输电线路缺陷检测方法

针对输电线路巡检中可能存在拍摄图像质量不高的问题,以及线路缺陷目标小而分布密集而导致传统方法检测精度不高的问题,提出一种基于超分辨率重建与多尺度特征融合的输电线路缺陷检测方法。首先,使用超分辨率网络对巡检图像进行重建,提升清晰度,丰富图像中包含的特征信息;然后使用改进的YOLOX网络检测巡检图像中的缺陷,在主干网络中嵌入卷积块注意力机制,强化模型对重叠小目标的定位能力;为进一步提升小目标的检测能力,在YOLOX的特征融合网络中新增浅层检测尺度进行特征融合;最后,通过使用CIOU优化边界框损失函数提升模型收敛能力,降低缺陷目标的漏检率。实验结果表明,所提方法能在提升巡检图像质量的基础上对输电线路缺陷准确地检测,精度达到93.27%,相比SSD等经典模型,对小而密集的缺陷目标有着更强的提取能力和鲁棒性。

特高压输电线路带电作业沿跳线进出电场方法研究及工器具研制

针对目前±800 kV特高压输电线路耐张塔带电作业存在的技术难点,归纳出无法带电进出强电场的原因。通过对特高压直流线路塔型的分析和计算,设计出一种沿特高压跳线攀爬的辅助装置,创新提出“先进入管母跳线,在攀登至导线”的进入特高压强电场方法,解决了作业人员无法进入特高压耐张塔强电场的难题,极大地降低了作业人员的安全风险,为特高压带电作业提供了新的条件。

500kV紧凑型同塔双回线路带电作业进入等电位绝缘梯研制

500kV紧凑型同塔双回线路在带电作业中的安全距离有限、作业难度大,为此本文设计出一种180°旋转伸缩绝缘梯。该工具利用安全绳增加梯子的稳定性,以此提高作业的安全性;其可伸缩性增加了携带的便捷性,通过牵引绳控制梯子的伸缩。根据理论与实验分析,所研究的伸缩绝缘梯的绝缘强度和材料强度均满足使用要求,且相对于绝缘平梯,其安装更加便捷,操作更加简单,能为500kV紧凑型同塔双回线路带电作业提供更良好的作业条件。

±800 kV输电线路悬垂线夹独立带电更换方法及装备研究

悬垂线夹作为特高压输电线路杆塔中常用的固定金具,故障概率较大,其检修方式转移荷载大,工作效率低。针对上述问题,提出±800 kV输电线路悬垂线夹独立带电更换方法并进行装备研究,分析作业方法的安全性,对研制装备进行仿真分析及试验验证。结果表明,该方法及装备可大幅降低转移荷载,提高作业效率。

基于图像增广与迁移学习的输电线路金具多目标实时检测方法

架空输电线路金具的状态评估工作对于线路的可靠运行至关重要,金具的检测是评估工作的重要一环。针对金具识别检测中数据集人工标注的工作量大,以及难以兼顾高精度和快速性问题,提出一种基于YOLOX网络改进的输电线路金具检测方法。将无人机拍摄的金具图像进行增广预处理丰富数据集,骨干网络采用在线Mosaic、Mixup增强方式,引入基于特征提取的迁移学习并采用余弦退火学习率进行两阶段模型训练。实验结果表明,改进后的方法对各类金具检测的平均精度均值提高了18.32%,与Faster R-CNN等5种主流检测模型相比,所提方法平均检测精度均值最高,且检测速度仅次于YOLOv3,能够更加快速、精准地识别各类金具,并在一定程度上减少人工标注的工作量。

220 kV/500 kV混压同塔四回输电线路检修方式

由于近年同塔多回线路得到广泛应用,其多回线路故障将威胁其安全稳定运行,而检修作业是消除故障的重要技术手段。针对同塔多回线路运行特点,考虑线路两端接地开关的工作方式和线路的长度,计算单回停运回路上的感应电压和电流。计算结果表明:当停运回路两端接地开关不接地时感应电压最大值达到80.686 kV,但它不随线路长度发生变化,仅与运行回路电压有关;停运回路一端接地开关接地时感应电流和感应电压最大值分别达到11.741 A、9.892 kV;停运回路两端接地开关均接地时感应电流最大达到227.02 A,线路长度的影响基本可以忽略。同时,根据研究结果确定停运回路检修的2种方式和安全防护措施,并提出运行回路带电作业进出电场的"档外荡入法",经实际应用表明该方法安全可靠。该文研究结果可为同塔多回输电线路检修工作的开展提供有力技术支撑。

基于YOLO目标检测算法的输电线路检测

输电线路是电网的重要组成部分,确保输电线路安全是保障电力系统稳定运行的重要措施。文章提出一种基于YOLO(you only Look once)算法的输电线路检测模型,用以对无人机等可见光拍摄图像中的输电线路进行物体检测。输电线路的识别检测任务一直是目标检测任务的难题,针对输电线路细长物理结构的特点,对微型目标检测YOLO模型进行改进,设计了对细长物理结构的高长宽比预测锚(anchor),对特征提取网络Darknet进行精简,在保持模型性能和检测精度的基础上对其进行轻量化处理,设计一种可通过单GPU(graphics processing unit)训练的轻量级模型并通过实验与原始YOLO模型、Faster R-CNN以及SSD在测试集上进行性能对比。实验结果表明,轻量级YOLO模型在测试集上检测精度达到83.04%,说明预测锚结构和精简后的网络模型对于输电线路检测是有效的。

基于人体体征的作业人员安全预警系统

为避免带电作业人员在封闭的屏蔽服中因热应力而引发的事故,基于热应力理论,研发一套基于人体体征的作业人员安全预警系统。首先,分析人体状态参数,并将其设置为预警系统的阈值;然后,提出安全预警方法,并从电源、微处理器、无线上网(Wi Fi)通信、数据采集、报警等5个模块介绍安全预警系统的设计思路;最后,利用样机进行Wi Fi通信功能测试、心率检测功能测试以及电磁兼容试验。结果表明:该系统续航能力大于8 h,Wi Fi通信距离大于15 m,心率误差小于3%,可在300 kV高压环境下正常工作。

基于北斗高精度定位技术的接地杆精细管理系统

为解决传统管理系统在应用中存在判断偏移距离与实际相差较大问题,开展基于北斗高精度定位技术的接地杆精细管理系统研究。通过硬件设计和软件设计,提出一种全新的接地杆精细管理系统,生成接地杆精细管理专用数字化地图。通过实验证明了该系统的管理精度得到明显提升。

基于BP神经网络的电力无人机抗干扰屏蔽罩优化设计

无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)在执行带电作业任务时需靠近输电线路,会受到导线发出的无线电干扰而影响其正常工作,为保证无人机安全有效地完成带电作业任务,需对其采取屏蔽措施。结合模拟电荷法和无电线干扰频谱特性计算公式算得输电导线附近的无线电干扰场强,通过矩量法仿真计算发现了未采取屏蔽措施时无人机内部场强超过其抗扰度阈值;建立了无人机抗干扰屏蔽罩的三维仿真模型并确定了屏蔽罩的优化参量,基于正交试验得到了不同孔缝结构下无人机施加屏蔽罩后其内部场强的样本数据;通过BP神经网络得到了屏蔽罩最优设计方案并通过仿真验证其屏蔽效果。结果表明,当屏蔽罩的材质为铝、开孔形状为方形、孔缝边缘距离为17 mm、孔缝间距为12 mm、开孔数量为140时,屏蔽效果最佳,在不同方向、不同频率下均满足无人机抗扰度要求,且屏蔽后不影响无人机正常通信。

基于分布式电流行波监测的输电线路故障精确定位装置研制

输电线路发生故障时,及时、准确地确定故障点位置对于快速抢修及保障电力系统的安全可靠运行具有重要意义。针对传统行波故障定位装置存在定位精度低、受影响因素多的问题,研制了一种基于分布式电流行波监测的输电线路故障精确定位装置。考虑到故障行波电流具有频带宽、幅值高等特点,采用Rogowski线圈作为故障定位的基本传感单元,利用卫星授时模块的秒脉冲信号对恒温晶振时钟信号进行实时修正和IRIG-B码校正绝对时标。同时,在故障定位原理上消去行波波速、导线长度对定位精度的影响,仅利用行波波头到达定位装置的时刻计算故障点的准确位置。在实验室条件下对研制的装置开展了各项测量准确度试验和电磁兼容试验,装置在试验期间及试验后均能可靠工作,两分布式电流行波监测装置间的对时偏差小于0.1μs,故障位置的理论定位误差小于30 m、实际误差小于300 m,实现了档距范围内的高精度定位。最后,装置在某500 kV和110 kV输电线路工程上进行应用,运行期间稳定可靠。