分布式共享机巢及其电力线路无人机巡检方法转让专利
申请号 : CN202110324049.2
文献号 : CN112960132B
文献日 : 2021-12-07
发明人 : 李欣 , 王宁 , 赵纪倩 , 王作民 , 王骢 , 徐君民 , 葛海明 , 李海烽 , 胡继军 , 陈杰 , 赵祥伟 , 陈正宇 , 张瑞永 , 杨晓慧 , 王娟
申请人 : 中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于分布式共享机巢的电力线路无人机巡检方法,其特征在于,包括如下步骤:获取电力线路巡检任务;
根据电力线路巡检任务选择分布式共享机巢,并生成巡检三维路径;
根据巡检三维路径利用分布式共享机巢中的巡检无人机执行电力线路巡检任务,获得巡检数据;
基于图像识别技术和点云数据处理技术分析巡检数据,获得电力线路巡检结果;
其中,所述分布式共享机巢的构建方法包括如下步骤:根据电力系统的线路分布和历史巡检数据将工区划分为多个不同规格的作业网格;
基于每个作业网格内的配网电力设施进行分布式机巢选址和建设,并为所有作业网格内的分布式机巢建立共享链路,完成分布式共享机巢构建,其中,每个作业网格内设置一个分布式共享机巢,分布式共享机巢内设置有巡检无人机;
作业网格的划分方法包括如下步骤:根据电力系统的线路分布和历史巡检数据计算每平方公里内电力线路的巡检工作强度:
S=(Ka*L+Kb*L)/T其中,S表示历史巡检数据中每平方公里内电力线路的巡检工作强度,Ka表示电力线路的精细化巡检标准作业时间,L表示该平方公里内电力线路的总长度,Kb表示电力线路的通道巡检标准作业时间,T表示电力线路的全覆盖巡检周期;
将巡检工作强度S与预设强度阈值 比较,确定作业网格的规格:当 该平方公里内作业网格的规格为1km*1km,否则,该平方公里内作业网格的规格为2km*2km。
2.根据权利要求1所述的一种基于分布式共享机巢的电力线路无人机巡检方法,其特征在于,所述电力线路巡检任务包括电力线路编号、电力线路电压等级、电力线路空间数据、巡检任务类别和巡检作业起止时间;所述电力线路空间数据包括线路坐标和杆塔坐标;
所述巡检任务类别包括精细化巡检和通道巡检。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于分布式共享机巢的电力线路无人机巡检方法,其特征在于,巡检三维路径的生成方法包括如下步骤:根据电力线路巡检任务中的电力线路空间数据选择一个或多个作业网格,并计算每个作业网格中的分布式共享机巢到电力线路的平均距离;
根据平均距离最短的分布式共享机巢的坐标、电力线路空间数据和预设的巡检安全距离生成巡检三维路径。
4.根据权利要求2所述的一种基于分布式共享机巢的电力线路无人机巡检方法,其特征在于,当巡检任务类别为精细化巡检时,电力线路巡检结果的获取方法包括如下步骤:利用巡检无人机搭载摄像装置采集电力线路的影像数据;
利用图像识别技术对电力线路的影像数据进行电力线路缺陷识别;
利用电力线路缺陷识别结果作为电力线路巡检结果;
当巡检任务类别为通道巡检时,电力线路巡检结果的获取方法包括如下步骤:利用巡检无人机搭载摄像装置和激光雷达采集电力线路的影像数据和点云数据;
根据影像数据进行电力线路及杆塔三维模型构建,利用点云数据处理技术进行点云数据配准与拼接、电力通道障碍物分析;
利用电力通道障碍物分析结果、电力线路及杆塔三维模型作为电力线路巡检结果。
说明书 :
分布式共享机巢及其电力线路无人机巡检方法
技术领域
背景技术
率。然而,当前电力线路无人机巡检技术仍不够成熟,存在如下问题:1、无人机机巢需要接
入专线以提供不间断电源,为了保证电源的稳定性需要较高的建设和运维成本;2、无人机
机巢既要满足一定区域内的巡检需求,又需要占用一定土地空间,机巢选址难度大且建设
成本较高;3、无人机巡检当前主要包括精细化巡检和通道巡检,两种任务类型所需要的巡
检设备不完全相同,现有的巡检无人机一般只能完成一种巡检任务,精细化巡检和通道巡
检需要搭建两套系统分别进行巡检,存在一定的重复建设和资源浪费;4、目前巡检工作主
要按照电力线路的电压等级采用由高到低的方式分年度、分批次进行,尚不能高效的实现
对区域内电力线路的进行全要素、全覆盖的巡检。因此电力线路无人机巡检迫切需要更加
经济灵活的巡检硬件设备和更加智能化的巡检规划。
发明内容
电池、巡检设备等的巡检无人机完成电力线路巡检任务,并且通过作业网格划分辅助无人
机机巢选址,能够实现高效的多功能、全要素、全覆盖自主巡检。
充电模块和机巢控制模块,机巢本体的内腔中安装有自动起降平台,自动起降平台的两侧
设置有机械手臂,所述机巢控制模块分别与充电模块、舱门、自动起降平台和机械手臂电连
接;所述巡检无人机放置在自动起降平台上,所述环境监测模块安装在机巢本体外侧,所述
电源模块安装在机巢本体下方,巡检无人机、环境监测模块和电源模块分别与机巢控制模
块电连接。
并将气象数据传输给机巢控制模块。
检任务和环境检测模块采集的气象数据,并控制巡检无人机执行电力线路巡检任务。
检测模块供电。
括线路坐标和杆塔坐标;所述巡检任务类别包括精细化巡检和通道巡检。
一个分布式共享机巢,分布式共享机巢内设置有巡检无人机。
的通道巡检标准作业时间,T表示电力线路的全覆盖巡检周期;
时满足精细化巡检和通道巡检的巡检需求,此外,本发明利用配网电力设施为机巢供电,电
源稳定性高的同时供电成本更低,本发明机巢通过机巢控制模块进行无人机起飞控制、无
人机充电控制和无人机设备更换控制,能够在无人机巡检的硬件层面上增强经济性、灵活
性和智能化水平。本发明方法根据电力线路的巡检工作强度划分作业网格,并在作业网格
内根据配网电力设施进行机巢选址,其选择的位置能够满足工区内的电力线路巡检需求,
且机巢选址充分利用了有电力设施的土地资源,节约了机巢建设成本;本发明方法可以根
据不同的巡检任务类别生成不同的三维巡检路径,并控制巡检无人机进行相应的巡检操
作,分析出每个巡检任务的巡检结果,本发明能够实现高效的多功能、全要素、全覆盖自主
巡检,解决了现有电力线路巡检成本高、作业效率低的问题,无需现场派驻人员与设备,即
可定期远程实施巡检任务,提高了电力线路无人机巡检的自动化智能化水平。
附图说明
变压器。
具体实施方式
的舱门5,机巢本体的内壁上设置有巡检设备仓库6、充电模块7和机巢控制模块8,机巢本体
的内腔中安装有自动起降平台9,自动起降平台的两侧设置有机械手臂10,机巢控制模块分
别与充电模块、舱门、自动起降平台和机械手臂电连接,可以控制其他模块动作。巡检无人
机放置在自动起降平台上,环境监测模块安装在机巢本体外侧,一般情况下安装在机巢本
体的顶部,电源模块安装在机巢本体下方,巡检无人机、环境监测模块和电源模块分别与机
巢控制模块电连接,电源模块给分布式共享机巢供电。
块可以实时采集分布式共享机巢所处环境的风速、湿度以及降雨、能见度等气象数据,并将
气象数据传输给机巢控制模块,只有气象数据满足巡检作业条件时,机巢控制模块才会控
制巡检无人机起飞,进行巡检作业。在本发明实施例中,巡检无人机采用主流的多旋翼无人
机,最大荷载3.5kg,作业半径为3km左右,巡检无人机上设置有用来搭载各种巡检设备的连
接部件。
存放无人机电池,并通过电源模块给无人机电池充电,在本发明实施例中,每个机巢配备3
组无人机电池,即使巡检无人机连续执行巡检任务,也可以通过更换电池保证无人机电源。
机巢控制模块是整个机巢的核心部件,机巢控制模块可以接收来自上位机的电力线路巡检
任务和环境检测模块采集的气象数据,根据电力线路巡检任务控制机械手臂给巡检无人机
安装巡检设备和电池,根据气象数据控制巡检无人机分出机巢执行电力线路巡检任务。
布式共享机巢,为机巢本体内各个模块和环境检测模块供电。配网电力设施模块包括开闭
所、环网柜、箱式变电所等地面配电网设施,这些设施在配电网电力系统中承担电力运行输
送的工作,所接入电压通常为10kV,具有运行稳定、电源可靠的优点。变压器通过高压电缆
连接配网电力设施模块的自留母线接口,经过电压转换后再通过低压电缆连接至机巢,能
够不间断的为机巢提供电源。本发明的机巢供电方式可以降低机巢供电成本,还可以实现
机巢和配电网设施一体化检修,提高了检修效率和巡检系统运行的安全可靠性。
检查充电模块中无人机电池的电量,并为巡检无人机安装或更换无人机电池;根据巡检任
务需求控制机械手臂从巡检设备仓库中拿取询价设备,为巡检无人机安装巡检设备;机巢
控制模块输出控制信号到舱门和自动起降平台,舱门打开、自动起降平台上升,巡检无人机
起飞后根据巡检任务进行自主巡检,采集巡检数据;巡检无人机完成巡检任务后,机巢控制
模块控制巡检无人机返回机巢本体,并将巡检数据传输给上位机。
类别和巡检作业起止时间等,电力线路空间数据包括线路坐标和杆塔坐标,巡检任务类别
包括精细化巡检和通道巡检。电力线路巡检任务中可能包含一定区域内的多条电力线路和
多类巡检任务类别,一般情况下,10kV电力线路只要做精细化巡检,110kV、220kV、500kV电
力线路需要做精细化巡检和通道巡检,例如,A线路的电力线路巡检任务为:编号为01的A线
路(220kV,7.2km),在2021年2月1日‑2月28日完成精细化巡检和通道巡检;B线路的电力线
路巡检任务为:编号为03的B线路(10kV,3.1km),在2021年2月1日‑2月15日完成精细化巡
检。
检的工区范围和工区内10kV至220kV电压等级的电力线路的坐标信息,历史巡检数据包括
一段时间内工区中完成的电力线路巡检任务及其巡检结果,包括每一条电力线路的编号、
巡检次数、巡检线路长度、巡检耗时等。
格对工区进行网格划分,具体操作如下:
度,单位为公里,Kb表示电力线路的通道巡检标准作业时间,T表示电力线路的全覆盖巡检
周期,单位为天。
格的规格为1km*1km;否则,判断该平方公里属于任务中低密度区域,采用Ⅱ类网格,作业网
格的规格为2km*2km。
离和通信综合最优的配网电力设施作为机巢地址,将分布式共享机巢安装在配网电力设施
上方,并利用配网电力设施给机巢供电,一般情况下,每个作业网格内设置一个分布式共享
机巢,分布式共享机巢内设置有一个或多个巡检无人机。本发明将分布式共享机巢安装在
配网电力设施上方,机巢占地面积约为3.5平方,小于环网柜(5平方)和开闭所(8平方)等配
网电力设施的占地面积,因此机巢安装更加容易,且不会直接占用土地,机巢建设成本更
低。
307101B、机巢306101B、机巢306102B、机巢306103B和机巢307103B设置在中密度地区的作
业网格中。
有线网络给所有分布式共享机巢建立通信网络,实现分布式共享机巢之间的数据通信功
能。机巢内的每一台巡检无人机配备3组电池,巡检无人机的最大荷载3.5kg,可搭载单镜头
相机、倾斜摄影相机、激光雷达等巡检设备,巡检无人机有效作业时间20‑25min/架次,巡检
无人机与机巢的有效通讯距离为3km,其作业半径能够有效覆盖两种规格的作业网格。巡检
无人机每天可以开展8‑10小时的线路巡检工作,全年可完成4次网格单元内电压等级全覆
盖巡检任务。
中的电力线路可能穿过多个作业网格,因此根据电力线路的坐标信息选址出所有与待巡检
电力线路相关的作业网格作为备选网格;根据作业网格中分布式共享机巢的坐标和电力线
路的坐标信息分别计算机巢到电力线路两端和中点的直线距离,并计算其平均距离。
路巡检任务的机巢,当电力线路巡检任务中的电力线路过长,超过了一个巡检无人机的作
业范围时,可以选择多个分布式共享机巢。
外沿电力线路水平飞行;当巡检无人机到达某个杆塔时,根据杆塔的坐标信息沿杆塔垂直
飞行;整个三维巡检路径需要避免无人机发生倾斜拍摄。
上方沿电力线路水平飞行,且巡检无人机需要与杆塔顶部保持巡检安全距离。
摄像装置(可见光或红外相机),控制巡检无人机沿着巡检三维路径飞行,对电力线、绝缘
子、金具、悬挂异物等进行照片和视频数据采集,获得电力线路的影像数据;当巡检任务类
别为通道巡检时,利用机械手臂为巡检无人机搭载摄像装置(倾斜摄影相机)和激光雷达,
控制巡检无人机沿着巡检三维路径飞行,利用倾斜摄影相机对电力通道内地形、房屋等地
理信息进行影像数据采集,利用激光雷达获取点云电力线路的高精度点云数据,获得电力
线路的影像数据和点云数据。
接松动、线路遮挡等,此外,还可以通过人工判读加以补充检查,提高缺陷识别准确率;利用
电力线路缺陷识别结果作为电力线路巡检结果。
取电力通道内的交叉跨越地物、房屋、林木高度数据,计算电力线与各类交叉跨越、林木、房
屋之间的净空距离,当净空距离小于预设安全距离时,判断电力通道中存在障碍物;利用电
力通道障碍物分析结果、电力线路及杆塔三维模型作为电力线路巡检结果。
调整分布式共享机巢中巡检无人机的数量、无人机电池的数量、巡检设备的类型和数量等。
此外,随着经济持续发展,电网密度不断提高,无人机巡检工作的常态化及应急保障多任务
并发的需求,巡检工作量将逐渐递增,分布式共享机巢的作业网格密度可以相应的逐步加
密以适应巡检工作的需要。
模块和电力线路数据库。巡检任务调度模块用于接收电力线路巡检请求并生成电力线路巡
检任务;巡检线路规划模块用于根据电力线路巡检任务选址分布式共享机巢,并生成巡检
三维路径,其具体操作与本发明方法的步骤B相同;分布式共享机巢主要用于根据巡检三维
路径控制巡检无人机执行电力线路巡检任务,并将采集到的巡检数据传输给巡检数据分析
模块和电力线路数据库;巡检数据分析模块用于对巡检数据进行数据完整性、有效性检查,
并分析巡检数据,获得电力线路巡检结果,当电力线路巡检结果中存在异常数据或故障信
息时,巡检数据分析模块会通知电力系统检修部门排除故障,其具体操作与本发明方法的
步骤D相同;电力线路数据库中存储有电力系统中所有电力线路的信息,包括电力线路编
号、电力线路名称、电力线路电压等级、电力线路空间数据等,在完成每次巡检任务之后,可
以根据巡检结果对电力线路数据库进行数据更新。
块可以试试监控巡检无人机的工作状态。巡检无人机采集的巡检数据通过无线专网传输给
巡检数据分析模块和电力线路数据库,传输速率可以达到100Mbps,2分钟内可以完成当前
架次采集数据的上传。
空间密度,能够构建经济、高效的分布式共享机巢系统,实现巡检系统的灵活扩展、布局,可
以同时支持精细化巡检和通道巡检。本发明能够实现高效的多功能、全要素、全覆盖自主巡
检,解决了现有电力线路巡检成本高、作业效率低的问题,无需现场派驻人员与设备,即可
定期远程实施巡检任务,提高了电力线路无人机巡检的自动化智能化水平。
也应视为本发明的保护范围。