一種基于無人機的電氣設備自動化智能監測系統

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測系統。此系統將無人機與現有的傳感器技術、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，再經過FPGA+DSP高速數據處理后，以ANT無線通訊協議發送給上位機，進而對電氣設備運行狀態進行智能化監測和診斷分析。

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

隨著我國經濟的快速發展，超高壓大容量電力線路大幅擴建，社會對電力系統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，不能納入發電廠和變電站的整個自動化系統，而且監測系統僅停留在提供監測數據的水平上，缺乏必要的分析判斷功能，需要花費大量的人力物力對監測系統進行管理。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測系統。該系統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

該系統利用現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據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）運行狀態監測方法。其目的是提高電氣設備監測系統的自動化水平，盡可能地避免人工監測面臨的障礙和危險。

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

2 系統硬件設計

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、適應性好等優點，而且具有監測速度快，智能化程度高、可實現超視距遙控飛行、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者根據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送實時飛行數據以及攝像頭采集到的圖像信息和傳感器檢測到的狀態信息，此外還接收并回復遠程控制中心發送的測試命令，接收任務命令和修正命令并發送至驅動模塊；驅動模塊用于接收第一無線通訊模塊發送的任務命令、修正命令并驅動無人機執行飛行任務。GPS模塊可以獲取無人機的地理位置信息，實現實時定位和導航，進而實現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送的實時飛行數據以及攝像頭采集到的圖像信息和傳感器檢測到的狀態信息；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據進行抗干擾處理和數模轉換，便于進一步的數據分析和顯示；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智能監測的重要手段。設備的故障診斷依靠傳感器獲取盡可能多的準確的狀態量數據，因此該系統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量數據。為滿足智能監測的差異性要求，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：實現非接觸檢測，局部放電脈沖會產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生的超高頻信號實現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高的超聲波傳感器。以電氣設備表面作為反射面，根據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，對監測潛伏比故障有著很大幫助。為了消除環境溫度影響，傳感器內部封裝有熱敏電阻，通過熱敏電阻獲取與環境溫度相關的電壓，進行溫度補償。

2.3 FPGA+DSP高速數據采集處理模塊

系統可以采用TMS320C6748+Spartan-6高速數據采集處理模塊，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，能實現功能強大的DSP+FPGA高速數據采集處理功能。

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將數據由模擬信號轉換成數字信號后由FPGA采集，然后通過UPP或EMIF總線傳輸至DSP。DSP對數據做進一步處理后通過無線通信模塊將數據傳向上位機。同時DSP根據處理結果，將得到的邏輯控制命令送往FPGA，由FPGA控制板載DA實現邏輯輸出和速率更新。

2.4 無線通信模塊

該系統可采用基于ANT無線通信協議的AP2000通訊模塊，該模塊核心為nRF24AP2網絡芯片，其工作頻率為2.4 GHz，并具有-85 dBm的接收靈敏度。該監測系統中，上位機作為ANT網絡的中心節點，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工作環境下會減少重新發送的次數和數據包丟失。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以下功能。

（1）鄰近搜索：根據與搜索設備的接近程度獲得主節點，可以按照鄰近程度來實現配對，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這類很強的干擾環境下，這將進一步提高它的可靠性。

（3）連續掃描模式：利用該模式能把星形連接網絡的延遲降到非常低。

3 數據共享和智能診斷

電力設備監測數據以數據流形式連續生成，數據種類豐富、數量巨大，屬于典型的大數據。要實現對檢測結果的智能分析和診斷，首先要實現數據的共享，這就要解決全國各電氣設備在線監測系統或局部地區監測系統的計算機遠程聯網、聯機問題，有兩種基本方式。

3.1 全開放式聯機

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

3.2 區域在線監測數據中心聯機

區域在線監測數據中心可以設在省電力局或地區電力局，對下級電氣設備在線監測系統提供聯機服務和監測數據庫管理工作，還可對外聯機，直接提供已處理的多年連續監測數據。

通過聯機組網實現數據共享后，再采用云計算技術Hadoop進行數據并行采集和分布式存儲計算，以加強數據訪問的可行性和高效性。在線監測系統的聯網以及交換監測數據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。當該區域監測到的數據變化不足以判斷故障時，可以依靠該網絡向遠方的專家送出數據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，電力系統安全運行必不可少的監測系統發揮越來越重要的作用，而無人機遠程飛控技術的發展以及大數據云計算技術的普及使得人們對電氣設備監測系統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測系統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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