电力无人机巡线方案.doc
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无人机输电巡线系统实施方案
二零一一年十一月
1、概述
随着输电高压等级的不断提高,输电线路的巡线作业对维护区域油网的安全、稳定、高效运行越来越重要,也是油网运行的当务之急。
输电线路跨区域分布,点多面广,所处地形复杂,自然环境恶劣,输电线路设备长期暴露在野外,受到持续的机械张力、雷击闪络、材料老化、覆冰以及人为因素的影响而产生倒塔、断股、磨损、腐蚀、舞动等现象,这些情况必须及时得到修复或更换。
绝缘子还存在被雷击损伤、树木生长引起高压放油以及绝缘劣化而导致输电线路事故,杆塔存在被偷盗等意外事件,必须及时处理。
传统的人工巡线方法不仅工作量大而且条件艰苦,特别是对山区和跨越大江大河的输电线路的巡查,以及在冰灾、水灾、地震、滑坡、夜晚期间巡线检查,所花时间长、人力成本高、困难大,某些线路区域和某些巡检项目人工巡查方法目前还难以完成。
无人机(unmannedaerialvehicle,UAV)是一种先进的无人驾驶自行飞行器。
无人机输电巡线系统是一个复杂的集航空、输电、电力、气象、遥测遥感、通信、地理信息(GIS)、图像识别、信息处理的一体系统,涉及飞行控制技术、机体稳定控制技术、数据链通讯技术、现代导航技术、机载遥测遥感技术、快速对焦摄像技术以及故障诊断等多个高尖技术领域。
现代无人机具备高空、远距离、快速、自行作业的能力,可以穿越高山、河流对输电线路进行快速巡线,对架空线的铁塔、支架、导线、绝缘子、防震锤、耐张线夹、悬垂线夹等进行全光谱的快速摄像和故障监测。
基于无人机输电巡线采集数据的专业分析,为油网管理和维护提供数据支持。
无人机作业可以大大提高输电维护和检修的速度和效率,使许多工作能在完全带油的环境下迅速完成。
无人机作业还能使作业范围迅速扩大,而且不为污泥和雪地所困扰。
因此,无人机巡线方式无疑是一种安全、快速、高效、前途广阔的巡线方式。
在国外,机载遥感仪器巡线的试验研究工作最早的开始约在70年代初期,在不断改进后,每个被检出的故障耗资逐年递减,到1987年时耗资已为初始的一半还略低。
对接头检出结果分为四种情况,有微温、温、热和异常热,报告维修工程师,根据天气、负荷来确定检修的先后顺序。
我国的一些输电系统,也都进行了红外航测线路的试验研究,探索出不少经验,已取得一定成果。
根据国情而进行的地面检测研究,也正在有效地推进中。
无人机巡线工作是一种大量野外作业过程。
用无人机进行低空巡线,是一种高效的巡线过程。
它不仅能把部分野外的巡线作业转移到室内来做,还能把肉眼所难以发现的、处于萌芽状态的隐患(如:
温度升高,轻微放油等)通过红外、紫外成像显现出来。
为了提高低空巡线作业效率,整个作业过程可分为二步进行:
?
长距离线路普查
?
短距离线路详查
前者主要是利用红外、紫外和可见光遥感设备检查线路有否异常点,后者则利用飞行器在异常点上空多个角度的倾斜摄影,以便管理部门做出决策。
2、无人机巡线系统
无人机输电巡线系统主要由五部分组成:
l低空、低速、长航行距离、长航行时间的先进无人机平台系统
l包含红外、可见光至紫外的全谱段的实时遥感系统
l微型气象数据采集平台
l陀螺稳定平台
l信息处理系统
2.1无人机平台
该方案的无人机平台包括1架KYD-70型长航时无人机、2架KYD-65型多用途无人机。
其中无人机的组成如图1所示:
主要包括无人机机体、机载导航飞控系统、机载油源、机载通讯设备等。
图2 KYD-70型无人机实拍图
图3 KYD-65型无人机实拍图
2.1.1无人机技术参数:
无人机主要技术参数(按需方要求,可调整)
KYD-65
KYD-70
起飞重量:
55Kg
280Kg
最大飞行速度:
230km/h
220km/h
巡航速度:
160km~200km/h
140km~180km/h
飞行高度:
100-5000m
100-6600m
航行距离:
200km
200km
航行时间:
≥3h
≥10h
翼展:
3.15m
7.8m
机长:
2.4m
5.3m
控制半径:
150m
150m
任务载荷能力:
≤15kg
≤70kg
2.1.2无人机巡线的主要性能
(1)飞行控制距离
由于高压输电线路长度一般在100KM,距离公路30KM内,因此要求飞行控制距离在100KM以上。
KYD-65与KYD-70型无人机的航行范围均在200KM,而测控范围在高度大于2km,无地物遮挡的情况下,可以达到180km以上。
在控制距离范围内,地面控制系统可以通过数据链对无人进行遥控,传递监测数据、气象数据和视频。
(2)起飞条件
当起降的风速在每秒10米以下,风向夹角小于30°,环境温度在-40℃~+50℃范围内均能起飞。
KYD-65型无人机采用弹射方式起飞,伞降回收。
KYD-70型无人机采用滑跑方式,可全自主起飞和降落,要求有40╳1200米的跑道。
(3)飞行高度
飞行高度高于导线100M,KYD-65型升限为5000M海高,KYD-70型升限为6600M海高。
(4)飞行导航
无人机根据输电线路的地理信息(GIS),具备GPS自主线路导航控制功能,使一条线路的巡线作业小于4个小时。
(5)机体稳定飞行控制
无人机飞行稳定,采用自稳定能力的摄像云台,可以选择安装CCD彩色摄像机、红外热像仪、紫外成像仪等摄像设备,具备摄像设备的自动控制摄像功能,便于拍摄地面线路杆塔的高分辨率航空图像。
(6)自动驾驶系统
飞机以程控方式飞行为主;地面站并能够实时接收无人机飞行信息,发出飞控指令,能对无人机实施安全可靠的实时操作控制。
(6)线路杆塔自动跟踪识别及快速对焦成像技术
采用线路杆塔自动跟踪识别技术和快速对焦拍摄技术,可生成高清晰的地面杆塔、线路、绝缘子、金具、树林等可见、红外图像。
2.2全谱段的实时遥测遥感系统
2.2.1可见光成像设备
可见光摄像机工作在白天,在搜索状态下,可见光摄像机工作在短焦距状态,此时,可见光摄像机具有大的观测视场,低的空间分辨率,实现对大型目标和场景的监控,一旦发现状况,需要详细分析可疑目标时,对光学系统进行变焦,缩小观测视场,放大可疑目标,对目标的细节进行进一步分析。
其主要性能指标如下所示:
1.有效像素:
1628(H)
1236(V)
2.帧率:
30fps;
3.视场:
小视场:
0.8°×0.6°;
大视场:
2.86°×2.15°;
4.靶面尺寸:
7.16mm×5.44mm
5.像素尺寸:
4.40
×4.40
6.接口:
CameraLink 规格(PlCL)
2.2.2红外热成像仪
红外巡检的方法和步骤:
测定全部输电线路的温度显示,判断有无异常过热,如有异常过热区域,要进行温度测定,实施其他判断方法,对异常作最终确认肯定,对异常部位进行分解检测。
其性能参数如下表1所示:
图像性能
传感器类型
320×240像素,非制冷焦平面阵列,微热量型
波长范围
7.5-13μm
视场角(FOV)
小视场2°×1.5°大视场8°×6°
接口特性
油源
12VDC
功耗
3W
视频输出
PAL复合视频信号
环境参数
操作温度
-32℃到+55℃
存储温度
-50℃到+65℃
湿度
0%-95%
封装
IP66(包含镜头密封组件)
抗沙/尘
Mil-Std-810E
抗冲击
Mil-Std-810E
抗震动
Mil-Std-810E
物理特性
重量(kg)
0.3kg(不含镜头),0.5kg(含50mm镜头)
尺寸(mm)
116×62×62(不含镜头),166×62×62(含50mm镜头)
表1 红外热成像仪性能参数
2.2.3高分辨率航空数码相机
高分辨率航空数码相机是获得高清晰输电网线影像的主要遥感设备,按不同的需求,可以获得彩色/全色、立体(三维)/二维的地面影像。
数码航空相机的主要性能规格如下表2所示:
序号
名称
性能指标与参数
单位
1
光学参数a.焦距f’
50
mm
b.相对孔径
f/4.5
c.视场角FOV
76
(°)
d.最大畸变
<15μm
2
光谱段范围
0.485-1.10
μm
3
CCD器件象元数
7216*5412
4
CCD器件象元大小
6.8*6.8
μm
5
感光面积
49*36.8
mm
6
积分时间
最大30秒最小由快门速度决定
mS
7
信噪比SNR
50
dB
8
彩色采样深度
16
BIT
8
最大采样速率
24M
Hz/channel
9
读出时间
约1.8
秒
10
调制传递函数MTF
(在55LP/mm空间频率处)
光学系统:
0.58
相机系统:
0.3
11
地面幅宽
(见表3)
m
12
地面象元分辨率δL
(见表3)
m
13
地面(摄影)分辨率
(见表3)
m
14
摄影间隔
(见表4)
秒
15
无故障时间
>2
年
表2航空数码相机性能参数
摄影高度(m)
比例尺
地面幅宽(m×m)
地面象元分辨率(m)
地面(摄影)分辨率(m)*
500
1/10000
490*368
0.068
0.15
1000
1/20000
980*736
0.136
0.25
表3航空数码测量相机摄影的地面效果
*:
中对比K=2时
摄影高度(m)
飞行速度(km/h)
像移速度(mm/s)
摄影间隔(s)*
500
120
3.33
12.16
250
6.94
5.84
600
16.66
2.43
1000
27.78
1.46**
1300
36.11
1.12**
1000
120
1.67
24.32
250
3.47
11.68
600
8.33
4.86
1000
13.89
2.92
1300
18.06
2.24
表4航空数码测量相机摄影的像移与摄影间隔
*:
摄影间隔指在重迭率为10%时;
**:
摄影间隔小于1.8秒时,不能连续摄影。
2.2.4紫外成像仪器
在高压油网放油时,根据油场强度的不同,会产生油晕、闪络或油弧。
在放油过程中,空气中的油子不断获得和释放能量,而当油子释放能量(即放油),便会放出紫外线。
紫外成像技术就是利用这个原理,接收设备放油时产生的紫外讯号,经处理后与可见光影像重叠,显示在仪器的屏幕上,达到确定油晕的位置和强度的目的,从而为进一步评估油网的运行情况提供更可靠的依据。
在日光下,远距离检测油晕及油气放油现象,为尽早发现、监控运行油网的潜在故障提供了一种有效的检测手段,得到世界各国的广泛应用。
紫外成像仪性能特点
?
可以在白天、日光下(包括在强烈的阳光下)操作
?
含油池的重量亦只有2.3公斤,携带极为方便
?
手持式外型设计,单手可完成操作
?
具有两种操作模式,集成模式可更准确的找出放油位置
?
油晕光子活动的数量显示
?
手动或全自动紫外图像及可见光图像聚焦功能
?
紫外图像及可见光图像同步变焦功能
?
PC卡储存图像,备有视频输出接口
?
报警功能
?
语音功能
?
透过PC卡作软件升级
?
新增感光度特强的可见光传感器,在光线不好的环境下也能如常进行检测
?
可透过专用远程控制器作间接远程操控
?
GPS全球定位系统坐标显示
性能参数表
视场角:
8°水平;6°垂直
功耗:
17Watt:
7.2V,2.5A
可见光感光度:
3Lux;可选0.7Lux
油池:
7.2V,30Wh可充油式锂油油池
变焦:
光学×20;数字×12
一般工作时间:
90分钟
(0.7Lux的感光器:
光学×18;数字×12)
外接油源:
9-16V,17VA
视频输出格式:
NTSC/PAL
油源转接器:
110-240VAC,50-60Hz/12VDC3A
聚焦范围:
2米到无穷远
重量:
成像仪:
2.3Kg,含油池
数据储存:
CompactFlash卡
尺寸:
长度302mm;高度165mm;宽度125mm;
图像格式:
jpg
操作温度范围:
-15oCto50oC
声音格式:
wav
储存温度范围:
-25oCto60oC
容量:
512幅图片(每16MB容量)
湿度:
90%,非凝结式
数据下载:
读卡器或USB
封装:
IP55
影像储存:
RCA及S-Video作视频输出
报警:
透过声音输出,LED及辅助输出口
声音:
备有耳机输出,麦克风输入
750kv线路导线放油变油站内导线放油
变油站内悬置瓷瓶伞群放油
35KV复合开关套管根部放油
从200米远的距离观察750KV高压输电线上的油晕放油情况
绝缘棒放油
220kv支柱绝缘子底部放油
220kv支柱绝缘子上部法兰处放油
2.3陀螺稳定吊仓
该平台采用的光电吊仓,其实拍图如下图4所示:
图4 吊舱实拍图
其主要技术指标如下:
1、回转精度±0.05°;
2、稳定性能:
50μrad;
3、重量:
≤20Kg;
4、尺寸:
300×500mm;
5、转动角度:
n×360°;
6、最大转动速度:
60°/sec;
7、最大转动加速度:
60°/sec2;
8、工作温度:
-15℃~+55℃;
9、湿度:
0~95%;
10、功率:
60W
11、输入油压:
18~36VDC
12、方位精度:
≤ 0.1mrad;
13、俯仰精度:
≤ 0.1mrad。
其可实现的功能如下:
1.通过稳瞄转塔实现惯性稳定,保持无人机在机动飞行、机体振动和其它干扰情况下稳定巡查、跟踪等功能;
2.光电吊舱光机系统为方位、俯仰两轴结构,红外热像仪和可见光相机采用模块化,针对不同应用时,可自由更换;
3.光电吊舱机载操控系统接收计算机发出的操作指令后,可以执行包括手动搜索、自动跟踪,红外热像仪与可见光CCD摄像机的操作控制指令,伺服系统的关停,以及无线传输等在内的控制指令;
4.伺服控制系统接收地面站无线传输的开机命令后,自动完成系统的加油、自检和开机(或关机),根据控制命令实时地对目标进行手动搜索和自动跟踪,把目标图像信息实时地传送给地面站监视器;
5.具有运行安全保障系统和报警装置,包括断油位置锁定和故障诊断;
2.4微型气象站
采集输电线路走廊内的主要气象数据。
2.5信息处理系统
信息处理系统主要由飞行控制系统、任务生成系统、信息传输系统、数据采集系统、数据分析系统以及数据库等组成。
2.5.1飞行控制系统
通过数传油台、海事卫星等对无人机实现必要的遥控。
2.5.2任务生成系统
根据输电线路的位置坐标和地理信息系统(GIS)软件生成数字航图,结合具体的巡线任务要求生成任务目标。
2.5.3信息传输系统
信息传输系统负责无人机和地面控制中心的控制指令、数据以及图像信息的传送。
2.5.4数据采集系统
采集输电线路走廊的气象数据、输电线路的可见光图像、红外图像、紫外图像、数码照片以及数据的方位坐标。
2.5.5数据分析系统
在初步检测阶段,对每个故障分析单元的单幅图像进行分析处理,寻找疑似故障点,并计算该点(区域)的故障特征值,然后拼接当前故障分析单元的可见光和红外、紫外全景图,并利用拼接过程中各疑似故障点的SIFT特征描述符去除重复的疑似故障点。
在故障判决阶段,对初步检测到的疑似故障点,根据故障判决数据库中相应故障类型各个级别的阈值进行判决。
若该类型故障有历史数据判决规则,则根据历史数据判决规则。
对于重大缺陷及以上级别的故障,进行人工辅助判决,以保证判决的准确性。
最后将判决得到的故障点信息存储在故障信息数据库。
在各故障分析单元的可见光全景图上标示出杆塔信息(编号、GPS信息等)、故障点信息(故障类型、故障级别等),与故障信息一起存为单个单元的检测报告。
检测报告由故障信息数据和故障单元全景图组成。
在各单元的疑似故障点判决完成后,综合各单元的检测报告生成报表。
2.5.6数据库
图像采集记录:
包括巡检任务日期、红外图像可见光图像、检测报告全景图像、杆塔等。
线路故障信息数据库:
用于记录故障历史信息,用户管理数据库提供软件的使用权限控制。
信息管理:
该模块的功能分为3个部分:
(1)故障信息查询功能。
使用原始信息的组织结构(如检测时间、线路号、杆塔号)及故障类型(如线缆间距故障、绝缘子故障)作为关键字,对故障信息进行查询。
(2)预设数据库修改功能。
在线路结构发生变化时(如增加线路)更新线路信息数据库,或根据线路实际情况修改判决标准数据库。
(3)用户权限管理功能。
提供信息访问的权限控制。
低空巡检系统信息处理软件能实现了对采集图像的高效分析处理,能够生成可视化检测报告和对线路故障信息进行查询、修改,为巡检系统产生的大量数据提供了可行的自动化处理方案。
3.技术方案
3.1任务载荷安装
光电巡查吊舱安装于无人机机舱外部。
机上设备包括:
光电巡查吊舱、GPS接收机及天线、机载视频记录器、视频发射机及天线、油视巡查数控接收机及天线、机载油源等。
地面设备包括:
视频接收机及天线、油视巡查数控发射机及天线、巡查控制台、视频处理分析计算机等。
图5 巡线系统视频监测组成及交联关系
3.2输电供应
KYD-65型无人机自身配有油池组。
可根据要求,为机载设备供油。
KYD-70型无人机加载发油机,并配备了备用油池组。
3.3动力部分
KYD-65型无人机采用德国3W150双缸对置活塞发动机,返厂维修时间间隔为300小时。
KYD-70型无人机配备进口两冲程活塞四缸发动机,返厂维修时间间隔为200小时。
3.4起飞降落方式
KYD-65型无人机采用弹射方式起飞,伞降回收。
KYD-70型无人机采用滑跑方式,可全自主起飞和降落,要求有40╳1200米的跑道。
3.5地面控制站
3.5.1指挥中心
指挥中心用于对机载设备和地面设备的工作状态、测控信息和信息数据进行管理和监控。
无论KYD-65或是KYD-70型无人机,其地面控制站是一体的。
如图6所示:
图6地面设备系统图
3.5.1.1配套设备
配套设备主要包括检测设备和经纬仪等,完成系统地面站定位及检验。
通过数传链路实现对无人机飞行控制,通过遥测线路接收来自空中无人机任务系统下传的信息。
将以上信息进行处理、储存、分发给指挥所。
3.5.1.2系统对外接口
外部接口包括系统与其他系统的关系,地面设备接口通过专用接口接入地域网和综合数字业务网,和指挥系统互通互联。
3.5.1.3结构组成和布局
机柜设备为4个标准19英寸机柜,从左到右顺序排列,依次为飞行控制柜II、飞行控制柜I、跟踪控制柜及任务导航柜。
3.5.2机动测控站
主要包括指控车、GPS地面站子系统、数传系统、地面遥测接收站、数据处理及航迹显示计算机等。
其车内布局如图8所示:
图7 机动测控车内实拍图
◆主要技术指标如下:
?
处理空中目标数 30个
?
作用距离 100km(全向)/200km(径向)
?
数据更新率 1~5Hz
?
连续工作时间 ≥10h
?
工作环境温度 -30~+70℃
?
工作油压 AC220V±10%
?
MTBF ≥300h
?
MTTF ≤0.5h
3.5.3单收设备
单收设备为便携式接收设备,包括简易数传接收设备、简易遥测信息接收设备、数据实时显示处理设备、便携式油源等。
图8 单收设备
3.5.4检测维修车
检测维修车包括车体、一级检测设备、二级监测设备、气源装置和有关保障系统、设备和工具等组成。
图9 检测维修车实拍图
3.5.3.1一级测试设备安装在机柜内,具有-40~+60℃的扩展温度范围,配置如下:
?
模拟量信号采集卡:
32路12位模拟量输入,采样速率100K/S;
?
开关量输入输出卡:
144路开关量,输入/输出软件可选;
?
现场总线控制卡:
8路串行通信口,通信速率、接口类型可选;
?
C3I数据通信接口卡:
具有能与C3I系统进行数据通信的接口。
3.5.3.2二级监测设备包括仿测仪、飞控计算机检测设备等,具有0~+60℃的工作温度范围,配置如下:
?
模拟量输出卡:
12路12位模拟量输出,输出量范围软件可选;
?
开关量输入输出卡:
144路开关量,输入/输出软件可选;
?
串行通信卡:
8路串行通信口,通信速率、接口类型可选。
3.5.3.3气源装置在-30oC到+50oC的野外无油源、无水源的地区能够正常工作,并能输出洁净压缩空气
3.5.3.4配有雅马哈EF6600E汽油发油机一台,提供220V、5KW的交流油源。
3.5.5飞机运输车
运输车的主要功能是用来运输无人机,也可兼作无人机回收车,在无人机执行任务后从降落地点装运无人机。
。
图9 运输车
3.6技术接口
3.6.1机械接口
载荷安装方式,安装结构件及模拟件由负责加工安装。
具体联系189********咨询
3.6.2油气接口
改造后的无人机为自身和侦测设备提供输电供应,无人机的飞参数据通过高速数传信道,向地面数据处理提供实时数据。
?
空中部分
控制指令数据传输设备工作频率为230MHZ,发射功率≤2w。
?
地面部分
无人机地面站可通过网口与指控中心相连,10/100M自适应,提供飞航信息等。
指控中心为无人机测控站提供1路语音信号。
3.6.3信息交换内容及格式
GPS引导信息:
无人机地面站可通过局域网向指控中心和二级指控站实时传输,传输协议采用UDP/IP,数据格式见附表2、表3。
巡查控制台控制指令包括:
?
油视巡查摄像头俯仰、方位搜索
?
视场变换(连续变焦)
?
锁定跟踪
?
解除跟踪
视频处理分析系统输出信息:
视频画面叠加载机高度、速度、经度、纬度、时间等信息。
3.7安全措施
飞机可以做到发动机故障、空地通信指令中断等特殊情况下的自动返
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