CN111311778A - 一种基于无人机蜂巢技术的应用系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机蜂巢技术的应用系统及方法，包括应用层、平台层和物理层；物理层的无人机蜂巢和射频设备即激光雷达、红外成像仪和可见光相机分别连接空天地多维融合及协同自主巡查单元、线路状态实时感知与智能诊断单元、线路检修智能辅助与动态防护单元、自然灾害全景感知与预警单元和实现线路状态自主巡查、实时诊断、动态防护和灾害预警。本发明是专为电力电网安全需求而创新设计的一种全新领域内的自动保护和巡查技术，能够进行故障巡线，常规巡线和年度巡线，其集巡线智能化、测量数字化、控制灵活化、功能一体化、信息互动化等功能于一体的输电线路物联网的保护技术。

Description

一种基于无人机蜂巢技术的应用系统及方法

技术领域

本发明涉及无人机电力线故障诊断系统，特别是一种基于无人机蜂巢技术的应用系统及方法。

背景技术

由于国内电网不断扩大，长距离输电线路，如特(超)高压线路增长迅速，而且很多的输电线路分布在崇山峻岭之中，为了日常电力线的维护，更新电力台账数据，防止电力事故的发生等工作，需要对电力线进行日常巡查的巡查工作。目前，电力巡线的主要工作内容主要由电力工人翻山越岭，通过人工的方式对现有电力线进行巡查。工作辛苦，劳动量大。

利用无人机搭载激光雷达系统进行电力巡线是一项先进的技术手段。采用该项技术进行电力巡线，不仅在工作效率上可以大幅度提高，也能大大的减少野外工作，降低了巡线成本。且无人机巡线速度快、应急瞬速，能及时发现缺陷，及时提供信息，避免了线路事故停电，挽回了高额的停电费用损失。

但是，现有技术手段还不够完善，存在故障巡线不够快速、查找电网及其设备故障点不够精确，不能满足可见光录像、远距离摄影、红外热成像、绝缘子监测等电网高效电力巡线多种功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于无人机蜂巢技术的应用系统及方法，本发明是专为电力电网需求而创新设计的一种集航空、输电、电力、气象、遥测遥感、通信、地理信息(GIS)、图像识别、信息处理一体的现代化电网高效电力巡线系统。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：

一种基于无人机蜂巢技术的应用系统，包括应用层、平台层和物理层；

所述应用层包括线输电设备物联网设备，输电设备物联网设备分别连接线路状态实时感知与智能诊断单元、自然灾害全景感知与预警单元、空天地多维融合及协同自主巡查单元和线路检修智能辅助与动态防护单元；用于将线输电设备物联网设备和平台层获取的信息进行自主巡查、诊断、预警以及线路检修和防护；

所述平台层包括供服中心和数据处理站，用于将应用层传输的数据作出处理，并将生成的作业报告传输至供服中心，经供服中心发出指令和航线信息传输至物理层；

所述物理层包括无人机蜂巢和射频设备即激光雷达、红外成像仪和可见光相机；用于将平台层传输的指令和航线信息经无人机蜂巢传输至激光雷达、红外成像仪和相机；

无人机搭载的激光雷达、红外成像仪和可见光相机分别连接空天地多维融合及协同自主巡查单元、线路状态实时感知与智能诊断单元、线路检修智能辅助与动态防护单元和自然灾害全景感知与预警单元，实现线路状态自主巡查、实时诊断、动态防护和灾害预警。

优选的，所述线路状态实时感知与智能诊断单元包括线路温度监测及动态增容模块、线路异常放电主动侦测模块、线路外绝缘状态感知预警模块、线路故障智能诊断分析和共享铁塔安全智能监测模块。

优选的，所述自然灾害全景感知与预警单元包括雷电监测预警模块、覆冰监测预警模块、舞动监测预警模块、山火监测预警模块、地灾监测预警和台风监测预警模块。

优选的，所述空天地多维融合及协同自主巡查单元包括全业务智能移动巡查模块、全天候远程通道可视模块、全视角协同自主巡查模块和全时空卫星遥感监测模块。

优选的，所述线路检修智能辅助与动态防护单元包括多元辅助智能检修模块和多元检修动态防护模块。

优选的，所述无人机蜂巢包括微型风力发电和太阳能一体供电单元、绝缘隔热蜂巢和绝缘隔热储能单元。

优选的，所述太阳能发电板的边框上设有橡胶刷头；所述绝缘隔热蜂巢连接隔热储能单元和电机，绝缘隔热蜂巢发出动作指令启控电机。

相应地，本发明给出了一种基于无人机蜂巢技术的应用方法，包括如下步骤：

S1，整个系统首先启动平台层，供服中心发出包括具体指令以及航线信息数据流给位于物理层的无人机蜂巢；

S2，无人机蜂巢通过指令信息分析，研判选择相应的无人机进行应用层的输电线路物联网设备巡线检查；

S3，无人机巡线过程中，通过射频基站反馈信息给平台层的数据处理站和应用层，数据处理站将信息生成报告给平台层的供服中心；平台层获取数据信息后，反馈处理信息给无人机蜂巢，通过应用层对异常监测数据、气象数据、可视化数据、设备数据以及历史运检数据的融合分析后，无人机蜂巢指挥无人机对输电线路物联网设备进行指导作业；

S4，无人机巡线完成后，返回无人机蜂巢，物理层开始启动无人机充电和数据研判上传；

S5，无人机在巡线过程中如果出现电量过低后，通过平台层数据处理站反馈信息给供服中心请求返回无人机蜂巢充电，供服中心接到数据信息后发出指令给无人机返回蜂巢充电。

本发明与已有的技术相比具有以下有益效果：

1、故障巡线，能够快速、精确查找到电网及其设备的故障点；

2、常规巡线，能够代替人工常规巡线，提高巡线效率，降低巡线成本，降低巡线人员劳动强度；

3、年度巡线，能够替代载人机执行年度计划的航空巡线，其作业项目主要有：可见光录像、远距离摄影、红外热成像、绝缘子监测等。

本发明广泛适用于大型的电厂、煤矿、钢铁、冶金以及小区和变电站等领域，是一个集航空、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领域。

附图说明

图1是本发明无人机蜂巢技术的应用系统结构图；

图2是本发明无人机蜂巢技术的应用系统功能框图；

图3是本发明无人机蜂巢的构成结构框图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明提供一种基于无人机蜂巢技术的应用系统，包括应用层、平台层和物理层。应用层包括线输电设备物联网设备，输电设备物联网设备分别连接线路状态实时感知与智能诊断单元、自然灾害全景感知与预警单元、空天地多维融合及协同自主巡查单元和线路检修智能辅助与动态防护单元；用于将线输电设备物联网设备和平台层获取的信息进行自主巡查、诊断、预警以及线路检修和防护。平台层包括供服中心和数据处理站，用于将应用层传输的数据作出处理，并将生成的作业报告传输至供服中心，经供服中心发出指令和航线信息传输至物理层。物理层包括无人机蜂巢和射频设备即激光雷达、红外成像仪和可见光相机；用于将平台层传输的指令和航线信息经无人机蜂巢传输至激光雷达、红外成像仪和相机。物理层的无人机搭载的射频设备即激光雷达、红外成像仪和可见光相机分别连接空天地多维融合及协同自主巡查单元、线路状态实时感知与智能诊断单元、线路检修智能辅助与动态防护单元和自然灾害全景感知与预警单元,实现线路状态自主巡查、实时诊断、动态防护和灾害预警。

如图2所示，线路状态实时感知与智能诊断单元包括线路温度监测及动态增容模块、线路异常放电主动侦测模块、线路外绝缘状态感知预警模块、线路故障智能诊断分析和共享铁塔安全智能监测模块。

线路温度监测及动态增容具体方法为：无人机搭载红外成像仪在输电线路导线、耐张线夹、接续管、引流板等处加装低功耗无线测温传感器，并适当部署环境温湿度、风速、雨量、及日照强度等多参量传感器，全天候感知导线和连接金具温度及周围气象信息，通过自组网全面汇集相关监测信息。以线路为单位对监测数据、实时运行数据进行边缘计算和智能分析，对超限数据及时发送热点告警，帮助运维人员实时掌控超载线路、老旧线路运行状态；数据通过数据处理站传输到平台层后，在应用层融合线路交跨信息，利用模型计算导线最大负荷状况，预测线路导线温度变化及弧度变化，指导调度部门合理调配线路输送容量，有序开展动态增容。

线路异常放电主动侦测的方法为：无人机搭载红外成像仪实时侦测采集线路导线上异常放电行波电流，初步计算屏蔽干扰信号，并将有效监测数据通过无线传感网接入数据汇集节点，通过边缘计算对异常放电进行定位、辨识及预警，提醒运维人员及时采取应对措施；诊断分析后数据上传至平台层和应用层，在应用层通过对异常监测数据、气象数据、可视化数据、设备数据及历史运检数据的融合分析，制定检测消缺策略。

线路外绝缘状态感知预警的方法为：无人机搭载红外成像仪通过泄露电流、雨量、温湿度传感器，监测绝缘子表面泄露电流状态，通过边缘计算分析模块，实现外绝缘状态实时感知及异常报告并上传平台层，结合设备本体信息、可视化信息、及相关检测数据，在应用层智能分析绝缘层本体老化状态，指导复合绝缘子寿命评估，提前预警输电线路外绝缘故障。

线路智能故障诊断分析的方法为：无人机搭载红外成像仪通过边缘计算对线路本体和走廊雷击进行波形分析，实现故障定位和原因初步分析，在应用层，融合国网六大监测预警中心监测预警信息，结合无人机现场巡视信息，实现故障原因的精准分析，大幅度缩短故障原因诊断时间。

共享铁塔安全智能监测的方法为：在应用层建立共享铁塔安全监控及评估模块，将监测数据，结构参数和气象数据进行融合分析，智能评估共享铁塔安全状态和风险等级。

其中，自然灾害全景感知与预警单元包括雷电监测预警模块、覆冰监测预警模块、舞动监测预警模块、山火监测预警模块、地灾监测预警和台风监测预警模块。

自然灾害全景感知与预警的方法为：无人机搭载激光雷达通过对前端监测传感数据即气象雷达、高精度拉力传感器、导线舞动监测器、山火同步卫星广域实时监测器、卫星遥感的采集、计算与融合分析，获取线路危害信息，上传平台层生成相应数据预警报告，平台层反馈处理结果给物理层蜂巢内的相应无人机，无人机接收指令后启动，在应用层指导运维人员做预警处理。

其中，空天地多维融合及协同自主巡查单元包括全业务智能移动巡查模块、全天候远程通道可视模块、全视角协同自主巡查模块和全时空卫星遥感监测模块。

空天地多维融合及协同自主巡查的方法为：无人机搭载激光雷达对输电通道进行三维建模和交跨检测、可见光相机对输电线路设备和通道特别是塔干平台及以上部位进行精细巡检；搭载红外成像仪对绝缘子、金具等设备进行测温；利用人工智能，边缘计算等技术在应用层对输电线路设备和通道进行预识别，根据识别结果对线路进行精细巡查，实现线路状态的全方位实时感知和预测。当状态量异常时，应用层主动调用平台层数据信息，实现历史数据纵向分析。

其中，线路检修智能辅助与动态防护单元包括多元辅助智能检修模块和多元检修动态防护模块。

线路检修智能辅助与动态防护的方法为：无人机搭载激光雷达和红外成像仪对故障线路进行工器具等电位传递，完成检修作业后，利用无人机搭载可见光相机开展作业后精细化巡检，通过作业前后高精度照片比对实现检修结果的检查。

如图3，无人机蜂巢包括微型风力发电和太阳能一体供电单元、绝缘隔热蜂巢和绝缘隔热储能单元，此三部分采用航空防水插头直接对接互联互通。

微型风力发电和太阳能一体供电单元具有自动清洁功能，即太阳能板上具有和太阳能大小一样的边框，边框上安装有同太阳能板宽度大小一样的橡胶软刷子，该刷子可随着太阳能板边框安装的齿轮由电机带动进行上下定时清洁工作，该电机启控条件由无人机蜂巢发出动作指令。

图1、图2所示，系统工作包括如下步骤：

S1，此无人机蜂巢技术首先启动图1平台层，供服中心发出数据流给位于物理层的无人机蜂巢，包括具体指令以及航线信息。

S2，接着物理层做出响应，无人机蜂巢通过指令选择相应的无人机进行应用层的图2中的输电线路物联网设备巡线检查。

S3，无人机巡线过程中通过射频基站反馈信息给平台层的数据处理站和应用层，数据处理站将信息生成报告给平台层的供服中心；平台层获取数据信息后，反馈处理信息给无人机蜂巢，通过应用层对异常监测数据、气象数据、可视化数据、设备数据以及历史运检数据的融合分析后无人机蜂巢指挥无人机对输电线路物联网设备进行指导作业。

S4，无人机巡线完成后，返回蜂巢，物理层开始启动无人机充电和数据研判上传。

S5，如果无人机在巡线过程中如果出现电量过低后通过数据处理站反馈信息给供服中心请求返巢充电，供服中心接到数据信息后发出指令给无人机返回蜂巢充电。

无人机蜂巢包括微型风力发电和太阳能一体供电单元、绝缘隔热蜂巢和绝缘隔热储能单元，此三部分采用航空防水插头直接对接互联互通。

微型风力发电和太阳能一体供电单元具有自动清洁功能，即太阳能板上具有和太阳能大小一样的边框，边框上安装有同太阳能板宽度大小一样的橡胶软刷子，该刷子可随着太阳能板边框安装的齿轮进行上下定时清洁工作。

如图3所示具体工作方法为：太阳能框架上安装有活动齿轮，由太阳能板上的电机驱动电力传输到皮带带动齿轮进行动作，该电机启控条件由无人机蜂巢发出动作指令。

进一步地，无人机蜂巢安装于输电线路铁塔2/3位置，呈半圆形或正方形。无人机入巢和出巢采用侧方式，从侧面精准定位，半圆弧向两边打开飞入，然后直到无人机完全飞入就位后双开半圆弧关闭，启动无人机充电和数据研判上传平台。

整体架构以物理流为载体，用数据流驱动业务流，用业务流促进数据流。

本发明工作原理及功能如下：

本发明通过微功率低功耗传感网、链状多跳组网等方面实现信息互联及融合，利用边缘计算实现设备状态的初步诊断告警，利用大数据、云计算等人工智能手段实现输电线路状态主动评估，利用飞行控制技术、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智能预警及精准运维，进一步提升线路运维保障能力，提高线路运检效率效益。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，本领域的技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明的宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于无人机蜂巢技术的应用系统，其特征在于，包括应用层、平台层和物理层；

所述应用层包括线输电设备物联网设备，输电设备物联网设备分别连接线路状态实时感知与智能诊断单元、自然灾害全景感知与预警单元、空天地多维融合及协同自主巡查单元和线路检修智能辅助与动态防护单元；用于将线输电设备物联网设备和平台层获取的信息进行自主巡查、诊断、预警以及线路检修和防护；

所述平台层包括供服中心和数据处理站，用于将应用层传输的数据作出处理，并将生成的作业报告传输至供服中心，经供服中心发出指令和航线信息传输至物理层；

所述物理层包括无人机蜂巢和包括激光雷达、红外成像仪和可见光相机射的频设备；用于将平台层传输的指令和航线信息经无人机蜂巢传输至激光雷达、红外成像仪和相机；

无人机搭载的激光雷达、红外成像仪和可见光相机分别连接空天地多维融合及协同自主巡查单元、线路状态实时感知与智能诊断单元、线路检修智能辅助与动态防护单元和自然灾害全景感知与预警单元，实现线路状态自主巡查、实时诊断、动态防护和灾害预警。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机蜂巢技术的应用系统，其特征在于，所述线路状态实时感知与智能诊断单元包括线路温度监测及动态增容模块、线路异常放电主动侦测模块、线路外绝缘状态感知预警模块、线路故障智能诊断分析和共享铁塔安全智能监测模块。

3.根据权利要求1所述的一种基于无人机蜂巢技术的应用系统，其特征在于，所述自然灾害全景感知与预警单元包括雷电监测预警模块、覆冰监测预警模块、舞动监测预警模块、山火监测预警模块、地灾监测预警和台风监测预警模块。

4.如权利要求1所述的一种基于无人机蜂巢技术的应用系统的应用，其特征在于，所述空天地多维融合及协同自主巡查单元包括全业务智能移动巡查模块、全天候远程通道可视模块、全视角协同自主巡查模块和全时空卫星遥感监测模块。

5.如权利要求1所述的一种基于无人机蜂巢技术的应用系统，其特征在于，所述线路检修智能辅助与动态防护单元包括多元辅助智能检修模块和多元检修动态防护模块。

6.如权利要求1所述的一种基于无人机蜂巢技术的应用系统，其特征在于，所述无人机蜂巢包括微型风力发电和太阳能一体供电单元、绝缘隔热蜂巢和绝缘隔热储能单元。

7.如权利要求6所述的一种基于无人机蜂巢技术的应用系统，其特征在于，所述微型风力发电和太阳能一体供电单元连接有太阳能发电板和绝缘隔热蜂巢；所述太阳能发电板的边框上设有橡胶刷头；所述绝缘隔热蜂巢连接隔热储能单元和电机，绝缘隔热蜂巢发出动作指令启控电机。

8.一种权利要求1-7任一项所述系统的基于无人机蜂巢技术的应用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，整个系统首先启动平台层，供服中心发出包括具体指令以及航线信息数据流给位于物理层的无人机蜂巢；

S2，无人机蜂巢通过指令信息分析，研判选择相应的无人机进行应用层的输电线路物联网设备巡线检查；

S3，无人机巡线过程中，通过射频基站反馈信息给平台层的数据处理站和应用层，数据处理站将信息生成报告给平台层的供服中心；平台层获取数据信息后，反馈处理信息给无人机蜂巢，通过应用层对异常监测数据、气象数据、可视化数据、设备数据以及历史运检数据的融合分析后，无人机蜂巢指挥无人机对输电线路物联网设备进行指导作业；

S4，无人机巡线完成后，返回无人机蜂巢，物理层开始启动无人机充电和数据研判上传；

S5，无人机在巡线过程中如果出现电量过低后，通过平台层数据处理站反馈信息给供服中心请求返回无人机蜂巢充电，供服中心接到数据信息后发出指令给无人机返回蜂巢充电。

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