CN111896846A - 一种无人机巡线的电力线放电检测系统及放电定位方法 - Google Patents

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Abstract

一种无人机巡线的电力线放电检测系统，包括无人机机载放电检测系统和电脑运算显示系统，无人机机载探测系统用于对输电线快速放电检测和数据的本地记录；电脑运算显示系统对所记录的数据进行读取、分析运算、数据存储和可视化显示；电力线放电检测方法的步骤为：紫外探测模块中的光电倍增管摆动探测，当输电线存在放电时，一个摆动周期会探测到多组信号，在一个摆动周期内探测信号强度最大时，将当前转台摆动的角度、位置信息获取模块得到的探测位置和探测信号的电压记录到数据记录模块；电力线放电定位的方法，将数据记录模块中的数据导入到电脑运算显示系统进行定位运算，输出定位成功的放电点位置信息；具有检测速度快、漏检率低、定位准确和巡检效率高的特点。

Description

一种无人机巡线的电力线放电检测系统及放电定位方法
技术领域
本发明属于输电线放电检测技术领域，具体涉及一种无人机巡线的电力线放电检测系统及放电定位方法。
背景技术
在当前社会，电能已经普及到各行各业中，成为人类社会的主要能源。我国电能供给和需求呈现着明显的东西部不均衡，国家电网通过广泛架设高压线等输电设施来解决用电均衡问题。输电设施受环境等多种因素影响会产生放电现象，放电现象一方面说明输电设施存在故障，另一方面还会加剧输电设施的劣化。
准确的放电检测能够及时发现放电故障点，有效保障电网的安全运转。输电设施架设区域地形复杂，目前，主要采用传统的人工巡检电力线放电及放电定位，其缺点在于，巡检的效率低下。相较于传统的人工巡检，无人机的运用大大提升巡检的效率。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种无人机巡线的电力线放电检测系统及放电定位方法，具有检测速度快、漏检率低、定位准确和巡检效率高的特点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种无人机巡线的电力线放电检测系统，包括无人机机载放电检测系统和电脑运算显示系统，无人机机载探测系统主要用于搭载无人机对输电线等电力设施进行快速放电检测和数据的本地记录；电脑运算显示系统主要是对机载探测端所记录的数据进行读取、分析运算、数据存储和可视化显示；
所述的无人机机载放电检测系统包含以下模块：紫外探测模块、信号处理模块、微处理模块、位置信息获取模块、数据记录模块；
所述的电脑运算显示系统是一种基于web的应用程序，包含web服务器、数据库、前端页面和后端程序；
所述的紫外探测模块包括日盲滤光片、光电倍增管、可左右摆动的转台；日盲滤光片套袋在光电倍增管上实现对放电产生的日盲紫外信号的检测；光电倍增管安装固定在可左右摆动的转台进行摆动探测；
所述的信号处理模块是对紫外探测模块探测的信号进行处理，完成流转压、滤波和信号放大；
所述的微处理模块给整个无人机机载放电检测系统提供运算控制；
所述的位置信息获取模块获取当前系统所在的位置信息；
所述的数据记录模块记录微处理模块运算后的数据；
所述的web服务器是电脑运算显示系统的运行平台；
所述的数据库对电脑运算显示系统运算产生数据进行存储；
所述的前端页面是面向人的界面，用于信息显示和人和数据之间的交互；
所述的后端程序用于逻辑运算和数据处理。
一种无人机巡线的电力线放电检测方法，包括以下步骤：
无人机沿输电线朝着一定方向巡检，无人机机载放电检测系统挂载于无人机上，紫外探测模块中的光电倍增管进行摆动探测，当巡检到输电线存在放电时，一个摆动周期会探测到多组信号，当在一个摆动周期内探测信号强度最大时，将当前转台摆动的角度、位置信息获取模块得到的探测位置和探测信号的电压记录到数据记录模块；
一种无人机巡线的电力线放电定位的方法，将数据记录模块中的数据导入到电脑运算显示系统进行定位运算，电脑运算显示系统进行放电定位的步骤如下：
步骤一，在光电倍增管处于摆动角度的最左端或者最右端时，导致直视探测地误判，因此，电脑运算显示系统要将光电倍增管处于摆动角度的最左端或者最右端时的数据进行剔除处理；
步骤二，通过任意两个探测位置和该位置的探测角度联立可以定位出一个放电点位置信息；
步骤三，为了精确定位出放电点的位置，将定位出的全部放电点位置整理为一个放电点位置的点集，将点集中较为离散的误差点进行数据剔除得到新得到的放电位置的点集；
步骤四，将新得到的放电点位置的点集作为数据源导入到K-means算法进行运算，将输出一个位置信息，即为定位成功的放电点位置信息存储到数据库中。
步骤二所述的放电点位置，其定位步骤为：
光电倍增管的直视探测链路L1～Ln用双点线表示，局部放电点T＝(x,y)坐标未知用紫色实心圆形点表示，探测点Ri＝(xi,yi)坐标通过无人机机载放电检测系统中的位置信息获取模块获取，用黑色实心矩形点表示，每个探测点的探测链路与无人巡线方向的夹角为该探测点的探测角度φi，放电点位置可以用公式(1)解出；为防止公式(1)出现无解现象，将公式(1)中任意两个公式联立都可以求得一个放电点位置，将解得的全部放电点位置整理为一个放电点位置的集合Ti，表示如公式(2)所示；
Figure BDA0002548245890000041
其中，x,y表示局部放电点坐标，xi,yi表示第i点的探测点坐标，φi表示第i点的探测角度，Ti表示放电点位置的集合，n代表探测点的个数。
步骤三所述的误差点，判别条件采用公式(3)
Figure BDA0002548245890000043
Figure BDA0002548245890000044
公式(3)中的Di，表示Ti中第i放电点与放电点集中其他各个放电点的距离和，公式(3)中的m与公式(4)含义相同，代表放电点位置的集合Ti中点的个数【公式(4)是对公式(3)中Di的解释说明，即Di的计算方法】；当i点的Di大于等于整个放电点位置的集合Ti中每个点到其他各个点的距离和的平均时，即可说明i放电点处于整个放电点位置的集合的边缘区域并将其剔除，原放电点位置的集合Ti剔除数据误差点后可得新放电点位置的集合为Ti'。
步骤四所述的K-means算法流程，具体步骤为：
步骤1，输入聚类个数k和数据集合N；
步骤2，随机从数据集合N中选取k个数据作为初始的聚类中心记为c1,c2,...,ck，聚类集合记为C1,C2,...,Ck，聚类集合Ci与聚类中心ci一一对应；
步骤3，将数据集合N中每一个划归给最近的聚类中心ci对应的聚类集合Ci中的点记为Nij，表示第i聚类集合中的第j数据；
步骤4，每一个聚类Ci根据自己聚类内的数据重新计算聚类中心，新的聚类中心为本聚类内所有数据的平均值如公式(5)所示；
Figure BDA0002548245890000051
式中的Ci表示第i个聚类集合，ci表示Ci的聚类中心，Nij表示第i聚类集合中的第j数据；
步骤5，每一个聚类中心ci是否变化，其判断标准如公式(6)所示的均方标准差进行衡量，式中ni表示第i个聚类集合中的数据个数；若聚类中心变化进入步骤3，如果不变化则输出聚类集合Ci和其对应的聚类中心ci。
Figure BDA0002548245890000052
式中的E表示均方标准差，Nij表示第i聚类集合中的第j数据，ci表示Ci的聚类中心。
本发明的有益效果是：
1)考虑到输电线架设区域存在基站信号盲区，将本发明分为两个部分，无人机机载放电检测系统进行放电检测数据进行本地记录，防止数据传回不及时；
2)无人机机载放电检测系统，使用光电倍增管的放电紫外检测方法，检测速度快、准确度高，只进行简单数据记录，不做过多数据运算，有效提高检测效率，防止数据漏记；
3)电脑运算显示系统，对无人机机载放电检测系统所记录的数据进行运算，利用电脑高运算速度解算，运算速度快，且为web应用方便数据查看和人机交互。
附图说明
图1本发明的电脑运算显示系统构成图。
图2本发明的无人机巡线放电检测示意图。
图3本发明的放电点位置定位解算原理图。
图4本发明的定位方法的流程图。
图5本发明的K-means算法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的阐述。
一种无人机巡线的电力线放电检测系统，包括无人机机载放电检测系统和电脑运算显示系统，无人机机载探测系统主要用于搭载无人机对输电线等电力设施进行快速放电检测和数据的本地记录；电脑运算显示系统主要是对机载探测端所记录的数据进行读取、分析运算、数据存储和可视化显示；
本实例分为无人机机载放电检测系统和电脑运算显示系统，无人机机载探测系统主要用于搭载无人机对输电线等电力设施进行快速放电检测和数据的本地记录；电脑运算显示系统主要是对机载探测端所记录的数据进行读取、分析运算、数据存储和可视化显示。
所述的无人机机载放电检测系统包含以下模块：紫外探测模块、信号处理模块、微处理模块、位置信息获取模块、数据记录模块；
所述的电脑运算显示系统是一种基于web的应用程序，包含web服务器、数据库、前端页面和后端程序；
所述的紫外探测模块包括中心透过波长为254nm的“日盲”滤光片、型号为R7154的光电倍增管、可左右摆动的转台且摆动角度为θ；“日盲”滤光片套袋在光电倍增管上实现对放电产生的“日盲”紫外信号的检测；光电倍增管安装固定在摆动角度为θ的转台进行摆动探测；
所述的信号处理模块是对紫外探测模块探测的信号进行处理，包含流转压电路、滤波电路和信号放大电路；
所述的微处理模块使用主控芯片为STM32F103VET6的嵌入式开发板，微处理模块给整个无人机机载放电检测系统提供运算控制；
所述的位置信息获取模块使用GPS模块来获取当前系统所在的位置信息；
所述的数据记录模块使用TF卡读取模块来记录微处理模块运算后的数据；
所述的web服务器是使用apache服务器进行搭建，以便电脑运算显示系统的运行；
所述的数据库使用MySQL完成数据库的构建，实现对电脑运算显示系统运算产生数据进行存储；
所述的前端页面和后端程序均用PHP语言进行编写，实现信息显示、人和数据之间的交互、逻辑运算和数据处理。
电脑运算显示系统构成图如图1所示，分别有首页、数据显示界面、数据导入界面和地图显示界面组成。首页即是一个登陆界面，需要对操作人员的信息进行确认，是操作进入电脑运算显示系统的入口，主要功能是防止非相关人员对数据的查看和操作；数据显示界面对以往记录的放电信息进行显示，可以通过特定条件对放电信息进行筛选查询，同时对已经排查或成功维修的放电信息进行标注，防止对同一放电故障进行多次维修；数据导入界面方便操作人员一键将无人机机载放电检测系统上TF卡的数据录入到放电数据查询程序，数据导入完成后进行放电点定位解算；地图显示界面通过百度地图API将文字化的放电点位置数据转化为更方便操作人员观察的地图信息。
一种无人机巡线的电力线放电检测方法如图2所示：
输电线用实线表示，无人机航迹用虚线表示，光电倍增管的直视探测链路用双点线表示，局部放电点用紫色实心圆形点表示；光电倍增管可通过转台装置左右摆动进行多角度探测，摆动角度为θ，转台上的光电倍增管与无人机巡线方向的夹角φ作为探测角度；无人机沿输电线朝着一定方向巡检，光电倍增管进行摆动探测，当巡检到局部放电时，一个摆动周期会探测到多组信号，而在一个摆动周期内，直视探测得到信号的强度毋庸置疑是大于非直视探测信号的，因此，当在一个摆动周期内探测信号强度最大时，即可确定此时为直视探测，将当前探测角度φ、探测位置R和探测信号的电压U记录到数据记录模块；
一种无人机巡线的电力线放电定位的方法，将数据记录模块中的数据导入到电脑运算显示系统进行放电点定位解算，电脑运算显示系统根据如图3所示的定位解算原理进行放电定位，定位方法如下：
步骤一，在光电倍增管摆动转向时，即光电倍增管处于摆动角度的最左端或者最右端时，导致直视探测地误判，因此，电脑运算显示系统要将光电倍增管处于摆动角度的最左端或者最右端时的数据进行剔除处理，如图2所示，当探测角度φ满足
Figure BDA0002548245890000091
或
Figure BDA0002548245890000092
时，将数据剔除，摆动角度θ表示光电倍增管随着转台摆动的角度，探测角度φ表示光电倍增管与无人机巡线方向的夹角；
步骤二，图3中，输电线用实线表示，无人机航迹用虚线表示，光电倍增管的直视探测链路L1～Ln用双点线表示，局部放电点T＝(x,y)坐标未知用紫色实心圆形点表示，探测点Ri＝(xi,yi)坐标通过无人机机载放电检测系统中的位置信息获取模块获取，用黑色实心矩形点表示，每个探测点的探测链路与无人巡线方向的夹角为该探测点的探测角度φi，放电点位置可以用公式(1)解出；为了防止公式(1)出现无解现象，将公式(1)中任意两个公式联立都可以求得一个放电点位置，将解得的全部放电点位置整理为一个放电点位置的集合Ti，表示如公式(2)所示；
Figure BDA0002548245890000101
Figure BDA0002548245890000102
其中，x,y表示局部放电点坐标，xi,yi表示第i点的探测点坐标，φi表示第i点的探测角度，Ti表示放电点位置的集合，n代表探测点的个数。
步骤三，得到的放电点位置集合Ti可以看作为初步定位结果，为了进一步缩小放电点定位的范围，对放电点位置集合Ti中较离散的点判定为数据误差点并进行剔除，数据误差点的判别条件如公式(3)所示；公式(3)中的Di，表示Ti中第i放电点与放电点集中其他各个放电点的距离和，如公式(4)所示，公式(4)是对公式(3)中Di的解释说明，即Di的计算方法；公式(3)中的m与公式(4)含义相同，代表放电点位置的集合Ti中点的个数；当i点的Di大于等于整个放电点位置的集合Ti中每个点到其他各个点的距离和的平均时，即可说明i放电点处于整个放电点位置的集合的边缘区域并将其剔除，原放电点位置的集合Ti剔除数据误差点后可得新放电点位置的集合为Ti'；
Figure BDA0002548245890000111
Figure BDA0002548245890000112
步骤四，将新得到的放电点位置的集合Ti'作为数据源导入到K-means算法进行运算，K-means算法的算法流程图如图4所示，图4最后输出的聚类中心就是一个位置信息，该位置信息即为定位成功的放电点位置信息，定位成功后将放电点位置信息存储到数据库中。
其中，如图5所示的K-means算法流程的步骤如下：
步骤1，输入聚类个数k和数据集合N；
步骤2，随机从数据集合N中选取k个数据作为初始的聚类中心记为c1,c2,...,ck，聚类集合记为C1,C2,...,Ck，聚类集合Ci与聚类中心ci一一对应；
步骤3，将数据集合N中每一个划归给最近的聚类中心ci对应的聚类集合Ci中的点记为Nij，表示第i聚类集合中的第j数据；
步骤4，每一个聚类Ci根据自己聚类内的数据重新计算聚类中心，新的聚类中心为本聚类内所有数据的平均值如公式(5)所示；
Figure BDA0002548245890000113
式中的Ci表示第i个聚类集合，ci表示Ci的聚类中心，Nij表示第i聚类集合中的第j数据；
步骤5，每一个聚类中心ci是否变化，其判断标准如公式(6)所示的均方标准差进行衡量，式中ni表示第i个聚类集合中的数据个数；若聚类中心变化进入步骤3，如果不变化则输出聚类集合Ci和其对应的聚类中心ci。
Figure BDA0002548245890000121
式中的E表示均方标准差，Nij表示第i聚类集合中的第j数据，ci表示Ci的聚类中心。
以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无人机巡线的电力线放电检测系统，其特征在于，包括无人机机载放电检测系统和电脑运算显示系统，无人机机载探测系统主要用于搭载无人机对输电线等电力设施进行快速放电检测和数据的本地记录；电脑运算显示系统主要是对机载探测端所记录的数据进行读取、分析运算、数据存储和可视化显示；
所述的无人机机载放电检测系统包含以下模块：紫外探测模块、信号处理模块、微处理模块、位置信息获取模块、数据记录模块；
所述的电脑运算显示系统是一种基于web的应用程序，包含web服务器、数据库、前端页面和后端程序；
所述的紫外探测模块包括日盲滤光片、光电倍增管、可左右摆动的转台；日盲滤光片套袋在光电倍增管上实现对放电产生的日盲紫外信号的检测；光电倍增管安装固定在可左右摆动的转台进行摆动探测；
所述的信号处理模块是对紫外探测模块探测的信号进行处理，完成流转压、滤波和信号放大；
所述的微处理模块给整个无人机机载放电检测系统提供运算控制；
所述的位置信息获取模块获取当前系统所在的位置信息；
所述的数据记录模块记录微处理模块运算后的数据；
所述的web服务器是电脑运算显示系统的运行平台；
所述的数据库对电脑运算显示系统运算产生数据进行存储；
所述的前端页面是面向人的界面，用于信息显示和人和数据之间的交互；
所述的后端程序用于逻辑运算和数据处理。
2.一种无人机巡线的电力线放电检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
无人机沿输电线朝着一定方向巡检，无人机机载放电检测系统挂载于无人机上，紫外探测模块中的光电倍增管进行摆动探测，当巡检到输电线存在放电时，一个摆动周期会探测到多组信号，当在一个摆动周期内探测信号强度最大时，将当前转台摆动的角度、位置信息获取模块得到的探测位置和探测信号的电压记录到数据记录模块。
3.一种无人机巡线的电力线放电定位的方法，其特征在于，将数据记录模块中的数据导入到电脑运算显示系统进行定位运算，电脑运算显示系统进行放电定位的步骤如下：
步骤一，在光电倍增管处于摆动角度的最左端或者最右端时，导致直视探测地误判，因此，电脑运算显示系统要将光电倍增管处于摆动角度的最左端或者最右端时的数据进行剔除处理；
步骤二，通过任意两个探测位置和该位置的探测角度联立可以定位出一个放电点位置信息；
步骤三，为了精确定位出放电点的位置，将定位出的全部放电点位置整理为一个放电点位置的点集，将点集中较为离散的误差点进行数据剔除得到新得到的放电位置的点集；
步骤四，将新得到的放电点位置的点集作为数据源导入到K-means算法进行运算，将输出一个位置信息，即为定位成功的放电点位置信息存储到数据库中。
4.根据权利要求3所述的一种无人机巡线的电力线放电定位的方法，其特征在于，步骤二所述的放电点位置，其定位步骤为：
光电倍增管的直视探测链路L1～Ln用双点线表示，局部放电点T＝(x,y)坐标未知用紫色实心圆形点表示，探测点Ri＝(xi,yi)坐标通过无人机机载放电检测系统中的位置信息获取模块获取，用黑色实心矩形点表示，每个探测点的探测链路与无人巡线方向的夹角为该探测点的探测角度φi，放电点位置可以用公式(1)解出；为防止公式(1)出现无解现象，将公式(1)中任意两个公式联立都可以求得一个放电点位置，将解得的全部放电点位置整理为一个放电点位置的集合Ti，表示如公式(2)所示；
Figure FDA0002548245880000031
Figure FDA0002548245880000032
其中，x,y表示局部放电点坐标，xi,yi表示第i点的探测点坐标，φi表示第i点的探测角度，Ti表示放电点位置的集合，n代表探测点的个数。
5.根据权利要求3所述的一种无人机巡线的电力线放电定位的方法，其特征在于，步骤三所述的误差点，判别条件采用公式(3)：
Figure FDA0002548245880000041
Figure FDA0002548245880000042
公式(3)中的Di，表示Ti中第i放电点与放电点集中其他各个放电点的距离和，公式(3)中的m与公式(4)含义相同，代表放电点位置的集合Ti中点的个数；当i点的Di大于等于整个放电点位置的集合Ti中每个点到其他各个点的距离和的平均时，即可说明i放电点处于整个放电点位置的集合的边缘区域并将其剔除，原放电点位置的集合Ti剔除数据误差点后可得新放电点位置的集合为Ti'。
6.根据权利要求3所述的一种无人机巡线的电力线放电定位的方法，其特征在于，步骤四所述的K-means算法流程，具体步骤为：
步骤1，输入聚类个数k和数据集合N；
步骤2，随机从数据集合N中选取k个数据作为初始的聚类中心记为c1,c2,...,ck，聚类集合记为C1,C2,...,Ck，聚类集合Ci与聚类中心ci一一对应；
步骤3，将数据集合N中每一个划归给最近的聚类中心ci对应的聚类集合Ci中的点记为Nij，表示第i聚类集合中的第j数据；
步骤4，每一个聚类Ci根据自己聚类内的数据重新计算聚类中心，新的聚类中心为本聚类内所有数据的平均值如公式(5)所示；
Figure FDA0002548245880000043
式中的Ci表示第i个聚类集合，ci表示Ci的聚类中心，Nij表示第i聚类集合中的第j数据；
步骤5，每一个聚类中心ci是否变化，其判断标准如公式(6)所示的均方标准差进行衡量，式中ni表示第i个聚类集合中的数据个数；若聚类中心变化进入步骤3，如果不变化则输出聚类集合Ci和其对应的聚类中心ci，
Figure FDA0002548245880000051
式中的E表示均方标准差，Nij表示第i聚类集合中的第j数据，ci表示Ci的聚类中心。
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