CN114113931A - 一种基于无人机的劣化绝缘子检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本说明书实施例公开了一种基于无人机的劣化绝缘子检测系统及方法。该系统包括：无人机本体；机载端，连接在所述无人机本体上，所述机载端设置有碳纤维伸缩杆，所述碳纤维伸缩杆前端设置有光学电场传感器，用于探测绝缘子串周围空间电场信息；地面端，与机载端之间通过无线通讯装置传递数据，用于对所述机载端采集数据进行处理与展示。本发明提供的基于无人机的劣化绝缘子检测系统及方法，对架空线路绝缘子串实现非接触式带电检测，能够准确判别绝缘子串中存在的劣化绝缘子，及时发现故障，避免故障对电网造成较大危害。

Description

一种基于无人机的劣化绝缘子检测系统及方法

技术领域

本申请涉及架空输电线路系统装置故障检测技术领域，尤其涉及一种基于无人机的劣化绝缘子检测系统及方法。

背景技术

绝缘子是输电线路中起到机械支撑及电气连接的重要部件，一旦发生本体劣化，可能导致断串、绝缘失效等严重故障。带电运行绝缘子周围分布有空间电场，当发生劣化后，其周围空间电场相对正常状态会发生局部畸变，因此对比分析劣化前后的电场分布特性，可以诊断出绝缘子的运行状态。因此，定期对输电线路运行绝缘子开展空间电场带电检测，及时辨别及更换劣化绝缘子串具有十分重要意义。

现有的架空输电线路劣化绝缘子检测方法分为传统的接触式检测方法及新兴的非接触式检测方法，传统检测方法包括观察法、火花叉法等需要人工登塔，操作繁琐且有一定的危险性，非接触式检测方法中，红外测温法及紫外成像法易受外部环境的影响，从而对检测灵敏度产生较大影响，而电场分布检测法受环境的影响有限，灵敏度较高，较其他方法有较为广阔的应用前景。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供了一种基于无人机的劣化绝缘子检测系统及方法，具有检测效率高、灵敏度高及安全可靠等特点，对架空线路绝缘子串实现非接触式带电检测，能够准确判别绝缘子串中存在的劣化绝缘子，及时发现故障，避免故障对电网造成较大危害。

为解决上述技术问题，本说明书实施例是这样实现的：

第一方面，本说明书实施例提供了一种基于无人机的劣化绝缘子检测系统，包括：

无人机本体；

机载端，连接在所述无人机本体上，所述机载端设置有碳纤维伸缩杆，所述碳纤维伸缩杆前端设置有光学电场传感器，用于探测绝缘子串周围空间电场信息；

地面端，与机载端之间通过无线通讯装置传递数据，用于对所述机载端采集数据进行处理与展示。

可选的，所述机载端还设置：激光测距仪、可见光镜头、可扩展云台设备、数据转换模块和无线通讯模块，所述可见光镜头和激光测距仪安装在无线传输模块前部，所述激光测距仪、可见光镜头、数据转换模块与无线通讯模块电性连接；数据转换模块，与所述光学电场传感器电性连接，将所述光学电场传感器的光信号转化为与输入光功率幅值成正比的电压信号。

可选的，所述激光测距仪、可见光镜头、数据转换模块、无线通讯模块由无人机本体的控制主板供电。

可选的，所述机载端还设置：可扩展云台设备，可根据后续检测工作的需要加装红外/紫外相机配合相关检测工作。

可选的，所述数据转换模块包括：电源适配器、光源驱动线路、保偏隔离器、起偏分束器和检测器，所述电场数据传输模块尺寸为100*150*30mm。

可选的，所述地面端包括电场数据接收模块、无人机飞行遥控器和高清显示屏及微型示波器；

所述电场数据接收模块在接收到所述机载端的无线通讯模块发送来的绝缘子串空间电场信息后，通过内置滤波放大电路对工频电场信号进行处理，滤除干扰后，地面端的处理器对得到的模拟电压信号进行进一步分析处理及疑似劣化绝缘子识别工作，并将识别结果及处理过后的绝缘子串空间电场波形输出至所述高清显示屏及微型示波器上。

可选的，所述无人机本体的机身安装有两块智能飞行电池，机身前部安装有前视系统，包括前视红外感知系统及前视视觉系统，机身顶部安装有RTK模块和GPRS模块，机身内部安装有控制主板，机身下部安装有云台，机臂上安装有无刷电机和螺旋桨，螺旋桨固定于无刷电机的输出轴上，无刷电机通过电子调速器与控制主板相连接。

第二方面，本说明书实施例提供了一种基于无人机的劣化绝缘子检测方法，包括如下步骤：

使用无人机遥控器建立无人机由兴趣点H到兴趣点L的航线；所述兴趣点H为绝缘子串高压端所在位置，所述兴趣点L为绝缘子串低压端所在位置；

开启自动巡航功能，无人机开始自动巡航，当无人机飞行至出发点H时，机载端开始储存光学电场传感器测量得到的电场数据；

待无人机巡航至兴趣点L，停止储存光学传感器测量得到的电场数据，并将储存的电场数据通过无线传输模块发送至地面端的电场数据接收模块；

地面端根据接收到的绝缘子串空间电场数据进行疑似劣化绝缘子的识别，并将结果显示在高清显示屏及微型示波器上。

可选的，所述地面端根据接收到的数据进行劣化绝缘子识别的方法包括：

无人机完成一次绝缘子串巡航检测任务后，点击接收电场信号，机载端检测主板处理器将停止数据储存，同时将存储的空间电场数据发送给地面端；

输入绝缘子片数，点击生成曲线，所存储的数据将按照绝缘子串片数均匀分布生成绝缘子串空间电场曲线；

点击零值检测，疑似劣化绝缘子下面的数据框会出现识别结果，即从高压端开始的第几片为疑似劣化绝缘子。

可选的，所述使用无人机遥控器建立无人机由兴趣点H到兴趣点L的航线，具体包括：

利用无人机遥控器遥控无人机至绝缘子串高压端；

调整无人机姿态，保证无人机正视于绝缘子串轴心，碳纤维伸缩杆正对绝缘子串中轴；

使用激光测距仪测量无人机机身至绝缘子串的距离，将此距离减去碳纤维伸缩杆的距离即为光学电场传感器距绝缘子串的第一相对距离；

判断第一相对距离是否满足该电压等级下有效检测距离的要求，若不满足，继续调整无人机相对绝缘子串的位置，直至相对距离满足要求；

利用无人机的RTK功能，获得此刻无人机的位置坐标，记为兴趣点H；

利用无人机遥控器遥控无人机至绝缘子串低压端；

调整无人机姿态，保证无人机正视于绝缘子串轴心，碳纤维伸缩杆正对绝缘子串中轴；

使用激光测距仪测量无人机机身至绝缘子串的距离，将此距离减去碳纤维伸缩杆的距离即为光学电场传感器距绝缘子串的第二相对距离；

判断第二相对距离是否满足该电压等级下有效检测距离的要求，若不满足，继续调整无人机相对绝缘子串的位置，直至相对距离满足要求；

利用无人机的RTK功能，获得此刻无人机的位置坐标，记为兴趣点L。

本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

本发明提供的基于无人机的劣化绝缘子检测系统及方法，对架空线路绝缘子串实现非接触式带电检测，能够准确判别绝缘子串中存在的劣化绝缘子，及时发现故障，避免故障对电网造成较大危害。

本发明运用在架空线路的日常巡检工作中，可使得输电线路相关运检人员在不停电的情况下开展基于无人机的劣化绝缘子检测工作，操作简便，安全高效，免去人工登塔，可以有效保障电力系统的安全稳定运行。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例提供的基于无人机的劣化绝缘子检测系统机载端结构图；

图2是本发明实施例提供的基于无人机的劣化绝缘子检测系统地面端结构图；

图3是本发明实施例提供的基于无人机的劣化绝缘子检测系统的无人机本体的结构图；

图4是本发明实施例提供的基于无人机的劣化绝缘子检测系统的工作原理图；

图5是根据本发明实施例提供的一种基于无人机的劣化绝缘子检测方法的流程图。

附图说明：1-电场传感器；2-碳纤维伸缩杆；3-激光测距仪；4-可见光镜头；5-可扩展云台设备；6-数据转换模块；7-无线通讯模块；8-地面终端；9-微型示波器；10-可拆卸云台；11-机臂；12-无刷电机；13-螺旋桨；14-机身；15-GPRS模块；16-RTK模块；17-前视系统

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

本发明提供的基于多旋翼无人机的基于无人机的劣化绝缘子检测系统结构图包括无人机本体、地面端和机载端三部分。其中，无人机本体起到了搭载平台的作用，搭载机载端的装置完成检测，地面端对机载端采集数据进行处理与展示。

具体的，机载端连接在所述无人机本体上，所述机载端设置有碳纤维伸缩杆，所述碳纤维伸缩杆前端设置有光学电场传感器，用于探测绝缘子串周围空间电场信息；地面端，与机载端之间通过无线通讯装置传递数据，用于对所述机载端采集数据进行处理与展示。

如图1所示，本发明实施例提供的基于基于无人机的劣化绝缘子检测系统机载端包括光学电场传感器1、碳纤维伸缩杆2、激光测距仪3、可见光镜头4、可扩展云台设备5、数据转换模块6和无线通讯模块7，碳纤维伸缩杆2用于将光学电场传感器1靠近绝缘子。光学电场传感器1安装于碳纤维伸缩杆2端部，且与数据转换模块6连接，将测得的光学信号通过数据转换模块6转换为电压信号。数据转换模块6由电源适配器、光源驱动线路、保偏隔离器、起偏分束器及检测器构成，因无人机为12V直流电源供电，故将电源适配器由交流改变为直流，同时针对无人机的机身参数设计小型的集成元件，用于替换大尺寸的保偏隔离器、起偏分束器和检测器，在保证电场数据可以准确传输的前提下，设计三条电场测量通道，将所有集成元件紧凑排列，进行小型化设计后的电场数据传输模块尺寸为100*150*30mm，小型化设计后的电场测量数据转换模块6集成在无人机下方。可见光镜头4和激光测距仪3安装在无线传输模块前部，它们两者与数据转换模块6均与无线通讯模块7电性连接，可以将测得的距离数据、图像数据、电场数据通过无线通讯模块7向外传输，可扩展云台设备5可根据后续检测工作的需要加装红外/紫外相机配合相关检测工作。所述激光测距仪3、可见光镜头4、数据转换模块6、无线通讯模块7由无人机本体的控制主板供电。

如图2所示，本发明实施例提供的基于多旋翼无人机的基于无人机的劣化绝缘子检测系统地面端包括：集成了电场数据接收模块及高清显示屏的地面终端8、微型示波器9。电场数据接收模块在接收到所述机载端无线通讯模块7发送来的绝缘子串空间电场信息后，通过内置滤波放大电路对工频电场信号进行处理，滤除干扰后，地面终端的处理器对得到的模拟电压信号进行进一步分析处理及疑似劣化绝缘子识别工作，并将识别结果及处理过后的绝缘子串空间电场波形输出至高清显示屏及微型示波器上。

如图3所示，无人机本体由可拆卸云台10、机臂11、无刷电机12、螺旋桨13、机身14、GPRS模块15、RTK模块16、前视系统17组成。机身14安装有两块智能飞行电池，机身14前部安装有前视系统，包括前视红外感知系统及前视视觉系统，机身14顶部安装有RTK模块16和GPRS模块15，机身内部安装有控制主板，机身14下部安装有可拆卸云台10，机臂11上安装有无刷电机12和螺旋桨13，螺旋桨13固定于无刷电机12的输出轴上，无刷电机12通过电子调速器与控制主板相连接。

如图4所示，是本发明实施例提供基于多旋翼无人机的基于无人机的劣化绝缘子检测系统的工作原理图。光学电场传感器1与数据转换模块6连接，将测得的光学信号通过数据转换模块6转换为电压信号后传输至检测主板处理器，检测主板处理器将测得的距离数据、图像数据、电场数据通过无线传输模块传输给电场数据接收模块，电场数据接收模块在接收到所述机载端无线通讯模块7发送来的绝缘子串空间电场信息后，通过内置滤波放大电路对工频电场信号进行处理，滤除干扰后，地面终端的处理器对得到的模拟电压信号进行进一步分析处理及疑似劣化绝缘子识别工作，并将识别结果及处理过后的绝缘子串空间电场波形输出至高清显示屏及微型示波器上。

如图5所示，本系统检测劣化绝缘子的方法及流程为：

步骤1：利用无人机遥控器遥控无人机至绝缘子串高压端；

步骤2：调整无人机姿态，保证无人机正视于绝缘子串轴心，碳纤维伸缩杆正对绝缘子串中轴；

步骤3：使用激光测距仪测量无人机机身至绝缘子串的距离，将此距离减去碳纤维伸缩杆的距离即为光学电场传感器距绝缘子串的相对距离；

步骤4：判断此相对距离是否满足该电压等级下有效检测距离的要求，若不满足，继续调整无人机相对绝缘子串的位置，直至相对距离满足要求；

步骤5：利用无人机的RTK功能，获得此刻无人机的位置坐标，记为兴趣点H；

步骤6：利用无人机遥控器遥控无人机至绝缘子串低压端；

步骤7：调整无人机姿态，保证无人机正视于绝缘子串轴心，碳纤维伸缩杆正对绝缘子串中轴；

步骤8：使用激光测距仪测量无人机机身至绝缘子串的距离，将此距离减去碳纤维伸缩杆的距离即为光学电场传感器距绝缘子串的相对距离；

步骤9：判断此相对距离是否满足该电压等级下有效检测距离的要求，若不满足，继续调整无人机相对绝缘子串的位置，直至相对距离满足要求；

步骤10：利用无人机的RTK功能，获得此刻无人机的位置坐标，记为兴趣点L；

步骤11：使用无人机遥控器建立无人机由兴趣点H到兴趣点L的航线；

步骤12：开启自动巡航功能，无人机开始自动巡航，当无人机飞行至出发点H时，机载端开始储存光学电场传感器测量得到的电场数据；

步骤13：待无人机巡航至兴趣点L，停止储存光学传感器测量得到的电场数据，并将储存的电场数据通过无线传输模块发送至地面端的电场数据接收模块；

步骤14：地面端根据接收到的绝缘子串空间电场数据进行疑似劣化绝缘子的识别，并将结果显示在高清显示屏及微型示波器上。

所述地面端的劣化绝缘子识别界面包括端口设置、数据显示、曲线分析。在地面端第一次使用时，需要首先进行相关参数的设置，使其与所述机载端检测装置的无线通讯模块7相匹配，确保相关数据可以正常收发；无人机完成一次绝缘子串巡航检测任务后，点击接收电场信号，机载端检测主板处理器将停止数据储存，同时将存储的空间电场数据发送给地面端；输入绝缘子片数，点击生成曲线，所存储的数据将按照绝缘子串片数均匀分布生成绝缘子串空间电场曲线；点击零值检测，疑似劣化绝缘子下面的数据框会出现识别结果，即从高压端开始的第几片为疑似劣化绝缘子。

根据本发明提供的具体实施例，对某线路耐张串进行了实测，经试验得到，该系统能够10分钟内完成一相绝缘子串的检测，能够对绝缘子串的电场信息进行快速采集，提高了检测效率，采用基于泡克尔斯效应的光学电场传感器对电场进行准确采集，提高了检测准确度，机载端与地面端通过无线信号进行数据传输，使得其适用于绝大多数现场环境，提高适用性，对电场测量模块进行小型化设计，适用于无人机机型，尽可能降低无人机能源消耗，延长了检测时间；该方法根据得到的绝缘子电场曲线与模型得到的未劣化的绝缘子分布电场强度变化波形进行对比，若存在畸变点，则判断绝缘子串中存在劣化绝缘子，能够及时发现劣化绝缘子，便于及时有效的处理，保证了输电线路的安全性。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于无人机的劣化绝缘子检测系统，其特征在于，包括：

无人机本体；

机载端，连接在所述无人机本体上，所述机载端设置有碳纤维伸缩杆，所述碳纤维伸缩杆前端设置有光学电场传感器，用于探测绝缘子串周围空间电场信息；

地面端，与机载端之间通过无线通讯装置传递数据，用于对所述机载端采集数据进行处理与展示。

2.根据权利要求1所述的基于无人机的劣化绝缘子检测系统，其特征在于，所述机载端还设置：激光测距仪、可见光镜头、可扩展云台设备、数据转换模块和无线通讯模块，所述可见光镜头和激光测距仪安装在无线传输模块前部，所述激光测距仪、可见光镜头、数据转换模块与无线通讯模块电性连接；数据转换模块，与所述光学电场传感器电性连接，将所述光学电场传感器的光信号转化为与输入光功率幅值成正比的电压信号。

3.根据权利要求2所述的基于无人机的劣化绝缘子检测系统，其特征在于，所述激光测距仪、可见光镜头、数据转换模块、无线通讯模块由无人机本体的控制主板供电。

4.根据权利要求2所述的基于无人机的劣化绝缘子检测系统，其特征在于，所述机载端还设置：可扩展云台设备，可根据后续检测工作的需要加装红外/紫外相机配合相关检测工作。

5.根据权利要求2所述的基于无人机的劣化绝缘子检测系统，其特征在于，所述数据转换模块包括：电源适配器、光源驱动线路、保偏隔离器、起偏分束器和检测器，所述电场数据传输模块尺寸为100*150*30mm。

6.根据权利要求2所述的基于无人机的劣化绝缘子检测系统，其特征在于，所述地面端包括电场数据接收模块、无人机飞行遥控器和高清显示屏及微型示波器；

所述电场数据接收模块在接收到所述机载端的无线通讯模块发送来的绝缘子串空间电场信息后，通过内置滤波放大电路对工频电场信号进行处理，滤除干扰后，地面端的处理器对得到的模拟电压信号进行进一步分析处理及疑似劣化绝缘子识别工作，并将识别结果及处理过后的绝缘子串空间电场波形输出至所述高清显示屏及微型示波器上。

7.根据权利要求1所述的基于无人机的劣化绝缘子检测系统，其特征在于，所述无人机本体的机身安装有两块智能飞行电池，机身前部安装有前视系统，包括前视红外感知系统及前视视觉系统，机身顶部安装有RTK模块和GPRS模块，机身内部安装有控制主板，机身下部安装有云台，机臂上安装有无刷电机和螺旋桨，螺旋桨固定于无刷电机的输出轴上，无刷电机通过电子调速器与控制主板相连接。

8.一种基于无人机的劣化绝缘子检测方法，应用于权利要求1-7任一所述的基于无人机的劣化绝缘子检测系统，其特征在于，包括如下步骤：

使用无人机遥控器建立无人机由兴趣点H到兴趣点L的航线；所述兴趣点H为绝缘子串高压端所在位置，所述兴趣点L为绝缘子串低压端所在位置；

开启自动巡航功能，无人机开始自动巡航，当无人机飞行至出发点H时，机载端开始储存光学电场传感器测量得到的电场数据；

待无人机巡航至兴趣点L，停止储存光学传感器测量得到的电场数据，并将储存的电场数据通过无线传输模块发送至地面端的电场数据接收模块；

地面端根据接收到的绝缘子串空间电场数据进行疑似劣化绝缘子的识别，并将结果显示在高清显示屏及微型示波器上。

9.根据权利要求8所述的基于无人机的劣化绝缘子检测方法，其特征在于，所述地面端根据接收到的数据进行劣化绝缘子识别的方法包括：

无人机完成一次绝缘子串巡航检测任务后，点击接收电场信号，机载端检测主板处理器将停止数据储存，同时将存储的空间电场数据发送给地面端；

输入绝缘子片数，点击生成曲线，所存储的数据将按照绝缘子串片数均匀分布生成绝缘子串空间电场曲线；

点击零值检测，疑似劣化绝缘子下面的数据框会出现识别结果，即从高压端开始的第几片为疑似劣化绝缘子。

10.根据权利要求8所述的基于无人机的劣化绝缘子检测方法，其特征在于，所述使用无人机遥控器建立无人机由兴趣点H到兴趣点L的航线，具体包括：

利用无人机遥控器遥控无人机至绝缘子串高压端；

调整无人机姿态，保证无人机正视于绝缘子串轴心，碳纤维伸缩杆正对绝缘子串中轴；

使用激光测距仪测量无人机机身至绝缘子串的距离，将此距离减去碳纤维伸缩杆的距离即为光学电场传感器距绝缘子串的第一相对距离；

判断第一相对距离是否满足该电压等级下有效检测距离的要求，若不满足，继续调整无人机相对绝缘子串的位置，直至相对距离满足要求；

利用无人机的RTK功能，获得此刻无人机的位置坐标，记为兴趣点H；

利用无人机遥控器遥控无人机至绝缘子串低压端；

调整无人机姿态，保证无人机正视于绝缘子串轴心，碳纤维伸缩杆正对绝缘子串中轴；

使用激光测距仪测量无人机机身至绝缘子串的距离，将此距离减去碳纤维伸缩杆的距离即为光学电场传感器距绝缘子串的第二相对距离；

判断第二相对距离是否满足该电压等级下有效检测距离的要求，若不满足，继续调整无人机相对绝缘子串的位置，直至相对距离满足要求；

利用无人机的RTK功能，获得此刻无人机的位置坐标，记为兴趣点L。

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