CN114545969A - 一种基于数字孪生的电网智能巡检方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于数字孪生的电网智能巡检方法及系统，通沿输电线路设置无人机管理站以及预先建立标准绕飞轨迹，在后台中心建立巡检任务后由无人机管理站对无人机进行转发，同时无人机管理站可对无人机补充电能，同时将无人机拍摄的图像转发给后台中心，后台中心接收转发的拍摄图像并根据拍摄图像判断故障类型，并在巡检孪生模型中标记出与发生故障的拍摄图像对应的检测位点；本发明通过对不同类型的塔杆和变电站预先建立检视轨迹，无人机在巡检时可自行围绕塔杆或变电站进行巡检，降低了人员操作的难度，减少了巡检路线的制作时长。
Description
技术领域
本发明属于电力巡检技术领域，具体涉及一种基于数字孪生的电网智能巡检方法及系统。
背景技术
而我国的电力线路走廊需要穿越各种复杂的地理环境，多数都经过大面积水库、湖泊和崇山峻岭等，这些都给电力线路的检测带来了很多困难。传统的电力线路、管道巡线流程是工作人员亲自到现场巡视线路，巡视对象主要是设施，杆塔、导线、变压器、绝缘子、横担、刀闸等设备，并以纸介质方式记录巡视情况，然后再人工录入到计算机中。无人机应用在电力巡检中降低了人员巡检的工作强度，无人机携带可见光、红外、紫外或激光点云发生装置以完成各类影像数据的获取，用来判断线路或塔杆的外观缺陷、局放故障缺陷等。
数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，塔杆和输电线路在虚拟空间中有对应实体位置的坐标，通过这些坐标可以规划无人机巡检飞行路径。但是在巡检塔杆的时候为了实现塔杆的全方位监测，需要围绕一个塔杆上下进行多点的多角度的拍摄，传统的方法是通过人工预先试飞全程并记录下这个轨迹，之后无人机自行的按照上述的轨迹进行飞行和拍照，轨迹的内容包括塔杆间的路径，以及单个塔杆绕飞的路线，整个巡检路线的制作耗时较长，工作量大，较为不便。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种基于数字孪生的电网智能巡检方法及系统，通过对不同类型的塔杆和变电站预先建立检视轨迹，无人机在进入检视轨迹后可依照轨迹自动拍摄图像进行巡检，无需人员远程控制，减少了操作人员的工作量。
本发明的技术方案如下：
一种基于数字孪生的电网智能巡检方法，包括以下步骤：
S1标准绕飞轨迹建立，包括：
采集不同类型的塔杆的三维数据并进行建模；采集不同类型的变电站的三维数据并进行建模；
对每种塔杆模型和变电站模型建立检视轨迹；
S2沿输电线路沿途设置无人机管理站，所述无人机管理站用于为巡检无人机补充电能同时向无人机派发巡检任务以及向后台中心转发无人机巡检数据；
S3获取输电线路、塔杆、变电站和无人机管理站的地理位置和周围的山形地貌信息，并构建环境数字孪生模型，在环境数字孪生模型中的对应地理位置的位点上插入与实际的塔杆、变电站类型相同的数字模型、以及无人机管理站的数字模型，得到巡检孪生模型；后台中心创建巡检任务；
S4无人机根据无人机管理站发送的巡检任务巡检，并将拍摄的图像向无人机管理站发送；
S5后台中心接收转发的拍摄图像并根据拍摄图像判断故障类型，并在巡检孪生模型中标记出与发生故障的拍摄图像对应的检测位点。
进一步的，在步骤S4中，无人机巡检包括实时模式和离线模式；
在所述实时模式，无人机在巡检的同时实时向无人机管理站发送拍摄图像；
在所述离线模式，无人机在无人机管理站补充电能的同时，向无人机管理站发送拍摄图像并接收新的巡检任务。
进一步的，步骤S1中，所述检视轨迹的建立步骤包括：
标记塔杆和变电站的检测位点、检测方位以及禁飞空间，设计无人机检视轨迹使无人机飞过塔杆或变电站的所有检视点且路径最短。
进一步的，在每个所述塔杆或变电站上设置起始标识，每种类型的起始标识的位置相同，所述检视轨迹起始于与所述起始标识唯一对应的位置。
进一步的，所述检视轨迹上设置有若干校正位点，无人机在校正位点调整实际飞行位置至检视轨迹的预设位置。
进一步的，所述基于数字孪生的电网智能巡检方法还包括S6构建无人机模型，并根据无人机的实时位置在巡检孪生模型中相应的进行展示以表明无人机的当前位置。
进一步的，所述拍摄图像进行特定编码的编号，以确定拍摄的图像所归属的输电线路段或塔杆或变电站的地理位置以及所属的检测位点。
进一步的，在步骤S3中，同时获取无人机管理站周边的气象信息，并将气象信息反馈给后台中心，供后台中心参考后调整巡检任务。
本发明还提出了一种基于数字孪生的电网智能巡检系统，应前述所述的基于数字孪生的电网智能巡检方法，包括后台中心、无人机管理站、无人机和显示中心；所述无人机用于根据巡检任务执行巡检并拍摄图像；所述无人机管理站用于为无人机提供电能并作为中转站转发无人机与后台中心之间的各类需要传输的信息；
所述后台中心包括标准模型库、孪生模型层、轨迹生成模块和显示层；
所述标准模型库包括不同类型塔杆和变电站的三维模型、以及根据所述三维模型构建的三维检视轨迹；
所述孪生模型层包括根据输电线路的塔杆、变电站、输电线周边的山形地貌所构建的数字模型，并在该数字模型上对应实体位置的坐标点插入标准模型库中的模型得到巡检孪生模型；
所述轨迹生成模块用于生成塔杆、变电站与无人机管理站之间的飞行轨迹和沿着输电线的检视路径，并根据后台中心的控制拼合三维检视轨迹、检视路径和飞行轨迹形成巡检任务轨迹；
所述显示中心用于以可视化的形式展示巡检孪生模型、巡检任务轨迹和任务进度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过对不同类型的塔杆和变电站预先建立检视轨迹，无人机在巡检时可自行围绕塔杆或变电站进行巡检，降低了人员操作的难度，减少了巡检路线的制作时长；
且通过无人机管理站来对无人机进行任务派发、信息转发等，使得无人机能够及时的续航，同时由于无人机管理站自带的通讯功能，可使得无人机在网络不好的地区也能够经由无人机管理站发送出拍摄图像，增加了无人机的活动范围。
附图说明
图1为本发明实施例的无人机管理站的局部分部示意图。
图2为本发明实施例的检视轨迹和校正位点的位置示意图。
图中，无人机管理站1、起始标识2、检视轨迹3、检测位点4、校正位点5、起始位点6。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种基于数字孪生的电网智能巡检方法，包括以下步骤：
S1标准绕飞轨迹建立，包括：
采集不同类型的塔杆的三维数据并进行建模；采集不同类型的变电站的三维数据并进行建模；
对每种塔杆模型和变电站模型建立检视轨迹3；所述检视轨迹3的建立步骤包括：标记塔杆和变电站的检测位点4、检测方位以及禁飞空间，设计无人机检视轨迹3使无人机飞过塔杆或变电站的所有检视点且路径最短；检视轨迹3是相对于塔杆模型或变电站模型的相对位置空间轨迹，检视轨迹3仅与塔杆或变电站的类型有关，与塔杆或变电站的实际中或输电线路模型中的位置无关；以塔杆为例，检测方位和检测位点4指的是能够看到目标检测点如某一个绝缘子时的位置和视角范围，一个目标检测点可以对应多个检测位点4/检测方位，从而无人机能够从不同角度对其进行拍摄，获得多角度的影像；检视轨迹3的设计可人工设计并试飞记录轨迹形成或计算机辅助设计；每种塔杆或变电站的检视轨迹3至少有两条，以应对不同光照方向，防止拍摄出现阴影，影响后期后台中心识别；
S2沿输电线路沿途设置无人机管理站1，所述无人机管理站1用于为巡检无人机补充电能同时向无人机派发巡检任务以及向后台中心转发无人机巡检数据；无人机管理站1通过稳定的有线/无线网络连接至后台中心，无人机可在无人机管理站1进行充电或更换电池，无人机管理站1转发的巡检任务优选的以自身为起点，以下一个无人机管理站1附近为终点，无人机无需再返航，节省电力；
S3获取输电线路、塔杆、变电站和无人机管理站1的地理位置和周围的山形地貌信息，并构建环境数字孪生模型，在环境数字孪生模型中的对应地理位置的位点上插入与实际的塔杆、变电站类型相同的数字模型、以及无人机管理站1的数字模型，得到巡检孪生模型；后台中心根据无人机信息和环境气象信息创建巡检任务，并发送至对应的无人机管理站1；无人机信息包括无人机电池电量、飞行每公里耗电量等、环境气象信息包括环境温湿度、风力、光照方向等；
S4无人机根据无人机管理站1发送的巡检任务巡检，并将拍摄的图像向无人机管理站1发送；具体的，任意一家无人机在无人机管理站1均可接受任务，之后按照任务执飞巡航即可；
S5后台中心接收转发的拍摄图像并根据拍摄图像判断故障类型，并在巡检孪生模型中标记出与发生故障的拍摄图像对应的检测位点4和类型，并以可视化的形式呈现，以便于后台人员能够快速的从巡检孪生模型界面中找到有问题输电线路或塔杆或变电站的所在。
进一步的，巡检任务的创建步骤使用到有现有技术中的航点规划功能，航点规划功能就是在地图上进行位置打点，并连接打点的位置，无人机即可按照航线规划的路径进行飞行作业；对应于本申请中的巡检任务，例如，对于某日计划巡检A01-A023号塔杆，则在巡检孪生模型中A01-A023号塔杆处进行位置打点，获得目标绝对地理坐标，连接打点的位置，得到不同塔杆或变电站之间的转移路径，无人机在沿转移路径飞行至打点的位置后依照检视轨迹3对塔杆或变电站进行绕飞巡检，同时在两个打点位置间飞行的时候定时或定距离的对线路拍摄图像，用于后台中心判断异常；绕飞巡检后继续飞行至下一个打点位置进行绕飞巡检，直至本条巡检任务中的巡检目标绕飞巡检完毕，无人机飞回出发的无人机管理站1或下一个无人机管理站1进行充电或换电；无人机搭载北斗或GPS定位以获取自身地理位置，无人机采用有双目摄像机来感知周围的环境，以获取实体距离，同时还可选的搭载有常规巡检用的摄像头如红外、紫外发生装置等；
本发明对同一种塔杆或变电站的统一的建立检视轨迹3，在制作巡检路线的时候可以直接导入相应的检视轨迹3，无需巡检人员全程试飞建立巡检路线，减少了巡检路线的制作时长；无人机在巡检时可自行围绕塔杆或变电站进行巡检，无需人员操作，降低了人员操作的难度；且通过无人机管理站1来对无人机进行电能的补充、任务派发、信息转发等，使得无人机能够及时的续航，同时由于无人机管理站1自带的通讯功能，可使得无人机在网络不好的地区也能够经由无人机管理站1发送出拍摄图像，增加了无人机的活动范围；同时由于无人机仅有当前巡检任务的轨迹，没有全程输电线路的轨迹，因而有利于保证输电线路的保密性，减少整条线路的泄密风险。
进一步的，在步骤S4中，无人机巡检包括实时模式和离线模式；
在所述实时模式，无人机在巡检的同时实时向无人机管理站1发送拍摄图像；目前的无人机多以实时传图为主，用户在传图范围内依照实时图像进行无人机的控制，但无人机飞远后由于传图功耗增加，会降低无人机的飞行距离，在本专利中，此模式用于人工介入进行无人机远程控制；
在所述离线模式，无人机在无人机管理站1补充电能的同时，向无人机管理站1发送拍摄图像并接收新的巡检任务，即在飞行时和巡检拍摄时是不向无人机管理站1发送巡检图像的，仅在飞至无人机管理站1后才会将拍摄的图像发送给无人机管理站1，类似与现有技术中的离线规划技术，本实施例中的无人机在塔杆/变电站之间飞行的时候是采用依赖于预设编程的控制代码和地理位置的离线飞行。
进一步的，如图1至图2在每个所述塔杆或变电站上设置起始标识2，每种类型的起始标识2的位置相同，所述检视轨迹3起始于与所述起始标识2唯一对应的位置——起始位点6，在图2中以五边形表示出起始位点6的位置，在巡检时，无人机对所述拍摄图像进行特定编码的编号，以确定拍摄的图像所归属的输电线路段或塔杆或变电站的地理位置以及所属的检测位点4；具体的，以塔杆为例，由于地形不同，塔杆的高度会发生变化，为了便于无人机找到检视轨迹3，在塔杆的塔体上设置一定形状的标识牌，在标识牌上写有与该塔体唯一对应的识别码，识别码采用字母和数字组成，易于离线识别，如可为A023，A表示该物体的类型，数字表示不同塔杆间的区分代号，在检测位点4获取的图像可以依次编号为A023A001，第2个字母表示在第几个检测位点4，最后的数字表示第几张照片，编号A023A001表示在A023号塔杆的第1个检测位点4拍摄的第1张照片；无人机搭载有离线图像文字识别模块，可以通过离线图像识别出该标识牌，并调整飞行高度、飞行姿态和摄像头视角至启示状态，该启示状态是确定的，之后无人机自行按照检视轨迹3进行绕飞拍摄，在每个检测位点4调整飞行高度、飞行姿态和摄像头视角至与该检测位点4对应的状态，直至绕飞巡检完毕；无人机巡检检视轨迹3默认是离线的，以降低图像识别和数据传输带来的高能耗，延长无人机的续航，同时无需远程人员操作，降低人力。
进一步的，如图2所示，所述检视轨迹3上设置有若干校正位点5，无人机在校正位点5调整实际飞行位置至检视轨迹3的预设位置，每个检视轨迹3中至少有2个校正位点5，相邻的两个校正位点5之间有至少2个检测位点4；由于在现实环境中可能存在风力的影响，因而在无人机飞行的时候可能会发生偏移，无人机在校正位点5进行图像识别，并与预存的图像进行大小和位置的对比，以确定是否偏航，之后自行调整无人机的位置和拍摄角度至预设状态，以确保无人机回归检视轨迹3，确保后续的检测位点4能正确拍摄；例如，在图2中以方形块表示校正位点5的位置，无人机中预先存储有在校正位点5拍摄的标准塔体照片，通过比较实际拍摄的塔体照片与标准塔体照片的偏移和大小变化程度，来判断无人机是否偏航，若偏航超过预设范围如照片偏移面积大于2％，则无人机进行调整直至偏航在允许范围以内。
进一步的，所述基于数字孪生的电网智能巡检方法还包括S6构建无人机模型，并根据无人机的实时位置在巡检孪生模型中相应的进行展示以表明无人机的当前位置、目前的巡检任务范围和任务进度；由于在输电线路上同时会有若干个无人机进行巡检，远程巡检人员通过可视化的途径可以直观的看到输电线路上无人机的巡检情况，若某一地区发生异常的检测位点4较多，还可以人工远程控制飞行无人机对输电线路进行现场查看。
进一步的，在步骤S3中，同时获取无人机管理站1周边的气象信息，并将气象信息反馈给后台中心，供后台中心参考后调整巡检任务，后台中心的巡检任务以无人机70％-80％以下的电量能够完成为目标，防止无人机由于实际环境恶劣、如风力强劲造成耗电增加，导致电量耗尽无法返航的情况发生。
本发明还提出了一种基于数字孪生的电网智能巡检系统，应前述所述的基于数字孪生的电网智能巡检方法，包括后台中心、无人机管理站1、无人机和显示中心；所述无人机用于根据巡检任务执行巡检并拍摄图像；所述无人机管理站1用于为无人机提供电能并作为中转站转发无人机与后台中心之间的各类需要传输的信息；
所述后台中心包括标准模型库、孪生模型层、轨迹生成模块和显示层；
所述标准模型库包括不同类型塔杆和变电站的三维模型、以及根据所述三维模型构建的三维检视轨迹3；
所述孪生模型层包括根据输电线路的塔杆、变电站、输电线周边的山形地貌所构建的数字模型，并在该数字模型上对应实体位置的坐标点插入标准模型库中的模型得到巡检孪生模型；
所述轨迹生成模块用于生成塔杆、变电站与无人机管理站1之间的飞行轨迹和沿着输电线的检视路径，并根据后台中心的控制拼合三维检视轨迹3、检视路径和飞行轨迹形成巡检任务轨迹；
所述显示中心用于以可视化的形式展示巡检孪生模型、巡检任务轨迹和任务进度。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于数字孪生的电网智能巡检方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1标准绕飞轨迹建立，包括：
采集不同类型的塔杆的三维数据并进行建模；采集不同类型的变电站的三维数据并进行建模；
对每种塔杆模型和变电站模型建立检视轨迹(3)；
S2沿输电线路沿途设置无人机管理站(1)，所述无人机管理站(1)用于为巡检无人机补充电能同时向无人机派发巡检任务以及向后台中心转发无人机巡检数据；
S3获取输电线路、塔杆、变电站和无人机管理站(1)的地理位置和周围的山形地貌信息，并构建环境数字孪生模型，在环境数字孪生模型中的对应地理位置的位点上插入与实际的塔杆、变电站类型相同的数字模型、以及无人机管理站(1)的数字模型，得到巡检孪生模型；后台中心创建巡检任务；
S4无人机根据无人机管理站(1)发送的巡检任务巡检，并将拍摄的图像向无人机管理站(1)发送；
S5后台中心接收转发的拍摄图像并根据拍摄图像判断故障类型，并在巡检孪生模型中标记出与发生故障的拍摄图像对应的检测位点(4)。
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的电网智能巡检方法，其特征在于：在步骤S4中，无人机巡检包括实时模式和离线模式；
在所述实时模式，无人机在巡检的同时实时向无人机管理站(1)发送拍摄图像；
在所述离线模式，无人机在无人机管理站(1)补充电能的同时，向无人机管理站(1)发送拍摄图像并接收新的巡检任务。
3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的电网智能巡检方法，其特征在于：步骤S1中，所述检视轨迹(3)的建立步骤包括：
标记塔杆和变电站的检测位点(4)、检测方位以及禁飞空间，设计无人机检视轨迹(3)使无人机飞过塔杆或变电站的所有检视点且路径最短。
4.根据权利要求3所述的基于数字孪生的电网智能巡检方法，其特征在于：在每个所述塔杆或变电站上设置起始标识(2)，每种类型的起始标识(2)的位置相同，所述检视轨迹(3)起始于与所述起始标识(2)唯一对应的位置。
5.根据权利要求3所述的基于数字孪生的电网智能巡检方法，其特征在于：所述检视轨迹(3)上设置有若干校正位点(5)，无人机在校正位点(5)调整实际飞行位置至检视轨迹(3)的预设位置。
6.根据权利要求1所述的基于数字孪生的电网智能巡检方法，其特征在于：还包括S6构建无人机模型，并根据无人机的实时位置在巡检孪生模型中相应的进行展示以表明无人机的当前位置。
7.根据权利要求1所述的基于数字孪生的电网智能巡检方法，其特征在于：所述拍摄图像进行特定编码的编号，以确定拍摄的图像所归属的输电线路段或塔杆或变电站的地理位置以及所属的检测位点(4)。
8.根据权利要求1所述的基于数字孪生的电网智能巡检方法，其特征在于：在步骤S3中，同时获取无人机管理站(1)周边的气象信息，并将气象信息反馈给后台中心，供后台中心参考后调整巡检任务。
9.一种基于数字孪生的电网智能巡检系统，其特征在于：应用权利要求1-8任一项所述的基于数字孪生的电网智能巡检方法，包括后台中心、无人机管理站(1)、无人机和显示中心；所述无人机用于根据巡检任务执行巡检并拍摄图像；所述无人机管理站(1)用于为无人机提供电能并作为中转站转发无人机与后台中心之间的各类需要传输的信息；
所述后台中心包括标准模型库、孪生模型层、轨迹生成模块和显示层；
所述标准模型库包括不同类型塔杆和变电站的三维模型、以及根据所述三维模型构建的三维检视轨迹(3)；
所述孪生模型层包括根据输电线路的塔杆、变电站、输电线周边的山形地貌所构建的数字模型，并在该数字模型上对应实体位置的坐标点插入标准模型库中的模型得到巡检孪生模型；
所述轨迹生成模块用于生成塔杆、变电站与无人机管理站(1)之间的飞行轨迹和沿着输电线的检视路径，并根据后台中心的控制拼合三维检视轨迹(3)、检视路径和飞行轨迹形成巡检任务轨迹；
所述显示中心用于以可视化的形式展示巡检孪生模型、巡检任务轨迹和任务进度。
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