CN115241980A - 基于无人机前端识别的配网台区供电半径核查系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于无人机前端识别的配网台区供电半径核查系统及方法，该系统由感知层、网络层、数据层、业务层、应用层五个层级组成，其中数据层、业务层、应用层部署在无人机主站系统，应用层包括影像地图模块、线路拓扑图模块、台账管理模块、台区核查模块、巡检照片管理模块五个功能模块，业务层根据应用层的功能模块调用接口进行业务逻辑计算，业务层调用数据层中的数据信息，数据层的数据信息通过网络层的4G/5G网络与感知层进行通信，感知层通过无人机搭载可见光相机和边缘计算模块进行数据采集，本发明可实现配电线路台账构建、供电半径核查一体化。

Description

基于无人机前端识别的配网台区供电半径核查系统及方法
技术领域
本发明涉及配电线路巡检技术领域，特别涉及基于无人机前端识别的配网台区供电半径核查系统及方法。
背景技术
配电线路结构复杂，环境多样多变，电网电压波动较大，农村电网波动体现更为明显。由于新农村建设，新规划住宅等原因造成负荷中心偏移，使得某些线路的供电范围过广，形成过低的电网电压，而过低的电网电压则有可能导致电网终端设备不能正常工作。因此，需要对电网供电半径进行核查核验，优化网架结构，整改不合规的台区范围，合理进行网架布局和设备选型，改善终端配电网供电能力和供电质量，达到提高电能质量和供电可靠性的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于无人机前端识别的配网台区供电半径核查系统及方法，以实现配电线路GIS建模、配电线路台账构建、供电半径核查一体化。
本发明采用了下述技术方案：基于无人机前端识别的配网台区供电半径核查系统，由感知层、网络层、数据层、业务层、应用层五个层级组成，其中数据层、业务层、应用层部署在无人机主站系统，应用层包括影像地图模块、线路拓扑图模块、台账管理模块、台区核查模块、巡检照片管理模块五个功能模块，用户直接访问的是应用层的五个功能模块，业务层根据应用层的功能模块调用接口进行业务逻辑计算，如果涉及数据读写的内容，业务层调用数据层中的数据信息，数据层的数据信息通过网络层的4G/5G网络与感知层进行通信，感知层通过无人机搭载可见光相机和边缘计算模块进行数据采集。
进一步优选，所述感知层利用可见光相机对杆塔进行巡检并拍摄巡检照片，基于拍摄的巡检照片，利用无人机搭载的边缘计算模块对巡检照片进行设备识别，识别巡检照片中是否有变压器；若照片中识别出变压器，通过距离挂接关系，将变压器挂接到杆塔上，形成完整的设备台账。
进一步优选，所述数据层用于存储感知层传输回来的线路杆塔坐标、可见光照片、边缘计算模块识别的设备信息、台区数据以及影像数据。
进一步优选，所述业务层为业务应用提供处理计算服务，包括台账构建、设备挂接、线路成图展示、台区核查、核查结果反馈服务。
进一步优选，台账构建是根据数据层提供的数据，进行台账自动构建，将杆塔信息、设备信息、分支线路从属关系进行自动关联挂接，建立数据关系。
进一步优选，台区核查是基于台账信息、设备信息以及挂接关系，再考虑导线弧垂的情况下，自动计算导线长度，并将计算结果与台区供电能力进行比对，核查台区变压器的最大供电半径是否合格；核查结果反馈是将核查结果反馈给应用界面展示。
进一步优选，所述影像地图模块支持导入影像数据，并在软件界面解析展现，为配电线路走向展示提供底图数据支撑；所述线路拓扑图模块通过导入或者实时传输的线路设备台账，在影像地图上呈现配网线路的走向、分支线路的挂接关系等，展示整个台区线路的分布拓扑关系；所述台账管理模块，对感知层采集的线路杆塔数据、设备数据进行统一管理。
进一步优选，所述台区核查模块基于线路台账数据和设备数据，自动计算核查线路总长度并进行台区变压器是否合格的判定，将结果数据在系统进行展示。
进一步优选，所述边缘计算模块设有基于EfficientNet与PAN的变压器识别模型，基于EfficientNet与PAN的变压器识别模型由EfficientNet模型和PAN结构构成；使用采集并标注的巡检照片，对基于EfficientNet与PAN的变压器识别模型进行训练，将训练后的基于EfficientNet与PAN的变压器识别模型部署在无人机上的边缘计算模块，实现对变压器的自动识别。
本发明提供一种基于无人机前端识别的配网台区供电半径核查方法，步骤如下：
S1.杆塔坐标采集与配电线路台账构建：控制无人机沿配电线路飞行，采集配电线路的杆塔坐标，并构建配电线路台账，并对杆塔进行照片拍摄，获得巡检照片；
S2.变压器识别与挂接：无人机搭载边缘计算模块对巡检照片实时识别，识别出变压器，将识别出变压器的杆塔照片坐标与杆塔坐标，根据距离关系进行挂接，将变压器属性挂接到杆塔上，有助于无人机主站系统进行可视化展示；边缘计算模块采用基于EfficientNet与PAN的变压器识别模型识别变压器；
S3.数据传输与校核：无人机通过4G/5G网络将巡检照片和配电线路台账传输至无人机主站系统，在无人机主站系统进行成图展示，显示线路分布走向以及变压器挂机位置等，巡检人员根据成图展示结果对数据进行校核；
S4.台区核查模块进行核查：
S4.1:根据台区区域类型，以及变压器分支线路电压等级，获取区域类型值及分支电压等级，根据变压器的最大供电半径标准，确定变压器的最大供电半径D；
S4.2:依据配电线路走向、变压器所在位置，确定台区范围，根据变压器位置以及分支线路走向长度，自动计算线路最远供电距离，核查变压器供电类型是否合格；
S4.3: 依据变压器的最大供电半径以及线路坐标信息，台区核查模块计算、显示并比较变压器的最大供电半径D以及变压器到分支线路最远杆塔的导线距离D分支，确定变压器类型是否合格；若变压器的最大供电半径D小于变压器到分支线路最远杆塔的导线距离D分支，则判断变压器的最大供电半径D不合格；若变压器的最大供电半径D大于等于变压器到分支线路最远杆塔的导线距离D分支，则判断变压器的最大供电半径D合格。
本发明利用无人机采集台区杆塔坐标数据，根据杆塔分布情况，自动完成分支线路挂接、同杆架设线路挂接等，自动完成配电线路台账构建。同时，在无人机前端搭载边缘计算模块，并在边缘计算模块中内置智能识别算法，基于无人机采集的图像自动识别配电变压器，并自动记录变压器的位置坐标，与杆塔坐标进行对比，与距离最近的杆塔进行绑定，自动构建线路、杆塔与变压器的关联关系。依据变压器的所在位置以及配网台账数据，自动计算台区最远供电距离，并对变压器的最大供电半径进行核查，及时发现台区供电能力是否合格，提高配网数据采集效率、配电线路建模效率、供电故障发现效率，有效改善台区供电质量，提升用户用电满意度。
附图说明
图1为基于无人机前端识别的配网台区供电半径核查系统示意图。
图2为基于EfficientNet与PAN的变压器识别模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术构思进一步详细阐明。
参照图1，基于无人机前端识别的配网台区供电半径核查系统，由感知层、网络层、数据层、业务层、应用层五个层级组成，其中数据层、业务层、应用层部部署在无人机主站系统，应用层包括影像地图模块、线路拓扑图模块、台账管理模块、台区核查模块、巡检照片管理模块五个功能模块，用户直接访问的是应用层的五个功能模块，业务层根据应用层的功能模块调用接口进行业务逻辑计算，如果涉及数据读写的内容，业务层调用数据层中的数据信息，数据层的数据信息通过网络层的4G/5G网络与感知层进行通信，感知层通过无人机搭载可见光相机和边缘计算模块进行数据采集。
感知层：利用无人机搭载的可见光相机对线路杆塔坐标进行采集，形成杆塔基础台账。利用可见光相机对杆塔进行巡检并拍摄巡检照片，基于拍摄的巡检照片，利用无人机搭载的边缘计算模块对巡检照片进行设备识别，识别巡检照片中是否有变压器。若照片中识别出变压器，通过距离挂接关系，将变压器挂接到杆塔上，形成完整的设备台账。
网络层：感知层无人机采集的坐标数据，图像数据以及边端实时识别的设备数据，通过4G/5G网络传输技术，实时传输至数据层。
数据层：用于存储感知层传输回来的线路杆塔坐标、可见光照片、边缘计算模块识别的设备信息、台区数据以及影像数据。数据层包括数据库组件、关系型数据库、非关系型数据存储结构、常规数据接口、GIS影像数据接口、文件访问存取接口等，根据业务层的需要提供所需的数据访问接口。
业务层：以微服务的架构进行业务层开发，提供GIS数据引擎、二维GIS数据服务、交互管理等工具。业务层主要为业务应用提供处理计算服务，包括台账构建、设备挂接、线路成图展示、台区核查、核查结果反馈等服务。台账构建是根据数据层提供的数据，进行台账自动构建，将杆塔信息、设备信息、分支线路从属关系等进行自动关联挂接，建立数据关系。台区核查是基于台账信息、设备信息以及挂接关系，再考虑导线弧垂的情况下，自动计算导线长度，并将计算结果与台区供电能力进行比对，核查台区变压器的最大供电半径是否合格。核查结果反馈是将核查结果反馈给应用界面展示。
应用层：应用层包括的功能模块有影像地图模块、线路拓扑图展示模块、台账管理模块、台区核查模块以及巡检照片管理模块。影像地图模块支持导入影像数据，并在软件界面解析展现，为配电线路走向展示提供底图数据支撑。线路拓扑图模块，通过导入或者实时传输的线路设备台账，在影像地图上呈现配网线路的走向、分支线路的挂接关系等，展示整个台区线路的分布拓扑关系。台账管理模块，对感知层采集的线路杆塔数据、设备数据进行统一管理。台区核查模块，基于线路台账数据和设备数据，自动计算核查线路总长度并进行台区变压器是否合格的判定，将结果数据在系统进行展示。巡检照片管理模块则是对巡检照片的统一管理，可以在系统页面上，以杆塔为维度呈现巡检照片。
所述边缘计算模块设有如图2所示的基于EfficientNet与PAN的变压器识别模型，由EfficientNet模型和PAN结构构成。EfficientNet模型可以通过调整网络深度、网络宽度、输入图像分辨率等参数方便地调节模型结构，以适应不同任务的识别需求。EfficientNet模型最终使用的网络参数为深度调节系数1.2，宽度调节系数1.4，输入的巡检照片分辨率300x300。为进一步提高对变压器的识别精度，在EfficientNet模型后端添加PAN结构。通常的目标检测模型，会通过在目标检测模型后端添加FPN网络以提高目标检测模型精度，FPN网络为一个自上向下的特征金字塔，把高层的强语义特征传递下来，来提高目标检测模型的检测精度。PAN结构在FPN网络的基础上，添加一个自下向上的金字塔结构，将低层的高精度定位信息，传递到上层，使高层特征同样拥有了精确的定位信息，提高了识别精度。使用采集并标注的巡检照片，对基于EfficientNet与PAN的变压器识别模型进行训练，将训练后的基于EfficientNet与PAN的变压器识别模型部署在无人机上的边缘计算模块，实现对变压器的自动识别。
基于无人机前端识别的配网台区供电半径核查方法，步骤如下：
S1.杆塔坐标采集与配电线路台账构建：控制无人机沿配电线路飞行，采集配电线路的杆塔坐标，并构建配电线路台账，并对杆塔进行照片拍摄，获得巡检照片。
S2.变压器识别与挂接：无人机搭载边缘计算模块对巡检照片实时识别，识别出变压器，将识别出变压器的杆塔照片坐标与杆塔坐标，根据距离关系进行挂接，将变压器属性挂接到杆塔上，有助于无人机主站系统进行可视化展示。边缘计算模块采用基于EfficientNet与PAN的变压器识别模型识别变压器。
S3.数据传输与校核：无人机通过4G/5G网络将巡检照片和配电线路台账传输至无人机主站系统，在无人机主站系统进行成图展示，显示线路分布走向以及变压器挂机位置等，巡检人员根据成图展示结果对数据进行校核；
S4.台区核查模块进行核查：
S4.1:根据台区区域类型，以及变压器分支线路电压等级，获取区域类型值及分支电压等级，根据表1所示的变压器的最大供电半径标准，确定变压器的最大供电半径D。
表1.变压器的最大供电半径标准
Figure 669644DEST_PATH_IMAGE001
S4.2:依据配电线路走向、变压器所在位置，确定台区范围，根据变压器位置以及分支线路走向长度，自动计算线路最远供电距离，核查变压器供电类型是否合格。
S4.3: 依据变压器的最大供电半径以及线路坐标信息，台区核查模块计算、显示并比较变压器的最大供电半径D以及变压器到分支线路最远杆塔的导线距离D分支，确定变压器类型是否合格；若变压器的最大供电半径D小于变压器到分支线路最远杆塔的导线距离D分支，则判断变压器的最大供电半径D不合格；若变压器的最大供电半径D大于等于变压器到分支线路最远杆塔的导线距离D分支，则判断变压器的最大供电半径D合格。
变压器到分支线路最远杆塔的导线距离D分支，为变压器到分支线路第一基杆塔的距离与分支线路总长度之和。若同一变压器出现多个低压分支，需要对比每一个低压分支的变压器供电距离，选择变压器的最大供电半径D作为核查对象。
根据此方法，核查配网线路上所有变压器的最大供电半径D是否合规，有助于配电公司了解变压器部署情况，若出现不合规问题，及时更换设备，保障线路运行安全。
计算变压器到分支线路最远杆塔的导线距离方法如下：
设变压器到分支线路的1号杆塔导线长度为L0,1号杆塔到2号杆塔的导线长度为L1,2号到3号杆塔导线长度为L2，……n-1号杆塔到n号杆塔导线长度Ln-1。因此变压器到分支线路最远杆塔的导线距离D分支=L0+L1+L2+……Ln-1。
两基杆塔间架空线线长计算方法如下：两基杆塔的A、B两点为两悬挂点，沿架空线线长作用有均布比载γ（导线单位长度、单位截面上承受的荷载称为比载,作用在导线上的荷载有自重、冰重和风压，这些荷载可能是不均匀的，但为了便于计算，一般按沿导线均匀分布考虑，因此简称均布比载），方向垂直向下。在均布比载作用下，架空线呈曲线形状，其最低位置在O点，在悬挂点A、B处，架空线的轴向应力分别σ A 和σ B ，σ 0为轴向应力的水平应力。l为A、B悬挂点之间的水平距离，a为最低位置到A悬挂点的水平距离，h为A、B悬挂点的高差。
根据架空线的悬链线方程：
Figure 649101DEST_PATH_IMAGE002
将x=l时y=h的边界条件代入上方程，可以得到：
Figure 445150DEST_PATH_IMAGE003
根据两基杆塔间架空线线长L计算公式：
Figure 168255DEST_PATH_IMAGE004
根据两基杆塔的坐标近似为A、B悬挂点位置，可以得到A、B悬挂点之间的水平距离l，A、B悬挂点的高差h，已知轴向应力的水平应力σ 0、均布比载γ，可得到最低位置到A悬挂点的水平距离，进而求得两基杆塔间架空线线长L。L1,L2，…,Ln-1均按此方法计算。
本实施例中，配电线路台账构建过程中，根据主线与支线的坐标分布以及挂接关系，自动生成分支线路、同杆架设线路等不同走向的线路。
（1）主线路自动构建
主线路的杆塔台账信息相对简单，每基物理杆塔仅有唯一对应的属性信息，物理杆塔即是运行杆塔。在主线路构建过程中，物理杆塔和运行杆塔一对一存在，根据杆塔编号，实现将杆塔线路的平滑连接，形成配网“一”字型主线路路线，线路走向为小编号杆塔向大编号杆塔分布。无人机采集主线路，从起始杆塔开始，沿线进行杆塔坐标的采集，前端自动形成“一”字型主线线路。
（2）分支线路自动构建
分支线路构建，分支点杆塔数据的处理是一个关键。分支线路分支起始点，和主线路共用一个物理杆塔，在杆塔台账中，同一基物理杆塔，对应两条运行杆塔的属性信息，构建分支线路，根据分支点的运行杆塔属性，构建支线和主线的关联关系，从而使支线所有杆塔，依附于直线线路分布，但又独立于另一条线路。分支线路的台账数据无人机采集方式，需先采集主线路杆塔信息，主线路杆塔信息采集完成后，再从支线分支处开始，采集分支线路杆塔信息。为保障分支线路与主线路的挂接准确性，采集杆塔分支线路时，需要对主线路分支杆塔进行再次采集，并定义为0号杆塔，依据支线分支处的起点坐标位置与主线路杆塔坐标进行距离匹配，边缘端自动建立支线与主线的关联关系，以此方法，构建出分支线路主线与支线线路走向分布图。
（3）同杆架设线路构建
同杆架设杆塔是指两条或两条以上的线路有一部分或全部架设在同一基杆塔上。同杆架设的线路有同级电压的同杆线路，也有两级或多级电压的同架设线路；有同向电源的同杆线路，也有不同向电源的同杆线路。一个物理杆塔，对应两个或多个运行杆塔。构建线路时，同杆架设部分，在一个物理杆塔位置处，就会有两个或多个运行杆塔信息，运行杆塔从属于物理杆塔，但运行杆塔又有单独的杆塔编号。同杆架设杆塔线路数据采集方式，无人机优先采集一条线路信息，完成一整条线路信息的采集工作后，再采集其他线路信息。多条线路的同杆架设部分，按照多条线路多次采集，无人机在边端根据采集的线路杆塔坐标的位置自动判别，是否为同一基物理杆塔，自动生成同杆的多个杆塔信息，自动构建出同杆线路走向分布图。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于无人机前端识别的配网台区供电半径核查系统，其特征是，由感知层、网络层、数据层、业务层、应用层五个层级组成，其中数据层、业务层、应用层部署在无人机主站系统，应用层包括影像地图模块、线路拓扑图模块、台账管理模块、台区核查模块、巡检照片管理模块五个功能模块，用户直接访问的是应用层的五个功能模块，业务层根据应用层的功能模块调用接口进行业务逻辑计算，如果涉及数据读写的内容，业务层调用数据层中的数据信息，数据层的数据信息通过网络层的4G/5G网络与感知层进行通信，感知层通过无人机搭载可见光相机和边缘计算模块进行数据采集。
2.根据权利要求1所述的基于无人机前端识别的配网台区供电半径核查系统，其特征是，所述感知层利用可见光相机对杆塔进行巡检并拍摄巡检照片，基于拍摄的巡检照片，利用无人机搭载的边缘计算模块对巡检照片进行设备识别，识别巡检照片中是否有变压器；若照片中识别出变压器，通过距离挂接关系，将变压器挂接到杆塔上，形成完整的设备台账。
3.根据权利要求1所述的基于无人机前端识别的配网台区供电半径核查系统，其特征是，所述数据层用于存储感知层传输回来的线路杆塔坐标、可见光照片、边缘计算模块识别的设备信息、台区数据以及影像数据。
4.根据权利要求1所述的基于无人机前端识别的配网台区供电半径核查系统，其特征是，所述业务层为业务应用提供处理计算服务，包括台账构建、设备挂接、线路成图展示、台区核查、核查结果反馈服务。
5.根据权利要求4所述的基于无人机前端识别的配网台区供电半径核查系统，其特征是，台账构建是根据数据层提供的数据，进行台账自动构建，将杆塔信息、设备信息、分支线路从属关系进行自动关联挂接，建立数据关系。
6.根据权利要求4所述的基于无人机前端识别的配网台区供电半径核查系统，其特征是，台区核查是基于台账信息、设备信息以及挂接关系，再考虑导线弧垂的情况下，自动计算导线长度，并将计算结果与台区供电能力进行比对，核查台区变压器的最大供电半径是否合格；核查结果反馈是将核查结果反馈给应用界面展示。
7.根据权利要求1所述的基于无人机前端识别的配网台区供电半径核查系统，其特征是，所述影像地图模块支持导入影像数据，并在软件界面解析展现，为配电线路走向展示提供底图数据支撑；所述线路拓扑图模块通过导入或者实时传输的线路设备台账，在影像地图上呈现配网线路的走向、分支线路的挂接关系，展示整个台区线路的分布拓扑关系；所述台账管理模块，对感知层采集的线路杆塔数据、设备数据进行统一管理。
8.根据权利要求1所述的基于无人机前端识别的配网台区供电半径核查系统，其特征是，所述台区核查模块基于线路台账数据和设备数据，自动计算核查线路总长度并进行台区变压器是否合格的判定，将结果数据在系统进行展示。
9.根据权利要求1所述的基于无人机前端识别的配网台区供电半径核查系统，其特征是，所述边缘计算模块设有基于EfficientNet与PAN的变压器识别模型，基于EfficientNet与PAN的变压器识别模型由EfficientNet模型和PAN结构构成；使用采集并标注的巡检照片，对基于EfficientNet与PAN的变压器识别模型进行训练，将训练后的基于EfficientNet与PAN的变压器识别模型部署在无人机上的边缘计算模块，实现对变压器的自动识别。
10.一种基于无人机前端识别的配网台区供电半径核查方法，其特征是，步骤如下：
S1.杆塔坐标采集与配电线路台账构建：控制无人机沿配电线路飞行，采集配电线路的杆塔坐标，并构建配电线路台账，并对杆塔进行巡检照片拍摄，获得巡检照片；
S2.变压器识别与挂接：无人机搭载边缘计算模块对巡检照片实时识别，识别出变压器，将识别出变压器的杆塔照片坐标与杆塔坐标，根据距离关系进行挂接，将变压器属性挂接到杆塔上；边缘计算模块采用基于EfficientNet与PAN的变压器识别模型识别变压器；
S3. 数据传输与校核：无人机通过4G/5G网络将巡检照片和配电线路台账传输至无人机主站系统，在无人机主站系统进行成图展示，显示线路分布走向以及变压器挂机位置，巡检人员根据成图展示结果对数据进行校核；
S4. 台区核查模块进行核查：
S4.1:根据台区区域类型，以及变压器分支线路电压等级，获取区域类型值及分支电压等级，根据变压器的最大供电半径标准，确定变压器的最大供电半径D；
S4.2:依据配电线路走向、变压器所在位置，确定台区范围，根据变压器位置以及分支线路走向长度，自动计算线路最远供电距离，核查变压器供电类型是否合格；
S4.3:依据变压器的最大供电半径以及线路坐标信息，台区核查模块计算、显示并比较变压器的最大供电半径D以及变压器到分支线路最远杆塔的导线距离D分支，确定变压器类型是否合格；若变压器的最大供电半径D小于变压器到分支线路最远杆塔的导线距离D分支，则判断变压器的最大供电半径D不合格；若变压器的最大供电半径D大于等于变压器到分支线路最远杆塔的导线距离D分支，则判断变压器的最大供电半径D合格。
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