張 靜，黃國(guó)方，劉曉銘，謝 芬

（1.南瑞集團(tuán)（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，南京211106；2.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，南京211106）

電網(wǎng)輸電線路對(duì)于電網(wǎng)的正常運(yùn)行具有舉足輕重的作用。通過(guò)電網(wǎng)輸電線路巡檢能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)的異常情況，及時(shí)消除電網(wǎng)系統(tǒng)中潛在的隱患或者電網(wǎng)損失，并及時(shí)、有效地保障電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[1]。在現(xiàn)有技術(shù)中，電網(wǎng)輸電線路的巡檢主要依靠人工作業(yè)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工作人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行目測(cè)檢驗(yàn)，巡檢時(shí)需要工作人員攀爬鐵搭、帶電登高作業(yè)等，勞動(dòng)強(qiáng)度大，巡檢效率低下，尤其在地理位置險(xiǎn)惡、崇山峻嶺、道路崎嶇難走的地帶，人工作業(yè)難以滿足電網(wǎng)發(fā)展和現(xiàn)代化智能管理的需要。隨著電網(wǎng)規(guī)模和建設(shè)的不斷擴(kuò)大，長(zhǎng)距離跨區(qū)域輸電線路增長(zhǎng)迅速，復(fù)雜地勢(shì)輸電線路日常運(yùn)行維護(hù)、檢修和故障檢測(cè)、帶電作業(yè)等存在特殊性，因此有必要采用無(wú)須人工到場(chǎng)并能智能巡檢的工作方式[2]。

無(wú)人機(jī)UAV（unmanned aerial vehicle）技術(shù)能夠動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)信息部署[3]，還能在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)揮極其重要的作用。借助于諸如傳感器、攝像機(jī)、RFID等機(jī)載物聯(lián)網(wǎng)裝置，無(wú)人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)輸電線路信息的收集，配置方便、自主能力強(qiáng)。在2019年泛在電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高峰論壇，國(guó)家電網(wǎng)公司提出泛在電力物聯(lián)網(wǎng)UEIoT（ubiquitous electric internet of things）概念，由此本研究提出新型的電網(wǎng)輸電線巡檢方法。

1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)UAV 巡檢系統(tǒng)

UEIoT 圍繞電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)，充分應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)萬(wàn)物互聯(lián)、人機(jī)交互，具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活特征的智慧服務(wù)[4]。

在此，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和云計(jì)算等技術(shù)融合在一起[5]，構(gòu)建出新型的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)UAV 巡檢系統(tǒng)。作為重大的技術(shù)創(chuàng)新，該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)輸電線路的智能巡檢，還擴(kuò)大了檢測(cè)范圍，由單點(diǎn)檢測(cè)轉(zhuǎn)換為區(qū)域檢測(cè)，形成區(qū)域網(wǎng)格化巡視，通過(guò)使用無(wú)人機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)輸電線路的大規(guī)模、自動(dòng)化巡檢，使得輸電線路的巡檢效率得到大幅度地提升[6]，也使電網(wǎng)輸電線路的巡檢精度大大提高，有力地保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。該系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)包括信息感知層、信息傳輸層、信息處理層和信息應(yīng)用層。

該系統(tǒng)以安卓版移動(dòng)式智能設(shè)備為信息接收載體，并融合嵌入式智能設(shè)備[7]，借助于裝載了Zig-Bee 通訊模塊及各種傳感器的無(wú)人機(jī)和ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對(duì)大面積電網(wǎng)輸電線路數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線采集，最終通過(guò)無(wú)人機(jī)接收采集到的大面積的數(shù)據(jù)信息[8]。在底層設(shè)備中，用戶通過(guò)控制單元實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的智能控制，并且構(gòu)建UAV 群。在UAV 中設(shè)置有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID 射頻識(shí)別單元和攝像機(jī)、近程通訊單元等各種通訊單元，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路的智能信息采集[9]。

圖1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)UAV 巡檢系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Architecture design of ubiquitous electric internet of things UAV inspection system

在信息感知層中，將無(wú)人機(jī)作為信息通信的無(wú)線中繼和空中基站，實(shí)現(xiàn)與地面物聯(lián)網(wǎng)的用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行交互。通過(guò)在UAV 上配置不同的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)與各種電力設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊[10]。UAV 采集到的輸電線信息，通過(guò)各種通訊方式與電網(wǎng)信息管理中心互通，比如機(jī)載ZigBee 路由模塊、無(wú)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等進(jìn)行組網(wǎng)通訊。通過(guò)這種組網(wǎng)方式，能夠有效地防止構(gòu)建起來(lái)的無(wú)人機(jī)群體在通訊過(guò)程中，由于某個(gè)UAV 的通訊不佳而與地面或者信息中心失去聯(lián)系，有力地保證了機(jī)群UAV 之間通訊的穩(wěn)定性和安全性[11]。

在電網(wǎng)信息管理中心，用戶對(duì)UAV 采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，比如導(dǎo)線狀態(tài)分析、桿塔狀態(tài)分析、氣象條件分析、一次設(shè)備狀態(tài)分析、二次設(shè)備狀態(tài)分析、配電網(wǎng)自動(dòng)化分析、電能質(zhì)量管理、精細(xì)用電管理、信息互動(dòng)等各種分析。通過(guò)上述分析，電網(wǎng)信息管理中心將分析后的結(jié)果輸出，供用戶分析、使用[12]。

2 泛在物聯(lián)網(wǎng)UAN 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多鏈路無(wú)人機(jī)群體系統(tǒng)

在研究中構(gòu)建出多鏈路無(wú)人機(jī)群體系統(tǒng)，如圖2所示，并將其應(yīng)用到無(wú)人機(jī)中。該系統(tǒng)主要由控制單元、無(wú)人機(jī)群、控制器、ZigBee 通訊模塊、智能移動(dòng)式終端等模塊組成。

圖2 多鏈路無(wú)人機(jī)群體系統(tǒng)Fig.2 Multilink UAV group system

在此，控制單元采用的主控芯片為STM32 的控制器（ARM32 位的CortexTM-M3 CPU），在結(jié)構(gòu)上其連接ZigBee 協(xié)調(diào)模塊和WiFi 通訊模塊[13]。CortexTMM3 CPU 連接有調(diào)試模塊，該調(diào)試模塊上設(shè)置有SWD 串行調(diào)試接口以及JTAG 通訊接口。

串口通訊芯片為支持WiFi 通訊端接口且型號(hào)為ESP8266 的高集成芯片[14]。該芯片集成設(shè)置開關(guān)型控制天線，射頻類型為balun；設(shè)置功率放大器；集成設(shè)置濾波器、電源管理模塊。

將多個(gè)不同的無(wú)人機(jī)組建成無(wú)人機(jī)群體，并將每個(gè)無(wú)人機(jī)組網(wǎng)通訊，即每個(gè)無(wú)人機(jī)均承載ZigBee通訊模塊，模塊間通過(guò)無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)連接[15]。無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)利用ZigBee 協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，即傳遞采集到的輸電線路數(shù)據(jù)，ZigBee 通訊模塊采用ZigBee 協(xié)議實(shí)現(xiàn)各種無(wú)人機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊；以串口通訊方式將采集到的數(shù)據(jù)傳遞到控制單元，其中的STM32 主控芯片，再以串口通訊方式將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器。用戶使用智能移動(dòng)式終端隨時(shí)接收或查看采集到的輸電線電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息，并與電網(wǎng)信息管理中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通[16]。

2.2 泛在物聯(lián)網(wǎng)UAN 傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

UAN 傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。圖中，底層設(shè)備為設(shè)置在電網(wǎng)輸電線路中的傳感器、智能設(shè)備、RFID 射頻設(shè)備單元等其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，在這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備內(nèi)通過(guò)設(shè)置不同的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，布局能夠互通互信的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

圖3 UAN 傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.3 Architecture of UAN sensor network

為了傳遞信息的便利，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置多個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，并在多個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處連接接入網(wǎng)，在接入網(wǎng)設(shè)置核心網(wǎng)，由此設(shè)置UAN 傳感網(wǎng)絡(luò)，最終將UAN 采集到的數(shù)據(jù)傳遞到電網(wǎng)信息管理中心。

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，通過(guò)在電網(wǎng)輸電線路中設(shè)置無(wú)線傳感器，數(shù)據(jù)信息通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼、中轉(zhuǎn)，最終獲取電網(wǎng)輸電線路中不同環(huán)節(jié)（比如輸電環(huán)節(jié)、變電環(huán)節(jié)或者配電環(huán)節(jié)）內(nèi)的運(yùn)行信息。

在系統(tǒng)工作過(guò)程中，將收集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)讲煌W(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，各個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將接收到的數(shù)據(jù)信息再傳遞到接入網(wǎng)以進(jìn)行信息融合，融合后的數(shù)據(jù)信息輸入到電網(wǎng)輸電線路中的核心網(wǎng)[17]。經(jīng)過(guò)上述運(yùn)行，電網(wǎng)輸電線路的傳感數(shù)據(jù)再借助于電力通信專網(wǎng)，進(jìn)一步傳遞至電網(wǎng)信息管理中心，進(jìn)行分類、計(jì)算等后續(xù)處理。

在利用所構(gòu)建的UAN 傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采集輸電線路中的數(shù)據(jù)信息時(shí)，由于傳感器節(jié)點(diǎn)不同，通過(guò)節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)信息也不同。在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中，由于其包含的數(shù)據(jù)模塊有多種，采集到的數(shù)據(jù)也不同[18]。因此，這些數(shù)據(jù)信息在傳遞之前需要進(jìn)行預(yù)處理、集中分類或者其它處理。

3 應(yīng)用分析及結(jié)果

在國(guó)電南瑞科技公司驗(yàn)證該技術(shù)方案。由于工作環(huán)境和場(chǎng)地的局限，將實(shí)際工作中由無(wú)人機(jī)群構(gòu)成的無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)通過(guò)軟件模擬仿真。其實(shí)際工作中具有高動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通信鏈路容易在高空中變得不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)通訊的中斷意味著無(wú)人機(jī)巡檢效果不佳[19]。因此，機(jī)載中繼節(jié)點(diǎn)工作性能與數(shù)據(jù)通訊的穩(wěn)定性有直接關(guān)系，衡量數(shù)據(jù)通訊成功率就可以衡量出所設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作性能的好壞。

試驗(yàn)分析在仿真環(huán)境Keil+Protues 下進(jìn)行。通過(guò)C 語(yǔ)言試驗(yàn)通訊數(shù)據(jù)的仿真和模擬，具體的參數(shù)設(shè)置如表1。

表1 數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置Tab.1 Data parameter settings

設(shè)置完成通訊數(shù)據(jù)，先檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送是否正確，其仿真示意如圖4所示。假設(shè)從第1 無(wú)人機(jī)X向第2 無(wú)人機(jī)Y 發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)? 無(wú)人機(jī)Y 接收到數(shù)據(jù)后，開始比較目的地址與本地地址是否相同，如果二者地址相同，則判斷幀頭、幀尾是否正確，如果幀頭、幀尾是正確的，則表明數(shù)據(jù)接受無(wú)誤。然后，將節(jié)點(diǎn)B 向節(jié)點(diǎn)A 返回ACK 來(lái)確認(rèn)幀，表明數(shù)據(jù)成功接收。

圖4 數(shù)據(jù)通訊成功仿真示意圖Fig.4 Simulation schematic diagram of successful data communication

在數(shù)據(jù)判斷時(shí)，根據(jù)表1的數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置來(lái)判斷數(shù)據(jù)發(fā)送是否成功，如果仿真結(jié)果與設(shè)置的參數(shù)相同，即表明第1 無(wú)人機(jī)X 收到第2 無(wú)人機(jī)Y 對(duì)序列號(hào)為0x00 幀的接收確認(rèn)幀，并在顯示屏上顯示“T-24.00 rec ok”的字樣（由圖4可見(jiàn)），表明物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊接收無(wú)誤。

數(shù)據(jù)通訊失敗仿真示意如圖5所示。假設(shè)數(shù)據(jù)發(fā)送的的目的地址不同于本地地址，則丟棄收到的數(shù)據(jù)，即表明第1 無(wú)人機(jī)X 未收到第2 無(wú)人機(jī)Y 對(duì)序列號(hào)為0x00 幀的接收確認(rèn)幀，并在顯示屏上顯示“T-22.00”字樣[20]（由圖5可見(jiàn)），表明物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊接收有誤，繼續(xù)等待下一輪的數(shù)據(jù)通訊接收。

圖5 數(shù)據(jù)通訊失敗仿真示意圖Fig.5 Simulation schematic diagram of data communication failure

在試驗(yàn)時(shí)，數(shù)據(jù)通訊成功后可獲取物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（比如RFID 射頻設(shè)置裝置）上傳數(shù)據(jù)，該步驟通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)試驗(yàn)，接收RFID 射頻設(shè)置裝置等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)，根據(jù)RFID 射頻設(shè)置裝置等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上傳數(shù)據(jù)所采用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、計(jì)算和分析。物聯(lián)網(wǎng)通訊與傳統(tǒng)通訊的數(shù)據(jù)比對(duì)見(jiàn)表2。

表2 物聯(lián)網(wǎng)通訊與傳統(tǒng)通訊的數(shù)據(jù)比對(duì)Tab.2 Data comparison between IoT communication and traditional communication

再對(duì)人工巡檢的工作情況與采用UAV 巡檢的工作情況進(jìn)行對(duì)比分析，得到的數(shù)據(jù)信息見(jiàn)表3。

表3 不同工作情況下的數(shù)據(jù)比對(duì)Tab.3 Data comparison of different working conditions

對(duì)比結(jié)果表明，采用物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)的電力營(yíng)銷管理信息系統(tǒng)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)；數(shù)據(jù)發(fā)送成功、數(shù)據(jù)接收成功率和數(shù)據(jù)傳遞時(shí)間均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)通訊模式； 采用所設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)電力營(yíng)銷管理信息系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠，數(shù)據(jù)通訊及時(shí)的特點(diǎn)；采用UAV 巡檢的方式，相比采用人工方式，具有無(wú)法比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，解決了傳統(tǒng)技術(shù)中由于操作人員巡檢困難、要求高、人工作業(yè)復(fù)雜的技術(shù)弊端。

4 結(jié)語(yǔ)

該技術(shù)方案在國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院、國(guó)電南瑞科技公司等電力公司均得到應(yīng)用。該技術(shù)成為行業(yè)內(nèi)安全、高效、可控的智能巡檢模式，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)是構(gòu)建電力能源互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈，將來(lái)要實(shí)現(xiàn)“引流+賦能”的形式，最終引起產(chǎn)業(yè)鏈上下游的同步發(fā)展。該技術(shù)方案也可為其它行業(yè) （交通、金融、IT、房地產(chǎn)等領(lǐng)域）提供技術(shù)支撐，為實(shí)現(xiàn)一體化的綜合服務(wù)提供技術(shù)參考。