樓鑫，郎偉強(qiáng)，王旭杰

（國網(wǎng)金華供電公司，浙江金華 321000）

電網(wǎng)不僅存在于城市，也存在于偏遠(yuǎn)地區(qū)，有時(shí)會(huì)受到惡劣環(huán)境的影響，給輸電線路的維護(hù)帶來困難[1]。采用無人機(jī)飛行巡邏的檢測系統(tǒng)對(duì)電力線路進(jìn)行日常監(jiān)測，該方法利用標(biāo)識(shí)物測距算法計(jì)算無人機(jī)與目標(biāo)之間距離，避免了在檢測過程中碰撞鐵架或線路帶來的損失[2]。同時(shí)地面站負(fù)責(zé)接收無人機(jī)遠(yuǎn)程傳輸?shù)男盘?hào)，并對(duì)拍攝到的圖像識(shí)別，但一旦絕緣子損壞導(dǎo)致線路上出現(xiàn)溝槽，就會(huì)產(chǎn)生大量的孤立噪聲，嚴(yán)重影響電網(wǎng)故障的遠(yuǎn)程檢測。因此，提出了一種基于移動(dòng)小波樹的電力線路缺陷遠(yuǎn)程檢測系統(tǒng)，為避免錯(cuò)誤報(bào)文的產(chǎn)生，通過一種動(dòng)態(tài)的小波樹結(jié)構(gòu)對(duì)顛簸數(shù)據(jù)處理，有效避免了錯(cuò)報(bào)、誤報(bào)現(xiàn)象的發(fā)生，提高了檢測效率。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于移動(dòng)小波樹的電力線路缺陷遠(yuǎn)程檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

由圖1 可知，每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器通過網(wǎng)絡(luò)與收集器通信，并安裝在高壓輸電線路的三相電源線上，并配有電流互感器和溫度傳感器，用于采集電流和導(dǎo)線溫度[3]。采集器通過無線通信將采集到的電流和溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給轉(zhuǎn)發(fā)器，由計(jì)算機(jī)SD 卡負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來[4-6]。綜合分析現(xiàn)場線路電流、溫度采集的參數(shù)，利用計(jì)算機(jī)軟件獲取線路電流、溫度的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，對(duì)線路存在的安全隱患進(jìn)行定位和報(bào)警。

1.1 現(xiàn)場轉(zhuǎn)發(fā)器

以基于ARMCortexM332 位RISC 內(nèi)核的微處理器STM32F103ZE 為主控芯片，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場轉(zhuǎn)發(fā)器的控制功能，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 現(xiàn)場轉(zhuǎn)發(fā)器硬件結(jié)構(gòu)

由圖2 可知，電壓電流傳感器設(shè)在現(xiàn)場直放站，并與STM32 中的ADC 模塊通過放大處理電路連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)線電壓電流采集[7-9]。中繼器的電壓、電流采集裝置可根據(jù)需要關(guān)閉或開啟，若現(xiàn)場轉(zhuǎn)發(fā)器的采集功能開啟，采集數(shù)據(jù)時(shí)不用現(xiàn)場轉(zhuǎn)發(fā)器，直接將電壓、電流數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，現(xiàn)場轉(zhuǎn)發(fā)器通過采集器將電流、溫度數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)[10-11]。

1.2 GPRS通信模塊

利用GTM900-C 芯片，具有命令增強(qiáng)功能，通過下達(dá)命令，可以使通信模組在線路通電或停電時(shí)，直接將信息傳遞到指令位置，其硬件電路如圖3 所示。

圖3 通信GTM900-C芯片電路圖

由圖3可知，PWON引腳用于GTM900-C控制GPRS 模塊開關(guān)。當(dāng)設(shè)備發(fā)現(xiàn)線路掉電或系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，如果線路掉電，則發(fā)送掉電信息；如果系統(tǒng)設(shè)備掉電，則發(fā)送故障信息[12-13]。發(fā)完短信，GPRS 停止工作。

1.3 遠(yuǎn)程采集模塊

遠(yuǎn)程采集模塊利用500 萬個(gè)高清云臺(tái)攝像機(jī)作為圖像采集裝置，以無人機(jī)為載體，對(duì)高空電力線路進(jìn)行采集。通過無人機(jī)遠(yuǎn)程控制傳輸線的數(shù)據(jù)采集，采集員可以遠(yuǎn)程控制需要巡檢的傳輸線[14]。該系統(tǒng)利用無人駕駛飛機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行地面站監(jiān)測，完成對(duì)電力線的遠(yuǎn)程監(jiān)測。該方法有效地解決了采集員在爬山、涉水巡邏、檢查時(shí)遇到的困難，實(shí)現(xiàn)了交通阻塞監(jiān)測和遠(yuǎn)距離監(jiān)測。

1.3.1 無人機(jī)采集子系統(tǒng)

利用無人機(jī)測距裝置測量目標(biāo)距離，能夠方便及時(shí)地調(diào)整飛行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的自主避障。無人機(jī)與地面控制系統(tǒng)之間的無線通信模塊是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)和處理的一種信道，在按照指示到達(dá)指定地點(diǎn)后，拍下線路照片，完成線路整體檢測。在無人飛行器云中使用三軸云臺(tái)，操作者可以通過旋轉(zhuǎn)山形飛行器頭部360 度的角度來選擇相對(duì)的目標(biāo)[15]。該子系統(tǒng)采用電池儲(chǔ)能模塊供無人機(jī)使用，它的電源是2 600 mAh 電池，用于懸掛電機(jī)、圖像傳輸設(shè)備和遙控接收器。理論上來說，2 600 mAh 的電源可以維持一個(gè)多小時(shí)，并可以完全支持輔助設(shè)備的工作。此外，攝像機(jī)電池用于向攝像機(jī)提供獨(dú)立能源，而不能無線傳輸圖像。如主要使用照相機(jī)電源，則照相機(jī)電池會(huì)在短時(shí)間內(nèi)耗盡，因此電池將獨(dú)立供電。

1.3.2 地面站控制子系統(tǒng)

地面站控制子系統(tǒng)主要包括前端系統(tǒng)和后端系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控電力線路缺陷，可以撐握無人機(jī)探測過程中的飛行姿態(tài)、飛行數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行的情況，準(zhǔn)確識(shí)別輸電線路存在的問題。

1）前端系統(tǒng)

無人機(jī)返回的圖像數(shù)據(jù)主要通過HD 圖像傳輸預(yù)處理所獲得的相關(guān)圖像數(shù)據(jù)信息[16]。該系統(tǒng)通過前端網(wǎng)絡(luò)通道子系統(tǒng)將前端系統(tǒng)獲取的任務(wù)數(shù)據(jù)信息、無人機(jī)飛行姿態(tài)信息等發(fā)送到后端系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)中繼傳輸。根據(jù)前端業(yè)務(wù)規(guī)則響應(yīng)感知數(shù)據(jù)，并對(duì)接收到的后臺(tái)系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和響應(yīng)。負(fù)責(zé)前端系統(tǒng)的電源管理，各子系統(tǒng)的功耗能力評(píng)估，以及前端系統(tǒng)各子系統(tǒng)的自我檢測，并提供相應(yīng)的接口進(jìn)行調(diào)試和維護(hù)。

2）后臺(tái)系統(tǒng)

前端圖像數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)與分析是主要內(nèi)容，采集結(jié)果的處理與顯示、巡邏策略的制定等是主要內(nèi)容。后臺(tái)系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)前端系統(tǒng)進(jìn)行檢查、維護(hù)、調(diào)試以及數(shù)據(jù)處理。后臺(tái)系統(tǒng)與電網(wǎng)相連，用戶可進(jìn)行線路檢測。

2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

2.1 程序設(shè)計(jì)

2.1.1 檢測前準(zhǔn)備階段

首先接聽調(diào)度中心對(duì)所需巡檢傳輸線路的指令，并確認(rèn)無人機(jī)是否連接正確，檢查地面站系統(tǒng)是否正常，做好準(zhǔn)備工作。

2.1.2 工作過程

根據(jù)管理中心下達(dá)的巡檢任務(wù)，為需要的電力巡檢線路制定飛行計(jì)劃，對(duì)無人機(jī)進(jìn)行試飛和調(diào)試，確保無人機(jī)正常運(yùn)行，完成指定目標(biāo)線路攝影。

探測過程為：將視頻圖像與顯示器上的標(biāo)記物進(jìn)行比較，確定標(biāo)記物與無人機(jī)的距離，并且調(diào)整無人機(jī)的飛行距離，直到捕捉到最好的位置，調(diào)整無人機(jī)云臺(tái)的方向和角度，使攝像機(jī)可以捕捉所有的目標(biāo)。接著繼續(xù)向下一個(gè)目標(biāo)飛行，直到輸電線路探測完畢或無人機(jī)電量不足時(shí)才停止。

完成全部的巡檢任務(wù)后，無人機(jī)返回控制中心，并保存所有檢測數(shù)據(jù)。

2.2 基于移動(dòng)小波樹異常數(shù)據(jù)處理

基于移動(dòng)小波樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)原始小波樹結(jié)構(gòu)的冗余處理，使任意長度的異常都能包含在上部窗口中。該算法可根據(jù)待檢測異常的持續(xù)時(shí)間來檢測相應(yīng)的小波層次，若某個(gè)視窗的值超過預(yù)設(shè)關(guān)閉值，它會(huì)繼續(xù)搜尋相應(yīng)的底層視窗，直到發(fā)現(xiàn)異常位置為止。

2.2.1 移動(dòng)小波樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立

從底層的原始數(shù)據(jù)序列開始，計(jì)算每兩個(gè)相鄰數(shù)據(jù)的總和，通過對(duì)低層非重疊剖面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到其他小波分解層的聚合值，從而得到最高層具有一個(gè)窗口。

2.2.2 數(shù)據(jù)更新

對(duì)于每次出現(xiàn)的新數(shù)據(jù)，聯(lián)機(jī)更新算法會(huì)對(duì)對(duì)應(yīng)層的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，算法復(fù)雜度很高。因此，利用批量更新算法更新數(shù)據(jù)。如果檢測到的窗口滿足條件2l

批量更新算法根據(jù)圖層上的圖層聚集信息對(duì)圖層進(jìn)行更新，并按不同的周期對(duì)圖層進(jìn)行更新，以一定的間隔更新圖層。為了檢測長度異常，需要在正確檢測到第二層之前對(duì)其進(jìn)行更新。

2.2.3 閾值設(shè)定

計(jì)算不同數(shù)據(jù)流窗口下的ω?cái)?shù)據(jù)流長度閾值：

2.2.4 顛簸數(shù)據(jù)剔除

當(dāng)數(shù)據(jù)流達(dá)到某一強(qiáng)度，但不足以成為異常數(shù)據(jù)時(shí)，這種數(shù)據(jù)就是顛簸數(shù)據(jù)。這種微小的變化有可能被誤認(rèn)為是在較大的窗口中被發(fā)現(xiàn)的，而移動(dòng)式小波樹的異常檢測算法不能有效地抵抗這種干擾，從而導(dǎo)致誤報(bào)。采用比率閾值能有效地消除顛簸數(shù)據(jù)的干擾，顛簸數(shù)據(jù)剔除步驟如下所示：

step1：設(shè)電力線路缺陷遠(yuǎn)程檢測輸入的數(shù)據(jù)流為xi(i=1,…,n)，則需比較輸入前后兩個(gè)窗口的聚集結(jié)果，分別記為，計(jì)算公式為：

如果計(jì)算結(jié)果滿足式（2），表明數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)。

step2：當(dāng)數(shù)據(jù)流沒有出現(xiàn)異常時(shí)，應(yīng)該避免由時(shí)間窗大小引起的誤報(bào)。

step3：如果長為l的滑動(dòng)窗沒有異常，那么長為l+1 的滑動(dòng)窗就不會(huì)出現(xiàn)異常，此時(shí)任何檢測到的大窗口異常都是由不一致的數(shù)據(jù)引起的。

step4：使用比例閾值法檢測出一個(gè)窗口長度為1 的異常情況，防止將該窗口中的異常作為大窗口中的異常來處理，避免數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象出現(xiàn)，從而減少了誤報(bào)可能性。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)樣本和指標(biāo)

使用采集裝置采集測試樣本，并傳輸?shù)綄?shí)驗(yàn)平臺(tái)處理后，得到實(shí)驗(yàn)樣本如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)樣本

以信號(hào)衰減和數(shù)據(jù)丟包為指標(biāo)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

1）信號(hào)衰減：電路線程越遠(yuǎn)，檢測信號(hào)越弱，最終會(huì)造成通信中斷。

2）數(shù)據(jù)丟包：檢測數(shù)據(jù)在傳輸過程中，數(shù)據(jù)包不斷丟失，最終會(huì)造成檢測結(jié)果不精準(zhǔn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

分別使用無人機(jī)飛行巡邏檢測系統(tǒng)和基于移動(dòng)小波樹檢測系統(tǒng)對(duì)信號(hào)衰減、數(shù)據(jù)丟包、檢測精度進(jìn)行對(duì)比分析。

1）信號(hào)衰減

不同系統(tǒng)對(duì)信號(hào)衰減缺陷檢測的對(duì)比結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同系統(tǒng)信號(hào)衰減缺陷檢測對(duì)比結(jié)果

由圖4 可知，使用無人機(jī)飛行巡邏檢測系統(tǒng)在T0～T1周期內(nèi)，受到外界環(huán)境影響較大，幅度變化也相對(duì)較大。T1～T2周期中，信號(hào)衰減情況與實(shí)際情況相差不大；采用基于移動(dòng)小波樹檢測系統(tǒng)在T0～T1周期內(nèi)，在檢測過程中，受到外部環(huán)境的影響，檢測信號(hào)會(huì)受到一定的衰減。T1～T2周期中，信號(hào)衰減的主要原因是信號(hào)的發(fā)散、反射和散射，從而使振幅減小，使用該方法檢測到的信號(hào)衰減趨勢與實(shí)際情況一致。

2）數(shù)據(jù)丟包

不同系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)丟包檢測對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟包檢測對(duì)比結(jié)果

由圖5 可知，使用無人機(jī)飛行巡邏檢測系統(tǒng)最高丟包率為2.70%，最低丟包率為2.35%；使用基于移動(dòng)小波樹檢測系統(tǒng)最高丟包率為0.95%，最低丟包率為0.70%。由此可知，使用基于移動(dòng)小波樹檢測系統(tǒng)丟包率較低。

4 結(jié)束語

電力線遠(yuǎn)程檢測是電力行業(yè)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在現(xiàn)有的電力線故障檢測系統(tǒng)中，受到外界環(huán)境影響，在數(shù)據(jù)傳輸過程中容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，導(dǎo)致檢測結(jié)果并不理想。而設(shè)計(jì)的基于移動(dòng)小波樹的電力線路故障檢測系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了剔除顛簸數(shù)據(jù)步驟，解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的問題。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在信號(hào)衰減、數(shù)據(jù)丟包方面都有很大提高，可大大提高電力線路缺陷檢測的效率。