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        基于移動(dòng)小波樹的電力線路缺陷遠(yuǎn)程檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2022-04-20 07:24:10樓鑫郎偉強(qiáng)王旭杰
        電子設(shè)計(jì)工程 2022年7期
        關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)發(fā)器遠(yuǎn)程線路

        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。

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