韓虎虎，祁鑫，王鶴飛，李惠翔，韓方達(dá)

（國電四子王旗光伏發(fā)電有限公司安全生產(chǎn)部，內(nèi)蒙古烏蘭察布 011800）

近年來，隨著電網(wǎng)信息化建設(shè)和發(fā)展，采用人工巡檢的光伏變電站已不能滿足電網(wǎng)快速發(fā)展的需要。對電力設(shè)備進(jìn)行巡檢是確保電力設(shè)備安全、持續(xù)、經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行的重要工作[1]。為了保證檢測工作，必須采用高性能、安全、可靠的系統(tǒng)，人工巡檢在特別惡劣的環(huán)境中不僅存在觀測誤差，而且存在安全隱患[2]。在這種環(huán)境下，要求對光伏電站巡檢系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以往光伏電站巡檢多采用人工地面巡檢或直升機(jī)載人巡檢的方式，兩種形式的巡檢工作強(qiáng)度大，而且工作環(huán)境艱苦，導(dǎo)致勞動效率低，不能對輸電線路的安全隱患和故障進(jìn)行有效精確排查[3]。為此，提出了基于激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的光伏電站巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的光伏電站智能巡檢系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)需求，設(shè)計(jì)了如圖1 所示的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由圖1 可知，該系統(tǒng)硬件是由監(jiān)測控制模塊、環(huán)境與設(shè)備信息采集模塊、信息數(shù)據(jù)存儲模塊和激光雷達(dá)等模塊組成的。

1.1 監(jiān)測控制模塊設(shè)計(jì)

構(gòu)建更符合人類視覺的三維模型，實(shí)現(xiàn)傳輸線路走廊，三維成像，測量通道內(nèi)房屋、道路、樹木等構(gòu)成電力系統(tǒng)的真實(shí)場景。目前在巡檢技術(shù)中，監(jiān)測控制模塊中的傾斜攝影技術(shù)是利用三維建模技術(shù)獲取和分析信息的前沿技術(shù)[4-6]。無人機(jī)攜帶攝像機(jī)，可以從四個(gè)角度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到完整、準(zhǔn)確的目標(biāo)信息。從而構(gòu)建更符合人眼視覺的三維模型，實(shí)現(xiàn)傳輸線走廊的三維圖像，并測量通道內(nèi)的房屋、道路、樹木等，以真實(shí)場景的形式構(gòu)建電力系統(tǒng)[7]。

采用的傾斜攝影相機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

由圖2 可知，傾斜攝影相機(jī)主要包括鏡頭、傳感器和反光鏡，其中鏡頭共配備一個(gè)下視鏡頭和四個(gè)傾斜視鏡頭，可達(dá)到八千萬像素的影像，在不同視角下會出現(xiàn)攝影重疊的情況[8-10]。

圖2 傾斜攝影相機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 環(huán)境與設(shè)備信息采集模塊

環(huán)境與設(shè)備信息采集模塊綜合了無觸點(diǎn)測量和多傳感器融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了光伏電站運(yùn)行參數(shù)和周圍環(huán)境參數(shù)的檢測和集中處理，并最終傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行處理。該模塊采用的單片機(jī)系列，有19 通道可單獨(dú)或協(xié)同使用，實(shí)現(xiàn)環(huán)境和設(shè)備信息的高效采集。

1.3 信息數(shù)據(jù)存儲模塊

將采集到的信號通過傳感器存儲在云平臺上，自動備份數(shù)據(jù)。以阿里云數(shù)據(jù)庫作為云平臺的存儲數(shù)據(jù)庫，通過圖像信息的存儲，為圖像處理系統(tǒng)的構(gòu)建輸入提供數(shù)據(jù)[11]。

1.4 激光雷達(dá)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的激光雷達(dá)模塊主要由激光掃描器、差分UPS 接收機(jī)以及慣性測量單元構(gòu)成。激光雷達(dá)模塊具有較高的智能性、一致性和指向性，主要依靠掃描儀完成從激光發(fā)射點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)之間的距離測量，能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)方位和速度的精確測量。與機(jī)載聯(lián)接，并與地面基準(zhǔn)站同步處理，用載波相位測量差法求取投影中心點(diǎn)的坐標(biāo)[12]。應(yīng)用激光脈沖測距原理，實(shí)現(xiàn)了激光主軸的俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和偏轉(zhuǎn)角。采用激光掃描儀，最大掃描距離85 m，測量精度可達(dá)毫米級，慣性測量設(shè)備測量頻率在150～200 次/s 之間，通信接口為RS232 以太網(wǎng)[13]。

2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

采用三維激光掃描技術(shù)，在傳輸通道生成高精度的三維激光點(diǎn)云，生成光伏電站環(huán)境的空間信息[14]。與攝影測量技術(shù)相結(jié)合，獲得高分辨率圖像，從而實(shí)現(xiàn)輸電線通道和相關(guān)設(shè)施的實(shí)景復(fù)原，并具備相關(guān)測量、坐標(biāo)采集、隱患信息采集等功能。

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與處理

采用激光脈沖測距的激光雷達(dá)，具有較高的測量精度。利用激光雷達(dá)對點(diǎn)云進(jìn)行連續(xù)發(fā)射和接收時(shí)，采樣數(shù)據(jù)以離散點(diǎn)云的形式存在。通過制定飛行計(jì)劃，識別起飛點(diǎn)后完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，可以得到碼盤數(shù)據(jù)以及原始的微光點(diǎn)云[15]。通過微分計(jì)算激光點(diǎn)云，生成姿態(tài)參數(shù)軌跡數(shù)據(jù)，獲得三維數(shù)據(jù)。因?yàn)榧す馄鲿艿礁鞣N誤差源的影響，需要進(jìn)行精度校驗(yàn)，表達(dá)式為：

式（1）-（3）中，ρ為激光點(diǎn)云的密度；d為掃描光斑的直徑；L為距離；W為帶寬；f為掃描半角；P為系數(shù)。

在數(shù)據(jù)采集中，采用傾斜攝影測量技術(shù)，在選擇測量位置后，再設(shè)置測量圖像控制點(diǎn)，即可得到測量結(jié)果[16]。用傾斜攝影相機(jī)對無人機(jī)拍攝的垂直和傾斜圖像進(jìn)行校正，對畸變圖像進(jìn)行校正，結(jié)合外業(yè)測量和點(diǎn)云數(shù)據(jù)對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理。

2.2 基于激光雷達(dá)點(diǎn)的激光測距

通過激光雷達(dá)發(fā)射的脈沖波，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)現(xiàn)激光測距，相關(guān)計(jì)算公式為：

式（4）中，S為激光雷達(dá)發(fā)射的激光到被測試目標(biāo)點(diǎn)之間的距離；t1為定時(shí)器記錄時(shí)間；t2為激光波接收時(shí)間；C為激光雷達(dá)傳播速度。

綜合利用激光高度和角度，精確獲得三維坐標(biāo)。無人機(jī)采用激光雷達(dá)掃描通道內(nèi)的電力設(shè)備和周圍地面目標(biāo)，可以產(chǎn)生高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為電力走廊提供三維空間信息[17-19]。

2.3 光伏電站三維模型構(gòu)建

在小面積點(diǎn)云中，高程最大值即為光伏電站的桿塔位置，根據(jù)這一屬性擬合電力線，擬合曲線方程為：

式（5）中，(a，b，c)為目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)；x表示光伏電站兩桿塔間距離；h表示光伏電站桿塔高度。

在擬合曲線方程的基礎(chǔ)上，將兩塔間光伏電站點(diǎn)云數(shù)據(jù)投影到電力線剖面上，得到最優(yōu)線路參數(shù)。

2.4 智能巡檢流程設(shè)計(jì)

基于激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輸電線路巡檢航線自動規(guī)劃流程如圖3 所示。

圖3 智能巡檢流程

由圖3可知，智能巡檢流程可分為以下幾個(gè)步驟：

步驟一：參數(shù)初始化

將循環(huán)次數(shù)和自適應(yīng)循環(huán)次數(shù)都設(shè)置為0，最大循環(huán)次數(shù)設(shè)置為Nmax，通過對塔桿距離Dij計(jì)算，對輸電線路巡檢航線進(jìn)行規(guī)劃。

步驟二：確定桿塔選擇規(guī)則

通過對兩個(gè)桿塔之間信息素強(qiáng)度和選擇代價(jià)的分析，得到從桿塔i到桿塔j的可行性概率。巡檢下一步允許選擇的桿塔，計(jì)算公式為：

所有沒有檢查的桿塔都被記錄在Dallowed中，其為可調(diào)節(jié)參數(shù)，通過分析這些參數(shù)，判斷信息素濃度在計(jì)算中的重要性。

步驟三：迭代計(jì)算

對不同桿塔的信息素濃度進(jìn)行迭代計(jì)算調(diào)整，從全局的角度進(jìn)行更新。

步驟四：達(dá)到全局最優(yōu)

當(dāng)所有激光雷達(dá)完成道路搜索后，比較每一次搜索得到的代價(jià)之和，其中代價(jià)之和最小的路線為最優(yōu)路線。

3 實(shí)驗(yàn)分析

在Visual Studio2010C++集成環(huán)境下，對基于激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的光伏電站智能巡檢系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

以漂浮式的光伏電站為對象，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。該電站平均海拔為4 020 m，占地面積為700 公頃。光伏電站環(huán)境如圖4 所示。

圖4 光伏電站環(huán)境

由圖4 可知，該光伏電站是由太陽光能、晶硅板和逆變器等元件組成的體系，與電網(wǎng)相連并輸送電力。在巡檢系統(tǒng)中導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并加載光伏電站桿塔數(shù)據(jù)，兩者疊加處理后，可以獲得桿塔位置。分別使用人工判別擬合、直升機(jī)載人巡檢與激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合方式對上述提取到的電力線數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評估，如圖5 所示。

圖5 三種方式電力線對比

由圖5 可知，使用人工地面巡檢和直升機(jī)載人巡檢擬合方式，數(shù)據(jù)不能均勻分布在電力線上，而使用激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的擬合方式，數(shù)據(jù)能夠均勻分布在電力線上?；诖耍趦蓚€(gè)相鄰桿塔之間選擇八個(gè)位置，檢測每個(gè)位置三種方式的水平與垂直距離，分別如表1 和表2 所示。

表1 不同方法擬合水平距離對比分析

表2 不同方法垂直距離對比分析

由表1 和表2 可知，使用人工地面巡檢方法水平距離與實(shí)際數(shù)據(jù)最大誤差為0.08 m，使用直升機(jī)載人巡檢方法水平距離與實(shí)際數(shù)據(jù)最大誤差為0.23 m，使用激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的巡檢方法水平距離與實(shí)際數(shù)據(jù)最大誤差為0.01 m；使用人工地面巡檢方法垂直距離與實(shí)際數(shù)據(jù)最大誤差為0.07 m，使用直升機(jī)載人巡檢方法垂直距離與實(shí)際數(shù)據(jù)最大誤差為0.17 m，使用激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的巡檢方法垂直距離與實(shí)際數(shù)據(jù)最大誤差為0.01 m。

通過上述分析結(jié)果可知，使用激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的巡檢方法巡檢結(jié)果更加精準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

提出的以激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的光伏電站智能巡檢系統(tǒng)，取代了以往繁瑣的人工巡檢，在環(huán)境惡劣的情況下能夠?qū)夥冸娬具M(jìn)行更加精細(xì)的檢測。采用該巡檢方法不僅可以解決變電站的故障，而且能及時(shí)發(fā)現(xiàn)變電站的故障頻率，從而使光伏變電站的運(yùn)行狀況得到改善，實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的監(jiān)測。

由于在計(jì)算時(shí)未考慮外界天氣變化影響以及巡檢人員的個(gè)人能力，因此在今后的研究中要進(jìn)行綜合分析，以提高檢驗(yàn)效率和巡檢人員的安全性。