一种基于无人机的电气设备自动化智能监测系统

任雪爽 陈峰 王雪晴 王健 王文博

摘 要：该文提出一种基于无人机的电气设备自动化智能监测系统。此系统将无人机与现有的传感器技术、计算机技术以及无线通讯技术相结合，利用无人机搭载传感器组，结合无人机的航拍功能，对运行中的电气设备进行立体式扫描检测，再经过FPGA+DSP高速数据处理后，以ANT无线通讯协议发送给上位机，进而对电气设备运行状态进行智能化监测和诊断分析。

关键词：无人机 传感器 无线通信 自动化 智能检测

中图分类号：V279 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）02（c）-0014-02

随着我国经济的快速发展，超高压大容量电力线路大幅扩建，社会对电力系统的可靠性要求越来越高。但目前的电气设备测试任务大多仍需人工操作，危险性大，不能纳入发电厂和变电站的整个自动化系统，而且监测系统仅停留在提供监测数据的水平上，缺乏必要的分析判断功能，需要花费大量的人力物力对监测系统进行管理。为此，该文以模块化设计为基础，提出了一种基于无人机的电气设备智能监测系统。该系统可大大提高电气设备带电检测的安全性和自动化水平。

1 整体方案

该系统利用现有成熟的多轴无人机低空悬停和定位等关键技术，将其与局部放电检测技术、图像的采集处理技术、无线通信技术和大数据云计算技术有机结合起来，提供了一种更加安全可行的电气设备（尤其是架空或高压电气设备）运行状态监测方法。其目的是提高电气设备监测系统的自动化水平，尽可能地避免人工监测面临的障碍和危险。

该监测系统的总体结构如图1所示，主要由无人机、上位机、无线通信网络以及各类传感器、相关模块等构成。

2 系统硬件设计

2.1 无人机与上位机

无人机飞行器及成像设备具有安全、可靠、适应性好等优点，而且具有监测速度快，智能化程度高、可实现超视距遥控飞行、程控自主飞行及自动返航等多种功能。在该系统中，无人机作为一个搭载平台，替代人工靠近电气设备实施检测。能够大大提高电气设备在线监测的安全性和自动化水平。另外，无人机的开源接口还可以允许开发者根据需求对飞行控制做进一步设计。

无人机上设置第一无线通讯模块、驱动模块、GPS模块等。第一无线通讯模块用于向远程控制中心发送实时飞行数据以及摄像头采集到的图像信息和传感器检测到的状态信息，此外还接收并回复远程控制中心发送的测试命令，接收任务命令和修正命令并发送至驱动模块；驱动模块用于接收第一无线通讯模块发送的任务命令、修正命令并驱动无人机执行飞行任务。GPS模块可以获取无人机的地理位置信息，实现实时定位和导航，进而实现对无人机飞行路线和飞行模式的控制和调整。

上位机即远程控制中心，包括第二无线通讯模块、任务分配模块、信号处理模块和初始化模块等。第二无线通讯模块用于向无人机的第一无线通讯模块发送测试命令、任务命令和修正命令，接收无人机的第一无线通讯模块所发送的实时飞行数据以及摄像头采集到的图像信息和传感器检测到的状态信息；任务分配模块用于用户输入对无人机的控制命令并通过第一无线通讯模块发送至对应的无人机；信号处理模块用于对第二无线通讯模块接收的数据进行抗干扰处理和数模转换，便于进一步的数据分析和显示；初始化模块用于对第一无线通讯模块、任务分配模块和信号处理模块进行初始化。

2.2 传感器模块

先进的传感器技术是实现智能监测的重要手段。设备的故障诊断依靠传感器获取尽可能多的准确的状态量数据，因此该系统采用包含多种传感器的集成传感器组对电气设备进行检测以获取尽可能多的状态量数据。为满足智能监测的差异性要求，针对不同的电气设备需要配置不同类别的传感器模块，常见的有电磁传感器、超声波传感器以及红外温度传感器等。

（1）电磁波传感器：实现非接触检测，局部放电脉冲会产生高频电磁信号并向周围辐射，电磁波传感器通过耦合设备内部局部放电产生的超高频信号实现局部放电的检测和定位。

（2）超声波传感器：选择压电晶片机电耦合系数高的超声波传感器。以电气设备表面作为反射面，根据反射波的衰减情况进行检测其表面是否有裂痕。

（3）红外温度传感器：可检测各部位接头、冷却装置控制元件等运行温度，对监测潜伏比故障有着很大帮助。为了消除环境温度影响，传感器内部封装有热敏电阻，通过热敏电阻获取与环境温度相关的电压，进行温度补偿。

2.3 FPGA+DSP高速数据采集处理模块

系统可以采用TMS320C6748+Spartan-6高速数据采集处理模块，其中TMS320C6748是德州仪器（TI）低功耗高性能浮点DSP处理器，而Spartan-6是赛灵思（Xilinx）平台升级灵活、性价比极高的FPGA处理器。该模块通过TMS320C6748的UPP、EMIF等通信接口将两个芯片结合在一起，能实现功能强大的DSP+FPGA高速数据采集处理功能。

对电磁传感器的输出信号首先要进行滤波，再经检波器放大降频取得局部放电脉冲峰值，因为局部放电激发的是高频电磁波，如不降频将加大采集信号的难度。温湿度传感器、超声波传感器和红外传感器不需要通过滤波和检波模块，可直接将传感器输出信号接到AD采样口。AD将数据由模拟信号转换成数字信号后由FPGA采集，然后通过UPP或EMIF总线传输至DSP。DSP对数据做进一步处理后通过无线通信模块将数据传向上位机。同时DSP根据处理结果，将得到的逻辑控制命令送往FPGA，由FPGA控制板载DA实现逻辑输出和速率更新。

2.4 无线通信模块

该系统可采用基于ANT无线通信协议的AP2000通讯模块，该模块核心为nRF24AP2网络芯片，其工作频率为2.4 GHz，并具有-85 dBm的接收灵敏度。该监测系统中，上位机作为ANT网络的中心节点，选用具有8个ANT通信通道的nRF24AP2-8CH芯片，可以把更多传感器同时连接到一个集线器上。

nRF24AP2芯片具有很强的抗干扰能力，不会受附近的其他2.4 GHz无线发射设备（例如蓝牙无线技术和Wi-Fi）的干扰，在嘈杂的RF工作环境下会减少重新发送的次数和数据包丢失。同时也增大了在使用钮电池情况下的功率裕度，延长电池的使用寿命。另外该芯片还可以实现以下功能。

（1）邻近搜索：根据与搜索设备的接近程度获得主节点，可以按照邻近程度来实现配对，进一步简化了ANT的操作。

（2）频率捷变频道：通过这个功能，ANT频道使用多个射频频道，如果检测到性能有明显的下降，可以在各个射频频道之间跳变。例如在Wi-Fi这类很强的干扰环境下，这将进一步提高它的可靠性。

（3）连续扫描模式：利用该模式能把星形连接网络的延迟降到非常低。

3 数据共享和智能诊断

电力设备监测数据以数据流形式连续生成，数据种类丰富、数量巨大，属于典型的大数据。要实现对检测结果的智能分析和诊断，首先要实现数据的共享，这就要解决全国各电气设备在线监测系统或局部地区监测系统的计算机远程联网、联机问题，有两种基本方式。

3.1 全开放式联机

该联机方式允许被授权单位或部门利用电力系统内微波或公用电话网，直接进入各大电气设备在线监测系统获取监测数据。只要监测系统认可联机用户密码，监测系统就对远方用户开放。开放方式分为两个级别，一个级别为只读方式，用户无权变更监测系统参数或写入任何内容；另一级别为系统维护方式，用户不仅可得到监测数据，还可以了解监测系统运行状况，更改运行参数甚至运行程序。

3.2 区域在线监测数据中心联机

区域在线监测数据中心可以设在省电力局或地区电力局，对下级电气设备在线监测系统提供联机服务和监测数据库管理工作，还可对外联机，直接提供已处理的多年连续监测数据。

通过联机组网实现数据共享后，再采用云计算技术Hadoop进行数据并行采集和分布式存储计算，以加强数据访问的可行性和高效性。在线监测系统的联网以及交换监测数据的另一个重要目的是获得远方电气专家的咨询与技术支持。当该区域监测到的数据变化不足以判断故障时，可以依靠该网络向远方的专家送出数据以获得他们的咨询意见。

4 结语

随着超高压大容量电力线路的大幅扩建，电力系统安全运行必不可少的监测系统发挥越来越重要的作用，而无人机远程飞控技术的发展以及大数据云计算技术的普及使得人们对电气设备监测系统的自动化和智能化性有了更高的要求。因此该文所提出的基于无人机的电气设备自动化智能监测系统拥有很大的市场需求和广阔的应用前景。

参考文献

[1] 马爱清，张周胜，陈炯，等.“电气设备在线监测与诊断技术”研究生课程建设探析[J].中国电力教育，2014（36）：86，

108.

[2] 吕相山.论电气设备的绝缘在线监测与状态检修[J].科技视界，2015（10）：240.