基于无人机的抽水蓄能电站巡检方案分析

邹彬，罗自学，陈金颖，刘壮，李斌

(1.国网新源华东宜兴抽水蓄能有限公司，江苏 宜兴 214205；2.华中科技大学，湖北 武汉 430074；3.深圳市科比特航空科技有限公司,深圳 518100;4.中国电力科学研究院有限公司,武汉 430000;5.国网新源华东宜兴抽水蓄能有限公司，宜兴 214205)

0 引言

本文主要针对实例来了解互联网+无人机自动化巡检模式，同时针对实例中的巡检方案设定进行分析。实例抽水蓄能电厂属于日调节纯抽水蓄能电厂，具有调峰填谷、调频、调相的重要功能，该电厂周边环境较为复杂，其上下库区的边坡、连接公路边坡面积旷阔，下水库海拔84 m、上水库海拔473 m，可见其地势环境起伏较大。在此基础上，实例抽水蓄能电厂传统人工巡检模式每次耗时约5 h，出于人性化管理概念巡检每4天一次，而在传统人工巡检制度之下，该电厂的每年故障率依旧高达30%，为了对此进行改善，实例电厂采用了互联网+无人机自动化巡检模式，同时针对此模式进行了方案设定。

1 实例电厂互联网+无人机自动化巡检模式应用分析

1.1 实例电厂地势环境分析

实例电厂下水库海拔84 m、上水库海拔473 m，地势环境起伏较大，通过测量该电厂从最高处至最低处直线距离4.5 km，下水库距上水库附近公路直线距离为9 km。在上水库处，因为海拔较高，所以市场存在阵风现象，瞬时风速最高可达7 m/s。此外，该电厂的电磁环境方面，因为其电视发射塔位于上水库附近，所以在此处采用了频谱仪对此进行检测，检测结果显示，该电厂在892 m、896 m、899 m处发现了电磁信号较强的表现[1-6]。

实例电厂地势陡峭，根据测量其坡度倾角均达到了60°以上，并且其内部气候为润，野外环境当中存在许多蛇虫鼠蚁，容易对巡检人员造成一定的威胁，同时实例电厂夏季降雨量较大，所以容易发生较大的塌方现象，对于电厂以及巡检人员而言，均具有较大的风险性，上述因素同样会给人工巡检模式带来困难。

此外，实例电厂在初期修建时因为技术水平以及地势环境的限制，采用了爆炸开山的方式来改变山体结构，通过之后的应用，该地区时常会发生落石现象，可能会导致巡检道路堵塞，同时具有一定的危险性，实例电厂详细安全隐患如表1所示。

表1 实例电厂详细安全隐患

1.2 互联网+无人机巡检特点

本文所设计的互联网+无人机自动化巡检模式技术结构如图1所示。

图1 互联网+无人机自动化巡检模式技术结构

通过实际测验结果，互联网+无人机自动化巡检模式具有以下4大特点。

1、可进入低空环境进行巡检，同时通过视频传输，可以依靠系统终端判定飞行直线路径前50 m是否存在遮挡物，如存在遮挡物则直线上升直至无遮挡物为止，实现自动化巡检[7-11]。

2、同样通过视频传输，可以将巡检内容实时传输到系统终端，再由系统终端将内容传输到显示设备上，整个过程在信号通常的情况下，速度在1 s以内，所以此巡检模式的实效性较强[12-14]。

3、在显示设备处，监控人员可以观测到巡检信息，根据此信息建工人员能够判断无人机飞行轨迹是否存在异常，如果存在异常可以通过控制功能来进行处理，体现出可控性[15]。

4、多旋翼无人机设备的环境适应能力较强，可以在阵风、低温、高温、降雨量较小的环境下进行作业，并保障传输信息的高分辨率[16]。

2 互联网+无人机自动化巡检模式设计

2.1 总体系统框架设计

本文互联网+无人机自动化巡检模式总体系统框架设计如图2所示。

图2 互联网+无人机自动化巡检模式总体系统框架

在总体系统框架当中，本文主要采用了接收链路、控制链路来连接框架内的各个结构。在接收链路方面，主要从多旋翼无人机设备开始，将无人机设备所拍摄到的视频图像传输到地面站，再由地面站通过转发服务器的方式连接网络，依靠网络传输能力将视频图像信息传输到后台服务器，后台服务器接收到视频图像之后将自动进行储存，在依靠web实现网络远程访问；在控制链路方面，当接收链路进行网络远程访问之后，如果需要进行控制，那么系统终端或人工会发出控制指令，同时web会与后台服务器连接将指令发送至后台服务器，后台服务器再依靠通讯协议、网络传输将指令发送到地面站，地面站再将指令通过信号传输发送到多旋翼无人机设备，多旋翼无人机设备的接收端将会接受并执行指令。

2.2 多旋翼无人机设备原理

本文所采用的多旋翼无人机设备与普通的多旋翼无人机设备不同，为了实现自动化控制，本文对此进行了改造。本文改造后的多旋翼无人机设备，能够通过无线电信号远程控制仪器、自身自带的控制程序来实现无人飞行，同时依靠高精度、高分别率的拍摄设备，即可实现无人巡检。

在系统架构上，该设备主要分为硬件系统与软件系统两种，其中硬件系统主要包括飞机端数据采集系统、地面站监控系统；软件系统主要包括航线规划、数据采集、远程监控、数据预处理等程序。

2.3 系统实验

为了验证本文互联网+无人机自动化巡检模式的有效性，本文将通过5个步骤来进行实验，具体如下文所述。

1、常规互联网+无人机自动化巡检实验。针对实例蓄能电厂进行巡检，要求系统实现全覆盖巡检，同时记录无人机在飞行过程当中是否出现了异常现象，如果存在异常现象则需要对异常地点进行分析，寻找异常原因。

2、飞行航路设定。为了确认无人机飞行的正确性，在实验当中，针对无人机飞行路径进行了规划，同时将规划路径输入系统控制当中，由系统自动控制无人机进行飞行，同时通过人工在显示端进行观测，记录无人机飞行的速度、高度等参数，同时当发现无人机出现路径偏移现象时，同样需要进行记录。此外，如果无人机路径偏移过大，监控人员需要对此进行控制。

3、网络传输实验。为了验证无人机飞行的可控性，在上述实验步骤完成的条件下，对无人机人工控制功能进行测验，此举一方面可以了解人工控制功能的形态、一方面可得知网络指令传输的速度、稳定性。

4、无人机各角度拍摄功能实验。因为无人机在巡检过程当中，难免会因为部分因素发生拍摄角度倾斜的现象，在理论上倾斜角度可能会限制无人机拍摄功能开展，因此为了对此进行验证，本文通过控制功能，刻意要求无人机在各倾斜角度下进行拍摄，了解无人机是否能够正常进行拍摄。

5、拍摄图像清晰度、分别率验证。针对无人机在各环境、各倾斜角度下拍摄的图像信息进行分析，验证拍摄图像的清晰度、分别率是否达标。

3 结果分析

针对上述5个步骤的实验结果进行分析。

3.1 常规互联网+无人机自动化巡检实验结果

本文的互联网+无人机自动化巡检系统，在常规实验当中病危出现异常现象，说明该系统能够胜任常规的巡检工作，本文互联网+无人机自动化巡检系统的常规实验结果，如表2所示。

表2 互联网+无人机自动化巡检系统的常规实验结果

3.2 飞行航路设定实验结果

在飞行当中，互联网+无人机自动化巡检系统出现了1次较大的路径偏移现象，具体数值为2 m，针对此现象，监控人员及时的停止了无人机飞行，并针对异常地点进行了分析，分析后发现因为当时风力过大，到达了7.5 m/s左右的分离，导致无人机飞行受阻，此现象出于自然原因，并不能说明本文系统有误，所以无人机分析的正确性依旧得到了保障。同时在飞行速度与高度上，无人机直线飞行速度为1.3 m/s～1.5 m/s、直线拔高速度为0.9 m/s～1.1 m/s，说明其速率性较高；无人机飞行最低高度为1.2 m，最高高度为456 m左右，基本满足实例电厂的地势要求，可以实现自动化无人机巡检。

3.3 网络传输实验结果

要求人工针对每项控制功能进行5次操作，发现无人机在每次单项控制功能中的表现一致，说明无人机功能控制有效，而在指令传输方面，首先针对实例电厂的892 m、896 m、899 m等电磁信号较强的部分进行了实验，发现在此环境下网络指令传输速度在1.2 s左右，满足合理需求，在其他电磁信号较弱的部分，网络指令传输速度在0.9 s～1.0 s左右，同样满足合理需求，因此说明本文系统的速度、稳定性较好。

3.4 无人机各角度拍摄功能实验结果

本文通过控制功能，使无人机在30°、60°、90°、180°的角度下进行拍摄，通过排拍摄结果可见，无人机在各角度下均能进行正常的拍摄功能，仅在180°情况下，出现了1此卡顿现象，其原因在于电磁信号的干扰。

3.5 拍摄图像清晰度、分别率验证结果

在各环境、各倾斜角度下，无人机拍摄功能运作正常，在拍摄图像的清晰度、分别率上来看，结果较为清晰，拍摄例图,如图3所示。

图3 图人机拍摄例图

4 总结

主要分析了无人机抽水蓄能电站巡检的巡检方案。分析当中，首先针对实例电厂互联网+无人机自动化巡检模式应用进行分析，了解其中地势环境特点以及互联网+无人机模式特点，之后针对互联网+无人机自动化巡检模式进行设计工作，包括了总体系统框架设计、多旋翼无人机设备原理、系统实验3个部分，在总体系统框架设计当中采用了接收链路、控制链路设计方式，以此连接系统各个板块，同时阐述了其中运作流程；在多旋翼无人机设备原理方面，主要对传统多旋翼无人机进行了改造，阐述了其功能原理；在系统实验，通过5个步骤对此进行验证，最终进行了结果分析。