面向智能电网输电线路巡检的泛在物联网UAV研究

张 静，黄国方，刘晓铭，谢 芬

（1.南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司，南京211106；2.国电南瑞科技股份有限公司，南京211106）

电网输电线路对于电网的正常运行具有举足轻重的作用。通过电网输电线路巡检能够及时发现电网系统的异常情况，及时消除电网系统中潜在的隐患或者电网损失，并及时、有效地保障电网系统的正常运行[1]。在现有技术中，电网输电线路的巡检主要依靠人工作业，通过现场工作人员在现场进行目测检验，巡检时需要工作人员攀爬铁搭、带电登高作业等，劳动强度大，巡检效率低下，尤其在地理位置险恶、崇山峻岭、道路崎岖难走的地带，人工作业难以满足电网发展和现代化智能管理的需要。随着电网规模和建设的不断扩大，长距离跨区域输电线路增长迅速，复杂地势输电线路日常运行维护、检修和故障检测、带电作业等存在特殊性，因此有必要采用无须人工到场并能智能巡检的工作方式[2]。

无人机UAV（unmanned aerial vehicle）技术能够动态地实现信息部署[3]，还能在物联网领域发挥极其重要的作用。借助于诸如传感器、摄像机、RFID等机载物联网装置，无人机能够实现电网输电线路信息的收集，配置方便、自主能力强。在2019年泛在电力物联网技术高峰论坛，国家电网公司提出泛在电力物联网UEIoT（ubiquitous electric internet of things）概念，由此本研究提出新型的电网输电线巡检方法。

1 泛在电力物联网UAV 巡检系统

UEIoT 围绕电力系统各环节，充分应用现代信息技术、先进通信技术，实现电力系统各环节万物互联、人机交互，具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活特征的智慧服务[4]。

在此，将物联网技术、人工智能技术、大数据分析技术和云计算等技术融合在一起[5]，构建出新型的泛在电力物联网UAV 巡检系统。作为重大的技术创新，该系统不仅实现电网输电线路的智能巡检，还扩大了检测范围，由单点检测转换为区域检测，形成区域网格化巡视，通过使用无人机技术，实现电网输电线路的大规模、自动化巡检，使得输电线路的巡检效率得到大幅度地提升[6]，也使电网输电线路的巡检精度大大提高，有力地保障电网稳定运行。该系统架构如图1所示，系统包括信息感知层、信息传输层、信息处理层和信息应用层。

该系统以安卓版移动式智能设备为信息接收载体，并融合嵌入式智能设备[7]，借助于装载了Zig-Bee 通讯模块及各种传感器的无人机和ZigBee 无线传感器网络，对大面积电网输电线路数据信息进行实时、在线采集，最终通过无人机接收采集到的大面积的数据信息[8]。在底层设备中，用户通过控制单元实现无人机的智能控制，并且构建UAV 群。在UAV 中设置有无线传感器网络、RFID 射频识别单元和摄像机、近程通讯单元等各种通讯单元，可实现对输电线路的智能信息采集[9]。

图1 泛在电力物联网UAV 巡检系统架构设计Fig.1 Architecture design of ubiquitous electric internet of things UAV inspection system

在信息感知层中，将无人机作为信息通信的无线中继和空中基站，实现与地面物联网的用户数据进行交互。通过在UAV 上配置不同的物联网设备实现与各种电力设备的数据通讯[10]。UAV 采集到的输电线信息，通过各种通讯方式与电网信息管理中心互通，比如机载ZigBee 路由模块、无节点的网状拓扑结构等进行组网通讯。通过这种组网方式，能够有效地防止构建起来的无人机群体在通讯过程中，由于某个UAV 的通讯不佳而与地面或者信息中心失去联系，有力地保证了机群UAV 之间通讯的稳定性和安全性[11]。

在电网信息管理中心，用户对UAV 采集的数据信息进行分析，比如导线状态分析、杆塔状态分析、气象条件分析、一次设备状态分析、二次设备状态分析、配电网自动化分析、电能质量管理、精细用电管理、信息互动等各种分析。通过上述分析，电网信息管理中心将分析后的结果输出，供用户分析、使用[12]。

2 泛在物联网UAN 关键技术

2.1 多链路无人机群体系统

在研究中构建出多链路无人机群体系统，如图2所示，并将其应用到无人机中。该系统主要由控制单元、无人机群、控制器、ZigBee 通讯模块、智能移动式终端等模块组成。

图2 多链路无人机群体系统Fig.2 Multilink UAV group system

在此，控制单元采用的主控芯片为STM32 的控制器（ARM32 位的CortexTM-M3 CPU），在结构上其连接ZigBee 协调模块和WiFi 通讯模块[13]。CortexTMM3 CPU 连接有调试模块，该调试模块上设置有SWD 串行调试接口以及JTAG 通讯接口。

串口通讯芯片为支持WiFi 通讯端接口且型号为ESP8266 的高集成芯片[14]。该芯片集成设置开关型控制天线，射频类型为balun；设置功率放大器；集成设置滤波器、电源管理模块。

将多个不同的无人机组建成无人机群体，并将每个无人机组网通讯，即每个无人机均承载ZigBee通讯模块，模块间通过无人机节点连接[15]。无人机节点利用ZigBee 协议实现数据通讯，即传递采集到的输电线路数据，ZigBee 通讯模块采用ZigBee 协议实现各种无人机之间的数据通讯；以串口通讯方式将采集到的数据传递到控制单元，其中的STM32 主控芯片，再以串口通讯方式将数据传送到服务器。用户使用智能移动式终端随时接收或查看采集到的输电线电网数据信息，并与电网信息管理中心实现数据互通[16]。

2.2 泛在物联网UAN 传感网络设计

UAN 传感网络架构如图3所示。图中，底层设备为设置在电网输电线路中的传感器、智能设备、RFID 射频设备单元等其他物联网设备，在这些物联网设备内通过设置不同的无线传感器节点，布局能够互通互信的无线传感器网络。

图3 UAN 传感网络架构Fig.3 Architecture of UAN sensor network

为了传递信息的便利，在无线传感器网络中设置多个网关节点，并在多个网关节点处连接接入网，在接入网设置核心网，由此设置UAN 传感网络，最终将UAN 采集到的数据传递到电网信息管理中心。

该系统结构中，通过在电网输电线路中设置无线传感器，数据信息通过传感器网络节点进行中继、中转，最终获取电网输电线路中不同环节（比如输电环节、变电环节或者配电环节）内的运行信息。

在系统工作过程中，将收集到的数据信息传输到不同网络的网关节点，各个网关节点将接收到的数据信息再传递到接入网以进行信息融合，融合后的数据信息输入到电网输电线路中的核心网[17]。经过上述运行，电网输电线路的传感数据再借助于电力通信专网，进一步传递至电网信息管理中心，进行分类、计算等后续处理。

在利用所构建的UAN 传感网络架构采集输电线路中的数据信息时，由于传感器节点不同，通过节点所采集的数据信息也不同。在网关节点中，由于其包含的数据模块有多种，采集到的数据也不同[18]。因此，这些数据信息在传递之前需要进行预处理、集中分类或者其它处理。

3 应用分析及结果

在国电南瑞科技公司验证该技术方案。由于工作环境和场地的局限，将实际工作中由无人机群构成的无人机自组织网络通过软件模拟仿真。其实际工作中具有高动态的网络拓扑结构，通信链路容易在高空中变得不稳定，数据通讯的中断意味着无人机巡检效果不佳[19]。因此，机载中继节点工作性能与数据通讯的稳定性有直接关系，衡量数据通讯成功率就可以衡量出所设计系统工作性能的好坏。

试验分析在仿真环境Keil+Protues 下进行。通过C 语言试验通讯数据的仿真和模拟，具体的参数设置如表1。

表1 数据参数设置Tab.1 Data parameter settings

设置完成通讯数据，先检测数据发送是否正确，其仿真示意如图4所示。假设从第1 无人机X向第2 无人机Y 发送数据。当第2 无人机Y 接收到数据后，开始比较目的地址与本地地址是否相同，如果二者地址相同，则判断帧头、帧尾是否正确，如果帧头、帧尾是正确的，则表明数据接受无误。然后，将节点B 向节点A 返回ACK 来确认帧，表明数据成功接收。

图4 数据通讯成功仿真示意图Fig.4 Simulation schematic diagram of successful data communication

在数据判断时，根据表1的数据参数设置来判断数据发送是否成功，如果仿真结果与设置的参数相同，即表明第1 无人机X 收到第2 无人机Y 对序列号为0x00 帧的接收确认帧，并在显示屏上显示“T-24.00 rec ok”的字样（由图4可见），表明物联网数据通讯接收无误。

数据通讯失败仿真示意如图5所示。假设数据发送的的目的地址不同于本地地址，则丢弃收到的数据，即表明第1 无人机X 未收到第2 无人机Y 对序列号为0x00 帧的接收确认帧，并在显示屏上显示“T-22.00”字样[20]（由图5可见），表明物联网数据通讯接收有误，继续等待下一轮的数据通讯接收。

图5 数据通讯失败仿真示意图Fig.5 Simulation schematic diagram of data communication failure

在试验时，数据通讯成功后可获取物联网设备（比如RFID 射频设置装置）上传数据，该步骤通过物联网数据管理平台试验，接收RFID 射频设置装置等物联网设备上传的数据，根据RFID 射频设置装置等物联网设备上传数据所采用的通信协议标准，对上传的数据进行存储、处理、计算和分析。物联网通讯与传统通讯的数据比对见表2。

表2 物联网通讯与传统通讯的数据比对Tab.2 Data comparison between IoT communication and traditional communication

再对人工巡检的工作情况与采用UAV 巡检的工作情况进行对比分析，得到的数据信息见表3。

表3 不同工作情况下的数据比对Tab.3 Data comparison of different working conditions

对比结果表明，采用物联网的数据的电力营销管理信息系统具有明显的技术优势；数据发送成功、数据接收成功率和数据传递时间均明显优于传统通讯模式； 采用所设计的物联网电力营销管理信息系统具有数据稳定、可靠，数据通讯及时的特点；采用UAV 巡检的方式，相比采用人工方式，具有无法比拟的技术优势，解决了传统技术中由于操作人员巡检困难、要求高、人工作业复杂的技术弊端。

4 结语

该技术方案在国网电力科学研究院、国电南瑞科技公司等电力公司均得到应用。该技术成为行业内安全、高效、可控的智能巡检模式，泛在电力物联网的目标是构建电力能源互联网生态圈，将来要实现“引流+赋能”的形式，最终引起产业链上下游的同步发展。该技术方案也可为其它行业 （交通、金融、IT、房地产等领域）提供技术支撑，为实现一体化的综合服务提供技术参考。