利用无人机电力线巡检保护电网健康

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电网上的传感器检测到电流或电压出现异常。这是怎么回事？会造成停电吗？通常，公用事业工人必须亲自前往检查。美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员现已开发出一种新型自动化无人机检查系统，该系统可以快速响应电网的异常行为，尤其是在工人难以到达的偏远地区。
ORNL 在田纳西州查塔努加市公用事业合作伙伴 EPB 拥有的输电线工人培训设施中展示了这种新方法。演习以一段爆裂声录音开始，这些声音类似于过热电弧发出的声音。片刻之后，一架无人机升空，按照 GPS 坐标检查问题。
无人机在输电线附近盘旋，用微型摄像机拍摄设备，然后呼叫其他携带高分辨率声学传感器、射频传感器或其他专用设备的无人机。无人机将其检查过程实时传输回 EPB 的指挥中心和 ORNL 位于诺克斯维尔的联网电网运营和分析实验室。无人机安装的传感器可以收集足够的信息，供公用事业公司决定是否派遣铲斗卡车进行紧急维护，以防止停电。
首席研究员、ORNL 电网传感与通信小组负责人 Peter Fuhr 表示，此次演示证明，人类不必直接参与这种级别的电网监控。无人机传感器可以更快地查明问题所在。
环境保护局有兴趣实施该方法，因为准确、及早识别电力线路故障可以防止停电并节省成本。
“最大的机会是识别即将发生的设备故障，”EPB 智能电网运营助理副总裁 Jim Glass 说道。“就像您的健康状况一样，如果您及早发现问题，则可以花费更少、难度更小地解决问题。在客户遭遇停电之前主动解决问题可以带来巨大的好处。”
自动无人机检查及其技术是名为“自主智能测量传感器和系统”（AIMS）的合作项目的一部分。ORNL 研究人员开发了该系统，利用机器对机器通信自动感知问题、生成工作指令并协调电力传输设备的多阶段无人机检查。该项目还支持处理无人机数据和图像，以便它们可用于快速决策。
ORNL 展示了多种用于自动电力线检查的无人机类型，但该项目专注于价格实惠的型号，因此该方法对公用事业来说很实用。图片来源：Emma Foley/ORNL，美国能源部
AIMS 定制现成的无人机、传感器和软件，以及 ORNL 开发的新技术、算法和自动化协议。尽可能使用商业技术，使该方法对电力供应商来说既实用又经济实惠。
“这对公用事业界来说完全是新事物，”Fuhr 说道。“之前没有人将其整合成一个整体系统。我们正在采用这些组件，并以一种非常不同的方式来操作它们，根据公用事业的需求定制数学、硬件和软件。”
当市售产品无法在整个公用事业系统中使用时，ORNL 团队设计了新技术。例如，无人机的紫外线摄像机售价为 25,000 美元，重量为 10 磅。Fuhr 表示，ORNL 研究人员发明了一种组合式可见光/紫外线/不可见光传感器，其成本不到 1%，重量不到一磅。
检查过程的工作原理如下：安装在整个电网的输电线和变压器上的传感器在收集信息时触发该过程。公用事业公司的集中管理系统可以自动将这些电流和电压读数与电网事件特征库中的波形进行比较，电网事件特征库是 ORNL 维护的 DOE 电网数据的一个庞大存储库。
当发现异常活动时，地面控制单元可以自动指示从变电站派出一架侦察无人机。该系统可以确定哪架无人机距离最近，并且具有合适的航程和电池电量。
侦察无人机使用全球定位坐标，通过射频传感器、视觉和红外摄像头以及简单的声音探测器来定位和检查区域。无人机可以监控自己的电池，避开树木和电线等障碍物，记录读数并使用无线或蜂窝网络实时传送读数——或者在演示中通过 EPB 的光纤网络传送读数。
根据侦察无人机收集的信息，地面控制系统可以派遣其他配备更专业检查能力的无人机。富尔将侦察无人机比作急诊室分诊护士。
“你来到急诊室，那里会有人评估你的病情，并决定你是否需要专科医生，”他说。“这是一样的。巡视员会根据是否有电弧、保险丝是否断裂或电线是否有分支来决定需要进行哪种类型的测量。”
查塔努加电力局领导观察 ORNL 研究人员处理无人机传感器馈送的情况，这是自动电力线检查功能演示的一部分。图片来源：Emma Foley/ORNL，美国能源部
无人机的传感器数据以及它们的位置和运行状态可以实时传送到中央控制系统。研究人员正在研究如何在无人机附近进行这种处理，例如在变电站，以减少电池消耗以及通信中断的风险。Fuhr 补充说，基于量子的通信将生成随机密钥，以加密对传感器数据的访问并保护无人机控制。
虽然这种检查方法旨在独立于人工干预运行，但内置的覆盖功能允许人们立即降落无人机或将其送回充电器。
ORNL 研究员伊丽莎白·皮尔索尔 (Elizabeth Piersall) 改进了传感器组件，并开发了无人机和摄像头的控制软件。她还创建了算法来识别视频中可见的电力设备危险。
“我们希望了解如何使用这些传感器准确识别活动电弧，即使在处理价格低廉的传感器和无人机可能较差的分辨率和电机振动的情况下，”她说。为了训练这些模型，Piersall 能够使用大量无人机视频，这些视频是在早期的 EPB 与田纳西大学查塔努加分校的合作下在常规电力线检查期间拍摄的。
Fuhr 设想在变电站的无线充电器旁配备一队无人机，每架都配备不同的传感能力。EPB 拥有约 100 个变电站，覆盖 600 平方英里的服务区，但 Glass 表示，他计划先为 20 个最大的变电站配备这些无人机，然后再根据需要增加更多变电站。为变电站配备 ORNL 确定的经济实惠的无人机，比派遣经过培训的线路工人乘坐铲斗卡车检查遥远的电线和设备要经济得多。
格拉斯表示，EPB 同样有兴趣使用无人机进行暴风雨后的例行和紧急线路检查。“重大天气事件后的恢复工作的第一步是评估最严重损坏的位置，而无人机在这方面可以发挥巨大优势。”
Piersall 指出，尽管公用事业公司在电网上安装了数千个固定传感器，但这些传感器无法提供近距离观察高架设备运行情况的简便方法。“这为公用事业专家提供了可能没有的信息视角，”她说。“我们不只是在寻找一种更好的方法来做已经可以做的事情。我们正在提供一种新功能。”
ORNL 研究人员 Gary Hahn、Ali Ekti、Bill Monday、Jason K. Richards 和 Ozgur Alaca 以及田纳西大学学生 Emma Foley 和 Stephanie Tomasik 也参与了这项研究。