e-works数字化企业网  »  文章频道  »  基础信息化  »  IT综合

基于数字孪生的“5G+无人机”智能电网巡检案例技术研究

2021/10/11    来源:e-works    作者:徐明      
关键字:5G  无人机  数字孪生  智能电网  电力巡检  
当前5G、无人机、北斗定位、人工智能、数字孪生技术正在加快与输电电网等工业部门深度融合,本文研究了基于数字孪生的“5G+无人机”在输电电网的智能化应用,尤其对输电线路巡检的关键技术数字孪生技术和“5G+无人机”技术进行了设计和说明。
1 介绍

       我国电力传输行业工作环境复杂,通常是野外、山区、水域等。电网覆盖区域广泛,受气候等环境影响也很大,以前通常是人工巡检和检修为主,随着工业化、自动化、信息化的发展,利用新技术进行远程巡检、无人机替代巡检逐渐推广。结合当前的最新技术:5G切片技术、工业互联网、北斗卫星通信、无人机、人工智能、数字孪生等进一步提高电网的自动化、智能化、虚拟化潜力巨大。

       基于数字孪生的“5G+无人机”智能电网巡检系统应用的宗旨是将5G通信、工业互联网、人工智能、工业智能装备无人机和数字孪生等技术与电网工作场景深度融合,突破重点在应用数字孪生技术创造一个虚拟电网环境,动态获取巡检路径和问题记录、智能化提出故障问题和应急方案以及预测预警等,本文首先给出基于数字孪生智能电网的总体架构,然后重点探究关键技术“5G无人机”和数字孪生在输电线路巡检上的设计和应用,同时展望了智能电网的应用前景,具有参考意义。

2 技术应用现状

       智能电网建设中的无人机输电线路巡检技术已经开始实施使用,下面总结了学者对于这方面的研究成果。设计了无人机巡线系统,利用三维地理信息系统、机器视觉和巡线模型等技术实现了无人电力线路巡检过程,克服和弥补人工巡线的低效率、易出错、高成本等缺陷和不足,成为智能电网建设的重要一环。应用国家标准《北斗网格位置码》及《地球空间网格编码规则》提出了电网数字孪生北斗网格空间架构实现无人机的电力巡检,具有电网空间模拟、便捷接口、构建巡检网格态势图等优势。在四川大运会的输电供给侧数字化试点建设方案中应用数字孪生技术构建一些可视化交互式应用场景。在油田站场智能化运维建设提出了数字孪生站场模型用于优化站场运行和提供辅助决策的智能运维场景。无人机结合5G通信能力以及VR等沉浸式巡检方案从可视化提升和传输通道快速响应、低延迟、高带宽角度提供了无人机智能联动的应用场景。提供了基于载波相位差分定位技术的无人机巡线技术,提升巡检自动化程度,解决强磁场环境下快读准确完成定点巡航的难题。利用深度学习算法解决从电力线背景复杂多变、光照分布不均等影响的航拍图像中自动识别绝缘子并定位的难题。利用5G网络切片技术解决智能电网行业的典型应用案例存在的高成本低回报问题。应用基于博弈论与强化学习的卸载策略,解决无人机组在执行应急故障巡检时由于受到设备本身计算能力和能源资源的限制问题。还有研究者对关键数据信息采用区块链技术以便提高了稳控系统控制的智能化和自动化水平。

       综上所述,有研究者使用无人机作为巡检工具的巡线系统,并辅助GIS、北斗网格定位,同时辅助数字孪生技术或者其他三维可视化技术,但是通信传输是基于卫星通信或4G信号。还有研究者使用5G技术和无人机作为巡检工具和通信传输渠道,但是在可视化方面采用传统的二维或三维形式,本文采用无人机作为巡检工具,5G作为通信传输渠道,同时兼容北斗定位的网格空间标准,再通过数字孪生技术进行模拟的方案。

3 基于“数字孪生”的“5G+无人机”输电线路巡检可视化

       下面是总体架构图,横向划分成边缘和设备层、电网IaaS、平台层(电网PaaS)、应用层(电网SaaS)以及工业安全防护共五部分。

基于数字孪生“5G+无人机”智能巡检逻辑视图

图1 基于数字孪生“5G+无人机”智能巡检逻辑视图

       边缘和设备层包括无人机系统,通信网络包括智能电网5G专网、WiFi网络、北斗卫星通信网络,统一智能电网网关和多种异构数据采集;IaaS主要是电网云基础设施;平台层包括通用基础支撑、智能电网大数据系统、电网视频结构化和模式识别、电网数据建模和分析、电网数字孪生北斗网格空间建模、数字孪生场景平台、电网微服务组件库和开发支撑工具;应用层是无人机巡检可视化管理和指挥中心和巡检智能化场景。下面重点介绍关键技术5G结合无人机、数字孪生技术的设计和应用。

       3.1 5G结合无人机作为巡检工具和通信渠道

       5G具有低时延(时延小于1ms)、高可靠性(可靠性在99.9999%)和广泛连接能力,输电线路的无人巡检基于5G的工业互联网建设,实现从发电设备作业区域、变电站和周围区域、输电线路和杆塔及其周围区域等全覆盖,保障实时高清4K视频回传,融合现有传输设施、无线网关、北斗高精度定位、提升输电线路及其周围区域的综合感知能力。

基于“5G+无人机”输电线路智能巡检部署视图

图2 基于“5G+无人机”输电线路智能巡检部署视图

       “5G+无人机”体系架构由飞行服务、无人机机库、无人机系统、数据链及无人机巡检可视化指挥中心的监管模块五个部分共同组成。飞行服务包括根据无人机系统类型配置持有相应AOPA证的专业飞手,全天候响应巡检飞行服务需求;无人机机库用于无人机的作业起降、存储、充电和维护保养场所等;无人机系统是信息采集前端设备,通过搭载视频监控、5G模组、北斗卫星模组等载荷执行巡航、侦查、数据采集、视频采集、AI识别追踪等巡检任务;数据链是通信运营商搭建一张覆盖巡检涉及的主要监管区域的5G网络,满足无人机联网控制和监测数据回传需求,满足垂直固定翼等款式无人机的数据联网需求,同时兼容北斗卫星网络,并可以应用电网数字孪生北斗网格空间为从发电厂、变压站、高空线路、杆塔以及中间各种设施的管理监管、智能巡检业务提供无人机定期巡航侦测、数据采集及回传、视频采集、管控图像AI识别等能力支撑;无人机监管模块属于指挥中心的集中监管部分,满足无人机可看可管的监管要求,具备设备管理、用户管理、飞手管理、资源调度、空域管理、程控管理、航线设计、数据管理和存储、GIS服务等基础业务能力,提供巡检飞行任务编排、自主巡检飞行、数据采集与分析、报告自动生成、巡检故障告警、侦测反制等定制化服务,覆盖飞行前准备、飞行中监控、飞行后处理的端到端应用场景。

       3.2 数字孪生

       数字孪生可以在赛博空间构建物理世界的全息映射,同步反映物理系统的实时动态。可提供两种典型可视化场景:高仿真全要素静态场景、数据驱动动态场景。前者通过手工建模把各工序涉及的重点设备和物料、场地使用情况搭建成高仿真静态场景。后者可接入历史数据、实时数据、计划数据形成数据驱动场景,还可以对电网变电站周围工作环境、变电设备、输电线路和周围设施模拟演练和复盘。可视化效果能做到云端完成渲染和多云融合,客户端兼容多浏览器、多终端、多客户端、同屏互动、支持8K高清晰画面等。

       当前基于时序数据库的产品数字孪生海量数据动态建模技术的研究还处于初级阶段,但基于场景的建模技术已经成熟应用。架空输电线路由线路杆塔、导线、绝缘子、线路金具、拉线、杆塔基础、接地装置等构成,架设在地面之上。应用数字孪生技术达到的效果是降低巡线成本、提高检查效率、降低安防风险、远程操作安全、快速支撑决策,逻辑架构图如下:

基于数字孪生的输电线路智能巡检逻辑视图

图3 基于数字孪生的输电线路智能巡检逻辑视图

       首先在巡检线路和方案上上利用数字孪生技术协助模拟和仿真,模拟验证在多种天气情况下,甚至极端气候环境下巡检过程的有效性;其次利用数智中台的算法,在巡线过程中的一种基于深度学习的绝缘子检测方法,可自动识别出航拍图像中绝缘子并对其定位,再与绝缘子的故障知识和维修知识库进行比对,对于工作状态进行预测或预警提示;再次通过采集在线路杆塔、杆塔基础、拉线上的感知设备的应力参数,通过数据分析预测在灾害天气发生故障的可能性,并给出辅助决策预警,以便做到对出现的问题快速发现、快速记录、快速处理和快速调整;再次,通过设备自诊断功能的运用,及时发现异常工作状态,并进行应急处理,防止故障的进一步发生,形成自愈效果;再次,当需要多架次无人机进行巡检时,为支持在同一个地点出现无人机组协同工作的情况,采用数智中台提供的基于博弈论与强化学习的卸载策略,可以降低无人机能源消耗,提高密集计算能力的效率,同时从指挥中心的实时飞行轨迹和无人机组间的检测信号来预测或防止发生碰撞事故的可能性。

4 结论

       本文研究了基于数字孪生的“5G+无人机”电力设施智能巡检关键技术,其中5G是连接器,工业互联网是数据采集和传输的通道,数智中台是数据处理的引擎,无人机执行数据采集和边缘计算,而数字孪生是电网和输电线路巡检的监测和操作的可视化模拟,五者结合提升智能电网无人巡检产业链价值。数字孪生不仅是未来精准监管和预防的重要工具,也是远程可视化操作和运维的重要服务方式。本文应用数字孪生技术对于电网输电线路、变电站周围环境等情况巡检做了设计上的尝试,也为其他项目使用5G和北斗卫星定位、无人机和数字孪生提供了有意义的参考。
 
责任编辑:程玥
本文为e-works原创投稿文章,未经e-works书面许可,任何人不得复制、转载、摘编等任何方式进行使用。如已是e-works授权合作伙伴,应在授权范围内使用。e-works内容合作伙伴申请热线:editor@e-works.net.cn tel:027-87592219/20/21。
e-works
官方微信
掌上
信息化
编辑推荐
新闻推荐
博客推荐
视频推荐