Разработка системы непрерывного мониторинга воздушных линий электропередачи в автоматическом режиме

Page 1

Page 2

воздушные линии

Разработка системы

непрерывного

мониторинга воздушных

линий электропередачи

в автоматическом режиме

ранспортировка электроэнергии от места ее производства — элек-
тростанций к потребителям является одной из важнейших задач
электроэнергетики. Транспорт электроэнергии производится преиму-
щественно по воздушным линиям электропередачи (ВЛ).

Эффективность и надежность передачи энергии определяется состояни-

ем ВЛ, поэтому оценка состояния ВЛ является неотъемлемой составляющей
бесперебойного процесса транспортировки электрической энергии. Очевид-
но, что чем выше частота выполнения мониторинга состояния элементов ВЛ,
тем скорее будут устранены зарождающиеся дефекты и, соответственно, тем
меньше технологических нарушений произойдет на ВЛ.

В соответствии с п. 5.7.14 Правил технической эксплуатации электрических

станций и сетей Российской Федерации (ПТЭ) при эксплуатации ВЛ должны
быть организованы их периодические и внеочередные осмотры. График пери-
одических осмотров утверждается техническим руководителем организации,
эксплуатирующей электрические сети. Периодичность осмотров каждой ВЛ
по всей длине должна быть не реже 1 раза в год. Кроме того, не реже 1 раза
в год инженерно-техническим персоналом должны производиться выбороч-
ные осмотры отдельных ВЛ (или их участков), а все ВЛ (участки), подлежащие
капитальному ремонту, должны быть осмотрены полностью [1].

На сегодняшний день определение состояния ВЛ 35–110 кВ в ПАО «Рос-

сети  Центр»  производится  путем  пешего  обхода  ЛЭП  с  периодичностью  не
реже  1  раза  в  год.  Однако  подобный  осмотр  дает  неполное  представление
о состоянии ВЛ. Более информативным видом осмотра ВЛ является верховой
осмотр, но для его проведения необходим вывод воздушной линии в ремонт,
а  также  использование  специальной  техники.  При  этом  объем  проводимого
верхового осмотра одной ВЛ — 3–4 опоры в день.

Согласно ПТЭ верховые осмотры с выборочной проверкой проводов и тро-

сов в зажимах и в дистанционных распорках на ВЛ напряжением 35 кВ и выше
или их участках, имеющих срок службы 20 лет и более или проходящих в зо-
нах интенсивного загрязнения, а также по открытой местности, должны про-
изводиться не реже 1 раза в 6 лет, а на остальных ВЛ 35 кВ и выше (участках)
не реже 1 раза в 12 лет [1].

Очевидно, что при существующем порядке эксплуатации ВЛ обеспечивать

высокий уровень надежности становится все сложнее. Это усугубляется меня-
ющимися климатическими зонами и участившимися погодными аномалиями,
а также увеличением отработавшего свой ресурс оборудования и материалов
при неизменной численности обслуживающего персонала. Говоря о погод-
ных аномалиях, можно привести пример так называемого «ледяного дождя»
в 2015 году в Костромской области, ранее вообще никогда не подвергавшейся
такого рода природным явлениям. Липецкая область постепенно становится
гололедной зоной, где неблагоприятные погодные явления в осенне-зимний
период становятся обычными явлениями.

данной

статье

описана

технология

автоматизированной

диагностики

воздушных

линий

электропередачи

использованием

беспилотного

воздушного

судна

(

БВС

Акуличев

заместитель гене-
рального директора
по цифровой транс-
формации ПАО
«Россети Центр»

Бредихин

и.о. начальника
дирекции по инно-
вационной деятель-
ности и импорто-
замещению ПАО
«Россети Центр»

Мурашев

главный специалист
Департамента циф-
ровой трансформа-
ции ПАО «Россети
Центр»

Середкин

начальник управ-
ления технологи-
ческого развития
и цифровизации
филиала ПАО
«Россети Центр» —
«Липецкэнерго»

Page 3

Учитывая, что осмотр ВЛ бригадами — достаточно

трудоемкая и затратная работа, особенно в сложных
погодных условиях или в труднодоступной местности,
а также невысокую эффективность выявления дефек-
тов с учетом периодичности выполнения осмотров,
логичной является гипотеза о повышении эффектив-
ности мониторинга ВЛ с помощью БВС.

В 2018 году в ПАО «Россети Центр» была начата

научно-исследовательская и опытно-конструкторская
работа (НИОКР) «Разработка системы управления
группой БПЛА для выполнения непрерывного монито-
ринга ВЛ в автоматическом режиме с сетью зарядных
станций как элемента системы управления».

Предпосылками к реализации данного проекта яв-

ляются следующие проблемы, с которыми сталкива-
ется обслуживающий персонал при эксплуатации ВЛ:

– высокая доля ВЛ, выработавших свой норматив-

ный срок;

– сложность выявления зарождающихся дефектов

ВЛ на ранних стадиях до возникновения техноло-
гического нарушения;

– контроль состояния ВЛ путем осмотра бригадами,

в том числе со значительной задержкой по времени;

– высокие трудозатраты обслуживающего персона-

ла на осмотр;

– высокие затраты на привлечение техники для

выполнения регламентированных верховых
осмот ров ВЛ.
Планируемый функционал разрабатываемой сис-

темы:

– выявление зарождающихся дефектов элементов

ВЛ и, соответственно, повышение надежности
работы ВЛ, снижение недоотпуска электроэнергии;

– снижение доли участия персонала в обслуживании

ВЛ и, соответственно, снижение операционных
издержек при обслуживании ВЛ;

– повышение безопасности работы ВЛ путем контро-

ля нахождения посторонних предметов, строений
и т.п. в охранной зоне ВЛ;

– контроль выполнения работ подрядными органи-

зациями на объектах электросетевого хозяйства;

– проведение предпроектных и изыскательских ра-

бот с целью строительства/реконструкции ВЛ
и объектов электрических сетей;

– предварительная оценка затрат на вырубку про-

сек посредством численного анализа по высотам
деревьев, их количеству, типу.
Учитывая тенденцию ежегодного улучшения

технических характеристик БВС и миниатюриза-
ции полезной нагрузки (фото- и видеокамеры, уль-
трафиолетовые и инфракрасные камеры и т.п.) ло-
гичным становится предположение о возможности
получения объективной информации о состоянии
линий по результатам мониторинга с применени-
ем БВС.

При этом эффективность применения технологии

обеспечивается в случае отсутствия участия высоко-
квалифицированного оператора БВС, а также боль-
ших временных затрат персонала служб воздушных
линий на обработку информации от БВС.

Исходя из этого, в ПАО «Россети Центр» был

сформулирован совершенно новый подход к разви-
тию системы диагностики с помощью БВС. Он состо-
ит не только в отказе от высококвалифицированного
оператора БВС, но и в обеспечении обработки боль-
шого массива данных с помощью элементов искус-
ственного интеллекта.

В качестве основной инновации принята идея соз-

дания системы из БВС и многофункциональных базо-
вых станций.

Целевая модель состоит в полностью автоматиче-

ской системе контроля ВЛ и распознавания дефектов
с передачей диагностической информации в единую
Систему управления производственными активами.

Концептуально вид процесса автоматизированно-

го мониторинга ВЛ с помощью БВС представлен на
рисунке 1.

Результаты НИОКР можно представить в виде сле-

дующих основных разделов.

ДОРАБОТАННЫЙ

БПЛА

КОПТЕРНОГО

ТИПА

В ходе проведенного НИОКР было установлено, что
для уверенного обнаружения дефектов ВЛ скорость
БВС должна находиться в диапазоне 35–40 км/ч, а за
время пролета каждой опоры ВЛ БВС должен сделать
не менее 6 ее фотографий. Для этих целей лучше
всего подходит БВС коптерного типа.

Рис

. 1.

Процесс

автоматизированного

мониторинга

ВЛ

помощью

БВС

Однократное формирование

полетного задания (для плановых

полетов) и передача его многофунк-

–

циональной площадке базирования

Зарядка и базирование БПЛА на

ПС 35–110 кВ, прием задания по

цифровым каналам связи и передача

его в БПЛА

Облет трасс ВЛ 35–110 кВ

с диагностикой элементов

ВЛ различными сенсорами

Возврат на базу. Передача

диагностической информации

в Центр обработки данных. Начало

режима зарядки

Обработка данных нейрон-

ной сетью. Выборка дефек-

–

тов и несоответствий НТД

Приоритизация дефектов:

аварийные, неотложные,

устраняемые в процессе ТО

Автоматическое формирование

заявки на устранение дефекта

и задания бригаде

№

5 (68) 2021

Page 4

В качестве доработок была встро-

ена контактная система в опоры БВС,
были  разделены  напряжение  пита-
ния  силовых  установок  (двигателей
винтов)  и  питания  систем  навигации
для  увеличения  продолжительности
полета. Так, напряжение питания си-
ловой установки составило 51 В, на-
пряжение  питания  систем  навигации
12  В.  Для  возможности  проведения
полетов в условиях сильных электро-
магнитных излучений электромагнит-
ный  компас  был  заменен  на  цифро-
вой.  В  БВС  была  заложена  функция
«слежения  за  опорой».  В  результа-
те  этого  при  любом  положении  БВС
в  пространстве  опора  всегда  нахо-
дится в центре кадра.

Данные доработки БВС позволили добиться про-

должительности нахождения аппарата в воздухе до
60 мин, гарантированной навигации в условиях силь-
ных электромагнитных помех, точной ориентации ка-
меры на объект. Внешний вид БВС коптерного типа
представлен на рисунке 2.

Для проведения различных видов осмотра БВС не-

сет как оптическую камеру, так и ИК- и УФ-камеры.

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ

БАЗОВАЯ

СТАНЦИЯ

Многофункциональная базовая станция устанавлива-
ется на подстанции (ПС) и является местом хранения,
зарядки БВС и контроля метеоусловий. Также базовая
станция выполняет функцию передачи диагностиче-
ской информации от БВС в центр обработки данных
и передачу в БВС полетного задания.

Станция оснащена специальными приводами для

вертикального перемещения БВС, горизонтального
перемещения защитного кожуха и приводами цен-
тровки БВС для его зарядки.

Внешний вид установленной многофункциональ-

ной базовой станции представлен на рисунке 3.

На данных станциях реализована система точной

посадки  БВС.  Она  позволяет  посадить  БВС  на  пло-
щадку  размером  1,5×1,5  м.  Данная  технология  реа-
лизована путем нанесения на посадочную платформу
специальной  метки,  по  которой  БВС  ориентируется
в пространстве и осуществляет посадку.

ВОЗДУШНЫЕ

ЛИНИИ

Рис

. 2.

Внешний

вид

БВС

коптерного

типа

Рис

. 3.

Внешний

вид

установленной

многофункциональной

базовой

станции

СПЕЦИАЛЬНОЕ

ПРОГРАММНОЕ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ДЛЯ

ВЫЯВЛЕНИЯ

ДЕФЕКТОВ

Другой  важнейшей  системой,  реализуемой  в  рамках
НИОКР, является комплекс алгоритмов и нейросетей
для  распознавания  дефектов  и  несоответствий  нор-
мативно-технической  документации.  Это  самая  вы-
сокоинтеллектуальная часть работы, которая и обес-
печивает  отказ  от  обработки  и  анализа  материалов,
полученных от БВС, с помощью специалиста.

Внешний вид пользовательских интерфейсов про-

граммного обеспечения представлен на рисунке 4.

Данная система позволяет выделить на фотогра-

фии стойку, траверсу, провод, грозотрос, изолятор,
виб рогаситель, предмет в охранной зоне.

Система анализирует каждый элемент на предмет

наличия/отсутствия дефектов.

Алгоритм

работы

системы

Полученные с БВС

фотографии  передаются  в  открытую  сетевую  папку
сервера  диагностического  программного  обеспече-
ния. Затем эти изображения перемещаются в папки,
соответствующие номерам опор, координаты которых
наиболее  близки  к  фактическим  координатам  опор.
После перемещения изображений в указанные папки
автоматически  запускается  процесс  поиска  заранее
заданных  обученных  классов  объектов,  связанных
с технологиями машинного зрения (нейронной сети).
Процесс  работы  нейронной  сети  завершается  запи-
сью координат найденных изображений в XML-файл.
В данном файле перечисляются все найденные объ-
екты с указанием их класса (гирлянда, изолятор и т.д.).
Далее непосредственно выполняется процесс нахож-
дения дефектов. Схематически процесс представлен
на рисунке 5.

Page 5

Экспериментальным путем установлено, что ис-

пользование  одной  модели  сверточной  нейронной
сети,  обученной  непосредственно  под  множество
классов (опора, изолятор, траверса и т.д.), не является
оптимальным исходя из показателей скорости работы
сети. В результате выделено 4 модели и разработан
механизм  их  последовательного  запуска  —  каскад
сверточных  нейронных  сетей.  При  этом  на  каждом
шаге ведется фильтрация полученных изображений.
Структурно данный алгоритм приведен на рисунке 6.

В ходе реализованной в филиале ПАО «Россети

Центр» — «Липецкэнерго» НИОКР разработана дей-

а)

б)

Рис

. 4.

Примеры

пользовательского

интерфейса

диагностического

ПО

) 3D-

реконструкция

опоры

;

)

ГИС

–

представление

объекта

мониторинга

;

)

паспорт

опоры

;

)

поопорная

ведомость

;

)

ста

тис

тика

дефектов

д)

в)

г)

Рис

. 5.

Процесс

нахождения

дефектов

Фото

JPG-файл

Запись координат

найденных на снимке

объектов в XML-файл.

В данном файле

перечислены все

найденные объекты

с указанием их класса

(опора, гирлянда,

виброгаситель и т.д.)

Работа

специализированных

программ

распознавания

Дефект

отсутствует

Дефект

зафиксирован

Загрузка

фотоматериала

в программу

распознавания

дефектов

Сверточная

нейронная сеть

Запускается процесс

поиска заранее

обученных классов

объектов с примене-

нием технологий машинного зрения

(Object Detection, Convolutional Neuro

Network, Tensor Flow, Open CV)

ствующая  система  мониторинга  ВЛ  в  автоматиче-
ском режиме с использованием БВС и сети зарядных
станций, которая благодаря новизне и комплексности
применяемых  технологий  имеет  высокий  потенциал
масштабирования  не  только  в  филиалах  ПАО  «Рос-
сети  Центр»  и  ПАО  «Россети  Центр  и  Приволжье»,
но  и  в  других  электросетевых  компаниях,  имеющих
в своей зоне ответственности ВЛ 35–110 кВ.

В ближайшее время планируется заключить ли-

цензионные  договоры  с  производителями  основных
технологий  в  целях  дальнейшей  коммерциализации
и масштабирования продукта.

Рис

. 6.

Алгоритм

фильтрации

полученных

изображений

ВЛ

Последователь-

ное «вырезание»

распознанных объ-

ектов на исходном

изображении:

от крупных —

к мелким. Если

«родительский»

(более крупный)

объект не найден,

следующая сеть не

запускается

net_1

net_2

Каждая следующая

сеть «дописыва-

ет» найденные

объекты в общий

XML-файл

ЛИТЕРАТУРА

1. Правила технической
эксплуатации электри-
ческих станций и сетей
Российской

Федера-

ции. Утв. приказом Ми-
нэнерго РФ от 19 ию-
ня 2003 г. № 229. URL:
h t t p s : / / b a s e . g a r a n t .
ru/186039/.

№

5 (68) 2021

Оригинал статьи: Разработка системы непрерывного мониторинга воздушных линий электропередачи в автоматическом режиме

Читать онлайн

В данной статье описана технология автоматизированной диагностики воздушных линий электропередачи с использованием беспилотного воздушного судна (БВС).