关键词： 输电线路   无人机巡检   先验知识   注意力机制   小目标检测  

摘要： 螺丝、销钉等小目标元件对输电线路起着固定、支撑、保护等作用。由于其长期暴露在复杂环境中,受恶劣自然条件、机械张力及材料老化等因素影响,易导致其出现松动、缺失等问题,对输电线路安全稳定运行造成严重影响。因此,面向复杂巡检环境,本文探索一种融合先验知识和注意力机制的输电线路小目标故障检测方法。 论文主要工作包括: (1)针对航拍图像中小目标故障特征表达能力不足且受复杂背景影响严重,导致其难以准确检测的问题,提出一种动态特征优化下基于注意力机制的输电线路小目标故障检测算法。首先,设计动态特征优化算法以提高原始图像质量,增强小目标故障图像的清晰度;然后,在YOLOv5主干网络中嵌入高效通道注意力模型(Efficient Channel Attention,ECA),通过共享学习参数实现通道之间信息交互来增强故障目标在复杂背景中的显著度;其次,引入深度可分离卷积代替原网络卷积操作,减少网络参数量和运算量;最后,通过在CSPDarkNet中引入Mish激活函数加快网络收敛速度,进一步提升算法检测精度。通过与5种经典目标检测算法对比,实验结果表明,所提出算法具有明显优势,平均精度(mean Average Precision,mAP)可达 92.2%。 (2)针对航拍图像中小目标故障像素占比小及故障样本不足造成检测网络精度低的问题,提出一种融合先验知识的输电线路小目标故障检测算法。首先,为解决输电线路小目标故障样本匮乏导致网络检测精度低的问题,在实验室环境下构造输电线路小目标故障数据集对样本进行扩充;其次,构建基于视觉显著性的先验知识迁移模型,从实验室数据集中学习小目标故障特征,并将其迁移至主干网络中;接着,在主干网络中嵌入Transformer模块,从深层特征图中挖掘动静态上下文信息,从而提高网络对故障目标特征提取能力;然后,利用 Alpha-CIOU(Alpha-Complete Intersection overUnion)损失函数进一步提高定位准确性并降低网络漏检率;最后,将其与5种经典检测算法进行对比。实验结果表明,所提出算法mAP值最高,可达94.5%,同时具有良好的实时性,检测速度可达40fps,能够实现小样本条件下小目标故障的准确检测。

关键词： 冰风耦合   输电线路   电力金具   动力响应   疲劳寿命  

摘要： 随着社会经济的快速发展与科学新技术的不断涌现,人们对电能的需求与日俱增。新疆作为能源供应大省,为满足社会电力资源需求,正持续加快输电线路建设步伐。然而新疆地域面积大,气候环境复杂,输电线路在运行过程中极易受冰、风载荷的影响造成导线断裂、金具疲劳失效甚至杆塔倒塌,为电网运行带来了严重的安全隐患。本文对冰风耦合作用下输电导线动力响应与金具失效进行数值分析,具体工作如下: 输电导线是一类大跨、高柔结构,首先根据悬链线理论对输电导线在自重荷载作用下进行找形分析,即寻找初始时刻输电线的位形。在此基础上根据覆冰形式不同,分别建立均匀覆冰和线性覆冰输电导线模型。 基于输电线路实际运行工况,利用MATLAB软件依据谐波叠加法模拟得到多点相关的脉动风速时程曲线,根据线路规范风荷载公式,计算不同工况下的风荷载时程曲线;对输电导线进行风致振动响应分析,对不同覆冰状态下输电导线各特征参数和风速的相关性进行分析,并对导线振动特性以及动张力特性进行分析。结果表明在随机风作用下,线性覆冰对风速的相关性最强;相同风速下,覆冰厚度和覆冰形式对导线振动特性影响不大;均匀覆冰时,导线张力峰值随着覆冰厚度的增大而增大;线性覆冰状态下,中央重覆冰对导线张力的影响强于两侧重覆冰。 数值模拟得到随机风作用下不同覆冰形式导线端点处动张力和位移,采用ANSYS软件对极端环境下整体连接金具应力场进行数值仿真,得到金具易损位置。对局部易损金具U型挂环进行动力响应分析,分别探讨覆冰形式、张力变化、受力形式对U型环应力分布影响。结果表明连接金具在冰风载荷下,U型挂环最容易出现失效,其次是联板孔洞处与挂板弯折处。对U型环的动力响应分析中,导线均匀覆冰15mm时U型环应力值最大;导线线性覆冰时,中央重覆冰下U型环发生屈服面积大于两侧重覆冰。 在U型环动力学分析的前提下,提取结构的应力、应变曲线,基于临界面法的多轴疲劳损伤和Miner疲劳累计损伤理论,分析得到不同工况下U型环的疲劳破坏位置与疲劳寿命。结果表明疲劳损伤主要集中在上下U型环的接触部位,在导线未覆冰时,U型环在运行359天后可能出现失效;当输电导线覆冰5 mm时,U型环所受载荷增大,转动角度增大,受损更加严重。

关键词： 机载激光雷达   地面点滤波   点云分类   导线三维重建   安全距离检测  

摘要： 随着社会对电力资源需求的不断增长,输电线路规模逐年扩大,电力部门对于基础设施的安全运维工作也提出了更高的要求,传统人工巡检方式已无法满足电网高速发展的需要。机载激光雷达(Light Detection and Ranging,Li DAR)可快速获取输电线路高精度、高精细度的三维密集点云,具有非接触、效率快、无线损等优势,弥补了人工巡检效率低、风险系数高等缺陷,为电力巡检提供一种新的方式。本文以高压输电线路通道为研究对象,基于机载Li DAR探索地物要素分类策略和树障隐患检测分析方法,以不同电压等级的输电线路点云进行效果和精度验证,研究成果如下: (1)针对渐进加密三角网滤波(Progressive TIN Densification,PTD)算法统一滤波参数地面点提取效果较差的问题,本文提出基于地形认知的PTD滤波方法(Progressive TIN densification filter based on Terrain Awareness,PTDTA),利用坡度动态确定多级格网尺寸,实现地形分割与认知,针对不同地形特点采用差异化滤波参量精确提取地面点。结果表明:与PTD算法相比,PTDTA可有效提取复杂地形的特征,减少地面点错分、漏分现象,Ⅰ类误差平均下降2.55%,Ⅱ类误差平均下降1.14%,总误差平均下降1.76%。 (2)根据点云空间分布特点和地物特征差异,提出了地物逐要素分类方法,实现了导线、地线、杆塔、建筑物和植被依次提取。选取3种不同电压等级、不同地物分布的输电线路点云进行实验。结果表明:3种数据集均呈现较好的分类效果和精度,准确率、召回率和F1分别达到了95.36%、97.09%、96.21%。 (3)基于单根导线分割结果,利用直线-悬链线模型对导线进行三维重建,以最小二乘法求取导线模型最优参数。结果表明:3组数据的导线重建均方根误差分别为4.08cm、5.01cm和5.75cm;3组数据的导线重建最大误差分别为7.34cm、10.5cm和8.25cm,最大误差基本在两倍均方根误差内,说明导线重建精度较高且稳定,满足电力巡检精度。 (4)根据高压输电线路空间分布特点,设计了一种高压输电线路树障隐患预警分析方法。构建以导线矢量线为轴线的隐患候选区,剔除非隐患点并进行安全距离分级计算,先后以格网和独立点为最小单元进行安全距离检测,实现树障隐患预警。结果表明:本文安全距离检测结果与参考结果之间的误差绝对值优于0.2m,优于机载激光Li DAR电力巡检隐患诊断安全距离分析中规定的0.5m误差阈值,隐患定级结果与人工定级结果一致。

关键词： 新能源并网   MMC变频调谐装置   半波长输电线路   谐波源   谐波传递   谐波放大  

摘要： 在加快建设新型电力系统助力实现“双碳”目标的背景下,以传统化石能源为主体的能源结构已逐渐向以太阳能、风能等可再生能源为主体的能源结构转型。电网也呈现出高渗透率和高电力电子化等特征,造成电力系统谐波含量加大和高次谐波含量占比增加等问题。谐波在长距离输电线路上传递时,会发生谐波谐振放大现象,对线路和其它电力设备造成危害,因此对谐波在输电线路上的传递特性的研究显得尤为重要。根据光伏发电系统、风力发电系统以及模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)变频调谐装置的工作原理及控制策略搭建了含新能源并网的MMC变频调谐半波长输电系统仿真模型,仿真验证了光伏发电系统、风力发电系统以及MMC变频调谐装置控制策略的正确性,得到MMC变频调谐半波长输电线路的首末端电压以及沿线电压电流的波形分布均符合半波长输电特性。对于含光伏发电和风力发电并网接入电网产生的谐波问题,根据光伏发电并网逆变器所采用的双极性正弦脉冲宽度调制算法,得到并网逆变器输出谐波电压和注入电网的谐波电流特性;由于双馈风力发电机的气隙不均匀和网侧逆变器的调制方式,将DFIG定子侧和变流器分别等效为谐波电流源,进而对整个风电场的谐波源等效模型建模。而对MMC变频调谐装置逆变侧的交流输出电压进行谐波分析,可知逆变侧的交流输出电压一般以奇次谐波分量为主。针对谐波在MMC变频调谐半波长输电线路上的传递问题,给出输电线路基于分布参数的谐波等效π模型,并阐述了谐波在输电线路上的传递机理,推导出输电线路沿线谐波传递系数公式,并考虑到谐波次数、负载和功率因素对沿线谐波传递系数的影响,得到沿线谐波在调谐半波长输电线路上的传递规律。利用频率扫描法得出调谐半波长输电线路的理论和仿真模型的谐波阻抗曲线,分析二者差异,根据谐波阻抗曲线找出谐振点,验证基于谐振点频率对应的谐波电压和谐波电流在调谐半波长输电线路传递规律的准确性。受驻波效应的影响,考虑MMC变频调谐半波长输电线路频率分别为60Hz和75Hz时,线路带不同负载时的沿线谐波电压和谐波电流都出现了放大现象,进而为输电线路设计提供理论依据。

关键词： 输电线路异物   目标检测   卷积神经网络   YOLOv8算法  

摘要： 电能是最为重要的基础性能源之一。输电线路作为电力系统的重要一环,保证其安全稳定运行是十分必要的。由于长期暴露于室外,线路所面临的不安全因素繁多,异物入侵便是其中之一。异物可能会引起线路短路甚至诱发火灾,因此要加强输电线路的日常运维工作。然而受地理、环境等诸多条件限制,传统的人工巡检方式存在效率低、准确性差、覆盖面小等问题。无人机巡检作为一种新兴的巡线方式,如今被越来越广泛地应用。但鉴于无人机所获取的线路图像数据量庞大且存在的干扰因素较多,因此对其所运用的目标检测算法性能提出了较高的要求。为提高识别的准确率,本文针对巡检中存在的实际问题,提出了一种基于改进YOLOv8的输电线路异物检测算法。首先,通过开源数据集和网上获取建立输电线路异物的原始数据集,通过多种数据增强方式对其进行扩充并完成标注工作,构建包含鸟巢、风筝、气球三类常见异物的数据集。其次,为了保证检测的精度与实时性,通过分析现阶段各目标检测算法的特性并经过实验,验证了YOLOv8算法与本次任务具有较高的适配性,因此选取YOLOv8作为此次研究的基础模型。针对线路图像背景复杂的问题,本文做出第一个改进:在原YOLOv8结构的基础上添加注意力机制CBAM模块,提高模型对目标异物的检测能力。针对线路异物形状多变的问题提出了本文的第二个改进:引入可变形卷积DCNv2,使得网络可以更好的学习到发生形变的物体,进一步提高线路异物的检测精度。实验结果显示,改进后的YOLOv8模型在各项指标上都取得了较好的提升。以检测精度AP值为例,相较于原始的YOLOv8模型,风筝的AP值从最初的89.16%提升至93.42%,提高了4.26%;鸟巢由原本的89.10%提升至92.78%,提高了3.68%;气球从原来的96.24%提升至98.53%,提高了2.29%。三类异物的平均检测精度m AP值从原本的91.50%提升至94.91%,提升了3.41%。实验结果表明,改进后的YOLOv8算法较之前相比能够更加准确地对输电线路常见异物进行检测并识别出异物种类,验证了此次改进是合理有效的。

关键词： 输电线路   故障选线   故障定位   CNN   LSTM  

摘要： 随着电气时代的深入发展和信息时代的强势崛起,电力系统已与人们的日常生活和办公密不可分,可靠的输电线系统是保障电力网络稳定运行的重要基石。然而,由于自然环境、人为破坏等因素导致的输电线故障会对用电环境造成巨大的安全隐患。本文基于电力系统运行过程中产生的故障数据,针对故障选线和故障定位问题开展研究,主要研究内容如下: (1)针对输电线路发生故障时,因馈线零序电流较小,导致故障线路较难识别的问题,通过对电力系统中产生的真实故障数据进行分析,提出一种基于长短期记忆网络(Long Short-Term Memory,LSTM)的故障选线方法。根据样本分析结果,首先使用欧式距离的方法计算样本内各馈线的相似度,之后选取各样本内欧式距离最大的馈线,以该馈线数据最大值的位置为中心点向两边扩散选取数据。样本数据选取后,放入LSTM网络进行训练,使用k折交叉验证的方法寻找最优超参数,进而获得效果较好的模型。将本文所提方法与经典算法逻辑回归、支持向量机相比较,对比实验表明本文所提方法选线准确率较高,达到90.73%。 (2)针对输电线路发生故障时,故障位置需要快速找到并及时检修的问题,提出一种基于卷积神经网络和长短期记忆网络(Convolutional Neural NetworkLong Short-Term Memory,CNN-LSTM)的故障定位方法。使用MATLAB/Simulink仿真软件搭建故障定位仿真系统,编写脚本批量仿真三相电流数据。本文在仿真数据上验证CNN-LSTM模型的性能,并与CNN模型和LSTM模型相比较,对比表明本文所提方法性能更好。之后将所提方法应用于实际场景中,使用真实数据进行验证的定位相对误差在2.571%以内,有较好的定位效果。 (3)基于上述研究,开发电力故障诊断平台,该平台可管理电力基本信息,并将本文开发的模型融入平台中,现已投入实际应用。本平台便于管理人员直接在界面使用故障选线和故障定位功能,支持将故障定位信息以短信方式通知到检修人员,达到快速检修的目的。

关键词： 输电线路   巡检作业机器人   结构设计   动力学   虚拟样机仿真   实验验证  

摘要： 500kV四分裂高压输电线路是电能传输的重要途径,输电线路长期暴露在户外,会导致引流板螺栓松动、线上异物悬挂等不同故障发生,严重影响电力传输质量和人身安全。目前恶劣环境下500k V四分裂高压输电线路巡检作业主要依靠人工完成,作业效率低且存在人身安全隐患。因此,输电线路巡检作业机器人代替人工作业逐渐成为趋势。首先对输电线路环境特征进行分析,根据设计要求及作业任务,确定机器人构型方案和基本参数;对机器人巡检平台和作业臂进行机械结构设计,利用Soild Works软件绘制机器人三维结构模型,并完成越障动作和作业动作规划。分析机器人在输电线路上实际受力情况,考虑线缆倾角和自身倾角的影响,分析前、后行走轮驱动力变化情况;针对机器人在线缆的两种行进方式分别进行虚拟样机仿真,分析机器人沿导线巡检行走时及越障过程中,前、后行走轮与导线间接触力、行走轮驱动力矩变化情况,仿真结果显示机器人运行平稳、不会发生脱线或剧烈波动情况,具有较好的线缆适应能力。基于D-H法对作业臂进行运动学分析,根据实例验证了运动学仿真结果;运用Langrange方法建立动力学方程,通过ADAMS动力学仿真与MATLAB理论计算验证动力学方程正确性;根据关节力矩和角速度仿真结果参数,验证作业臂运动过程中无碰撞及冲击发生,运行较为平稳。完成样机组装及电控程序调试工作,利用实验室环境完成模拟线路搭建,进行机器人爬坡及越障实验。验证机器人结构合理,控制流程正确,性能指标可以满足预期要求。该论文有图85幅,表11个,参考文献60篇。

关键词： 输电线路   电网系统   地震易损性   抗震韧性   评价方法  

摘要： 地震是电力系统受到严重破坏的最常见原因之一,震后电力系统能否正常运行,是其他关键生命线系统、重要城市功能区域恢复功能的关键。进行电力系统抗震韧性研究可以了解电力系统抵抗地震、震后恢复的能力,进而可以做出相应的应急预案,最大限额减少人员伤亡和经济损失,预先了解韧性情况也可为电力系统未来的规划和设计提供参考。电力系统的韧性研究已经有许多成果,但对于如何评价区域内电网系统的韧性仍未有公认的方法,电网内输电线路的韧性情况也尚未完全了解。由此本文在输电线路及电网系统的韧性评价研究上做了以下工作:(1)从韧性定义、研究方法等方面总结了不同学者对于韧性理论部分研究成果,介绍了韧性相关标准等指导性文件的现状以及国内外目前电力系统韧性研究相关进展。(2)利用震害统计结果,拟合输电线路的易损性曲线,结合逻辑推导和实际停运、恢复供电时间,确定输电线路物理破坏与功能失效、修复时间的关系,得到输电线路韧性累积损失函数,划分了输电线路韧性等级。(3)对不同变电站和输电线路的重要程度进行讨论,提出电网系统的韧性评价方法,对电网的不同设施组合情况进行计算,分析其中不同要素对整体韧性的影响程度,并结合实际震害情况给出电网整体的韧性等级划分。(4)本文提出的方法对两地级市电网系统数据来进行试算,分析两者计算结果差异原因。

关键词： 金具目标检测   金具缺陷检测   知识蒸馏   教师网络   学生网络  

摘要： 输电线路金具巡检图像视觉信息较差,导致目标检测时性能优越的模型参数量大,参数量少的模型检测准确率低。本课题将轻量化算法之一的基于深度学习的知识蒸馏算法引入到输电线路金具及其缺陷图像检测任务中,根据自建数据集特点从特征迁移角度进行研究,促使教师网络有针对性的指导学生网络提高性能,实现资源消耗和精度的平衡。 针对航拍输电线路图像中金具目标占比小和背景过于复杂的特点,提出了一种基于共有特征评分的解耦知识蒸馏输电线路金具检测方法:首先根据groundtruth框解耦前景和背景区域,在前景区域对教师模型特征金字塔中每一层特征信息分类评分,聚合所有类别分类分数作为共有特征迁移掩码;其次为了不割裂整幅图像的完整性,利用Gc Block模块捕获金具目标与背景、金具和其他金具之间的关系,以此将教师模型生成的图像特征知识完整的迁移到学生网络。最后通过自建金具图像检测数据集验证了提出的方法有效性,实验结果表明:本方法应用于双阶段、单阶段检测模型均使学生网络检测性能大幅度提升,Faster R-CNN、Retina Net的学生网络m AP＿50分别提升了25.82%、31.36%,有些种类甚至超过了教师网络检测精度;Cascade R-CNN的学生网络针对防震锤、调整板、重锤目标具有显著提升。 由于金具缺陷图像数量较少、缺陷特征范围更小,为了将更有针对性的有效特征知识从教师网络迁移到学生网络,细化前景目标区域蒸馏任务,综合考虑图像特征在分类、回归中的作用,对特征像素进行质量评分,引入PGW模块选取前k个像素通过二维高斯函数和最大似然估计算法平滑这些像素对位置的影响;将蒸馏范围精确集中到质量分数得分最高的前k个特征像素的位置上,通过自建金具缺陷数据集验证方法的有效性,实验结果表明,本方法应用到Faster R-CNN、Retina Net、Cascade R-CNN三种不同检测模型中均提升了金具及其缺陷的检测准确率。Faster R-CNN中相比较学生网络添加了本知识蒸馏算法后m AP＿50提升了8.44%,Retina Net模型提升了2.6%,Cascade R-CNN模型提升了5.28%,为输电线路金具及其缺陷检测模型轻量化奠定了良好基础。

关键词： 巡检机器人   越障策略   轨迹规划   防偏摆控制  

摘要： 随着对高压输电线路检修质量要求的不断提高，利用巡检机器人取代传统人工作业已是大势所趋。双臂式巡检机器人常采用单臂抓线，另一臂离线跨越沿线电力金具、设施等障碍物，两臂交替进行，实现越障功能;为防止机器人在越障过程中出现行走臂末端运动不平稳、机体绕线偏摆等状况，避免与周围线路及电力金具发生碰撞干涉、脱线坠落等安全事故，本文围绕一种双臂轮式巡检机器人，对其越障过程中行走臂末端抓线轨迹及防偏摆控制方法展开研究，提高其越障时的抓线安全与稳定性。主要研究内容如下：　　巡检机器人构型及其越障策略分析。针对机器人运行线路结构特征，提出一种具有11自由度的双臂轮式巡检机器人构型方案，使其能跨越多种不同类型线路金具;根据沿线电力金具结构特点将接续管、绝缘子串、杆塔等常见障碍物划分为直接跨越型、侧面跨越型、转向跨越型三类，并结合机器人构型制定其越障步态策略，规划跨越各类型障碍物的单步越障动作序列，为后续进一步研究越障抓线轨迹规划方法奠定平台基础。　　巡检机器人越障抓线轨迹规划方法研究。针对机器人越障时各关节频繁启停导致行走臂运动不平稳、易与线路金具发生碰撞的问题，提出融合七次非均匀B样条曲线的无碰撞越障抓线轨迹规划方法。首先，建立机器人运动学模型描述其行走轮组件位姿与关节空间的映射关系，结合越障原理求取其关节空间的无碰撞区域，制定无碰撞中间路径点选取原则;其次，采用七次非均匀 B 样条曲线拟合中间路径点，构造高阶连续、边界可控的无碰撞越障轨迹;最后，结合NSGA-Ⅱ算法求取行走臂末端时间-冲击最优越障轨迹，利用Matlab软件仿真分析可知，巡检机器人各关节按照所求解轨迹运动能避免越障抓线过程中机器人与线路金具发生碰撞，各关节运动速度、加速度和急动度曲线平滑连续，振动冲击小。　　巡检机器人防偏摆控制方法研究。搭建巡检机器人单臂抓线时绕线偏摆数学模型，结合机器人结构特征提出一种自适应防偏摆控制方法，减少机体绕线缆旋转摆动与机身偏移现象发生;为应对复杂的工作环境与外界干扰，设计模糊 PID 控制器，分别在Matlab与Adams中搭建机器人防偏摆控制器和虚拟样机模型，联合仿真结果表明，该方法能有效抑制机器人绕线偏摆，相较于传统 PID 控制方法具有更好的动态控制精度与抗干扰能力。　　本文研究了双臂轮式巡检机器人越障抓线轨迹规划及防偏摆控制方法，并通过虚拟样机仿真验证了理论模型与方法的正确性;完成了机器人实体样机的加工、装配及调试工作，并进行了实体样机实验，结果表明，本课题提出的巡检机器人构型方案、越障抓线轨迹规划及防偏摆控制方法能实现机器人无碰撞、平稳地跨越沿线障碍物，为高压输电线路巡检机器人实用化、市场化提供理论与技术支撑。