Возможности применения беспилотных авиационных комплексов в электроэнергетике для мониторинга лэп
ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫХ АВИАЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ЛЭПДля переписки:vb@rusdrone.ru
Ключевые слова: беспилотник, воздушное судно, авиационная система, мониторинг и обследование линий электропередачи
Аннотация. В статье рассмотрены основные направления применения БВС для мониторинга линий электропередачи (ЛЭП). Приведены экономические расчеты и основные технические и программные компоненты, необходимые для решения основных производственных задач диагностики ЛЭП в электросетевом секторе электроэнергетики РФ.
potential application of unmanned aerial systems in the electric power industry for electrical transmission lines monitoring tasks
Addressed: vb@rusdrone.ru
Keywords: drone, aerial vehicle, aerial system, electrical transmission lines monitoring and survey
Abstract. Basic areas of UAV application for electrical transmission lines (ETL) monitoring will be discussed in this article. Cost analysis and primary hardware & software components required to major ETL survey industrial tasks in power supply network of electric power industry of Russian Federation will be presented.
Аббревиатуры: БВС – Беспилотное Воздушное Судно.
БАС – Беспилотная Авиационная Система.
ИВП – Использование Воздушного Пространства
ДЗЗ – дистанционное зондирование Земли.
ПН – Полезная Нагрузка.
ЛЭП – линии электропередачи.
ВЛ – воздушные линии.
ВведениеВопросы применимости беспилотных летательных аппаратов для использования в топливно-энергетическом комплексе страны, в том числе в электроэнергетике, обсуждаются достаточно давно [1, 2]. Ранее уже проводились работы по мониторингу линий электропередачи при помощи БВС, показавшие перспективность применения данного метода анализа состояния высоковольтных линий и прилегающей инфраструктуры, а также для мониторинга ЛЭП при аварийно-восстановительных работах [3]. При работе с труднодоступными участками ЛЭП наземное обследование может затянуться на несколько дней или даже недели в отличие от обследований с использованием БВС, которое уменьшает время обследования до нескольких часов. Однако быстрое развитие технических платформ БВС и алгоритмов обработки геопространственной информации [4,5] диктует необходимость более глубокой оценки возможностей беспилотников в интересах электроэнергетики и электросетевого комплекса Российской Федерации.
Перечислим основные виды работ, для которых возможно применение беспилотников:
плановая диагностика – облёты воздушных линий (ВЛ), наблюдение и фотографирование на малых и средних высотах, инспекция ВЛ и охранной зоны, выявление дефектов и нарушений, определение пространственных (3D) нарушений габаритов просеки и проводов;
аварийно-восстановительные работы − облёт ВЛ на средних высотах при различных метеоусловиях, в ночное время с использованием фотовспышки или тепловизора;
картографические работы − создание цифровых топографических и кадастровых планов, трёхмерных моделей местности и линий электропередачи, сопровождение работ по строительству и реконструкции ВЛ.
Данный способ обследования ВЛ является безопасным, так как полёт осуществляется на малых высотах и без экипажа на борту. Кроме этого, существует ещё ряд преимуществ: возможность съёмки в сложных метеоусловиях; полнота обследования, т.е. ВЛ обследуется на всей протяжённости, съёмка осуществляется с разных ракурсов, а получаемые снимки имеют высокое разрешение.
Основные БВС самолётного типа для обследования ВЛ, используемые в России (рис. 1, табл. 1), − это БВС «Геоскан» компании «Геоскан», г. Санкт-Петербург [7], БВС «Суперкам» компании «Финко», г. Ижевск [8] и БВС «Птеро» компании АФМ-Серверс (г. Москва) [9]. Кроме самолётных БВС активно внедряются БВС мультироторного типа, такие как «Геоскан 401», «Суперкам Х8» и «Форпост Х6»(рис. 2). «Птеро-G0» «Суперкам S350f» «Геоскан 201»
Рис. 1. Основные БВС самолётного типа для обследования ВЛ, используемые в России «Геоскан 401» «Суперкам Х8» «Форпост Х6»
Рис. 2. БВС мультироторного типа
Таблица 1 Основные характеристики беспилотников [6]
На рис. 3 показаны кадры обследования ЛЭП с борта БВС «Геоскан 401»,
Рис. 3. Кадры обследования ЛЭП с борта БВС «Геоскан 401»
Рис. 4. Схема мониторинга ЛЭП с мультироторного БВС
а)
Рис. 5. Снимки, сделанные с БВС «Птеро» с разрешением 0,7 см на пиксель
При проведении аэрофотосъёмочных работ можно получить снимки высокого разрешения и по ним проанализировать достаточно большое число дефектов, таких как:
дефекты опор:
отсутствие, отрыв, деформация элементов металлических опор;
выкрошивание бетона, деформация железобетонных опор;
отклонение опор от вертикали;
разворот, деформация траверсов на железобетонных опорах;
отсутствие натяжения внутренних стяжек и тросовых растяжек;
падение, повреждение опор;
дефекты провода, линейной и сцепной арматуры:
разрушение элементов стеклянных и фарфоровых изоляторов;
отсутствие гасителей вибрации, отсутствие грузов, потеря работоспособности несущего тросика, смещение виброгасителей вдоль проводов относительно проектного положения;
отсутствие и неправильное расположение соединителей проводов;
изломы, отрывы лучей дистанционных распорок между проводами расщеплённой фазы;
обрыв проводов;
дефекты на трассе:
наличие опасной для эксплуатации ВЛ растительности;
падение деревьев на провода и опоры;
наличие древесно-кустарниковой растительности (ДКР) в охранной зоне;
наличие строений и прочих объектов в охранной зоне;
пересечение с природными и антропогенными объектами;
опасные явления (проседание грунта, подтопление и др.).
Ручной просмотр снимков специалистом − достаточно трудоёмкая задача, однако для определения большинства дефектов этот способ пока единственный. Сравнение стоимости работ при обследовании ВЛ наземной группой специалистов и при использовании БВС приведено в табл. 2.
Таблица 2 Экономический эффект при использовании БВС для обследования ВЛ
* Расстояние полёта учтено при условии полета в одну и другую сторону. Не взят запас на маневры над ВЛ, который зависит от самой кривизны линии и частично от скорости ветра. При углах поворота около 12–15 градусов БВС вынужден пролететь этот участок, совершив манёвр (петлю). При экстремальных температурах и сильном ветре полётное время снижается. Использование в дождь не вредит БВС, однако может негативно сказаться на качестве получаемого фотографического материала.
** Цены взяты с сайта [10], актуальны на конец 2015 г.
*** Не учтены расходы на транспорт и другое оборудование.
**** При условии ежедневного использования при 500 взлётов/посадок (250 дней); расчёт на эксплуатацию в течение 3 лет и при полной амортизации оборудования.
Рассмотрим технологии, которые позволяют уменьшить объём трудоёмкого ручного просмотра фотоматериалов и увеличить практическую пользу от результата, количества и качества получаемой аналитической информации. Для этого вся информация должна попасть в геоинформационную систему (ГИС), которая позволяет объединить все результаты обследования в единой базе данных с наглядным отображением обследуемых объектов (с привязкой к местности).
Перечислим возможности ГИС:
анализ местности;
быстрый доступ к результатам обследования (описанию обнаруженных дефектов);
быстрый доступ к фотографическим изображениям обнаруженных дефектов;
быстрый доступ к 3D-моделям местности и линии электропередачи.
Технологическая цепочка Геосканвыглядит так: беспилотник снимает ВЛ, затем снимки с координатами и телеметрическими данными автопилота загружаются в фотограмметрическое программное обеспечение (ПО), в котором изображения ортотрансформируются и «сшиваются», после чего всё загружается в ГИС, в которой происходит анализ полученных данных (рис. 6).
Рис. 6. Технологическа цепочка получения и обработки данных Геоскан
Далее рассмотрим технологию обследования линий электропередачи на примере ГК Геоскан, технологии других компаний будут рассмотрены в следующих статьях.
Полет БВС осуществляется в четыре пролёта вдоль линии электропередачи с 80%-м перекрытием. Каждая точка на снимке имеет 12-кратное перекрытие. Для увеличения скорости работ можно использовать сразу два беспилотника, запуская их в одну и другую сторону вдоль линии.
Полученные снимки сразу загружаются в ГИС «Спутник ЛЭП», где происходит их «сшивка» автоматически подключающимся ПО «PhotoScan» (рис. 7, 8) [11]. В результате получается большое количество информации, которая не была бы доступна при визуальном осмотре или рассмотрении аэрофотоснимка (рис. 9-16), причём точность восстановления провода составляет 10–15 см.
Рис. 10. 3Dмодель ЛЭП (ПО Спутник ЛЭП)
При использовании технологии компании «Геоскан» можно получить:
ортофотоплан и цифровую модель местности полосы шириной 200 м;
геодезические координаты всех опор линии электропередачи;
расстояние между опорами;
стрелу провиса каждого пролёта ВЛ;
число и расположение угрожающих деревьев;
площадь залесенности внутри существующей просеки;
площадь залесенности для расширения линии при проектной ширине просеки 50 м: 25 м влево и 25 м вправо (число деревьев, их диаметр и кубатура деловой древесины);
дефекты изоляторов;
дефекты опор;
дефекты арматуры;
высоту каждой опоры над уровнем моря (в метрах);
возможность определения наиболее пригодных для подъезда (подхода) к линии путей и дорог.
Кроме этого, подготовлена программа для работы специалистов службы линий для определения габаритов проводов, замеров расстояний над реками, озёрами и дорогами, определения характеристик угрожающих деревьев, визуального осмотра состояния опор, изоляторов и проводов.
При благоприятных условиях в день с одного самолета можно снять до 200 км ЛЭП. Таким образом, решается задача замены трудозатратных полевых работ последовательностью автоматизированных операций, появляется возможность визуальной оценки данных в трёхмерном изображении, специалисты получают материалы в удобной форме (вывод и представление рассчитанных показателей).
При использовании БВС для обследования линий электропередачи в качестве полезной нагрузки могут быть использованы и другие камеры.
Видеосъёмка при обследовании ВЛс передачей видеоизображения в режиме реального времени на пульт оператору, в первую очередь, имеет смысл использовать для оперативного контроля линии при чрезвычайной ситуации. Большинство дефектов с высоты 200 м плохо различимы, а само разрешение видеокадра в формате FullHD– всего 2 Мп (1920 × 1080), что в 12 раз меньше чем у фотокамеры SonyRX-1, активно применяющейся для аэрофотосъёмки. При этом передача видеоизображения составит не более 30 км, в противном случае БВС надо будет поднять выше для увеличения дальности передачи.
Однако съёмка элементов линии электропередачи при помощи небольшого коптера, оборудованного камерой типа GoPro, с расстояния 3–5 м позволит выполнить обследование верхних элементов ближайшей опоры ВЛ без привлечения подъёмника или вертолёта, а также без отключений на линии.
Тепловая съёмка при обследовании ВЛ. Имея хорошую чувствительность (0,1–0,3 K), все используемые тепловизоры имеют невысокое разрешение, обычно 640 × 480 (рис. 17-18).
При высоте полёта 200 м с помощью тепловизора, установленного на самолетном БВС, можно выявлять такие нарушения, как подтопление в охранных зонах, разрушение опор, а также нарушения, которые вызвали нагрев значительной площади (около 1 м2), например, перегрев крупных трансформаторов, пожары. Для рассмотрения нарушений на площади менее 1 м2 разрешение недостаточное. ·
Съёмка элементов ВЛ при помощи тепловизора, установленного на мультироторном БВС, оптимальна, если к объекту съёмки нельзя подойти.
Ультрафиолетовая съёмка при обследовании ВЛ. УФ-камеры работают в диапазоне 240–280 нм(UVc). В этом диапазоне солнечная радиация поглощается атмосферным озоном, что делает возможным наблюдение частичных поверхностных разрядов (короны) при естественном освещении. Некоторые виды дефектов могут быть выявлены только в ходе такой съёмки (рис. 19).
Рис. 19. Коронные разряды в УФ спектре.
Для выявления дефекта необходимо обеспечить экспозицию обследуемого участка в течение 5–10 с. За это время счётчик импульсов прибора сможет получить усреднённый показатель разрядной активности. При постоянной съёмке в движении на скорости 70–90 км/ч некоторые источники разрядной активности останутся незамеченными, а на некоторых будут зафиксированы пиковые значения разрядной активности, которые могут на порядок превышать средние значения.
Проблема необходимости оставаться в одной точке во время экспонирования кадра может быть решена применением мультироторного летательного аппарата как носителя камеры.
Лазерное сканирование при обследовании ВЛ. Легкие лазерные сканеры, выпущенные специально для использования на БВС, имеют ограничения по дальности порядка 100 м, к тому же учитывая, что сечение провода круглое и может рассеивать часть сигнала, съёмку лучше выполнять с высоты 50 м, а это является неприемлемым для использования самолётного БВС (рис. 20). Использование такой сканирующей системы на мультироторном БВС вполне возможно.
Рис. 20. Облако точек на основе лазерного сканирования
В мире прослеживается тренд по созданию систем автоматизированного мониторинга с помощью беспилотников. Одну из таких систем для автономного мониторинга линейных объектов предложила СъемкаСВоздуха.РФ: система AeRod(рис. 21) позволяет на базовых станциях, размещенных на опорах ЛЭП или других подведомственных объектах, за счет уникальных механизмов осуществлять автоматические взлет/посадку и подзарядку летательных аппаратов с вертикальным взлетом и посадкой.
Некоторые аспекты юридической стороны вопроса применения БВС для обследования ВЛ. По действующему Воздушному кодексу для полёта беспилотника необходимо закрывать воздушное пространство для полётов в этой зоне для других воздушных судов. Для этого необходимо за 5 суток до полёта подать заявку на использование воздушного пространства в местный зональный центр.
Выводы: 1. Существующие технические средства БВС и технологии обработки геопространственных данных могут решать широкий круг задач при проектировании и эксплуатации линий электропередачи и других объектов электроэнергетики.
2. Применение БВС при мониторинге состояния воздушных линий электропередачи в рамках крупной региональной или федеральной сетевой компании может дать экономию средств в размере десятков и сотен миллионов рублей.
3. Особенно эффективно применение БВС в труднодоступных районах и при сложном рельефе местности.
4. Использование БВС позволяет существенно увеличить оперативность мониторинга и сократить сроки проведения обследований и ремонтно-профилактических работ.
5. В зависимости от комплектации сенсоров на БВС и специализированного программного обеспечения возможно одновременное получение существенно расширенного объема информации о состоянии объектов электроэнергетики и параметров и рисков в пределах охранных зон.
Список литературы: 1. EV. Энерговестник. Использование беспилотных летательных аппаратов в ТЭК.//energovestnik.ru, 22.10.2015.
2. А. Валиев. Эксплуатация беспилотников в электросетевом комплексе России.// «Электроэнергия», № 6, 2011 г.
3. Инновационные и отраслевые решения с использование беспилотников (проект СъемкаСВоздуха.РФ) - http://rusdrone.ru/otraslevye-resheniya/monitoring-lep.html
4. Барбасов В.К., Орлов П.Ю., Руднев П.Р., Гречищев А.В. Применение малых беспилотных летательных аппаратов для съемки местности и подготовки геоинформационного контента в чрезвычайных ситуациях // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2013. Т. 7. № 2. С. 61-66.
5. Барбасов В.К., Гречищев А.В., Орлов П.Ю., Руднев П.Р., Левин Е.Л. Мультироторный БПЛА как средство получения геоинформационного контента в чрезвычайных ситуациях // В сборнике: Геоинформационные науки и экологическое развитие: новые подходы, методы, технологии. Геоинформационные технологии и космический мониторинг VI международная конференция, материалы в 2 томах. 2013. С. 234-240.
6. Барбасов В.К., Гречищев А.В. Мультироторные беспилотные летательные аппараты, представленные на российском рынке: обзор // Инженерные изыскания. 2014. № 8. С. 27-31.
7. Сайт компании Геоскан - https://www.geoscan.aero/
8. Сайт компании Финко (беспилотники Суперкам) - http://unmanned.ru/
9. Сайт компании АФМ-Серверс - http://ptero.ru/aerialsurvey/diagnostics.html
10. Сайт компании Agisoft PhotoScan - http://www.agisoft.com/ |
