基于通用航空无人机的输电线路绝缘子串风偏在线监测装置的制作方法

本发明涉及智能电网输电线路状态监测，具体为基于通用航空无人机的输电线路绝缘子串风偏在线监测装置。

背景技术：

1、输电线路是电力系统的重要组成部分，输电线路的安全稳定运行直接关系到电网的可靠供电，在强风等气象条件下，悬挂导线的绝缘子串会发生风偏摆动，当风偏角过大时，导线与杆塔本体之间的电气安全净空距离会减小，容易引发线路放电闪络或跳闸故障，因此，对绝缘子串的风偏状态进行在线监测是保障电网安全的重要环节，近年来，通用航空无人机因其机动性强、巡视范围广，逐渐成为输电线路巡检与状态监测的重要载体。

2、在现有的无人机巡检技术中，行业内主要通过在机载平台上搭载可见光摄像机或激光雷达等传感设备来获取线路状态，在实际应用中，无人机沿输电通道飞行，利用相关载荷对绝缘子串及导线进行拍摄或扫描，获取目标的二维图像或三维点云序列，系统利用几何测量与视觉算法提取绝缘子串的图像特征点，并结合杆塔的静态物理尺寸，通过空间坐标换算间接评估绝缘子串的风偏角度及偏移距离。

3、但现有的机载监测方案在强风环境中存在技术局限性，无人机在执行风偏监测的实际飞行工况下受气流干扰，机体会产生偏航、俯仰与滚转运动，现有基于方向敏感性数据的测量方式依赖硬件层面的空间姿态基准，通常需要依靠惯性导航硬件结合机械增稳云台进行实时姿态补偿，由于机械补偿存在响应延迟，且惯性导航数据在机动飞行下容易产生累积误差，导致无人机自身的姿态变化与被测目标的位移产生耦合误差，这种依赖硬件数据补偿的技术路径，难以在无人机高动态飞行状态下在数值计算层面剥离机体姿态干扰，导致难以实现对空间特征数据的稳定提取，制约了风偏监测的可靠性。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了基于通用航空无人机的输电线路绝缘子串风偏在线监测装置，解决了现有机载监测方案在强风环境下进行风偏监测时极度依赖硬件数据补偿，难以在数值计算层面剥离无人机自身的机动姿态变化与被测目标位移所产生的耦合误差，导致无法稳定提取空间特征数据并制约监测可靠性的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：基于通用航空无人机的输电线路绝缘子串风偏在线监测装置，其特征在于，包括：通用航空无人机、全张量磁力仪阵列、高精度rtk-gnss定位模块以及机载计算单元；

3、所述全张量磁力仪阵列安装于所述通用航空无人机，所述高精度rtk-gnss定位模块安装于所述通用航空无人机，所述全张量磁力仪阵列以及所述高精度rtk-gnss定位模块分别与所述机载计算单元连接；

4、所述机载计算单元内集成有同步采集与解耦模块、张量姿态解耦模块、三维坐标反演模块以及风偏几何解算模块；

5、所述全张量磁力仪阵列，用于采集输电通道空间内的高频时序混合交变磁场信号；

6、所述高精度rtk-gnss定位模块，用于获取所述通用航空无人机的空间位置数据以及同步时间戳信息；

7、所述机载计算单元，用于依据所述同步时间戳信息实现所述高频时序混合交变磁场信号与所述空间位置数据的时空对齐，并根据所述空间位置数据，提取预存在所述机载计算单元内的输电线路gis空间台账数据中的绝缘子串上端点三维坐标；

8、所述同步采集与解耦模块，用于接收所述高频时序混合交变磁场信号，并在复数域内对所述高频时序混合交变磁场信号进行相量分解计算，输出单相正交磁场分量；

9、所述张量姿态解耦模块，用于接收所述单相正交磁场分量，通过空间有限差分算法计算所述单相正交磁场分量的空间变化率以构建三阶的磁场梯度张量矩阵，并提取所述磁场梯度张量矩阵的张量不变量；

10、所述三维坐标反演模块，用于接收所述张量不变量，将所述张量不变量输入构建的磁源空间反演方程中，并在构建的空间刚性惩罚约束条件限制下进行最优化求解计算，输出目标导线磁中心瞬态三维坐标；

11、所述风偏几何解算模块，用于接收所述目标导线磁中心瞬态三维坐标以及所述绝缘子串上端点三维坐标，将所述绝缘子串上端点三维坐标与所述目标导线磁中心瞬态三维坐标进行空间几何矢量连接，生成绝缘子串瞬态空间直线模型，并将所述绝缘子串瞬态空间直线模型执行正交投影计算，对应输出纵向风偏角以及横向风偏角。

12、优选的，所述全张量磁力仪阵列包括多个磁力仪探头，多个所述磁力仪探头按照十字型构型排列；

13、所述同步采集与解耦模块具体用于：将所述同步时间戳信息与所述高频时序混合交变磁场信号的采样周期进行时间基准对齐，并按照所述采样周期向所述高频时序混合交变磁场信号添加时间标记，输出带时间标签的磁场时序序列。

14、优选的，所述同步采集与解耦模块还用于：

15、利用工频对所述高频时序混合交变磁场信号进行锁相提取，从所述带时间标签的磁场时序序列中提取工频基波频率参数；

16、根据所述工频基波频率参数，对所述带时间标签的磁场时序序列执行离散傅里叶变换计算，将所述带时间标签的磁场时序序列由时域转换至复数频域，计算得到频域混合磁场相量；

17、提取预设的三相交流电电气相位差参数，依据磁场叠加原理，将所述频域混合磁场相量设定为三相独立磁场相量的矢量和；

18、将所述三相交流电电气相位差参数作为复数系数，分别对应赋予所述三相独立磁场相量，利用所述三相交流电电气相位差参数构建复数域线性解耦方程组；

19、将所述频域混合磁场相量代入所述复数域线性解耦方程组中进行数值求解，通过求解所述复数域线性解耦方程组将所述频域混合磁场相量进行信号剥离，输出分离后的a相正交磁场分量、b相正交磁场分量以及c相正交磁场分量，所述a相正交磁场分量、所述b相正交磁场分量以及所述c相正交磁场分量共同构成所述单相正交磁场分量。

20、优选的，所述张量姿态解耦模块具体用于：

21、提取预存在所述机载计算单元内部的所述全张量磁力仪阵列的探头基线距离参数；

22、将所述探头基线距离参数作为空间差分步长，利用所述探头基线距离参数对所述单相正交磁场分量执行空间有限差分计算，输出空间磁场变化率数据；

23、根据所述空间磁场变化率数据，构建所述磁场梯度张量矩阵，所述磁场梯度张量矩阵由九个空间梯度分量构成；

24、根据所述磁场梯度张量矩阵内的各个所述空间梯度分量，提取所述磁场梯度张量矩阵的所述张量不变量，以此在数值计算层面剥离所述通用航空无人机偏航运动、俯仰运动以及滚转运动引起的姿态耦合误差。

25、优选的，所述张量姿态解耦模块提取所述磁场梯度张量矩阵的所述张量不变量的具体运算过程为：

26、分别计算各所述空间梯度分量的平方数值，并将对应交叉方向上的所述空间梯度分量的平方数值进行乘以二的加倍运算；

27、将各所述空间梯度分量经过运算后的数值进行求和，获取所述张量不变量。

28、优选的，所述三维坐标反演模块具体用于：

29、根据毕奥-萨伐尔定律构建所述磁源空间反演方程；

30、从所述输电线路gis空间台账数据中提取相间安全距离参数以及分裂导线几何间距参数；

31、在所述磁源空间反演方程的迭代计算过程中，计算当前迭代的三相导线的三维空间坐标数值之间的相对空间距离；

32、将所述相对空间距离与所述相间安全距离参数以及所述分裂导线几何间距参数进行差值比对，依据差值比对获取的距离偏差数值构建所述空间刚性惩罚约束条件；

33、将所述空间刚性惩罚约束条件作为正则化项引入所述磁源空间反演方程中，根据引入所述空间刚性惩罚约束条件后的所述磁源空间反演方程，生成非线性最优化目标函数；

34、采用莱文贝格-马夸特算法对所述非线性最优化目标函数执行迭代优化求解计算，获取满足所述空间刚性惩罚约束条件收敛标准的三维空间坐标数值，将所述三维空间坐标数值作为所述目标导线磁中心瞬态三维坐标进行输出。

35、优选的，所述风偏几何解算模块还用于：

36、从所述输电线路gis空间台账数据中提取绝缘子串物理总长度；

37、提取所述绝缘子串上端点三维坐标中的高程坐标数值以及所述目标导线磁中心瞬态三维坐标中的高程坐标数值；

38、利用提取的两个所述高程坐标数值计算高度差值，将所述高度差值与所述绝缘子串物理总长度进行比值计算，并对这个比值执行反余弦函数运算，输出综合瞬态风偏角。

39、优选的，所述风偏几何解算模块执行正交投影计算的过程包括：

40、从所述输电线路gis空间台账数据中提取当前杆塔与相邻杆塔的三维坐标参数，根据所述三维坐标参数解析出输电线路通道的走向参数；

41、根据所述走向参数在三维空间内构建线路走向平行平面以及线路走向垂直平面；

42、将所述绝缘子串瞬态空间直线模型分别向所述线路走向平行平面以及所述线路走向垂直平面执行正交投影计算，分离输出所述纵向风偏角以及所述横向风偏角。

43、优选的，所述风偏几何解算模块还用于：

44、从所述输电线路gis空间台账数据中提取绝缘子串物理总长度；

45、利用所述纵向风偏角以及所述横向风偏角的数值，结合所述绝缘子串物理总长度，通过三角函数计算目标导线的瞬态空间偏移距离；

46、将所述瞬态空间偏移距离与预设的安全边界数值进行空间几何减法运算，计算并输出瞬态安全净空距离。

47、优选的，所述全张量磁力仪阵列具体安装于所述通用航空无人机的机腹位置；

48、所述高精度rtk-gnss定位模块具体安装于所述通用航空无人机的机身顶部。

49、本发明提供了基于通用航空无人机的输电线路绝缘子串风偏在线监测装置。具备以下有益效果：

50、1.本发明通过构建磁场梯度张量矩阵并提取张量不变量作为目标观测数值，替代具有方向敏感性的三维矢量磁场数据，在数值计算层面剥离通用航空无人机偏航运动、俯仰运动以及滚转运动引起的姿态耦合误差，摆脱了对惯性导航硬件数据补偿的依赖，实现了在无人机高动态飞行状态下对输电线路空间磁场变化率的稳定提取以及风偏非接触式在线监测效果。

51、2.本发明通过提取高频时序混合交变磁场信号的工频基波频率参数并转换至复数频域，结合三相交流电互差一百二十度的空间相位数值构建复数域线性解耦方程组进行数值求解，将输电线路三相电流共同叠加激发的混合磁场分量进行信号剥离，实现了从混合磁场环境中分离出各相独立的单相正交磁场分量并为后续瞬态三维坐标反演提供观测数据源的抗干扰效果。

52、3.本发明通过根据毕奥-萨伐尔定律构建磁源空间反演方程，提取输电线路gis空间台账数据中的相间安全距离参数与分裂导线几何间距参数，利用当前迭代相对空间距离的差值比对构建空间刚性惩罚约束条件，并将空间刚性惩罚约束条件作为正则化项引入非线性最优化目标函数中执行迭代优化求解，实现了克服无约束反演方程多解问题以及目标导线坐标精准反演的效果。