автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Повышение точности определения координат мест повреждений воздушных линий электропередачи при их дистанционном обследовании

На правах рукописи

Макаренко Григорий Константинович

Повышение точности определения координат мест повреждений воздушных линий электропередачи при их дистанционном обследовании

Специальность: 05.11.13 — Приборы и методы контроля природной

среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 ч НОЯ 2013

005539996

Омск-2013

005539996

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет», кафедра «Радиотехника», г. Красноярск

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент,

заведующий кафедрой «Радиоэлектронные системы» ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» Алешечкин Андрей Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой «Средства связи и информационная безопасность» ФГБОУ ВПО «Омский государственный

технический университет» Майстренко Василий Андреевич

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Автоматика и телемеханика» ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» Демьянов Владислав Владимирович

Ведущая организация: ОАО «Научно-производственное

предприятие «Радиосвязь», г. Красноярск

Защита диссертации состоится «20» декабря 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.178.01 в Омском государственном техническом университете по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, корпус 8, ауд. 421.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета.

Автореферат разослан « /3 » ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н.

В. Л. Хазан

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время актуальными задачами электроэнергетических систем являются повышение надежности и эффективности энергообеспечения потребителей. По статистике, более 80% нарушений в распределительных электросетях связаны с повреждением воздушных линий (BJI) электропередачи. Исходя из этого особое значение приобретает разработка мероприятий по совершенствованию приборов и методов контроля ВЛ с целью определения и увеличения показателей надежности объектов электроснабжения, выявления и локализации мест повреждений оборудования, а также участков с повышенными тепловыми потерями. Возрастает актуальность реализации систем эффективной эксплуатации энергетического оборудования с учетом его технического состояния. В данных системах определяющую роль играют средства и методы контроля, позволяющие проводить дистанционное обследование ВЛ и выявлять нарушения работы в процессе эксплуатации ВЛ под нагрузкой.

Одним из перспективных методов дистанционного контроля состояния В Л электропередачи является тепловизионный. Проблемам и методам тепловизионного мониторинга посвящен ряд работ современных авторов по отраслевой энергетике: A.B. Афонина, С.А. Бажанова в 2000г., В.П. Вавилова и А.Г. Климова в 2002 г. Зарубежные фирмы, занимающиеся проведением тепловизионного контроля, в настоящее время ссылаются на стандартное руководство по инфракрасному обследованию электрического и механического оборудования Е 1934-99а в редакции 2010 г., разработанного Американским обществом по тестированию материалов ASTM. Однако в известных работах не содержится результатов, позволяющих однозначно утверждать о создании методов, в полном объеме обеспечивающих решение задачи дистанционного тепловизионного контроля электрических сетей, наряду с автоматической координатной привязкой полученных тепло— и видеоизображений объектов диагностики. Анализ публикаций в технической литературе и рекламных материалов показывает, что все предлагаемые методы либо обладают низкой точностью определения координат мест повреждений, либо имеют слабые возможности автоматизации получения диагностической информации. Многие из методов предполагают фиксацию оператором в ручном режиме номеров опор, в пролете которых обнаружены эксплуатационные аномалии, т.е. точность определения места повреждения В Л становится сравнимой с межопорным расстоянием, которое достигает 100 и более метров.

На основании вышеизложенного задача разработки методов и средств повышения точности и уровня автоматизации определения координат мест повреждений ВЛ при их дистанционном обследовании средствами тепловизионного и оптического контроля представляется весьма актуальной.

Целью работы является повышение достоверности результатов и расширение возможностей автоматизации процессов тепловизионной диагностики на основе разработки моделей, алгоритмов и методов

дистанционного высокоточного определения координат объектов, отображаемых на тепловизионных и оптических изображениях, с использованием результатов измерений, получаемых от угломерной навигационной аппаратуры потребителей (НАЛ) спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС и GPS.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе ставятся и решаются следующие задачи:

1) Разработка алгоритма определения координат объектов, отображаемых на тепловизионных и оптических изображениях, получаемых в ходе дистанционной диагностики электроэнергетических систем с борта JIA;

2) Расчет погрешностей определения координат объектов, отображаемых на тепловизионных и оптических изображениях на основе использования методов оценки погрешностей косвенных измерений и статистического моделирования;

3) Разработка структуры системы дистанционной диагностики объектов электроэнергетических систем, реализующей разработанный метод определения координат объектов, использующий результаты измерений угломерной НАП СРНС.

Научная новизна.

1) Разработаны и экспериментально проверены новые алгоритмы и программы определения координат объектов тепловизионных и фотографических изображений, использованные в системе дистанционной диагностики объектов воздушных линий электропередачи.

2) Разработаны и подтверждены результатами моделирования новые алгоритмы расчета погрешностей координатной привязки объектов, отображаемых на оптических и тепловизионных изображениях, позволяющие выполнять оценку погрешностей без выполнения затратного по времени статистического моделирования.

3) Впервые предложена структура системы диагностики состояния воздушных линий электропередачи, позволяющая автоматизировать и повысить точность координатной привязки объектов дистанционной диагностики.

Достоверность результатов работы обеспечивается корректным применением методов теории вероятностей и математической статистики, согласованностью аналитических результатов с результатами компьютерного моделирования и экспериментальных исследований с использованием НАП СРНС, электронного тахеометра, тепловизора, лазерного дальномера. Научные результаты, выносимые на защиту:

1) Предложенный алгоритм расчета координат удаленных объектов, находящихся на оптических и тепловизионных изображениях, позволяет выполнять определение координат найденных мест эксплуатационных аномалий воздушных линий электропередачи.

2) Предложенные алгоритмы аналитического расчета погрешностей определения координат объектов, находящихся на оптических и тепловизионных изображениях, позволяют проводить оценку погрешностей

без выполнения затратного по времени статистического моделирования. 3) Предлагаемая система диагностики состояния воздушных линий электропередачи, состоящая из беспилотного летательного аппарата с автопилотом, угломерной НАП СРНС, тепловизора (фотокамеры), устройства накопления информации и разработанных алгоритмов координатной привязки наблюдаемых объектов позволяет автоматизировать процесс получения и координатной привязки изображений диагностируемых объектов, а также повысить точность координатной привязки найденных мест эксплуатационных аномалий В Л электропередачи.

Практическая ценность.

Разработаны и экспериментально проверены новые алгоритмы и программы расчета координат объектов, отображаемых на тепловизионных и оптических изображениях, позволяющие выполнять координатную привязку с оценкой точности получаемых результатов.

Предложенная структура диагностической системы перспективна к использованию в авиационной и космической технике при съемке и картографировании природных объектов и инженерных сооружений.

Полученные результаты позволяют повысить точность существующих методов тепловизионного контроля воздушных линий электропередачи.

Методы исследования.

В диссертационной работе использованы методы математического анализа, линейной алгебры, теории измерений, математического и статистического моделирования.

Реализация и внедрение.

Результаты работы использованы при выполнении следующих хоздоговорных и НИР, проводимых в Сибирском федеральном университете:

1) «Создание беспилотных многофункциональных аэрогеодезических комплексов студенческим конструкторским бюро» - № КФ-204, 2011 г. Грантодатель: КГАУ «Красноярский краевой фонд поддержки научной и научно-технической деятельности»;

2) Проект 8.4551.2011 «Исследование научных основ повышения точности и достоверности определения навигационных параметров по сигналам наземных и спутниковых радионавигационных систем» - № Т-10 от 10.01.2012 г. в рамках Государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации, 2012 - 2014. Грантодатель: Министерство образования и науки РФ;

3) «Решение навигационных задач при проведении речных сейсморазведочных работ М0ГТ-20» по договору № 20251 от 01.07.2010 г. ФГАОУ ВПО СФУ совместно с ОАО «Енисейгеофизика» (г. Красноярск).

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Всероссийских научно-технических конференциях «Современные проблемы радиоэлектроники» в г. Красноярске в 2006, 2011, 2012 годах, IV Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи в г. Москва в 2006 г., Всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Современные проблемы

развития науки, техники и образования» в г. Красноярске в 2009 г., Международных научных конференциях «Решетневские чтения» в г. Красноярске в 2010 и 2012 г., третьей научно-практической конференции филиала ОАО «МРСК Сибири» «Красноярскэнерго» в г. Красноярске в 2010 г., VIII Всероссийской научно-технической конференции «Молодежь и наука» в г. Красноярске в 2012 г., VIII Международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления», посвященной 50-летию ТУСУР в г. Томске в 2012 г., VI Всероссийской конференции "Радиолокация и радиосвязь" в г. Москва в 2012 г., а также на техническом совете-конкурсе научно-технических работ ОАО «МРСК Сибири» в г. Красноярске в 2010 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 работ, из которых 7 работ опубликованы в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов кандидатских диссертаций, а также в одном патенте РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 18 приложений на 27 страницах, содержит 33 таблицы, 27 рисунков. Общий объем работы составляет 147 страниц. Список литературы включает 70 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность направления исследований, проводимых в диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, основные результаты, выносимые на защиту, показана научная новизна, достоверность и практическая значимость полученных результатов. Приведены краткие сведения о структуре диссертации.

В первой главе выполнен обзор современных подходов к решению задачи тепловизионной диагностики электроэнергетических систем.

Подробно рассмотрена применяемая в настоящее время в России диагностика состояния BJI, осуществляемая традиционной системой профилактического обслуживания, основанной на очередных и внеочередных обходах и визуальных осмотрах, в том числе с применением приборов и методов тепловизионного контроля.

Значительное внимание уделено современному мировому опыту температурного контроля ВЛ в режиме он-лайн с использованием набора аппаратных средств, подвешивающихся на провода BJI (компания ABB Switzerland Ltd. и др.): внутрь каждого из подвесных датчиков встроен трансформатор тока, устройство беспроводной передачи данных, измеритель температуры и микропроцессор — питание электроники обеспечивается током, протекающим по проводам, а информация о состоянии BJI передается в автоматику подстанции.

С целью снижения стоимости и повышения уровня автоматизации при выполнении диагностических облетов BJI проведен анализ технических характеристик современного рынка беспилотных летательных аппаратов

(БПЛА) отечественного и импортного производства, способных решать задачи дистанционной диагностики.

Рассмотрены ближайшие аналоги предлагаемой системы дистанционной диагностики и алгоритмов нахождения координат удаленных объектов.

Проведен анализ рассмотренных технических решений, позволивший выявить обстоятельства, препятствующие применению существующих решений в области электроэнергетики. К таким обстоятельствам относятся: высокие массогабаритные характеристики и уровень электропотребления систем определения ориентации камеры тепловизора основе гировертикали, препятствующие размещению элементов системы диагностики на борту БПЛА; необходимость наличия привязанных с геодезической точностью наземных пунктов, визируемых на снимках; отсутствие устройств сигнализации о недопустимом сближении БПЛА с линией электропередачи; необходимость организации радиоканала для передачи телеметрической информации, что ограничивает радиус действия системы диагностики, определение координат только диагностического летательного аппарата (ЛА), отсутствие координат визируемых объектов.

Сделан вывод о целесообразности отказа от использования в составе аппаратуры ЛА гироскопических датчиков определения ориентации. В качестве датчика ориентации ЛА предложена НАП СРНС с угломерным каналом, обладающая лучшими массогабартными характеристиками, позволяющими разместить аппаратуру на борту БПЛА. Кроме того, НАП СРНС не имеет уходов, присущих инерциальным системам. Некоторое возрастание шумовой погрешности определения ориентации по сравнению с инерциальными навигационными системами (ИНС) может быть также устранено за счет комплексирования НАП СРНС с бесплатформенными инерциальными датчиками, имеющими малые размеры, массу и стоимость.

Во второй главе ставится и решается задача разработки алгоритма определения координат объектов, представленных на тепловизионных и видеоизображениях [15, 16] на основе информации о координатах места и угловой ориентации диагностического ЛА, получаемой от угломерной НАП СРНС.

При разработке алгоритма полагались известными следующие параметры: lat, Ion , h — географические координаты летательного аппарата (ЛА), выполняющего съемку — широта, долгота, высота места ЛА над заданным эллипсоидом (например WGS-84); dh — высота ЛА над землей, определяемая при помощи базы картографических данных на основе известных координат ЛА, либо с использованием барометрического или радиовысотомера; az, ит, кг - параметры пространственной ориентации ЛА — азимут, угол места и крен соответственно, определяемые при помощи угломерной НАП СРНС; углы обзора объектива камеры; разрешение изображения, получаемого в ходе диагностики.

Алгоритм определения координат визируемого объекта в искомой точке, принадлежащей получаемому изображению, состоит из следующей последовательности операций.

1) На полученном изображении выбирается точка, для которой необходимо определить координаты визируемого объекта (например, для тепловизионного изображения ВЛ - точка с температурой, превышающей заданное пороговое значение, что является признаком предаварийного состояния данного участка ВЛ). Далее определяются порядковые номера строки и столбца полученного растрового изображения для пикселя, отображающего искомую точку - рх, ру.

2) Задается связанная с объектом (ЛА) система координат. Эта система координат представляет собой прямоугольную систему координат, начало которой совпадает с местоположением камеры в точке к , ось ОХ направлена по продольной оси ЛА вперед, ось ОУ направлена вправо, ось ОЪ направлена вертикально вниз (рис. 1).

(сЫ.-с^у,-!)

(сМу,1)

к(0,0,0)

(-с1х,-с1у,1)

(-¿х,с1у,1)

К-

//1- л

V /кх //Ь=1 уау\

— Л—' ■■ "Т^х

<&/ \ •г ■^.(0,0,1)

Рис. 1. Точки снимка в связанной с объектом системе координат

Рассчитываются направляющие косинусы вектора от искомой точки изображения до центра объектива камеры в связанной с ЛА системе координат как:

2-<1х

кяг = ах---рх

кя-у = —йу + Ь. =д/ь~

2 -йу IУ

РУ

(1)

■ Аз^ Азу

где ах, ау — углы обзора объектива камеры в направлении продольной и поперечной осей, соответственно; £х, ¡у — разрешение изображения получаемого в ходе диагностики; рх, ру - порядковые номера строки и столбца получаемого изображения для пикселя, отображающего искомую

точку; £& = tg — ; с1у - Щ-

3) Осуществляется переход от направляющих косинусов искомой точки Ь , заданных в связанной с объектом системе координат и углов азимута ах места ит и крена кг ЛА к направляющим косинусам кп искомой точки изображения в топоцентрической системе координат (ТЦСК), используя матрицу поворота, выражаемую через углы Эйлера.

4) Определяется длина векторов г от центра объектива камеры до искомой точки изображения, как частное высоты с//г и г-составляющей направляющих косинусов кп:

5) Рассчитываются координаты объекта хп, отображаемого на снимке в искомой точке, в плоскости пересечения с Землей в ТЦСК как произведение г на соответствующие направляющие косинусы:

хп = г-кп. (3)

6) По известным выражениям [15] осуществляется пересчет координат из ТЦСК в прямоугольную гринвичскую геоцентрическую систему координат (ГЦСК).

7) Находятся направляющие косинусы ке вектора от центра объектива камеры до искомой точки снимка в ГЦСК в соответствии с выражением:

кс= МЫ Е-кп, (4)

где АШЕ - матрица перехода [15].

8) Находятся приращения координат объекта в искомой точке изображения <]е в ГЦСК как произведение известных приращений г (2) и направляющих косинусов ке (4):

с]е = г-ке. (5)

9) Находятся координаты объекта, отображаемого на снимке в искомой точке в ГЦСК как суммы координат ЛА в ГЦСК и соответствующих приращений координат (5).

Приведенный алгоритм позволяет решать задачу координатной привязки мест эксплуатационных аномалий воздушных линий электропередачи следующим образом:

1) На полученных тепловизионных изображениях выделяются принадлежащие ВЛ точки, характеризующиеся повышенным тепловыделением. Эти точки считаются местом возможных дефектов ВЛ электропередачи.

2) В указанных точках осуществляется расчет координат визируемого объекта по приведенному алгоритму, с учетом известной высоты подвеса воздушной линии электропередачи.

В третьей главе разрабатывается алгоритм аналитической оценки погрешностей, основанный на использовании теории погрешностей косвенных измерений, позволяющий оценить статистические характеристики погрешностей определения координат объектов, отображаемых на тепловизионных снимках, по известным погрешностям прямых измерений.

При разработке алгоритма оценки погрешностей координатной привязки изображений в качестве погрешностей прямых измерений задавались среднеквадратические отклонения (СКО) погрешностей измерения углов пространственной ориентации и координат места ЛА по данным НАП СРНС, а также высоты полета ЛА над Землей по данным высотомера. Более подробно разработанный алгоритм аналитической оценки погрешностей рассмотрен в работах [2, 7, 18].

Расчеты производились при следующих исходных данных, приведенных в таблице 1.

Таблица 1. Исходные данные п ри проведении моделирования

Наименование Значение СКО Примечание

Широта ЛА lot =56°0'с.ш. аш=0М9" Определяются угломерной аппаратурой потребителя спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС и GPS

Долгота ЛА Ion = 92°0' в.д. акт= 0,23"

Высота ЛА h = 188 м оь = 10 м

Азимут ЛА az = 0°-360° сга = 10'

Угол места ЛА inn = 0° аит= 20'

Крен ЛА кг =0° <? кг = 20'

Углы обзора ах = 32°, ау = 23° - Параметры объектива тепловизора

Высота Л А над Землей dh = 50 м a dh = 5 м Определяется радиовысотомером

ъ = 1000 Число статистических испытаний в каждом значении азимута ЛА

Проведено сравнение погрешностей, полученных аналитическим методом с результатами оценок погрешностей, полученных методом статистического моделирования.

На рис. 2 в качестве примера представлены рассчитанные зависимости СКО погрешностей определения геоцентрических координатх (<7Х ) и : (ег7) от азимута ЛА, для точки, принадлежащей центру тепловизионного изображения.

Приведенные на рис. 2 зависимости демонстрируют согласованность результатов статистического и аналитического методов оценки погрешностей координатной привязки получаемых изображений. Оценки, полученные аналитическим методом, представляют собой математические ожидания оценок полученных методом статистического моделирования. Аналогичные результаты получены для других точек изображения.

Значение аг определялось в соответствии с выражением:

аг = ]/аХ +аУ + ■ ^

Таким образом, разработанный алгоритм аналитического расчета погрешностей определения координат объектов, находящихся на оптических и тепловизионных изображениях [2, 7, 18], позволяет выполнять оценку

указанных погрешностей без проведения затратного но времени статистического моделирования.

Рис. 2. Зависимости погрешностей определения прямоугольных геодезических координат, полученные: 1) аналитическим методом; 2) методом статистического

моделирования.

Кроме того, выполнен анализ зависимости погрешности определения координат объектов, отображаемых на тепловизионных и видеоизображениях, от углов пространственной ориентации ЛА. Показано, что дополнительная погрешность, обусловленная погрешностями измерения углов пространственной ориентации ЛА, заданных в соответствии с табл.4, не превышает 0,5 м для диапазона углов крена ЛА от минус 30° до плюс 30° при любых значениях азимута (высота полета не более 100 м), т.е. вносит незначительный вклад по сравнению с другими источниками погрешностей.

Выполнен анализ погрешностей, обусловленных ограниченной разрешающей способностью матрицы камеры. Установлено, что эта погрешность оказывает незначительное влияние на совокупную погрешность определения координат объектов, отображаемых на тепловизионных и видеоизображениях, и составляет не более 0,15 м при высоте съемки не более 100 м над Землей. Получено, что при выполнении этого условия, основную погрешность в определение координат заданной точки изображения вносит погрешность определения абсолютных координат ЛА, остальные источники погрешностей не столь значительны.

В четвертой главе приводится описание и результаты экспериментальных исследований предложенного алгоритма и технических средств определения координат визируемых объектов. Кроме того, в данной главе приведено описание разработанной структурной схемы системы определения координат объектов электрических сетей при дистанционном контроле [1, 12, 14]. Предложен и подробно описан способ дистанционного мониторинга объектов электрических сетей [1, 3]. Предложены пути совершенствования методов контроля и расширения функциональных возможностей системы дистанционного мониторинга объектов электрических сетей.

С целью исследования разработанного алгоритма определения координат объектов, визируемых в ходе дистанционной диагностики, были

Таблица 2 отражает результаты и условия геодезической съемки, полученные в ходе экспериментальных исследований. Результаты получены квалифицированными специалистами на сертифицированном оборудовании, предоставленном ФБУ «Государственный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Красноярском крае» Госстандарта РФ (тепловизор) и ОАО «Красноярский институт Водоканалпроект» (тахеометр), что подтверждается актом выполнения измерений, приведенным в диссертации.

_Азимут -Угол места

Оптическая ось визирования объекта

Высота /

Визируемый

объект _// \

- GPS- -приемник

проведены экспериментальные исследования, состоящие в получении и координатной привязке объектов тепловизионных и фотоизображений.

Экспериментальные исследования проводились 29.01.2013 г. при непосредственном участии автора диссертации. В результате были получены оптические и термографические снимки мишени, расположенной на расстоянии около 122 метров от места проведения съемки, находящегося на крыше 12-этажного здания. Определение координат мишени, находящейся на берегу Абаканской протоки реки Енисей, осуществлялось в соответствии с разработанным в главе 2 алгоритмом.

При выполнении исследований наземная мишень визировалась с места проведения съемки электронным тахеометром Sokkia SET530R3. а также тепловизором Testo 875-] с широкоугольным объективом 32°х23° и цифровым фотоаппаратом KODAK EASYSHARE ZD710. Данные приборы устанавливались в геодезически привязанной точке, расположенной на крыше здания. Высота места проведения съемки над землей измерялась лазерным дальномером Leica DISTO™ А5. Координаты точки установки мишени были определены при помощи тахеометра с погрешностью не более 0.01м относительно координат места проведения съемки и взяты как истинные. Кроме того, координаты места проведения съемки и координаты наземной мишени измерялись GPS-приемником Garmin GPSMAP 76CSx.

Порядок проведения испытаний поясняется рис. 3.

Объективы камеры тахеометра, тепловизора, фотокамеры, дальномера

Рис. 3. Схема проведения экспериментальных исследований

Техническим результатом экспериментального исследования также является совмещенное фото- и термографическое изображение размером 1330x996 пикселей (рис. 4). Совмещение изображений осуществлялась прикладным программным обеспечением Testo IRSoft TwinPix. В центре снимка (рис. 4) указана мишень, приходящаяся на пиксель с координатами 665x498.

Таблица 2. Результаты геодезической съемки

Измеряемая величина Источник Значение

Геодезические координаты места установки тахеометра и проведения съемки в системе \VGS-84 геодезическая съемка 55° 59' 18,97837" N, 92° 52'44,14812" Е,#= 188,161 м

НАП СРНС 55° 59' 18,9" N, 92° 52' 44,16" Е, Н= 189 м

Геодезические координаты наземной мишени в системе \VGS-84 геодезическая съемка 55° 59' 22,51286" N, 92° 52' 42,84706" Е, #= 137,474 м

НАП СРНС 55° 59' 22,44" N, 92° 52'42,78" Е, Н= 135 м

Относительная высота проведения съемки, м геодезическая съемка 50,687

Наклонная дальность до наземной мишени, м 122,59

Угол места, град. минус 24,423

Азимут, град. 348,342

Высота проведения съемки, м лазерный дальномер 47,36

-5,0

-10,0

-15,0

-20,0

Рис. 4. Геопривязанное совмещенное изображение мишени с координатами 665x498

Геодезическая привязка искомого пикселя совмещенного изображеыия осуществлялась на основе разработанного алгоритма определения координат визируемых объектов, используя результаты натурных измерений: высоты расположения над землей, координат и углов обзора объектива визирующей камеры, углов азимута и места оптической оси визирования.

Согласно выражению (1), направляющие косинусы ks вектора от мишени до центра объектива камеры в связанной с ЛА системе координат определяются как:

ks v = dx — -665 /^2<а / 2з

, где dx = tg — ; dy = tg V

ksv =-dy+ - -498 v 2 J v '

; ' 996

Координаты мишени в ГЦСК определяются согласно предложенному алгоритму по выражениям (2)-(5).

Таблица 3 содержит координаты мишени, полученные различными методами в ходе экспериментальных исследований:

1) Геодезическая съемка - отражает координаты наземной мишени, полученные геодезическими методами, с помощью электронного тахеометра;

2) Разработанный алгоритм - координаты мишени, рассчитанные согласно предложенному алгоритму, по результатам геодезической съемки: высоте расположения объектива визирующей камеры над землей, координатам объектива визирующей камеры, углам азимута и места оптической оси визирования;

3) Разработанный алгоритм (GPS + высотомер) - координаты мишени, рассчитанные согласно предложенному алгоритму, используя: азимут и угол места оптической оси визирования из результатов геодезической съемки; координаты объектива визирующей камеры, измеренные НАП СРНС; высоту расположения объектива визирующей камеры над землей, измеренную лазерным дальномером.

Значение Аг отражает расстояние между координатами мишени, полученными способами расчета а и Ь:

Ьг = <J(xa - xbf + (уа - ybf + (za - zb)2 . (7)

Таблица 3. Результаты экспериментальных исследований

№ п/п Способ расчета Координаты объекта Способ расчета

1 1 1 1

Л/% м

1 Геодезическая съемка 55° 59' 22,51286" N, 92° 52' 42,84706" Е,Н= 137,474 м - 0 10,6

2 Разработанный алгоритм 55° 59' 22,51287" N, 92° 52' 42,84709" Е, Н = 137,474 м 0 -

3 Разработанный алгоритм (GPS + высотомер) 55° 59' 22,2025" N, 92° 52' 42,94437" Е, Н = 141,64 м 10,6 -

Из анализа таблицы 3 следует, что значения координат мишени, найденные при помощи тахеометра (способ 1) и с использованием разработанного алгоритма (способ 2) совпадают, т.е. при отсутствии погрешностей прямых измерений наблюдается совпадение результатов расчетов по разработанному алгоритму с результатами геодезической съемки.

При использовании результатов измерений координат точки съемки по данным НАП СРНС, а высоты точки съемки над поверхностью земли, полученной из результатов измерений лазерным дальномером (способ 3), появляется отклонение координат мишени, равное 10,6 м, обусловленное наличием погрешностей указанных измерений.

Для иллюстрации экспериментального исследования, полученные координаты экспериментальных точек были отображены на спутниковом снимке Земли, с помощью поисково-информационного картографического сервиса «Яндекс. Карты» (рис. 5).

Рис. 5. Расположение объектов натурных испытаний на местности

□ 1,2 Место нахождения мишени, найденное при помощи тахеометра (способ 1), и полученное с использованием разработанного алгоритма (способ 2);

□ 3 Место нахождения мишени, рассчитанное по способу 3; О 4 Место проведения съемки, по измерениям НАП СРНС;

О 5 Место проведения съемки, определенное геодезическими методами.

Значение погрешности определения координат визируемого объекта, найденное аналитическим путем, для условий проведения эксперимента составило ог = 9,1 м.

Полученные результаты, приведенные на рис. 5, показывают, что координаты точек объектов натурных испытаний хорошо согласуются с объектами, представленными на электронных картах, а рассчитанные значения погрешностей оказываются близкими к экспериментально наблюдаемым,

Таким образом, полученные результаты экспериментальных исследований позволяют сделать вывод о том, что предложенные алгоритмы расчета координат удаленных объектов и их погрешностей, находящихся на оптических и тепловизионных изображениях, обеспечивают выполнение привязки найденных мест эксплуатационных аномалий ВЛ электропередачи.

С целью использования разработанного алгоритма координатной привязки была разработана система и способ определения координат объектов электрических сетей при дистанционном обследовании. Предложенная система защищена патентом РФ [1], обсуждена на конкурсе научно-технических работ ОАО «МРСК Сибири» в г. Красноярске в 2010 г., и решением научно-технического совета удостоена дипломом второй степени.

Принцип работы системы поясняется разработанной функциональной схемой (рис. 6). Система предназначена для получения координатно-привязанных электронных тепловизионных и оптических снимков объектов электрических сетей. Получение координатно-привязанных тепловизионных снимков осуществляется в реальном времени в процессе облета объектов электрических сетей ЛА как пилотируемой, так и беспилотной авиации. Определение мест эксплуатационных аномалий по снимкам осуществляется на основе выделения на изображениях мест локальных перегревов объектов воздушных линий электропередачи. Географические координаты мест локальных перегревов определяются в соответствии с разработанным алгоритмом.

Рис. 6. Функциональная схема системы

Система определения координат объектов ВЛ электропередачи при дистанционном обследовании включает в себя навигационные спутники, контрольно-корректирующую и диагностическую станции.

Аппаратура диагностической станции размещается, например, на борту БПЛА, для выполнения тепловизионной и фотографической съемки ВЛ, включает в себя: угломерную навигационную аппаратуру потребителей, например, типа МРК-32; тепловизор, например, типа ТН-7102 NEC; измеритель вектора напряженности (ИВН) электромагнитного поля ВЛ, на

базе показаний которого осуществляется измерение расстояния от БПЛА до воздушной линии электропередачи и выдача команды на вычислительный блок о недопустимом приближении БПЛА к ВЛ. При этом в автоматическом режиме пилотирования БПЛА на автопилот автоматически выдается команда об увеличении высоты полета; фотокамера для съемки ВЛ в видимом диапазоне.

Разработанная структура системы диагностики состояния энергетических объектов позволяет автоматизировать процесс координатной привязки найденных мест повреждений воздушных линий электропередачи. При этом следует отметить, что наибольшая степень автоматизации достигается на основе использования БПЛА с автопилотом, имеющим соответствующее полетное задание.

С целью расширения номенклатуры контролируемых параметров и повышения достоверности диагностики разработанная система дистанционного обследования объектов электрических сетей может быть дополнена устройством лазерного сканирования, приемником ультрафиолетового диапазона чувствительности, комплексом цифровой фото- и видеозаписи в стереоскопическом режиме. Это позволит расширить функциональные и диагностические возможности предложенной системы дистанционного обследования объектов электрических сетей.

Таким образом, результаты проведенных теоретических расчетов, компьютерного моделирования и экспериментальных исследований подтверждают, что разработанная система, а также программы и алгоритмы координатной привязки объектов тепловизионных и фотографических изображений обеспечивают автоматизацию решения задач диагностики энергетических объектов и повышение точности определения координат объектов по сравнению с традиционным методом диагностики, в котором повреждение привязывается к номеру ближайшей опоры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований автором были предложены и разработаны методы и средства повышения точности определения местоположения объектов дистанционного тепловизионного мониторинга электроэнергетических систем.

Основные результаты, полученные при выполнении диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:

1) Предложены и экспериментально исследованы алгоритмы расчета координат удаленных объектов, находящихся на оптических и тепловизионных изображениях, позволяющие выполнять привязку найденных мест эксплуатационных аномалий воздушных линий электропередачи.

2) Выполнен анализ составляющих погрешностей определения координат объектов диагностики. Предложен алгоритм аналитического расчета погрешностей определения координат объектов, находящихся на оптических

и тепловизионных изображениях, позволяющий выполнять оценку погрешностей определяемых параметров без выполнения затратного по времени статистического моделирования.

3) Предложена и защищена патентом РФ оригинальная система диагностики состояния воздушных линий электропередачи, состоящей из беспилотного летательного аппарата с автопилотом, угломерной аппаратуры потребителей СРНС, тепловизора (фотокамеры), устройства накопления информации и разработанных алгоритмов координатной привязки точек изображений наблюдаемых объектов, позволяющая автоматизировать процесс диагностики и повысить точность координатной привязки найденных мест эксплуатационных аномалий воздушных линий электропередачи.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации по перечню ВАК и приравненные к ним:

1. Патент РФ №2495375. Способ дистанционного обследования объектов электрических сетей / Г.К. Макаренко, A.M. Алешечкин // Опубл.: 2013. -Бюл. №28.

2. Макаренко, Г.К. Анализ погрешностей определения координат объектов на тепловизионных изображениях при дистанционном обследовании воздушных линий электропередачи / Г.К. Макаренко, A.M. Алешечкин // Журнал Радиоэлектроники. [Электронный ресурс]; Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН. - Москва, 2012. -№12. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/decl2/12/text.pdf.

3. Макаренко, Г.К. Использование тепловизионных датчиков для построения комплекса диагностики технического состояния воздушных линий электропередачи [Текст] / Г.К. Макаренко, A.M. Алешечкин // Датчики и системы. Выпуск 12 — Москва, 2012. - С. 50 - 54.

4. Макаренко, Г.К. Исследование алгоритма фильтрации при определении координат объекта по сигналам спутниковых радионавигационных систем / Г.К. Макаренко, A.M. Алешечкин // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. Выпуск 2 (26) — Томск, 2012. — Ч. 2. — С. 15-18.

5. Макаренко, Г.К. Использование спутниковых радионавигационных систем при исследовании энергетических объектов / Г.К. Макаренко, A.M.

Алешечкин, [В.И. Кокорин) // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева. Выпуск 2 (35) - Красноярск, 2011.-С. 102-104.

6. Макаренко, Г.К. Использование системы спутниковой навигации при проведении сейсморазведочных работ на водных акваториях / Г.К. Макаренко, В.В. Какоткин, A.A. Абдулхаков, М.М. Валиханов, В.Ф. Гарифуллин // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева. Выпуск 2 (35) — Красноярск, 2011.-С. 114-116.

7. Макаренко, Г.К. Оценка погрешностей определения координат объектов электроэнергетики при дистанционной диагностике / Г.К.

Макаренко, A.M. Алешечкин // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева. Выпуск 4 (44)-Красноярск, 2012. -246 с.-С. 126-129.

8. Макаренко, Г.К. Разработка навигационного фильтра для повышения точности определения координат точек тепловизионных изображений при дистанционной диагностике воздушных линий электропередачи / Г.К. Макаренко, A.M. Алешечкин // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева. Выпуск 1 (47) - Красноярск, 2013. - 239 с. - С. 7 - 10.

Прочие публикации:

9. Макаренко, Г. К. Исследование алгоритмов фильтрации радионавигационных параметров / Г.К. Макаренко, М.М. Валиханов // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. научн. тр. под ред.: А.И. Громыко, А. В. Сарафанова - М: Радио и связь. - 2006. - С. 480 -482.

10. Макаренко, Г. К. Комплекс для исследования подводных объектов / Г.К. Макаренко, М.М. Валиханов, Я.Н. Травников // материалы IV Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи «НТТМ-2006» (20-24 июня 2006, г. Москва) - М: ГАО ВВЦ. - 2006. - С. 67-69.

11. Макаренко, Г. К. Исследование алгоритмов фильтрации координат мобильных объектов / Г.К. Макаренко, М.М. Валиханов // Современные проблемы развития науки, техники и образования: сб. научн. тр. под ред.: В. И. Кокорина - Красноярск: ИГЖ СФУ. - 2009. - С. 244-248.

12. Макаренко, Г. К. Мобильные технические средства исследования

энергетических объектов / Г.К. Макаренко, [В.И. Кокорин|, A.M. Алешечкин // материалы XIV Междунар. науч. конф. «Решетневские чтения» (10-12 нояб. 2010, г. Красноярск) : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. — Красноярск, 2010. -Ч. 1. -С. 151-153.

13. Макаренко, Г. К. Испытания навигационного комплекса при невзрывной сейсморазведке на речном профиле / Г.К. Макаренко, В.В. Какоткин, A.A. Абдулхаков, М.М. Валиханов, В.Ф. Гарифуллин // материалы XIV Междунар. науч. конф. «Решетневские чтения» (10-12 нояб. 2010, г. Красноярск) : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т.-Красноярск, 2010. - Ч. 1. - С. 149-150.

14. Макаренко, Г.К. Дистанционное определение координат энергетических объектов с использованием глобальных навигационных спутниковых систем / Г.К. Макаренко, A.M. Алешечкин // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. под науч. ред.: Г.Я. Шайдуров; Сиб. федер. ун-т. - Красноярск, 2011. — 563 с. — С. 96 - 101.

15. Макаренко, Г.К. Алгоритм координатной привязки тепловизионных снимков / Г.К. Макаренко, A.M. Алешечкин // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. / науч. ред. Г.Я. Шайдуров ; Сиб. федер. ун-т. - Красноярск, 2012. - 556 с. - С. 33 - 37.

16. Макаренко, Г.К. Навигационное обеспечение дистанционной тепловизионной диагностики / Г.К. Макаренко, A.M. Алешечкин //

Молодёжь и наука: сб. науч. тр. [Электронный ресурс]; Сиб. федер. ун-т. — Красноярск, 2012. Режим доступа: http://conf.sfu-

kras.ru/sites/mn2012/thesis/s023/s023-013.pdf.

17. Макаренко, Г. К. Разработка алгоритма навигационного фильтра / Г.К. Макаренко, A.M. Алешечкин // материалы XVI Междунар. науч. конф. «Решетневские чтения»: в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. — Красноярск, 2012. — Ч. 1. — С. 156—157.

18. Макаренко, Г. К. Аналитический метод расчета погрешностей определения координат точек тепловизионных изображений при дистанционном обследовании наземных объектов / Г.К. Макаренко, A.M. Алешечкин // материалы VI Всероссийской науч.-тех. конф. «Радиолокация и радиосвязь»: в 2 т.; Институт Радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН. - Москва, 2012.-Т. 1.401 с.-С. 17-20.

Подписано в печать 11.11.2013. Печать плоская Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1 Тираж 100 экз. Заказ № 3721

Отпечатано полиграфическим центром Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а, тел.: +7(391) 206-26-49, 206-26-67 E-mail: print_sfu@mail.ru

ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

04201455307

МАКАРЕНКО Григорий Константинович

Повышение точности определения координат мест повреждений воздушных линий электропередачи при их дистанционном обследовании

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ,

материалов и изделий

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

доцент Алешечкин А.М.

Красноярск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Оглавление...............................................................................................................2

Введение...................................................................................................................9

ГЛАВА 1. Обзор современных приборов и методов Дистанционного контроля воздушных линий электропередачи...................................................18

1.1 Приборы и методы контроля состояния воздушных линий электропередачи в России....................................................................................18

1.2 Приборы и методы контроля состояния воздушных линий электропередачи в мире........................................................................................19

1.3 Приборы и методы дистанционного контроля воздушных линий электропередачи....................................................................................................21

1.4 Анализ современного рынка беспилотных летательных аппаратов........24

1.5 Выводы по главе 1.........................................................................................28

ГЛАВА 2. Разработка и моделирование Алгоритма определения координат объектов тепловизионных и фотографических изображений..........................29

2.1 Модель определения координат визируемого объекта.............................29

2.1.1 Исходные данные....................................................................................29

2.1.2 Используемые системы координат.......................................................30

2.1.2.1 Связанная с объектом система координат........................................31

2.1.2.2 Топоцентрическая система координат..............................................31

2.1.2.3 Геоцентрическая система координат................................................32

2.1.3 Описание алгоритма определения координат визируемого объекта 33

2.1.3.1 Расчет направляющих косинусов вектора искомой точки изображения...........................................................................................................34

2.1.3.2 Расчет направляющих косинусов вектора искомой точки изображения в топоцентрической системе координат......................................35

2.1.3.3 Расчет координат объекта в топоцентрической системе координат в искомой точке изображения..............................................................................36

2.1.3.4 Расчет направляющих косинусов вектора искомой точки изображения в геоцентрической системе координат........................................36

2.1.3.5 Перевод геодезических координат летательного аппарата в геоцентрическую систему координат.................................................................37

2.1.3.6 Расчет координат объекта в искомой точке изображения в геоцентрической системе координат...................................................................38

2.1.3.7 Расчет координат объекта в искомой точке изображения в криволинейных геодезических координатах......................................................38

2.1.4 Описание алгоритма решения обратной задачи..................................39

2.1.5 Описание упрощенного алгоритма определения координат точек снимка 41

2.2 Моделирование алгоритмов определения координат точек снимка.......42

2.2.1 Исходные данные....................................................................................43

2.2.2 Результаты моделирования исходного алгоритма..............................43

2.2.3 Результаты моделирования упрощенного алгоритма.........................46

2.2.4 Результаты моделирования алгоритма решения обратной задачи.... 47

2.2.5 Выводы по результатам моделирования..............................................49

ГЛАВА 3. Оценка погрешностей алгоритма определения координат визируемого объекта.............................................................................................51

3.1 Алгоритм оценки погрешностей определения координат точек снимка 51

3.1.1 Исходные данные....................................................................................52

3.1.2 Описание алгоритма оценки погрешностей методом статистического моделирования.......................................................................................................52

3.1.3 Описание алгоритма оценки погрешностей аналитическим методом 53

3.1.3.1 Пересчет значений погрешностей параметров пространственной ориентации ЛА в погрешности направляющих косинусов точек снимка в ТЦСК 54

3.1.3.2 Пересчет значений погрешностей направляющих косинусов вектора искомой точки снимка в топоцентрической системе координат по х-составляющей в погрешности определения расстояния от искомой точки отображаемого объекта до камеры......................................................................57

3.1.3.3 Пересчет значений погрешностей направляющих косинусов векторов искомой точки в ТЦСК и расстояния от искомой точки до центра объектива камеры тепловизора в погрешности определения координат искомой точки в ТЦСК.........................................................................................59

3.1.3.4 Расчет значений погрешности величины радиуса кривизны сечения эллипсоида Земли в меридиональной плоскости................................61

3.1.3.5 Расчет значений погрешности величины радиуса кривизны сечения эллипсоида Земли в нормальной плоскости........................................62

3.1.3.6 Пересчет совокупности оцененных значений погрешностей в погрешности определения криволинейных геодезических координат искомой точки объекта тепловизионного изображения...................................................63

3.2 Моделирование алгоритмов определения погрешностей.........................67

3.2.1 Исходные данные....................................................................................67

3.2.2 Результаты расчета погрешностей методом статистического моделирования.......................................................................................................68

3.2.3 Результаты расчета погрешностей аналитическим методом.............69

3.2.4 Сходимость результатов расчета погрешностей аналитическим и статистическими методами..................................................................................70

3.2.5 Сравнение результатов расчета погрешностей определения координат искомой точки объекта тепловизионного изображения аналитическим и статистическими методами....................................................72

3.2.6 Оценка зависимости погрешности от пространственной ориентации ЛА 74

3.2.7 Выводы по результатам моделирования..............................................75

3.3 Учет разрешающей способности тепловизора...........................................76

3.3.1 Алгоритм расчета....................................................................................76

3.3.2 Исходные данные....................................................................................77

3.3.3 Результаты расчета..................................................................................78

3.3.4 Выводы.....................................................................................................79

3.4 Использование оптических изображений для интерпретации результатов тепловизионной съемки........................................................................................80

3.5 Выводы по главе 3.........................................................................................81

ГЛАВА 4. Разработка Системы дистанционного обследования воздушных линий электропередачи....................................................................83

4.1 Экспериментальное исследование алгоритма определения координат визируемых объектов............................................................................................83

4.2 Разработка функциональной схемы системы определения координат объектов воздушных линий электропередачи при дистанционном обследовании.........................................................................................................89

4.3 Описание способа дистанционного обследования воздушных линий электропередачи....................................................................................................92

4.4 Направления совершенствования системы дистанционного обследования воздушных линий электропередачи............................................96

4.4.1 Лазерное сканирование..........................................................................97

4.4.1.1 Организация лазерно-локационной съемки воздушных линий электропередачи....................................................................................................99

4.4.1.2 Задачи, решаемые в ходе лазерно-локационной съемки воздушных линий электропередачи.......................................................................................100

4.4.1.3 Технические параметры воздушных линий, определяемые в ходе лазерно-локационной инспекции.......................................................................101

4.4.1.4 Представление результатов лазерно-локационной инспекции.... 103

4.4.1.5 Анализ растительности вдоль трассы ЛЭП....................................105

4.4.2 Регистрация локального уровня интенсивности электромагнитного излучения разрядных процессов........................................................................107

4.4.3 Оптический приемник ультрафиолетового диапазона чувствительности................................................................................................108

4.5 Функциональная схемы расширенной системы определения координат объектов воздушных линий электропередачи.................................................108

4.6 Выводы по четвертной главе.....................................................................109

Заключение...........................................................................................................111

Список литературы.............................................................................................113

Основные сокращения и обозначения..............................................................120

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Алгоритм определения координат точек снимка.........121

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Алгоритм решения обратной задачи..............................122

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Упрощенный алгоритм вычисления координат точек снимка 123

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Тепловизор NEC Thermo Tracer ТН7102.......................124

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Аппаратура МРК-32.........................................................126

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Алгоритм оценки погрешностей методом статистического моделирования........................................................................128

ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Алгоритм аналитического метода оценки погрешностей определения координат объектов, представленных на фото- и тепловизионных изображениях.........................................................................129

ПРИЛОЖЕНИЕ 8. СКО погрешности оценки криволинейных геодезических координат точек снимка, найденные методом статистического моделирования 130

ПРИЛОЖЕНИЕ 9. СКО погрешности оценки криволинейных геодезических координат точек снимка, найденные аналитическим методом131

ПРИЛОЖЕНИЕ 10. Абсолютная разница СКО погрешности оценки криволинейных геодезических координат точек снимка...............................132

ПРИЛОЖЕНИЕ 11. Относительная разница СКО погрешности оценки определения криволинейных геодезических координат точек снимка.........133

ПРИЛОЖЕНИЕ 12. Зависимость СКО погрешностей определения промежуточных результатов вычислений координат точки тепловизионного изображения от пространственной ориентации ЛА........................................134

ПРИЛОЖЕНИЕ 13. Технические характеристики измерительных тепловизоров 138

ПРИЛОЖЕНИЕ 14. Акт проведения измерений...........................................139

ПРИЛОЖЕНИЕ 15. Экспериментальные исследования алгоритма определения координат визируемого объекта.................................................140

ПРИЛОЖЕНИЕ 16. Алгоритм функционирования устройства определения координат объектов электрических сетей при дистанционном обследовании141

ПРИЛОЖЕНИЕ 17. Обсуждение результатов диссертационной работы на ведомственных конференциях энергетики.......................................................142

ПРИЛОЖЕНИЕ 18. Акты об использовании результатов диссертационной работы 144

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время актуальными задачами электроэнергетических систем являются повышение надежности и эффективности систем энергообеспечения потребителей. Решение этих задач оказывает влияние на экономические показатели Российской Федерации и связано со своевременным и качественным обеспечением технического обслуживания и планово-предупредительными ремонтами основных фондов предприятий энергетического комплекса.

В России общая протяженность магистральных воздушных линий (ВЛ) электропередачи составляет более 120 тыс. км [1]. На протяжении всего срока службы ВЛ подвергаются негативным воздействиям окружающей среды, приводящим к их износу и появлению риска повреждений. По статистике, более 80% нарушений в распределительных электросетях связаны с повреждением проводов воздушных линий. Во многом это обусловлено старением электросетевой инфраструктуры: так в Холдинге Межрегиональной Распределительной Сетевой Компании доля воздушных линий 0,4-110 (220) кВ, отработавших более 30 лет, составляет 57% [2]. При этом большинство аварийных случаев, связанных с проводами, обусловлено не столько состоянием самого провода, сколько измененной геометрией ВЛ: за годы эксплуатации в результате воздействия природных явлений или токов короткого замыкания провода вытягиваются и опускаются все ближе к земле, а нарост культурного слоя (в среднем - на метр в столетие) также приводит к потере требуемых геометрических параметров воздушных линий электропередачи (ЛЭП) и изменениям в системе провод-земля. Между тем, геометрия В Л напрямую связана с ее пропускной способностью: при проектировании ЛЭП среди ее технических характеристик закладываются в том числе и предельные уровни положения провода относительно земли. Удлинение проводов приводит к так называемой термической деградации — при тех же метеорологических условиях уровень максимально допустимых

токов ВЛ резко снижается, что ведет к росту числа аварийных случаев. Поэтому для энергетиков крайне важно оперативно получать информацию о текущем состоянии каждой воздушной линии электропередачи.

В связи с этим, наряду с совершенствованием систем энергоснабжения, созданием сетей нового поколения, особое значение приобретает разработка мероприятий по совершенствованию приборов и методов контроля ВЛ с целью определения и увеличения показателей надежности объектов электроснабжения, выявления и локализации (для последующего ремонта и реконструкции) повреждений оборудования, участков с повышенными тепловыми потерями.

Актуальным является освоение и реализация системы эффективной эксплуатации энергетического оборудования с учетом технического состояния, поэтому на первый план выходят приборы и методы контроля, позволяющие проводить дистанционное обследование ВЛ в процессе эксплуатации под нагрузкой.

Подобному требованию отвечает метод тепловизионного контроля, позволяющий в силу своих функциональных особенностей проводить дистанционное техническое диагностирование объектов энергетики (независимо от места их локализации, площади и протяженности) непосредственно в процессе эксплуатации (под рабочим напряжением, тепловой нагрузкой, в присутствии энергоносителя), расширяющий возможности традиционных методов контроля, потенциал которых при решении задач диагностики и ресурсосбережения в значительной мере исчерпан.

Поскольку тепловое поле энергооборудования несет большой объем информации о его состоянии, внедрение тепловизоров в практику работы энергопредприятий является перспективным направлением совершенствования системы контроля оборудования. Осознание этого факта в настоящее время достигло такого уровня, что необходимость

тепловизионного контроля регламентирована отраслевым руководящим документом [3].

Основы тепловых расчетов электрической аппаратуры изложены Г.Т. Третьяком в 1935 г. в работе [4]. Его научные труды и разработки обеспечили создание крупных энергосистем с быстродействующей защитой генераторов, трансформаторов и линий электропередачи.

Применение тепловидения в энергетике, и в частотности, в диагностике соединений токопроводов рассмотрены в работах JI.M. Блюдников, Р.Н. Иванова [5], А.Г. Жуков [6] в 1978 г.

В работе В.Е. Канарчука, А.Д. Чигринец [7] рассмотрены методы тепловой диагностики машин.

В 1988 г. Ж. Госсорг [8] описывает основы, технику и области применения инфракрасной термографии. В своей монографии Жильберг Госсорг разделяет тепловизионные приборы на два независимых класса: наблюдательные и измерительные.

В 1988 СССР принят государственный стандарт «Приборы тепловизионные. Термины и определения» [9].

Тепловизионный контроль высоковольтного электрооборудования был введен в «Объем и нормы испытаний электрооборудования» [3] в 1998 г., хотя во многих энергосистемах применялся намного раньше. ОАО «Мосэнерго» тепловизионный контроль проводится с 1994 г.

Современные подходы к инфракрасной термографии в энергетике описаны в работах A.B. Афонина [10], С.А. Бажанова [11] в 2000г., В.П. Вавилова и А.Г. Климова [12] в 2002 г.

Зарубежные фирмы, занимающиеся проведением тепловизионного контроля, в настоящее время ссылаются на стандартное руководство по инфракрасному обследованию электрического и механического оборудования Е 1934-99а [13] в редакции 2010 г., разработанного Американским обществом по тестированию материалов ASTM.

Проблемам и методам инфракрасной термографии посвящен ряд работ современных авторов по отраслевой энергетике: Алексеев H.H. [14], Ажищев Р.А, [15], Андреев JI.E. [16], Арутюнян A.A. [17], Бард Г.С. [18], Бажанов С.А. [19, 20], Бородин И.Ф. [21], Вихров В.И. [22], Власов А.Б. [23], Заверткин H.A. [24], Иваненко В.Е. [25], Карпов В.Н. [26],Климов С.П. [27], Козицкий Б.Д. [28], Крылов С.В. [29], Лапонов С.Н. [30, 31], Масленников Д.С. [32], Обложин В.А. [33], Перетокин Б.П. [34], Поляков B.C. [35], Скворцов Е.А. [36], Стребков Д.С. [37] и другие.

В современных условиях, с целью сокращения времени проведения диагностики, увеличения ее эффективности и уменьшения трудозатрат, существует возможность осуществлять тепловизионный контроль дистанционно, путем применения �