無人機在特高壓輸電線路巡檢中的應用研究

劉杰

摘要：本文首先闡述了巡檢方案設計思路和原則，接著分析了巡檢作業(yè)及設計要求，最后對無人機選點原則及部署方案進行了探討。

關鍵詞：無人機;特高壓輸電線路;巡檢;應用

超高壓輸電線路采用無人機巡檢。經(jīng)過幾年的研究推廣應用，獲得了大量的應用經(jīng)驗，但在實際應用中也發(fā)現(xiàn)了許多問題和技術問題。例如，山區(qū)的塔式塔大多在海拔40至100米處，隨山勢起伏而豎立，多設置在山腰上。無人機則是攜帶任務裝備在深山中的塔內(nèi)附近10至30米進行任務（困難的是限制在塔高附近的懸吊作業(yè)）。為此，有必要開發(fā)一種持續(xù)時間長、有效載荷大、飛行距離控制長、能夠飛越山脈進行長距離飛行的無人機檢查系統(tǒng)。

一、巡檢方案設計思路和原則

（一）衛(wèi)星中繼

優(yōu)點：高空覆蓋面積大，傳輸距離遠，可指向多點，機動性好。缺點：有效工作帶寬有限，圖像傳輸時間延長;實時開放訪問困難;使用審批程序多且費用昂貴。

（二）山區(qū)制高點架設中繼

優(yōu)點：設備重量、供電能力、傳輸功率、延時、專用固定帶寬、通信質量好、易于滿足技術要求。缺點：山頂?shù)脑O備和電力供應較困難;信號容易被高山阻擋，有許多盲區(qū);以大投資、低利用率、維修管理困難的方式接力山頂;缺乏靈活性和低性價比。

（三）車載流動中繼

優(yōu)點：設備重量、供電能力、傳輸功率、延時、專用固定帶寬、通信質量、易滿足技術要求;機動性好、布局靈活、無安裝問題，經(jīng)濟安全。缺點：中繼站需要道路支撐，相鄰的中繼站和運營點、地面站應通看，選擇點難度較大，有信號盲區(qū)，覆蓋面積相對有限。

（四）空中移動中繼

優(yōu)點：覆蓋面積大，流動性好。缺點：中繼設備比較復雜，小型化有一定的困難;無人機離開時間短，還必須具備空中發(fā)電能力;空域使用難以批準。

（五）電信運營商網(wǎng)絡

優(yōu)點：電信、移動、聯(lián)通等公共通信運營商的網(wǎng)絡資源豐富，覆蓋點多，線路長，覆蓋面寬。他們在技術上更加可靠和成熟。他們使用付款，沒有建筑和維修管理問題，成本低。缺點：山地網(wǎng)絡覆蓋信號較差，帶寬不穩(wěn)定，難以保證固定帶寬，信息安全隱患大，信號傳輸延遲無法保證。

二、巡檢作業(yè)

使用無人機來安裝中繼設備而不是衛(wèi)星中繼。首先，無人機飛行平臺必須具有一定的負載和供電能力，續(xù)航時間必須足夠長。同時，它必須具有遠程飛行和有效的控制距離。為此，我們應該全面考慮發(fā)動機以滿足機載設備負載和電能的需求，以及中繼地圖傳輸和數(shù)字傳輸鏈路的有效控制距離。

穿山而過，正常直線距離約數(shù)公里，特高壓傳動線的塔身距離一般約300-5000m，20基塔約6-10km。因此，無人機飛越這座山，一般不超過20塔。

無人機長途飛越山區(qū)，耗時長，但飛行時間長必然會增加載重量，即需要增加發(fā)動機功率。

機載中繼設備的傳輸功率與傳輸距離、體積、重量成正比。功率低，圖形傳輸和數(shù)字傳輸中繼設備的傳輸距離不能滿足需要，功率大。雖然圖形傳輸和數(shù)字傳輸中繼設備的傳輸距離較遠，但所需的功耗、體積和重量將不可避免地增加。

由于傳輸圖像的分辨率越高，所需信道帶寬、設備傳輸功率和編碼壓縮比越大，在相同條件下信號傳播距離越短，通道利用率和圖像恢復質量越低。無人機的實際飛越應首先確保巡邏飛行的安全。根據(jù)網(wǎng)格巡檢的實際飛行經(jīng)驗，實時傳輸?shù)头直媛省皹饲濉币曨l圖像可以滿足無人機巡邏飛行的監(jiān)控需求。更高分辨率的“高清”照片可以保留在無人機中完成檢查操作，然后在返回地面后提取分析。優(yōu)先利用有限的信道資源，確保指揮控制，維護通信鏈路安全，確保無人機檢查和飛行控制的安全。

三、設計要求

無人駕駛直升機應足夠長（90～100分鐘以上），以滿足20個基地飛行巡邏塔或6～10公里左右的時間要求。無人駕駛直升機的有效飛行控制距離必須足夠長（不少于15公里），以滿足20座基地塔的檢查需要。無人駕駛直升機必須具備自發(fā)電能力，以保證高功率地圖傳輸和數(shù)字中繼設備的長期不間斷供電需求;發(fā)電功率不少于200w，以滿足5至6g中繼設備的供電要求和單次航程100多分鐘的巡邏飛行要求。

無人直升機載重量足以攜帶20公斤以上的大功率地圖傳輸和數(shù)字中繼設備。當負載大于20公斤時，需要支援超過100毫升引擎。應盡量減少高功率地圖傳輸和數(shù)字中繼設備的體積和質量（地面站組數(shù)少于3公斤），以容納安裝在中小型單旋翼無人直升機上的設備。

四、無人機選點原則及部署方案

無人機與任務機聯(lián)合運行模型的目的是解決地面站與任務機之間的通信問題。由于無人機的位置和高度對于確保飛行任務飛機的安全飛行至關重要，因此應充分收集檢查線周圍的地理和氣象條件，并在選擇地點之前進行實地調查。

按照檢查任務線的經(jīng)緯度和高河方向，結合檢查任務塔的布局，必須確保無人機位置可見檢查塔，距離不超過10公里。地面站可以看到無人機，距離不超過10公里。無人機應位于視察團最高塔海拔50來以卜。

在確保無人機檢查塔和無人機檢查地面站位置的情況下，以無人機為中心盡可能選擇直徑300m的無人移動區(qū)作為無人機盤旋點。

結合山地分布情況，參照當?shù)孛咳掌痫L時間和起風水平，綜合確定中繼點位置。

確定中繼點位置后，繪制檢查任務路線、塔的經(jīng)緯度、塔的高度、路線方向和中繼點位置的地圖。

五、結束語

無人機巡檢技術能否進一步應用，取決于通信數(shù)據(jù)鏈技術能否有效突破。本文詳細討論并驗證了無人機合作巡檢模式在特高壓輸電線路巡檢中的應用。中繼技術的應用可以改變傳統(tǒng)的超山運送線運營商的運送線模式，開辟山區(qū)超山運送線的新途徑，并完成山區(qū)復雜地形環(huán)境的長途、長途特高壓傳輸線檢查，使特高壓檢查作業(yè)成為可能。

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