無人機在輸電線路巡檢中的應(yīng)用和發(fā)展

石書山

貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司輸電運行檢修分公司，貴州 貴陽 550000

0 引言

近年來，全網(wǎng)輸電線路無人機巡檢業(yè)務(wù)發(fā)展迅速，已基本實現(xiàn)了“人巡為主、機巡為輔”的線路巡檢模式，為輸電線路安全穩(wěn)定運行提供了有力保障[1]?，F(xiàn)階段，我國已形成東北、華北、華中、華東、西北和南方共六個跨省電網(wǎng)，其中110 kV以上的輸電線路超過51.4萬km，500 kV輸電線路已成為各大電網(wǎng)的主力。由于我國國土遼闊，地形、氣候復(fù)雜，輸電線路巡檢每1 000 km距離不僅需約10名巡檢人員進行不間斷的線路排查和維護，還需40多名護線人員對線路進行日常維護。傳統(tǒng)的日常巡查維護方法已很難滿足現(xiàn)階段快速、高效的巡視需求。隨著無人機技術(shù)的進步，無人機已從軍事領(lǐng)域逐步擴展到電力行業(yè)，如輸電線路巡檢、變電站巡檢等，提高了電力設(shè)備日常巡檢的效率。

1 無人機在輸電線路中的應(yīng)用

1.1 缺陷高清圖片拍攝

隨著輸電線路的不斷擴展，現(xiàn)代化的輸電巡檢和設(shè)備管理受到了巡檢人員的重視。在常規(guī)輸電線路檢測中，巡檢人員會對輸電線路的所有設(shè)備進行檢測，由于設(shè)備種類和數(shù)量繁多，巡檢任務(wù)是一項復(fù)雜、目標(biāo)多樣且分散的任務(wù)。使用無人機可見光技術(shù)和熱紅外技術(shù)對需要檢測的設(shè)備進行拍攝，巡檢人員可根據(jù)拍攝的照片對輸電線路進行缺陷分析和定位[2]。對主要檢測目標(biāo)和檢測類型的缺陷進行統(tǒng)計（見表1）。

表1 輸電線路檢測目標(biāo)和檢測類型

從可見光圖片（見圖1）可清晰觀察輸電線路設(shè)備外觀情況，且可根據(jù)判斷規(guī)則對檢測目標(biāo)進行判斷是否存在缺陷，如絕緣子串組掉串、脫開，電弧燒傷，端部金具銹蝕等缺陷。從熱紅外圖片（見圖2）可查看設(shè)備檢測時的溫度，檢測部位是否存在因設(shè)備缺失造成的溫度異常，也可查看已有設(shè)備因溫度異常產(chǎn)生的微型形變。在使用無人機進行常規(guī)檢測時，應(yīng)注意影響拍攝效果的因素，如拍照角度和天氣以及高壓導(dǎo)線附近的電磁場輻射。此外，測量設(shè)備的因素也不能忽略無人機的選型、熱紅外測溫的精度、測量時無人機與設(shè)備的距離等。在無人機選型時，巡維人員要根據(jù)該條線路的特點進行設(shè)備選型和測量精度選型，確保機器的性能達標(biāo)，滿足測量的硬性條件。

圖1 可見光拍攝導(dǎo)線斷股

圖2 熱紅外拍攝絕緣子升溫異常

利用無人機拍攝可見光和熱紅外圖片，巡檢人員可快速識別和定位輸電線路設(shè)備的缺陷和缺陷位置，提高巡檢效率，確保輸電設(shè)備穩(wěn)定工作。

1.2 線路自動規(guī)劃

在使用無人機巡視輸電線路的過程中，需要對輸電線路各桿塔和設(shè)備進行近距離拍攝。盡管該方法已在電力行業(yè)廣泛應(yīng)用，但由于近距離拍攝容易損壞輸電設(shè)備，且高壓電線附近容易產(chǎn)生較強的電磁場，對拍攝設(shè)備有一定的影響，因此對飛行員的要求較高。采用激光點云測試可對現(xiàn)有的設(shè)備進行三維建模，了解線路的特征和關(guān)鍵設(shè)備的位置，從而固定無人機的自動巡檢路徑，保障輸電設(shè)備、拍攝設(shè)備和人員的人身安全[3]。

無人機負(fù)載激光雷達技術(shù)獲取的點云數(shù)據(jù)不僅能輔助巡檢人員對線路進行常規(guī)的安全檢測，同時可為精細(xì)化的自動巡檢線路提供基礎(chǔ)航線信息。激光雷達技術(shù)可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的飛行航線獲得高精度、高分辨率的三維坐標(biāo)，主要包含點云幾何數(shù)據(jù)、影相數(shù)據(jù)、激光強度數(shù)據(jù)、激光回波數(shù)據(jù)四種數(shù)據(jù)。通過幾何校正、預(yù)處理、分類、疊加地面點、約束要素和構(gòu)建規(guī)則三角網(wǎng)等操作，生成數(shù)字高程度模型、數(shù)字地表模型及測區(qū)內(nèi)等高線圖，結(jié)合實際線路圖像生成高精度數(shù)字正射影相圖。用戶可通過這些測繪成品在系統(tǒng)中進行交互操作，獲得輸電線路最基本的數(shù)據(jù)。根據(jù)獲取數(shù)據(jù)，巡檢人員可固定無人機的自動巡檢路徑，根據(jù)無人機機型、航跡點數(shù)、飛行高度、距離等因素，選擇出最優(yōu)的飛行路徑。無人機的拍攝航跡點數(shù)與輸電線路設(shè)備類型和數(shù)量密切相關(guān)，在訓(xùn)練識別模型時，需將所在航線的所有桿塔、設(shè)備需檢測的內(nèi)容進行標(biāo)記。結(jié)合上述條件，在多條航線中找到路徑最短、耗時較少、拍攝種類較多的路線作為最優(yōu)的飛行航跡。

1.3 通道植被檢測

輸電線路通道植被生長過快會對輸電線路安全造成威脅，從而形成植被隱患。預(yù)測植被能確定植被準(zhǔn)確位置，并在合適的時間砍伐存在隱患的植被。傳統(tǒng)的植被檢測是由人工巡查的方式實現(xiàn)。巡檢人員需到達現(xiàn)場測量和記錄通道的植被情況，并對記錄的數(shù)據(jù)進行分析。一旦分析結(jié)果超過安全距離，則視為植被隱患。這種方法對植被檢測的結(jié)果容易受到人為因素的影響，也容易對巡檢人員的人身安全造成威脅。

采用無人機負(fù)載激光點云技術(shù)，根據(jù)桿塔位置提取輸電線路設(shè)備對應(yīng)的點云數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)分析后，結(jié)合輸電線路安全運行規(guī)范分析導(dǎo)線與植被之間的距離是否滿足安全規(guī)范。隨后，進行安全分析，最直接的方法是分別計算每個輸電線點與植被點之間的距離，判斷是否小于安全規(guī)范設(shè)定的值。為了加快查找速度，對植被點云建立空間檢索結(jié)構(gòu)kdtree，遍歷所有的激光點。遍歷后，根據(jù)線路安全運行規(guī)程所規(guī)定的安全距離尋找該巡檢線點范圍內(nèi)是否存在植被隱患，若存在植被點，則確認(rèn)為缺陷點位置，并保存缺陷點數(shù)據(jù)庫。巡檢人員可根據(jù)缺陷點位置和危機程度到現(xiàn)場處理隱患植被。

激光點云技術(shù)在小范圍的效果甚微，成本較高，在采用前，應(yīng)結(jié)合綜合情況判斷該技術(shù)是否適用。

2 無人機在輸電線路應(yīng)用的機遇和挑戰(zhàn)

2.1 機遇

（1）發(fā)展機巡業(yè)務(wù)是應(yīng)對電網(wǎng)快速發(fā)展、緩解運維資源緊張的有效途徑。我國經(jīng)濟社會已經(jīng)進入了新常態(tài)，電網(wǎng)建設(shè)將仍然保持較高速度增長。與電網(wǎng)和設(shè)備資產(chǎn)快速增加相比較，電網(wǎng)公司生產(chǎn)運維人員規(guī)模已經(jīng)無法與電網(wǎng)發(fā)展速度相匹配。按照南方電網(wǎng)輸電線路人員定額標(biāo)準(zhǔn)測算，2015年，輸電運維人員總體缺口約為3 000人，缺員比例達34%。機巡業(yè)務(wù)的發(fā)展將大幅提升輸電線路運維效率，有效緩解人員緊張的情況。

（2）新技術(shù)應(yīng)用為機巡業(yè)務(wù)發(fā)展提供了技術(shù)和資源保障。近年來，以云計算、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)和移動應(yīng)用為代表的新技術(shù)快速發(fā)展，電網(wǎng)企業(yè)不約而同地選擇主動融入技術(shù)發(fā)展的大潮中，電力創(chuàng)新屢見不鮮，以數(shù)字化、信息化管理為代表的電網(wǎng)管理新模式正在形成。從機巡業(yè)務(wù)發(fā)展的進程來看，一方面，隨著技術(shù)不斷成熟，無人機制造和使用成本逐漸降低；另一方面，隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新技術(shù)發(fā)展迅猛，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集分析成為可能，保證了機巡業(yè)務(wù)所需的時效性，為機巡發(fā)展提供了技術(shù)保障。

2.2 挑戰(zhàn)

（1）國內(nèi)無人機相關(guān)管理法規(guī)欠缺，給無人機巡檢的發(fā)展帶來管理挑戰(zhàn)。國內(nèi)無人機相關(guān)管理法規(guī)制定滯后于無人機技術(shù)發(fā)展，目前無人機適航體系、操作人員資質(zhì)管理體系、空域申報體系均尚未建立完整的管理法規(guī)。強制性管理要求的缺失造成了目前無人機應(yīng)用存在混亂的情況，無人機干擾正常空域使用的情況時有發(fā)生。這也給無人機巡線業(yè)務(wù)的發(fā)展帶來了新的管理挑戰(zhàn)，需要結(jié)合各地電網(wǎng)實際情況，重點考慮應(yīng)用策略，保證人機巡檢配合得當(dāng)，以免帶來違規(guī)風(fēng)險。

（2）各單位機巡業(yè)務(wù)開展水平差異較大。部分電網(wǎng)公司在直升機或多旋無人機巡視作業(yè)方面開展較早，對機巡工作重視程度高，在機構(gòu)建設(shè)、人員配置、裝備購置等方面投入較大，具有較強作業(yè)能力且業(yè)務(wù)發(fā)展方向明確。部分電網(wǎng)公司因機巡中心成立較晚或前期機巡業(yè)務(wù)投入較少，存在基礎(chǔ)薄弱、專職人員少、技術(shù)水平不高、裝備配置不足等方面的問題，尚未形成規(guī)?；?、常態(tài)化機巡業(yè)務(wù)。

3 結(jié)束語

相對于傳統(tǒng)輸電線路的巡檢方法，無人機系統(tǒng)的巡檢方法更有優(yōu)勢。近年來，電網(wǎng)建設(shè)高速發(fā)展，電網(wǎng)人員缺編情況嚴(yán)重，電力行業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)結(jié)合是社會發(fā)展的趨勢。在未來，無人機在電力行業(yè)將會大放異彩，為巡檢業(yè)務(wù)提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。