無人機在高壓輸配電線路智能巡檢中的研究與應(yīng)用

于子涵

（山東黃金電力有限公司，山東 萊州 261441）

1 電力線路巡檢現(xiàn)狀

輸配電線路是電力系統(tǒng)的重要組成部分，更是電力傳輸?shù)闹匾d體，承擔(dān)安全穩(wěn)定輸送電能的重要任務(wù)，對電網(wǎng)供電安全性、可靠性至關(guān)重要。做好電力線路的巡檢和維護(hù)，讓電力線路處于良好狀態(tài)成為電力線路巡檢工作的重中之重。

隨著電網(wǎng)的電力線路規(guī)模越來越大，要對輸配電線路開展定期巡視檢查和特殊巡檢，隨時掌握輸配電網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)、線路周圍環(huán)境、線路是否存在安全隱患，對于電力線路巡檢的要求也越來越高。電力線路巡檢通常采用兩種巡檢方式。一種是人工巡檢模式。通過人手持望遠(yuǎn)鏡和紅外熱成像儀等巡檢設(shè)備對輸配電線路進(jìn)行巡檢。該巡檢方式勞動強度大、工作條件艱苦、巡檢效率低，在遇到電網(wǎng)緊急故障和異常氣候時，線路人員由于不具備有利的交通優(yōu)勢，嚴(yán)重影響線路巡檢質(zhì)量和效果。隨著線路運維工作量不斷提升，人工巡檢模式已不能適應(yīng)智能電網(wǎng)的建設(shè)和運維需求。另一種是以人工巡檢為主人為操控?zé)o人機巡檢為輔的巡檢模式。這種巡檢方式嚴(yán)重依賴無人機飛手人員數(shù)量、操作技能以及對巡檢線路的熟悉程度，無人機在電力線路巡檢質(zhì)量有了大幅度提升，但是巡檢效率整體不高。[1-2]

2 方案設(shè)計

無人機在線路智能巡檢中的研究與應(yīng)用主要針對兩種巡檢方式的缺點和不足的基礎(chǔ)上進(jìn)行探索和研究，采用無人機智能巡檢的方式開啟新的電力輸配電線路巡檢模式，擺脫人的因素制約，通過智能巡檢方式完成電力輸配電線路巡檢工作[3]。

無人機在高壓輸配電線路智能巡檢中的研究與應(yīng)用設(shè)計主要通過無人機智能巡檢系統(tǒng)控制無人機自主、智能巡檢電力線路，該設(shè)計方案將主要其大致分成五個組成部分，分別是無人機自動機場、無人機、無人機智能巡檢系統(tǒng)、航線規(guī)劃和GIS 線路三維展示[4]。建立一個無人機智能巡檢系統(tǒng)，所有對無人機機場、無人機的操控指令都通過管控平臺下達(dá)。通過無人機智能巡檢系統(tǒng)首先完成電力巡檢線路航線規(guī)劃、航線導(dǎo)入，自主控制無人機機場和無人機遠(yuǎn)程設(shè)定作業(yè)任務(wù)并下發(fā)巡檢任務(wù)，無人機通過起飛、巡檢、降落、回收、充電、數(shù)據(jù)上傳等實現(xiàn)無人機在線路中智能巡檢的工作任務(wù)，實現(xiàn)電力線路巡檢現(xiàn)場的桿塔和線路走廊照片取證、現(xiàn)場監(jiān)控及隱患排查等工作，對電力巡檢全過程進(jìn)行展示，并自動生成巡檢報告，通過GIS 線路三維展示電力線路三維巡檢通道，實現(xiàn)電力線路巡檢、通道樹障和交跨、電力巡檢隱患的可視化管理。

無人機在線路智能巡檢中的研究與應(yīng)用開啟了第三種電力巡檢方式——無人機自主電力巡檢，可實現(xiàn)黃金電網(wǎng)內(nèi)無人機線路巡檢的自動化、智能化。無人機根據(jù)無人機智能巡檢系統(tǒng)下發(fā)的巡檢指令按照規(guī)劃航線并攜帶多功能云臺相機完成本次航線內(nèi)的桿塔基礎(chǔ)、接地裝置、桿塔本體及輸電線路、絕緣子、金具及導(dǎo)地線附件及其他設(shè)施、通道環(huán)境等巡檢任務(wù)，并在每個規(guī)劃定點位置拍攝可見光照片和紅外照片，實時回傳無人機智能巡檢系統(tǒng)，線路巡檢人員可通過無人機智能巡檢系統(tǒng)查看實時數(shù)據(jù)并對機場進(jìn)行集中監(jiān)控和控制。通過無人機智能巡檢系統(tǒng)對電力線路巡檢進(jìn)行隱患分析，形成線路巡檢報告。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 無人機自動機場

要想無人機自主巡檢，它需要一個承載無人機的設(shè)備。無人機自動機場是實現(xiàn)無人機無人值守化作業(yè)的智能巡檢系統(tǒng)的重要組成部分，對無人機存儲、自主化飛行、電能補充等功能模塊增加異常處理與自恢復(fù)邏輯，實現(xiàn)現(xiàn)場無人機智能、自動巡檢工作。

無人機自動機場采用固定式機場，為無人機提供存儲空間。執(zhí)行作業(yè)任務(wù)前，固定機場打開艙門，并升起甲板，等待釋放無人機，無人機完成作業(yè)任務(wù)后精準(zhǔn)降落至固定機場甲板上，固定機場會自主回收完成作業(yè)任務(wù)的無人機。在接收到無人機智能巡檢系統(tǒng)指令后接受作業(yè)任務(wù)，自動打開機場艙門，放飛無人機，無人機按照巡檢任務(wù)執(zhí)行電力線路巡檢工作，任務(wù)執(zhí)行完畢后自動落回機場，同時自動機場根據(jù)無人機帶電情況為無人機自動充電，充電完成后繼續(xù)開展電力巡檢作業(yè)。

電力線路巡檢作業(yè)受天氣情況影響較大，無人機機場配置一體化氣象站，自動識別飛機飛行條件，具備飛行條件后按照規(guī)劃航線執(zhí)行巡檢作業(yè)任務(wù)。為實現(xiàn)無人機機場與無人機相互配合，自動機場具備無人機自動機場自動打開艙門，釋放無人機，無人機完成作業(yè)任務(wù)后精準(zhǔn)降落至固定機場甲板上，機場自主回收完成作業(yè)任務(wù)的無人機，在無人機機場配備快速充電模塊，無人機歸位即刻充電。為了滿足戶外作業(yè)，機場內(nèi)配置空調(diào)系統(tǒng)，可實現(xiàn)在-35℃至50℃無人機巡檢戶外作業(yè)，同時配置防雷系統(tǒng)、內(nèi)置備用電源，支持?jǐn)嚯? 小時云端在線，保障無人機安全返航。

3.2 無人機

無人機作為無人機智能巡檢技術(shù)方案關(guān)鍵組成部分，設(shè)計中主要采用四旋翼飛機，可以實現(xiàn)四軸飛行器的一次放飛、回收充電，便于常年使用，不執(zhí)行巡檢任務(wù)時就保存在無人機自動機場內(nèi)。

無人機掛載重量過重，影響無人機飛行時間和飛行效率，基于這一點，為減輕無人機負(fù)載重量，將無人機掛載內(nèi)置在無人機上，成為無人機的一部分，同時為了便于飛行一次獲取更多的信息，內(nèi)置掛載采用多傳感器混合云臺相機，將激光測距儀、廣角相機、變焦相機和熱成像相機這四個相機功能混合在一起，在飛機飛行時可測量輸變電線路走廊線路對地距離，廣角和變焦相機可以捕捉識別電桿、鐵塔上的導(dǎo)線、金具、電纜等線路巡檢細(xì)節(jié)，無需人為手動調(diào)整，為電力線路巡檢節(jié)省時間[5]。同時，電力線路中某一金具過熱這一類似的電力隱患無法通過相機獲知，紅外相機可以對這類故障迅速辨識，并將超溫故障的照片傳回?zé)o人機智能巡檢系統(tǒng)，提前發(fā)現(xiàn)電力線路隱患，保障電力線路的傳送電能的可靠性。

無人機在巡檢電力線路過程中，為保障無人機不發(fā)生撞線等意外事故的發(fā)生，無人機配置RTK 定位[6]。RTK 定位技術(shù)主要采用的差分技術(shù)達(dá)到厘米級的定位結(jié)果，無人機采用網(wǎng)絡(luò)RTK 精準(zhǔn)定位。為了加強電力無人機安全，在機身配置六項雙目視覺及近紅外傳感器，自動設(shè)置避障距離。無人機配備高清圖像視頻和紅外圖像展示功能，可在20m 之外通過10 倍光學(xué)變焦進(jìn)行電力巡檢，實現(xiàn)一鍵全景、線路紅外圖像展示和紅外熱溫度分析功能。

四旋翼無人機的巡航時間大概在40 分鐘，電池作為四旋翼無人機的主要動力來源，無人機在升空和降落也需要電能[7]，除了在無人機固定機場內(nèi)給無人機充電以外，可以設(shè)計一個臨時給無人機充電和停泊系統(tǒng)。如果能在電力線路巡檢路線中對巡檢的線路和無人機電量進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，在線路周邊建立幾個無人機小型充電和停泊系統(tǒng)。電力線路架設(shè)通常在偏遠(yuǎn)地區(qū)，取電通常不會便捷[8]。通過利用電力線路自身的電壓是最好的一種取電方式，利用線路電降將其降至無人機相適應(yīng)的電壓，用于無人機小型充電和停泊系統(tǒng)供電。該系統(tǒng)的利用無人機停泊后與系統(tǒng)接觸面進(jìn)行充電，待充滿電后無人機進(jìn)行斷點續(xù)飛，大大提高無人機的巡檢效率，減少無人機返回機場充電來回時間，減少無人機斷點續(xù)飛而飛行的距離。

3.3 無人機智能巡檢系統(tǒng)

無人機智能巡檢系統(tǒng)是無人自動機場、無人機的管控中心。將確定好的規(guī)劃航線導(dǎo)入無人機智能巡檢系統(tǒng)，通過管控平臺下發(fā)巡檢任務(wù)，固定機場獲取任務(wù)信息后啟動無人機自動進(jìn)行電力線路巡檢作業(yè)，整個過程無需人員參與，實現(xiàn)電力線路巡檢的無人化、自動化和智能化，可以實現(xiàn)無人機定點電力線路巡檢任務(wù)，同時也可在室內(nèi)集中操控所有機場并監(jiān)控現(xiàn)場實時狀態(tài)[9]。

無人機智能巡檢系統(tǒng)支持對多個機場、多臺無人機（項目涉及的所有無人機）的操控和管理，可對多個覆蓋區(qū)域的無人值守實現(xiàn)立體巡檢。完成無人機自主巡檢的所有操作，同時要識別無人機航線規(guī)劃，支持規(guī)劃航線導(dǎo)入無人機機場和無人機。無人機智能巡檢系統(tǒng)進(jìn)行私有化部署，采用專用網(wǎng)絡(luò)，通過光纜和4G 網(wǎng)兩種方式與無人機自動機場進(jìn)行通信。無人機智能巡檢系統(tǒng)具備創(chuàng)建任務(wù)、下發(fā)創(chuàng)建任務(wù)、狀態(tài)監(jiān)控、巡檢數(shù)據(jù)查看、航線規(guī)劃、自主巡檢、數(shù)據(jù)回傳、報告生成等功能。

3.4 航線規(guī)劃

航線規(guī)劃主要包括激光點云采集、激光點云數(shù)據(jù)計算和處理、航線生成和航線校核等。

激光點云采集主要通過無人機掛載激光雷達(dá)，對所巡檢的電力線路走廊上方飛行，完成輸電線路本體及周邊廊道的高精度三維激光點云數(shù)據(jù)。生成點云數(shù)據(jù)達(dá)到厘米級，每平方米采點密度100 個以上，連續(xù)性好，不存在缺失，保證其桿塔結(jié)構(gòu)、導(dǎo)線、絕緣子及關(guān)鍵連接部位清晰、可辨識。

將所有線路采集的激光點云數(shù)據(jù)利用軟件進(jìn)行點云解算和賦色，獲得高精度三維線路走廊地形地貌、線路設(shè)施設(shè)備，以及走廊地物包括電塔、塔桿、掛線點位置、電線弧垂、樹木、建筑物等的精確三維空間信息和三維模型，為航線規(guī)劃和WEB GIS 三維線路展示提供三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，完成激光點云數(shù)據(jù)計算和處理。

將解算的激光點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入無人機智能巡檢系統(tǒng)生成初步航線規(guī)劃，精準(zhǔn)識別塔型和巡檢點，設(shè)置航線的安全距離、拍照距離、拍照時的懸停時間、云臺調(diào)整懸停時間、目標(biāo)點的拍照張數(shù)、塔體的航跡點位置、拍照點的機頭角度、云臺角度、目標(biāo)點的拍照張數(shù)及拍照距離等參數(shù)，手動對線路參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，生成高精度、飛行路徑最優(yōu)的精細(xì)化巡檢航線。

航線規(guī)劃開發(fā)需對每條線路進(jìn)行定制開發(fā)，確定每條線路的巡檢路線和巡檢點，滿足電力線路巡檢要求，包括精準(zhǔn)化巡檢和線路通道巡檢。航線規(guī)劃要完成采集桿塔本體及輸電線路整體狀況，包括桿塔傾斜情況、橫擔(dān)歪斜情況、桿塔異物情況，絕緣子金具運行情況、導(dǎo)線接續(xù)管等部件是否有異常等。

3.5 GIS 線路三維展示

GIS 技術(shù)就是地理信息系統(tǒng)，將電網(wǎng)內(nèi)電力線路的地理信息與地圖信息進(jìn)行整合，為無人機智能巡檢提供地理坐標(biāo)，便于巡檢線路航線規(guī)劃，同時將巡檢結(jié)果與地理信息相融合，在地理信息系統(tǒng)GIS 中將巡檢線路以三維形式進(jìn)行展示，構(gòu)建以高精度地形和影像、激光點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的三維數(shù)字化電力線路通道，以三維視角實現(xiàn)對電力線路巡檢、通道樹障、交跨和隱患的可視化管理，通過與原有二維WebGIS 融合，實現(xiàn)電網(wǎng)資源的二三維一體化管理。

除了三維數(shù)據(jù)展示外，還與無人機智能巡檢系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，在三維電力巡檢界面加入設(shè)備樹管理，可實現(xiàn)對線路設(shè)備按電壓等級、線路名稱、桿塔名稱樹狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行羅列，雙擊桿塔名稱可以在三維場景中定位，點擊三維場景中桿塔名稱可以顯示設(shè)備臺賬、桿塔名稱，同時具備圖層管理、書簽管理功能。無人機在巡檢任務(wù)完成后，選擇一條已執(zhí)行的任務(wù)航線，可以在三維場景中顯示此次無人機巡檢的歷史軌跡，在每個任務(wù)點旁邊顯示對應(yīng)的巡檢照片。同時能缺陷照片空間定位在具體線路的桿塔上。

4 預(yù)期效果分析

無人機在高壓輸配電線路智能巡檢中的研究與應(yīng)用是對第三種電力巡檢方式——無人機自主電力巡檢的探析，提高了電網(wǎng)輸電、配電線路巡視質(zhì)量和運維智能水平。解放勞動力，無需人工巡視，實現(xiàn)線路巡檢無人化管理，實現(xiàn)了機械化減人、智能化減人、信息化減人，減少線路巡線工人，減少人工運維成本，同時能第一時間發(fā)現(xiàn)線路隱患和故障，避免因故障發(fā)生的設(shè)備燒毀、供電中斷的發(fā)生，提高公司整體電網(wǎng)安全可靠性。隨著十四五期間大量線路的新建和投運，無人機智能巡檢線路技術(shù)將為電網(wǎng)安全可靠運行提供優(yōu)質(zhì)、高效的巡檢服務(wù)。

5 結(jié)語

無人機在線路智能巡檢中的研究與應(yīng)用項目已在電網(wǎng)內(nèi)開始建設(shè)，預(yù)計在未來黃金電網(wǎng)的輸配電線路電力巡檢中的應(yīng)用將會越來越多、越來越廣，在該應(yīng)用過程中要加強五個組成部分的相互銜接、相互配合，使得電力線路巡檢在巡檢質(zhì)量、巡檢效率和巡檢成果展示上面得到更大幅度的提高。