無人機在電力輸電線路的各種應用

黃謹益

（廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530001）

無人機在電力輸電線路的各種應用

黃謹益

（廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530001）

無人機技術由于其可控制、可攜帶多種任務設備、機動性強等特性，被廣泛應用于輸電線路規劃、輸電線路測量、輸電線路巡視、災難應急響應、輸電線路架設等電力各領域，有效提高電力工程基礎設施作業效率、提升電力系統的維護水平，彌補了傳統人工作業的不足。

無人機；電力系統；輸電線路；應用

廣西地形復雜，平原少、丘陵及山區較多，氣象條件復雜，線路走廊趨于緊張，規劃及新建設的線路不得不穿越比以往更惡劣的深山大嶺。從輸電線路的初期規劃建設到建成后的日常巡查維護及事故處理，傳統人工做法的應用不僅勞動強度大，而且耗時多，效率低下，遠遠滿足不了高效的需求。近年來，無人機技術突飛猛進，在電力各領域中廣泛得到應用，彌補了傳統人工的不足。

1 無人機在電力輸電線路應用

1.1輸電線路規劃

在進行電力線路規劃時，一般仍然采用方法是在衛星圖片或者航拍圖片對走廊的清理等工程量進行統計，通過比較各種路徑方案經濟性來選擇實施方案。這兩種方法在實際應用中都存在局限性。衛星圖片由于衛星收到軌道和過頂時間的約束，時效性差，無法實現實時觀測，會經常出現地形地貌發生改變的情況。傳統大飛機航飛必須報批軍事與民航部門，獲取航空批文難度較大，對起降場地要求嚴格，并且耗時長，費用高，因此在惡劣天氣條件下，無法升空作業，并且易受云層等因素影響得不到準確的影像，在諸如廠區等小面積區域，尤其是面積在 50km2以下的區域和長度較短的線路路徑難以實現較快的速度、較低成本獲取較精準相關數據。無人機的應用相對于傳統線路規劃方法而言，體型小、消耗少、使用成本低、機動性強，可以在陰云天氣攝影，飛行高度低，可以獲得更高分辨率的航空影像及其數據，能更有效減少不利地面實地調查環境的負面影響。重慶電力設計院在220kV張秀線工程項目規劃中，為克服重慶地區地形條件復雜等因素的限制，首次應用無人機實現了十五天完成航空測繪。該航空測繪的高質量數字影像優化了輸電線路路徑，極大減少了工程投資。

1.2輸電線路測量

在輸電線路地形測量中，對于導線至導線底部物體的測量使用較多的方法是使用經緯儀。但是，使用經緯儀測量中，經過林區的測量通道有時無法清理，或視野受地形限制，需要通過多次搬站測量才能完成任務，費時費力。

無人機搭載光學測量設備，在測量視野受限較大的區域如林區、有高大建筑的居民區及在使用傳統測量方式需要繞行的區域如峽谷、高山等時，能快速調整所處的位置取得相對高精度的數據資料，同時降低了強度和區域測量工作的負荷，節省了時間，提高了測量效率。2009年，中南電力設計院采用低空無人機遙感與地面測量相結合的大比例尺測圖高程面狀擬合方法對江西某高壓變電站了無人機低空測量。2011年，重慶電力設計院在涪陵至長壽的220kV線路工程中采用無人機測量優化路徑，使工程總投資節約了 3%～5%，野外勘察作業時間減少了1/3，提高了工作效率。

1.3輸電線路巡視

通過巡視檢查來掌握線路運行狀況及周圍環境的變化，及時發現設備缺陷和危及路線安全的因素，以便及時消除缺陷，預防事故的發生。

巡視的分類主要有：（1）線路的定期巡視：主要是進行巡線管理。（2）線路的特殊巡視：特殊巡視是在發生冰凍災害、沙塵暴、暴雨、泥石流、洪水等災害、外力影響、異常運行和其他特殊情況時及時發現線路異常現象及部件的變形損壞情況。特殊巡視一般不能一人單獨巡視，而且是依據情況隨時進行的。（3）巡線的夜間、交叉和診斷性巡視：一般根據運行季節特點、線路健康情況和環境特點確定重點。（4）線路的故障巡視：是查明線路上接地故障產生緣由，找出線路故障點，查明設備受損程度。（5）線路的登桿巡視。線路上有很多缺陷是不能從地面上發現的，甚至用望遠鏡也無濟于事。所以每年必須進行人工登桿檢查或是無人機近距離檢測。

南方電網公司最新的招標技術要求無人機搭載可見光攝像機光電吊倉可見光圖像可清晰識別長度10mm的銷釘的距離值，可清晰反映電力通道周邊災情、違章建筑、施工等情況；搭載紅外熱像儀光電吊倉紅外檢測線路設備溫度優于2K的絕對誤差的距離值，可判別線路設備±0.5K的相對溫差的距離值；搭載紅紫外成像儀光電吊紫外可探測并捕捉電暈放電和表面局部放電的距離值。

2009年初，國家電網公司正式立項研制無人直升機巡檢系統。無人機是一種有動力、可控制、能攜帶多種任務設備并能重復使用的無人駕駛飛行器，具有機動靈活、快速反應、無人飛行、操作要求低、搭載多類傳感器、影像實時傳輸、高危地區探測、綜合效益高等許多優點[1]。主要有六旋翼飛行器、無人直升機和固定翼無人機這幾種類型。六旋翼飛行器屬短距離飛行，優點在于能夠近距離定點拍攝；無人直升機屬中距離飛行，優點在于機動性強，飛行點易控制；固定翼無人機則屬中、長距離飛行，優點在于能快速獲知較長距離的線路整體情況。

2010年4月9日，山東電力公司研制的油動單旋翼無人機在500千伏川泰I、II線雪野湖段飛行15分鐘，巡檢1.6千米線路、6基鐵塔，實現了自主起飛、航線跟蹤、軌跡展示、程控飛行等技術突破；其固定翼燃油動力飛機在2011年末進行了試飛作業，翼展3米以上，航速108～120km/h，起飛時需火箭助推。青海省電力公司與青海電研院使用多旋翼油動遙控無人機于2010年6月14～17日，11月18～20日，進行了無人機項目研究的高海拔飛行試驗。

2012年2月，國網福建省電力有限公司研制出了基于大型無人直升機的電力飛行巡檢技術平臺，實現了對輸電線路的可見光、紅外全過程高精度自主程控飛行巡檢，并成功的應用于線路巡視和防災減災工作。

2013年9月，國網山東電科院承辦了國網無人機飛行驗證試驗，主要是針對輸電線路巡檢用油動固定翼無人機巡檢系統進行現場飛行驗證試驗，并對中型無人直升機與任務吊艙的適配性開展驗證工作。國網重慶市電力公司超高壓局通過建設輸電線路走廊三維可視化管理系統對輸電線路進行三維重建，并利用了重慶超高壓局6條500kV輸電線路進行運行實驗；國網湖南省電力公司檢修分公司開展了四旋翼無人機在輸電線路巡視中的應用,主要開展短距離巡檢、設備定點檢查等方面。

根據相關數據表明，我國每年電力行業整體投資約為1000億元，其中硬件設施為73%，說明輸電設備在國家電網建設上比重越來越大，隨著電網的日益擴大，巡線的工作量也日益加大，無人機進行故障點查找工作，極大節省了時間，提高了工作效率。以國網冀北電力公司運維500kV昌門線山區段為例, 應用無人機進行故障點查找工作，僅需2個小時左右，節省時間6個小時以上，若以單條500kV線路平均負荷1000MW、過網電價0.07元、減少停電6個小時計算,直接避免過網電量損失達42余萬元。根據記錄,2010年～2012年每年發生的非重合鬧故障次數分別為:9次、6次、14次。故按平均每年10次計算，可減少直接經濟損失420萬元（1000MW ×0.07元×6小時×10次=420萬）。

圖1　無人機在巡視

2015年以來，廣西電網公司分布在各個網區的30多名飛行操作員，已完成對“西電東送”輸電線路、南昆鐵路專供線路等重要輸電線路的巡視任務。廣西電網所轄線路覆蓋面廣，沿線山高嶺陡、溝壑縱橫、山多林密，輸電線路的桿塔架設在崇山峻嶺之中，傳統人工巡檢，從一基桿巡到另外一基桿需要翻過一座山要走上好幾個小時。每到廣西的夏季，多臺風、暴雨，會引發洪水、泥石流等自然災害，會導致輸電線路經行地區山體滑坡、沖段道路，以致于線路檢修人員無法及時到達現場對線路桿塔基礎、絕緣子等設備進行風險評估。當發生大霧天氣、冰凍天氣時，由于桿塔上可能覆水或覆冰，人工登桿檢查存在較大危險。利用無人機的迅速快捷、高效安全的特性對高山、溝壑、河流等線路路徑中輸電線路設備進行巡視不僅能避免人工登桿的危險作業，而且能發現許多以地面視角觀察難以發現的問題，如絕緣子污閃、雷擊留下的痕跡，導地線或者避雷線散股、斷股等，極大提高了工作效率。同時從不同角度拍攝圖像，使巡檢數據資料更加完整。作為電網的“千里眼”及“順風耳”，廣西電網工作人員在后臺可監測柳州、百色、桂林等1068條輸電線路、300多臺供電設備。

1.4災難應急響應

冰凍災害、泥石流突發等自然災害對輸電線路影響嚴重，輕者閃絡、斷線，重者發生倒桿等大規模停電事件，因此加大對自然災害的監控預防尤其重要。作為新一代應急救災預警航測系統，無人機為抗災決策、評判災情、及時科學引導救災方面作出了重要貢獻。

2010年7月30日至31日，遼寧本溪供電公司研制的旋翼油動遙控無人機對撫順電網遭遇暴雨泥石流災害進行災情巡視。

2011年云南盈江地震后，中國四維測繪技術有限公司利用固定翼油動無人機，對盈江14平方公里地面進行了50分鐘的航測，獲得分辨率為0.1米的照片603張。在第一時間對災區進行了普查工作，及時匯總了災區的受災情況，為之后救援、重建工作的決策提供了數據支撐。

廣東韶關市江城線1724號耐張塔所處地較復雜，每年冬季，時常發生大霧彌漫，能見度低，人工觀測需等到大霧散盡才能作業。2011年1月，湖南電力試研院利用無人機能夠定點懸停，能夠攜帶可見光攝像機等特性對該桿塔進行高空近距離覆冰情況監測，解決了惡劣氣象條件下覆冰監測的難題，充分體現了科技防冰減災的技術支撐作用。

2012年北京及其周邊地區遭遇61年來最強暴雨及洪澇災害，暴雨沖垮了房山區的大部分道路，供電局檢修人員無法及時到達現場對線路基礎受損境況進行評估。線路檢修人員使用無人機對災區巡視通道被沖斷的神保線進行巡視，及時發現隱患并進行排除。

圖2　無人機在覆冰線路作業

1.5線路架設

無人機放線與傳統的人工放線相比，能有效克服施工環境復雜等不利因素，能夠降低勞動強度、提高施工效率、減少青苗賠償、降低安全風險。

2011年1月23日，江蘇省送變電公司研制的旋翼油動無人機試飛展放初級導引繩，其識別感應、自動實時調整飛行軌跡的技術，比上世紀90年代北京送變電公司成功采用的人工遙控方式展放初級引繩技術有了新的突破。

2011年3月，遼寧電力有限公司在本溪220kV程富線輸電線路工程項目中第一次應用配裝自動架設系統及相應引線裝置的旋翼無人機，實現單次連續牽引1500米初級導引繩過塔，完成多座桿塔的初級導引繩牽引架設，連續跨越 3條 10kV線路和河流，成功地將初級導引繩連續布放在鐵塔的橫擔上[2]。

2014年，浙江省寧波供電公司利用八旋翼小型無人機完成了110kV輸電線路的架設。八旋翼小型無人機在近50米的兩個基塔之間沿線路上空飛行，通過施放引繩逐步完成架設導線。通常架設6公里的線路往往需要花費20天，在利用無人機架設后，工時縮短至15天，同時也減少了施工人員的人力輸出，確保線路架設沿線樹木、農作物不因線路架設而遭受經濟損失。

2015年5月14日，施工人員使用無人機進行牽引繩引渡放線。當日，在位于江蘇昆山境內的淮南-南京-上海特高壓1000千伏交流輸變電工程施工現場，施工人員使用八旋翼無人機“穿針引線”，在兩座高逾144米、重達570噸的特高壓鐵塔之間架設線路，大大縮短了施工時間，節約了施工成本。

圖3　無人機在進行牽引作業

2 結束語

無人機在輸電線路規劃、測量、巡視、災害應急響應以及線路架設等領域得到了廣泛的應用，這對于提升電力工程的基礎設施建設、電力系統的維護水平起著至關重要的作用。

當然，聯系到相關實際經驗，無人機技術在今后的應用中還需要克服自身的不足，主要表現為：（1）若使用電池續航，作業時間較短，一般是30分鐘或者更少，不利于進行較大范圍的巡檢；（2）固定翼飛機起飛方式有滑跑、彈射、車載（可選），降落方式有滑跑、機腹擦地、傘降、撞網（可選），需要大場地及設備保證飛機的起降時關鍵設備不受損壞，航空領域申報工作困難較多；（3）無人機定位精度多在水平位置控制精度5m左右，不利于作業效率及設備安全的保障。控制通訊距離受地球曲率或地形影響視距測控通信設備測控距離一般 0～300 km，更遠的需要增加地面中繼測控通信設備（100～400 km）、空中中繼測控通信設備（400～800 km）、衛星中繼測控通信設備（800～3000 km）中的一種或幾種。（4）無人機可控性相對較差，在經過密林或是居民生活區，機載燃油若發生泄燃或墜機事故，會引起大火，會發生較大的事故和造成較大損失。

隨著無人機技術在電力領域的深入應用，很多不足也在持續改善之中，小型無人機為了提高自控作業的安全水平，在未來也將引入超聲波避碰預警技術。瑞士洛桑聯邦科技學院OS4項目(Omnidirectional Stationary Flying Outstretched Robot)研究了0S4的避障問題，共使用5個超聲波傳感器來探測障礙物和測量高度，并在仿真環境下進行避障模型測試。通過測試了多種不同碰壁方法，實驗結果反映了在仿真環境中可有效避開障礙物，實現安全飛行。其次，功率更為強大、抗干擾性更強的超聲波傳感器可提升無人機測距的精準度。

[1] 彭仲.武漢將年產 500架無人機[N].長江日報,2012-11-02(12).

[2] 劉國嵩,賈繼強.無人機在電力系統中的應用及發展方向[J].東北電力大學學報,2012,32(1):53-56.

Application of UAV in power transmission line

UAV technology has been widely used in transmission line planning, transmission line measurement, disaster emergency response, power transmission line, and so on. It can effectively improve the operation efficiency of electric power engineering infrastructure, improve the maintenance level of power system.

UAV; power system; transmission line; application

TM72

A

1008-1151(2015)09-0081-03

2015-08-12

黃謹益（1980－），男，廣西大學電氣工程學院在讀工程碩士研究生。