輸電線路定期巡檢系統總體設計的探討

趙鵬

摘 要：輸電線路在國家整體的電網建設中占有一定的比例，是經濟發展以及居民生活中不可缺少的一部分，是將發電站、變電器、用戶連接起來的傳送帶，它的正常工作運行是電路穩定的一個重要條件。輸電線路分布在全國各個地方，大部分的輸電線路都是暴露在野外的自然環境中，野外環境較為惡劣而且復雜多變，在冰雹、狂風、曝曬、暴雨等自然環境的長期作用下以及線路本身隨著時間會老化，容易產生散股、斷股、絕緣子自爆等缺陷，需要定期不斷的監測與維護，以保證線路正常工作。

關鍵詞：輸電線路；無人機；巡檢

引言：傳統的輸電線路巡視方式主要是依靠巡檢人員定期沿著線路行走查看運行情況，通過攀爬到鐵塔高處檢查各個部件的情況，這種巡檢方式無法避免地岑在勞動強度大、巡視時間長、巡視人員危險性高的缺點。尤其當線路處在偏僻的森林或者山區時，道路以及通信條件落后。一旦遇到惡劣的天氣時，巡檢工人沒有辦法及時對線路進行巡檢，及時消除隱患，容易造成經濟等損失。此外，線路巡檢所需要檢測的內容是多方面的，通過人眼去檢查線路設備，一些明顯、直觀的缺陷容易被發現，而一些在角落細微之處的隱患很有可能會被忽略，使小隱患慢慢發展成為大的問題。當大量設備需要巡檢人員肉眼觀測時，隨著工作時間增加檢測人員的疲勞程度增強，在缺陷檢測時容易出現偏差。圖像缺陷識別算法來對無人機巡視得到的線路圖像數據進行分析處理，對輸電線路的缺陷進行智能識別，有效避免了根據人眼經驗去判斷線路缺陷的弊端，及時全面發現問題。

1 系統總體框架

輸電線路是電力傳輸的重要載體，輸電線路定期巡檢是保證電網設備安全、正常運行的根本條件。隨著經濟迅猛的發展，輸電線路的建設越來越多，從發達的城市到偏遠的山區都建有線路。傳統的人工巡檢方式無可避免地存在著巡檢不到位、隱患消除不及時的缺點，近年來逐漸開始發展的無人機巡檢很大程度上彌補了人工巡檢的不足，提升了巡檢的準確性與效率。無人機巡檢是人工與智能相結合的一種新的巡檢方式，操控手通過遠程操控無人機進行輸電線路巡線，當無人機到達指定鐵塔處指定的懸停點后，對需要巡檢的輸電線路進行拍攝采集圖像，然后依次自主飛行至另一個懸停點，直到遍歷設定的全部懸停點。對于障礙物的檢測與躲避是保證無人機安全飛行的必要條件，通過基于標志物圖像測距的方法，使無人機能夠檢測出與周邊標志物的距離，隨時調整無人機的飛行姿態，避免與障礙物發生碰撞，完成預設的多點懸停任務，實現輸電線路鐵塔的立體巡視。圖像處理技術可以對圖像中運動或靜止目標的提取、分析、處理。通過高清圖傳將采集到的圖像信息傳送到地面站系統，通過基于圖像識別技術的缺陷分析算法，實現從大量圖像信息中檢測缺陷，自動告警，自動統計，進一步提升巡檢作業的信息處理和統計能力。

整個系統的結構主要是（結構圖 1 所示）：1）無人機巡檢子系統：無人機設備的主要組成結構，通過基于標志物圖像測距的算法，測量出目標物與無人機的距離，便于及時調節無人機的飛行狀態，實現無人機的自主避障；無線通信子模塊是無人機與地面站控制系統之間數據傳輸、存儲與處理的通道。到達指定位置對輸電線路進行拍攝，完成對線路的整體巡檢。2）地面站控制子系統主要包括系統管理、任務管理、無人機飛行管理和缺陷識別。設置系統的登陸權限，制定、下達、管理巡線任務，對無人機巡檢過程的飛行姿態、飛行數據、設備運行情況的實時監控，輸電線路的缺陷識別。

2. 無人機巡檢子系統

無人機巡檢子系統主要分為無人機組成機構、無人機避障管理、無線通信子模塊三個部分。

無人機主要有機臂、電機、電池、圖傳設備、GPS、IOSD、陀螺儀、姿態控制器等部分組成，論文所選用是六旋翼無人機，它是一種專業的航拍飛行器，具有一定的抗風能力，能夠實現垂直起降，不受場地的限制，續航時間較長。機型支架采用較輕的全炭素材料；電機一般采用大功率的高效盤式電機，通過在電機上配置電調提高無人機的負載能力；電池通常選用鋰電池；三軸云臺的設計可以實現無人機 360 度全方面旋轉拍攝線路；飛行控制方面，選用的六旋翼機型支持手動、姿態、GPS 三種模式自由切換，GPS 模式控制模式下能保證無人機處于優異的空中懸停效果，飛行控制距離達到 3km。

操控工人人工操控無人機巡檢的方式，對操控手的技能要求高，當飛行距離遠時，由于視角與視距的影響，操控手容易判斷失誤，影響巡視效果甚至損壞無人機。無人機避障管理主要通過基于標志物圖像測距的方法實現無人機的自主避障功能。在貼上尺寸合適的標志物（例如膠帶）在目標物做出標記，通過設定好參數的相機上測量距離，在地面根據相機成像原理就可以測出當前無人機離標識物的距離。在沒有直接接觸的情況下，對已經做好標記的目標物進行測距，根據測得的當前位置與標志物之間的距離，調整無人機的飛行姿態，繞開障礙物，實現自主避障功能。這種避障的方式不僅簡單有效，而且不必在無人機上加載額外的設備，減輕了無人機的負載、降低了電池的消耗。

通信子模塊是無人機與地面站監控系統之間的能夠進行數據信息的傳輸、存儲與處理的系統，實現無人機拍攝到的鐵塔信息、自然環境信息、線路信息等數據的傳輸、存儲與處理。地面站和與圖傳采用 5.8Ghz 無線傳輸，可實時顯示高清相機傳回的視頻數據以及當前無人機飛行高度、飛行距離、飛行電壓、無人機姿態、衛星數量、機頭方向等信息。可直接加載到電腦上使用，且即插即用。

3地面站控制子系統

地面站控制子系統整體分為：系統管理工作臺、任務工作臺、無人機飛行管理工作臺、缺陷識別工作臺四個部分。系統管理工作臺主要設置登陸權限與系統參數的設定；任務工作臺主要是任務下達、任務監控、任務分析、計劃管理；無人機飛行管理工作臺主要是實時監控無人機巡檢過程中的飛行姿態以及設備運行情況，制定巡檢計劃完成線路巡視任務；缺陷識別工作臺主要是處理圖像、完成對導線與絕緣子的缺陷識別。

3.1 系統管理工作臺

分為用戶管理與系統參數設置兩部分，用戶管理主要設置登陸權限，只有輸入正確的用戶名與密碼才能進入管理系統，保障了系統的安全可靠性；系統參數設置主要是在無人機執行巡檢任務時，通過調整無人機的參數來調整飛行姿態，使無人機順利完成巡檢任務。

3.2 任務工作臺

在線路巡檢中對巡檢任務的制定、下達與處理，制定巡檢的區域與巡檢時間；在巡檢過程中實時查看任務的進度情況并進行調整管理；統計任務的完成程度、缺陷的發生概率生成統計表（0 表示正在執行，1 表示按時完成，2 表示超時完成）；根據不同季節、不同地域、不同的線路制定不同的巡檢計劃，實現對重要線路的重點巡檢。

3.3 無人機飛行管理工作臺

無人機飛行管理工作臺主要分為實時視頻管理與飛行管理。實時視頻管理主要是接收無人機在巡檢過程中通過無線圖傳輸送回來的數據，經過分析處理將無人機的飛行的位置姿態、設備運行狀況、運行參數、電源電壓，實時顯示出來；設置故障報警模塊，一旦發現無人機工作狀態發生錯誤，及時提醒操作員調整無人機的飛行參數，避免造成損失。飛行管理主要是根據需要巡檢的線路以及線路周圍的環境規劃無人機巡檢路線，制定飛行計劃，使無人機按照設定的軌跡巡檢；檢查無人機的飛行姿態，及時調整避免造成損失；根據巡檢任務的要求與無人機任務完成現狀調整無人機的巡檢工作，完成對整個線路的巡檢工作。

3.4 缺陷識別工作臺

缺陷識別工作臺是完成輸電線路缺陷識別的主要模塊，是整個地面站監控系統的重要部分。通過對圖像數據的提取、預處理、邊緣檢測、分割等進行圖像缺陷識別，檢查導線與絕緣子是否有缺陷產生；如果有缺陷產生，報警提示處理，并將巡視的線路、缺陷的具體內容以及發生的時間與缺陷記錄下來，以便于后期的查看與分析。

4.結束語

本文提出了利用無人機完成對輸電線路的智能巡線，通過操控無人機飛行巡視線路能有效縮短線路巡視周期，降低工作強度，提高巡視全面性，降低人員工作的安全風險，避免了傳統巡檢方式由于天氣原因無法及時巡線的弊端與巡檢效率低的缺點，能及時發現輸電線路存在的缺陷，提高電力生產的穩定性，促進電力生產由勞動密集型向生產技術管理、智能化轉變，以科技創新提高工作效率。在國內電力輸電領域具備良好的示范效應，無人機巡檢不僅可以應用于超高壓輸電線路，還可以應用于城市配網輸電線路。

參考文獻：

[1]孫寶銀.淺談架空送電線路狀態巡視[J].南京供電技術，2007（1）：18-20

[2]魏瑞軒，李學仁.無人機系統及作戰使用[M].北京：國防工業出版，2009.45-48