固定翼無人機在電力巡檢應用中的技術升級*

黃 婷，劉平原，林 韜，王 叢

（1．清華大學深圳研究生院，廣東深圳 518055；2．廣東電網機巡中心，廣東廣州 510080）

0 引言

無人機是一種無人駕駛的、由無線電遙控設備或自身程序控制裝置操縱、可搭載各種檢測設備、能夠重復利用并且帶有發動機的空中飛行器。作為20世紀從戰爭中興起的新型技術，無人機已廣泛應用于軍事、消防、救災、測繪、航拍、農業等領域中[1]。

在我國電網規模蓬勃發展的今天，無人機在電力巡檢中扮演了重要角色。無人機巡線具有部署方便靈活、遠程監控實時性好、人工成本低、續航能力長等優點，巡檢方式簡單可靠、穩定靈活，尤其在地勢條件嚴酷的線路，無人機可以方便快速地進行檢測，且受惡劣天氣的影響較小，是一種高效智能的電力巡線模式[2]。

電力巡線無人機主要分為固定翼無人機與多旋翼無人機兩種。相比于多旋翼無人機，固定翼無人機裝載能力更強、續航能力更長、速度更快，在國網和南網中被廣泛應用[3]。近年來，廣東電網在固定翼無人機的應用巡檢記錄上取得階段性的突破。針對固定翼無人機技術存在的起飛場地限制、事故率高、數據處理效率低等問題，廣東電網機巡作業中心對固定翼作業進行了相關技術的全方位優化與改良，取得了良好的效果。通過引入垂直起降固定翼、升級后臺處理軟件，優化數據處理流程，使得固定翼作業效率整體提高30%。對于固定翼無人機在電力巡檢的應用推廣具有建設性的作用。

1 無人機的應用現狀

1.1 無人機的應用概況

無人機技術包含了計算機、通信、傳感、快速作業的能力，涉及航空、飛行自動控制、通信、紅外成像、地理信息、衛星導航等多個高尖技術領域。能夠獨立完成一些特殊任務，同時一般不受人的操作技能或生理特性限制，具有低成本、低損耗、零傷亡、可重復性和高機動性等優勢。作為20世紀從戰爭中興起的新型技術，無人機已廣泛應用于軍事、消防、救災、測繪、航拍、農業等領域中。

無人機在軍事領域中有著廣泛應用，在諸如特種作戰、空中攻擊、空中無線電以及電子干擾等任務中扮演重要的角色。在農業領域中，無人機也因為工作適應性好和操作靈活等優勢引起了廣泛的關注，國內先后有隆鑫通用、極飛、大疆、無錫漢和等多家知名企業投入到農業無人機的生產中來[4]。

1.2 無人機在電力行業的應用

截至2014年，我國電網規模和發電能力位列世界第一，全國電網220kV及以上線路回路長達57.2萬千米，這對輸電線路巡線維護提出了更高的要求。無人機巡線作為一種高效、智能的巡檢方式，逐漸取代了人工巡檢和有人直升機巡檢，在電路巡檢中起到了非常重要的作用[5]。

與人工巡檢相比：傳統的輸電線路巡檢方式是人工巡檢，該方法工作量大、條件艱苦、效率低下，對人力要求高，特別對處在嚴酷地形的線路來說，人工巡檢操作艱難，并且具有很大的安全隱患。而無人機巡線具有部署方便靈活、減少人員成本、遠程監控實時性好等優點，簡單可靠、運行穩定、經濟性高、續航能力長、速度快，尤其在地勢條件嚴酷的線路，無人機可以方便快速地進行檢測，且受惡劣天氣的影響較小，相關數據表明，無人機巡檢成本僅為人工巡檢的30%[6]。

與有人直升機相比：與有人直升機相比，無人機無需產生調機、停機費用，無需進行飛行員培訓、飛行申請，飛行不受時間和地點限制，可快速方便地組織開展輸電線路巡線。在西藏的拉薩以及高原地區的電線巡視中，已經實現無人機在高壓和高海拔地區連續工作[7]。近幾年無人機技術日益成熟，在遠程遙控、續航時間和飛行品質上有了巨大的發展，無人機在在輸電線路安全巡視作業中也將逐漸取代有人直升機[8]。

無人機在云南電網災情快速勘測中應用取得了重大的進展和突破。針對架空輸電線路可能遭受的覆冰、山火、地質（臺風）等災害，云南電網研究了無人機在電網災情快速勘測中的應用，重點解決制約大型無人機在輸電線路災情勘測與快速評估業務化推廣的技術問題。并且取得了以下突破：（1）大型無人機輸電線路覆冰狀態信息獲??；（2）山火（含暗火）實時識別與快速定位；（3）覆冰勘測（山火監測）專用載荷研制；（4）地質災害區域自動識別；（5）災情快速分析與綜合評估等關鍵技術。在此基礎上，形成大型無人機輸電線路覆冰勘測（山火監測）專用載荷設備，基于移動通信網絡的鏈路聚合傳輸設備，大型無人機輸電線路災情快速處理與評估系統軟件，通過飛行驗證實現大型無人機在輸電線路災情勘測與快速評估的示范應用。

1.3 無人機巡線經濟效益分析

以廣東電網無人機應用為例。廣東電網轄區內輸電線路里程共7萬千米，全省年度巡視里程為109萬千米。2017年“機巡+人巡”輸配電線路巡視工作在不考慮設備成本的情況下，多旋翼無人機巡視單價為197.30元∕km，小于人工巡視單價307.12元∕km，平均每千米可節約巡視成本109.82元；由于2017年“機巡+人巡”方式的巡視工作處于開展初期，機巡占比較小，在考慮設備成本的情況下，運用新的運行策略時，“機巡+人巡”方式總投資與傳統人工巡視總投資基本相當，綜合成本單價高于傳統人工巡視成本單價。隨著技術、設備和人才的租金的日益成熟，至2020年，“機巡+人巡”輸配電線路巡視總投資為20 526.60萬元，相較于2017年初期總投資28 007.78萬元下降了26.71%，而綜合成本單價則下降了38%，且各方面條件發展成熟后的綜合成本單價為326.86元∕km，小于傳統人工綜合成本單價356.54元∕km.

2 固定翼無人機在廣東電網的應用

2.1 固定翼無人機與多旋翼無人機

目前應用于輸電線路巡檢工作的無人機主要是兩大類：多旋翼無人機和固定翼無人機。

多旋翼無人機只需要一塊空曠平整的場地進行垂直起降，起降靈活，可懸停和低速飛行，可完成近距離、低速運動或長時間保持同一視角的觀測任務。操控簡單，可通過搖桿精確控制無人機位置，以檢測目標。多旋翼無人機利用無人機飛控增穩系統，能使機身自動平衡，具有很高的穩定性。多旋翼無人機具有起降靈活和自由懸停等諸多特點，但是其荷載能力和續航能力技術尚未成熟，固定翼無人機可彌補這方面的不足[9-11]。

相比于多旋翼無人機，固定翼無人機具有以下幾個優點：（1）更高的裝載能力：固定翼無人機不需克服自身重力，電機推力只要在機身重力的1∕10量級便可起飛，可裝載更大的電池和更多設備；（2）更長的續航時間：可裝載更多電池設備，同樣容量的電池可飛行更長時間，續航時間遠高于多旋翼無人機；（3）速度快：固定翼無人機速度一般能達到80 km∕h，是多旋翼的三五倍。在搭載同樣設備的情況下，可對線路進行更大范圍的排查[12-14]。

固定翼無人機可長時間滯空等特點解決了多旋翼無人機的問題，不但可以對線路、桿塔局部進行精細巡檢，還可對線路走廊全局進行快速普查，從而滿足電力巡檢的要求。固定翼無人機主要對線路通道、周邊環境、施工作業、交叉跨越等情況進行巡檢，及時發現和掌握線路通道環境動態變化及線路本體明顯缺陷，災害時迅速進行災情普查和災情評估。

2.2 固定翼無人機應用成果

近年來，廣東電網在固定翼無人機的應用巡檢記錄上取得階段性的突破。2016年固定翼無人機巡視里程1.2萬km，實現了固定翼無人機大范圍通道巡視。2017年，無人機巡視線路8.3萬km，其中固定翼作業7.6萬km，無人機作業量全球第一，發現缺陷6.8萬處，其中樹障重大缺陷1.9萬處，在湛江、梅州、江門、茂名、清遠等9個地市開展防山火特巡3673km，發現13個山火重大隱患，累積作業里程居全球首位。通過引入垂直起降固定翼、升級后臺處理軟件、優化數據處理流程，使得固定翼作業效率整體提高30%。在肇慶、江門、佛山等供電局118條配網線路上試點開展“機巡+人巡”運維工作，發現缺陷503處，推動配網運維由事后故障處理向事前消缺的轉變。

固定翼無人機的應用在以下幾個方面取得很好的效果：（1）廣東電網通過對固定翼無人機技術的改造和升級，解決人工勞動最為密集的輸電線路通道巡視難題，通過無人機立體測圖技術，開創性地實現樹障及其他隱患點的三維距離量測；（2）大大提升了智能作業的快速性和精準性，在應對臺風、冰凍等自然災害時，實現快速勘災，為搶修贏得先機，大大縮短復電時間，贏得社會廣泛贊譽；（3）機巡作業可集中發現大量缺陷，設備運維單位一次停電即可消除大量缺陷，一方面減少線路重復停電時間，提升了客戶滿意度，另一方面消除設備隱患，提高了設備健康水平，確保電網安全穩定運行；（4）采用多旋翼無人機和固定翼無人機分工組合驗收的形式開展，固定翼無人機完成樹障、邊坡、房屋、施工黑點等通道驗收項目，多旋翼無人機完成鐵塔、絕緣子、金具、附件、導地線、防震錘等精細化驗收項目。

3 固定翼無人機存在的問題及技術升級

針對固定翼無人機存在的針對固定翼無人機技術存在的起飛場地限制、事故率高、數據處理效率低等問題，廣東電網通過引入垂直起降固定翼、升級后臺處理軟件、優化數據處理流程，使得固定翼作業效率整體提高30%，在固定翼無人機巡檢技術上取得了關鍵技術的突破和創新。

3.1 垂直起降技術

相對于多旋翼無人機，固定翼無人機對起飛場地有很高的要求。由于其飛行原理上的特點，固定翼無人機需要很長的助跑跑道，發動機向后推動以獲取較高的速度，以此獲得較大速度的相對氣流，從而產生足夠大的升力使飛機起飛。因而對起飛場地的要求較為苛刻。

升級后的機型是固定翼和多旋翼復合機型，同時具備了固定翼和多旋翼無人機兩者的優點，并且克服了固定翼無人機的缺點。既保留了傳統固定翼續航時間長、速度快的優勢，還具備多旋翼無人機的垂直起降技術。垂直起飛技術無需通過助跑獲取足夠的升力而起飛，所以克服了起飛場地限制的問題。并且，避免了傘降瞬間劇烈沖擊造成的機體磨損、零部件松脫等潛在的機身安全隱患，大幅度提高了飛機的可靠性。

3.2 定位技術升級

固定翼無人機航點采集的GPS精度不足，并且尚不能實現固定翼無人機長距離范圍的遠程控制，因而固定翼無人機飛行故障率高。為了改善無人機定位和遠程操控的不足，對固定翼無人機的定位技術進行了以下兩個方面的升級。

（1）精準時空定位技術：該機型兼具RTK（實時差分）和PPK（后差分定位）功能，在起飛和降落階段使用RTK實現了精準起降，在執行作業任務階段使用PPK，提高了采集航點的GPS精度，全面提升作業便捷性以及數據精準度，機組人員只需一鍵發送起飛和降落指令即可完成整個飛行，操作簡單，操作簡單，將原有的培訓時間由30天縮短至15天，培訓成本降低一半。

（2）銥星遠程控制與追蹤定位技術：升級后的機型采用銥星衛星鏈路，可實現無人機百千米遠程控制，填補了固定翼無人機盲飛的空白，使得無人機在沒有2∕3∕4G網絡信號的區域，不僅可以實時監控無人機狀態，還可以遠程控制無人機，按照空域使用要求，可以實現隨時迫降或者返航。

3.3 數據處理技術升級

固定翼無人機巡檢產生海量攝影數據，對于數據的處理難度較大。一是巡檢影像的整理需大量時間，特別是外委部分送達后需要消耗較多時間整理；二是缺陷識別效率較低。在目前人員現狀條件下，對于海量數據的處理極為低下；三是缺陷識別準確率低，無人機作業人員中具備豐富線路運維經驗的人員較少，特別是外委單元人員中基本不具備電氣知識，造成缺陷識別準確度較低。為了提升固定翼無人機巡檢數據的效率，對以下幾個方面進行改造優化。

（1）免像控技術：無人機配合PPK技術在提供厘米級定位信息的同時，引入曝光引閃器，將相機曝光延時從400 ms降低至10 ms以內，將照片位置誤差和慣導誤差控制技術提升至行業領先水平；同時，通過搭載全畫幅4000萬像素單傾斜相機，即可超越傾斜雙相機精度，還使影像數據量減少一半，大幅度降低了數據解算工作量，使得數據解算效率翻倍。

（2）自動駕駛技術：無人機配套自動駕駛軟件升級為輸電線路通道巡視專用版，內嵌Google Earth三維地表高差模型，在導入輸電線路坐標后，一鍵生成作業航線，擁有飛行坡度角自動修正、自動添加預轉彎、自動實現碰撞檢測等適合線路通道巡視的高級功能，一個軟件替代了原來5個軟件的工作，使得航線規劃工作在10分鐘內完成，效率提高5倍以上。

（3）數據處理：2017年，數據處理在保證精度的情況下，不但將原有6個軟件通過優化集成，縮減至2個軟件，使得處理流程更加便捷；而且，實現了影像三維點云的編輯與分類功能，可將噪點數據刪除、地表快速分類，大幅度提高了安全距離判斷的準確性；同時，添加了諸如報告自動生成、導線鏡像復制、測距結果三維校核等自動功能，無論是數據處理效率，還是處理質量，都實現了質的提升，將數據處理能力由12千米∕人∕日，提升至20千米∕人∕日。

4 結論

固定翼無人機具有裝載能力強、續航能力長、速度快的優點，但是同時存在起飛場地限制、事故率高、數據處理效率低等問題。廣東電網機巡中心近幾年來對固定翼無人機巡檢技術進行多方面的技術改善，通過引入垂直起降固定翼、升級后臺處理軟件，優化數據處理流程，大大提高了固定翼作業效率，對于輸電線路電力巡檢有重要的意義。