電網運行中無人機實用化巡檢實踐探究

文/于佰龍 魏真，國網四川省電力公司檢修公司

1 引言

當前我國高壓輸電線路已約50萬公里，人工線路巡檢占據電網公司很大比例運營成本。2013年3月，我國大陸兩家電網公司之一---國家電網公司運檢部出臺了關于輸電線路直升機、無人機和人工協同巡檢模式試點工作方案的文件，明確圈定包括湖北、山東、浙江、四川等10個省份檢修公司作為試點單位，利用2～3年時間開展輸電線路新型巡檢模式規范化應用試點工作，2015年7月1日，國家能源局發布名為《架空輸電線路無人機巡檢作業技術導則》的電力行業標準，于2015年12月1日正式實施，可看到，電力聯合會的無人機行業標準正式出臺，對電網運行無人機巡檢具有重要的推動作用。

電力巡檢無人機分為固定翼（手拋式）和旋翼（多旋翼或直升機）兩種，由于只需攜帶小重量傳感設備，通常體積?。ㄋ院笪慕榻B的微型多旋翼航拍無人機就可用于電力巡檢）。相對于傳統人工巡檢，電力巡檢效率高且安全。

2 無人機巡檢基本概念

2.1 基本概念

電力巡檢無人機分為固定翼和旋翼，效率明顯高于人工巡檢。無人機航巡輸電線路是一種新的巡檢方法，是指在無人航空設備上裝備陀螺穩定的可見光檢測儀與紅外熱成像儀等載荷，對輸電線路進行檢查和錄像，具有高科技、高效率、不受地域影響等優點。

2.2 無人機巡線優勢分析

無人機巡線的優點主要體現在以下幾個方面：

（1）故障巡線?？焖?、精確查找到電網及其設備的故障點。

（2）常規巡線。代替人工常規巡線，提高巡線效率，降低巡線成本，降低巡線人員勞動。

（3）年度巡線。替代載人機執行年度計劃的航空巡線，其作業項目主要有：可見光錄像、遠距離攝影、紅外熱成像、絕緣子監測等。

（4）社會效益。無人機應用于電力輸電線路巡檢，不受地形地貌限制，尤其適用于險峻山區、多河流地貌下的巡線工作。機載高清攝像設備可對輸電線路產生的故障進行實時在線定位和監控，地面控制人員可根據地面站回傳實況及時發現排除線路缺陷及重大隱患，桿塔巡查效率得以大大提高，節省了大量人力、物力，提高了巡檢人員工作安全系數。采用無人機系統獲得的收益不僅僅在實際層面上得到體現，也極大地提升國網自動化電力系統的集成度，能有效促進相關項目的建設進度。

3 電網運行中無人機巡檢現實意義分析

3.1 超特高壓交直流混聯運行對運檢工作提出更高要求

隨著我國水電開發和電網發展，電網規模不斷擴大，電網已從局部電網轉變為國網樞紐電網、超特高壓交直流混聯運行的大電網，超特高壓交直流混聯的運行方式對運檢工作提出了更高的要求。

3.2 復雜電網運行環境給運檢工作帶來極大困難

在四川地區電網，地跨青藏高原、云貴高原、秦巴山地、四川盆地，山地、高原和丘陵占總面積的91.8%，“西電東送”、“電力天路”、“川藏聯網”等眾多輸電通道穿越高海拔、重冰區、無人區、地震以及洪災泥石流頻發地區超過1.6萬公里，運維檢修、應急搶險等工作開展難度大，人財物投入遠高于其它地區。

3.3 電網規模日益擴大與運檢人員配置不足矛盾日益突出

根據四川電力公司負責運維的500kV及以上輸電線路長度統計， “十三五”期間，預計新增輸電線路2.3萬公里、變電容量1.41億千伏安。然而，運檢人員的增長速度遠低于電網規模增長速度，根據統計數據顯示，“十二五”期間，電網設備規模增長率為71%，而運檢人員增長率僅為25%，運檢人員勞動強度增加了近50%。電網規模日益擴大與運檢人員配置不足矛盾日益突出，迫切需要改變運檢方式。

4 電網運行中無人機實用化巡檢實踐

4.1 無人機與人工協同巡檢建設思路

借鑒卓越績效管理理念和管理模式，從卓越績效的分解模塊和本質要求出發，構建無人機與人工協同巡檢的建設思路。如圖所示。

圖1 無人機與人工協同巡檢建設思路

4.2 無人機實用化巡檢實踐分析

4.2.1 需求契合：以效益最大化為目標的人機協同巡檢新模式

（1）創新差異巡檢模式

建立無人機與人工協同巡視效益評估模型，對采取人機協同狀態巡視的線路分別進行純人工和純無人機巡視效益預評估。評價指標如圖所示：

圖2 輸電線路巡視效益評估因子層次圖

（2）開展差異化協同巡檢

①拓展無人機應用領域：積極探索與拓展無人機的應用領域，在專項巡檢與應急巡檢等方面發揮無人機的功能，實現巡檢效益最大化。

專項巡檢領域：按照國家、行業有關標準，梳理出專項巡檢類目共11項，并根據各類目具體要求確定不同的巡檢時間。

應急巡檢領域：對于雷擊故障、高空故障診斷、復雜地形故障診斷采用無人機為主巡視模式；對于平原、丘陵地區通道類故障采用人工為主巡視模式，人工快速準確對故障進行定位，再由無人機對高空部分線路本體進行診斷。

②設計協同巡檢總體模式：根據效益評估結果及巡檢領域拓展結果，固化出一套實用性強的協同巡檢模式，以適應不同巡檢范圍和巡檢對象下的多樣化組合巡檢要求。

（3）組建無人機巡檢技術支持中心

組建無人機巡檢技術支持中心，作為無人機與人工協同巡檢模式的專業支撐機構。其主要職責與功能如下：

①完成巡檢對象精細化建模：無人機巡檢技術支持中心對各輸電線路進行三維立體模型構建，完成所有500kV及以上電壓等級輸電線路和桿塔的精細化建模，從而直觀呈現巡檢對象特征，為協同巡檢工作的開展奠定堅實基礎。

②氣象預警信息智能分析：利用管控系統接收來自中國電科院提供的覆冰災害等氣象預警數據。預報內容包括覆冰厚度、覆冰速率，以及常規氣象要素，為開展差異化的狀態巡檢提供決策依據。

③開發巡檢大數據分析平臺：通過大數據分析技術，整合線路運行狀態數據、缺陷隱患數據、氣象數據等，實現輸電線路的歷史數據精準分析；建立可視化地圖，開展適時視頻監控；

4.2.2 技術領先：無人機巡檢應用技術體系

（1）信息采集：機載三維激光雷達掃描

傳統通道巡檢是利用固定翼無人機搭載可見光對線路通道情況進行拍攝，能夠察看線路通道整體情況，但無法進行距離測算。通過運用新技術，利用無人機搭載激光雷達或多拼相機對線路通道進行掃描，采集通道數據，并通過數據處理軟件形成線路通道的三維立體影像。在影像中，可以整體查看線路通道內情況，還可以精確測量任意兩點之間的垂直、水平和凈空距離，其精度達到0.1m。

（2）缺陷識別：圖像自主識別

通過提取絕緣子缺失、導地線散股和桿塔傾斜等現象缺陷樣本，建立統一標準的缺陷樣本庫，并設計、開發典型缺陷的圖像識別算法及學習和訓練模型，在此基礎上研發設計出輸電線路主要部件缺陷自動檢測系統，可自動完成圖像的預處理、分析、識別、結果反饋等處理流程。

（3）缺陷處理：便攜拋投式除異物

通過無人機飛達異物上方，投放除異物點火裝置到高壓線異物上，地面人員通過遙控點火器點燃除異物裝置來引燃異物。在使用過程中，針對投放盲目性問題，對設備進行升級和完善，增加視頻對準系統，有效提高投放點火裝置的準確性。

（4）智能導航：無人機立體巡視

為解決無人機電力巡檢過程中智能化程度低的問題，從無人機自主導航、三維目標跟蹤、自主避障、遠距離大數據通信平臺以及具有輸電線路缺陷識別能力的多旋翼地面站五個方面著手，開展多旋翼無人機的立體巡視研究。一是基于GPS/MEMS-SINS的組合導航算法，使無人機具備自動前往鐵搭并自動作業的能力；二是基于D GPS導航的飛行控制系統，使無人機在高度及經緯度方面定位精度能夠達到厘米級別；三是基于偽相距的三維目標跟蹤，有效獲取鐵塔、絕緣子等目標相對于無人機的三維空間距離信息，通過三維空間位置解算，為無人機提供自動導航信息，無人機根據導航信息自主調整飛行姿態并實現目標拍攝，減少由于操控手原因產生的跟丟現象。

5 無人機輸電線路巡檢工作提升措施

在通道巡檢方面，利用無人機搭載激光雷達或多拼相機技術對線路通道進行掃描，采集通道數據，并通過數據處理軟件形成線路通道的三維立體影像。因此協同巡檢模式在整體掌控和測量精度上取得了質量提升。但為了更好做好無人機輸電線路巡檢工作，需進一步從以下幾個方面提升措施：

（1）提升設備性能，增強特殊環境適應性

無人機在運用過程中由于線路所處海拔、氣象條件復雜，同時整體可靠性不高，設備時有損壞情況出現，影響巡檢工作進度，造成巡檢計劃不能及時完成。因此，需創新工作方式，建立“電網+廠家”研發協作機制，在為深化無人機應用而積極開展自主研發的過程中，參與并扮演適當角色，共同承擔一定責任，推動服務電網運維、無人機設備性能升級、無人機應用市場拓展等方面的研發成果創新。

（2）加強輔助支撐，保障物料采購順暢化

受目前沒有物料號、固化技術規范等因素影響，無人機巡檢系統、無人機配件及無人機維保工器具的采購無法正常開展。應加快無人機維修檢測工器具技術規范書編制，推進維修檢測工器具ERP物料號申請進度，為無人機巡檢、維修保障物資正常渠道購買提供條件。

6 結語

無人機巡檢的多角度、全方位、無遮擋的拍攝方式實現了線路通道情況的完全掌控，顯著提高了線路巡檢質量。通過無人機與人工協同巡檢模式的持續開展與深化應用，巡檢質量和效率都有顯著提高。本文從無人機輸電線路巡檢的基本概念出發，對電網運行中無人機巡檢現實意義進行了分析，并從實踐對電網運行中無人機實用化巡檢進行了闡述，以期為行業內開展無人機巡檢工作提供參考與借鑒。

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