輸電線路巡檢的綜合效益模型分析及應(yīng)用

張玉剛 李玉明 方 勇 焦小強 王和平 鄭思嘉 鄒 彪

（1、國網(wǎng)甘肅省電力公司，甘肅 蘭州730046 2、國網(wǎng)甘肅檢修公司，甘肅 蘭州730050 3、國網(wǎng)通用航空有限公司，北京102209）

輸電線路規(guī)模龐大，運行環(huán)境復(fù)雜多變，通過巡檢及時掌握線路運行狀況及通道環(huán)境變化，發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷和安全隱患，是保證線路安全運行的基礎(chǔ)。目前架空輸電線路本體和通道巡檢主要依靠傳統(tǒng)人工，存在特殊地形和氣象條件下巡檢困難、巡檢效率低、不易發(fā)現(xiàn)平口以上部位缺陷的巡視范圍不全面等問題。因此，面向電網(wǎng)快速發(fā)展新形勢和內(nèi)外部復(fù)雜環(huán)境，應(yīng)用新型巡檢技術(shù)，提升運檢效益，是運檢專業(yè)發(fā)展的必由之路。本文詳細分析了多種不同的輸電線路巡檢方式，并介紹了各種巡檢方式的成本和綜合效益，對于提升輸電線路的巡檢效率和巡檢效益具有一定的價值。

1 輸電線路巡檢方式分析

目前在電力企業(yè)的輸電線路巡檢當(dāng)中，主要具有直升機、無人機和人工等三種不同的巡線方式，為保證輸電線路的安全運行發(fā)揮了重要的作用。采用最廣泛的巡線方法仍是人工定期巡線，發(fā)現(xiàn)桿塔基礎(chǔ)缺陷能力強但技術(shù)含量低。傳統(tǒng)的地面人工巡檢工作量大、效率偏低，部分地區(qū)無法開展地面人工巡檢，線路紅外檢測難度大，巡檢作業(yè)人身傷害風(fēng)險高等。因此，傳統(tǒng)的人工巡檢方法不僅工作量大、耗時長、效率低，而且受人為因素制約，一些線路缺陷或故障點不容易被發(fā)現(xiàn)。在常規(guī)運維體系下，運維人員數(shù)量難以滿足日益增長線路巡視任務(wù)需求，同時運維人員巡視效果及效率同樣受到地形環(huán)境的制約[1]。采用直升機、無人機等智能裝備和巡檢技術(shù)，構(gòu)建協(xié)同立體化巡檢模式成為現(xiàn)階段提升巡檢效益、保證線路運維質(zhì)量的主要任務(wù)。

隨著輸電線路專業(yè)新技術(shù)、直升機和無人機巡檢技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)輸電線路運行巡檢方式已趨向多樣化。但是，目前國內(nèi)尚未對上述三種巡檢方式進行統(tǒng)一規(guī)范，各類巡檢技術(shù)標準化作業(yè)體系尚未完全建立，巡檢效益未充分發(fā)揮，各類巡檢技術(shù)應(yīng)用相對獨立、分工不明確、多手段協(xié)同作業(yè)程度不高，增加了輸電線路的運維成本，巡檢資源未實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)配，應(yīng)用效益未得到充分體現(xiàn)。

傳統(tǒng)的輸電線路巡檢方式在實際應(yīng)用中也存在一些問題：一是巡檢效益未充分發(fā)揮。直升機巡檢存在作業(yè)成本較高、巡檢數(shù)據(jù)利用率低、數(shù)據(jù)分析鏈條長等問題；無人機巡檢存在續(xù)航能力不足、缺陷智能識別程度低等問題；人工移動巡檢存在攜帶裝備種類繁多、功能單一、信息采集規(guī)范性差等問題。二是各類巡檢技術(shù)分工界面不明確，未建成統(tǒng)一高效的協(xié)同巡檢體系。存在各類巡檢技術(shù)應(yīng)用相對獨立、分工不明確、協(xié)同巡檢管理規(guī)范和技術(shù)標準體系尚未完全健全、多手段協(xié)同作業(yè)程度不高等問題，巡檢資源未實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)配，應(yīng)用效益未得到充分體現(xiàn)。三是智能化和信息化程度有待進一步提高。存在巡檢數(shù)據(jù)融合性差、海量數(shù)據(jù)處理分析困難、利用率低等問題[2]。因此，為進一步提升直升機、無人機和人工協(xié)同巡檢效率和效益，降低輸電線路運維成本，根據(jù)當(dāng)?shù)氐匦螚l件及線路運維環(huán)境，結(jié)合不同線路運維手段的實際效果、成本、巡視周期等歷史數(shù)據(jù)，開展直升機、無人機、人工三種巡線方式綜合效益研究分析，提出具有實際應(yīng)用效果的協(xié)同巡檢解決方案，指導(dǎo)直升機、無人機和人工三種巡線方式的實際應(yīng)用。

2 不同巡檢方式的特征及巡檢成本分析

直升機巡檢特征主要包括：一是巡檢不受地域影響且效率高。直升機可以方便地穿越崇山峻嶺，跨越林區(qū)、沼澤、湖泊和人員無法到達的無人區(qū)等區(qū)域，幾乎不受地域限制。直升機機動靈活，是人工巡檢速度的幾十倍，巡檢效率高。二是發(fā)現(xiàn)隱蔽性缺陷能力強。直升機可以利用機載陀螺儀內(nèi)部集成的穩(wěn)定紅外熱成像儀發(fā)現(xiàn)線路上的一些隱蔽性缺陷，如引流板和金具發(fā)熱和合成絕緣子內(nèi)部損傷發(fā)熱等。而人工巡檢很難發(fā)現(xiàn)這些缺陷，這是因為巡視人員雖然配備手持紅外熱像儀，但在地面受巡檢位置等因素限制，人工巡檢不像直升機巡檢可以全程監(jiān)視。在巡查設(shè)備隱蔽性缺陷能力方面，直升機巡檢相比人工巡檢優(yōu)勢明顯。其次，無人機巡檢不受地域影響，機動靈活、效率高。與直升機相似，無人機可以不受地形地貌限制，穿越高山、河流對輸電線路進行快速巡檢，大大提高線路巡檢速度和效率，機動靈活且效率高。同時相比載人直升機，航空管制對無人機的影響稍小，僅在特殊時期有專門的航空管制聲明。最后，人工巡檢方式應(yīng)用廣泛，發(fā)現(xiàn)桿塔基礎(chǔ)缺陷能力強，能夠?qū)σ恍┘毿〉碾[患和缺陷進行快速、直接的現(xiàn)場處理或反饋，在發(fā)現(xiàn)桿塔基礎(chǔ)缺陷方面較有優(yōu)勢，但巡檢主要依靠人工完成。

對于輸電線路不同巡檢方式的巡檢成本，可以選取當(dāng)?shù)靥幱诘湫偷匦蔚孛病庀蟓h(huán)境條件下的典型電壓等級線路，通過統(tǒng)計近3 年來該典型線路運維手段的巡檢成本、巡視次數(shù)等歷史數(shù)據(jù)，建立三種巡檢方式的巡檢成本估算模型，對直升機、無人機和人工巡檢三種巡檢方式的巡檢成本進行估算。根據(jù)所選的典型線路的實際支出費用參數(shù)，對每條線路各種巡檢方式的年度巡檢費用單價進行估算，評估分析每條線路的巡檢成本。

對于直升機的巡檢費用估算，可以根據(jù)目前公司相關(guān)標準計算得出。對于無人機巡檢費用估算，主要包括以下幾點：一是設(shè)備折舊費，不同采購年限、不同配置的無人機，其設(shè)備價格差異較大，需要按照無人機巡檢系統(tǒng)設(shè)備價格進行計算，通過預(yù)估出使用壽命，從而計算出每年的設(shè)備折舊費（設(shè)備價格/設(shè)備使用壽命）。二是年人工費折算值：人工費包括無人機巡檢人員、輔助人員及相關(guān)管理人員的工資、差旅、培訓(xùn)、補助、工傷醫(yī)療保險等各項費用。同時，考慮到目前大多數(shù)無人機班組是柔性班組，無人機巡檢人員也從事人工巡視、檢修等工作，則無人機巡檢人員人工費需折合到僅僅從事無人機巡檢的人/天費用。三是年維護費，年維護費主要包括無人機巡檢系統(tǒng)的關(guān)鍵組部件、主要零配件等日常維護、維修保養(yǎng)、及主要配件更換費分攤值等，特別是出現(xiàn)無人機失控、墜機等異常情況時，無人機巡檢系統(tǒng)維修費和主要組部件更換費需分攤到每年的年維護費中。四是車輛運輸費：與人工巡檢中汽車的運輸方式類似，車輛運輸費主要包括運輸車輛的燃油、運輸及車輛維修保養(yǎng)等相關(guān)費用，無人機巡檢時車輛需從無人機庫房到整條線路，與無人機巡檢公里數(shù)有關(guān)[3]；由于該架無人機運輸車輛也用于其他無人機巡檢運輸或人工巡檢運輸?shù)龋鑼\輸費進行折算。五是年管理費分攤值：指該條輸電線路年運維管理費分攤到無人機巡檢管理的費用，包括空域申報費、巡檢計劃制定、設(shè)備和人員管理、各類管理系統(tǒng)操作管理等間接費用。綜上可知，每千米線路無人機年巡檢費用單價為：（年設(shè)備折舊費+年人工費折算值+年維護費+車輛運輸費+年管理費分攤值）/無人機巡檢公里數(shù)，計算得到輸電線路無人機的巡檢費用單價。

一般而言，線路所處不同地形、采用不同巡檢方式時巡檢費用單價也不同，應(yīng)全面考慮巡檢線路的地理環(huán)境、氣象條件、線路設(shè)備特征等影響因素，確定綜合巡檢效益。對于平原地帶的線路，直升機年巡檢費用高于人工、無人機年巡檢費用；對于高山區(qū)內(nèi)的線路，直升機、無人機和人工年巡檢費用差別不大，直升機巡檢費用略高，但對于高山區(qū)等人員難以到達地區(qū)直升機的綜合巡檢效益較高。

3 輸電線路巡檢的綜合效益模型分析

在對輸電線路巡檢的綜合效益進行分析時，由于不同的線路巡檢方式在巡檢質(zhì)量、安全、效率等方面都具有較為明顯的差異，故需要將質(zhì)量、安全、效率統(tǒng)一等值到巡檢成本上，以巡檢成本來衡量每種巡檢模式的綜合效益。評價指標的等值化過程為：首先，對各效益評價指標進行等級劃分；其次，將等級劃分后的評價指標等值化為標準成本；最后，針對不同巡檢方法的組合進行效益評估，計算最終綜合成本。

對于協(xié)同巡檢綜合效益評估模型的構(gòu)建，首先需要設(shè)定協(xié)同巡檢組合的模式，目前常用的單一巡檢模式有人工巡檢、小型多旋翼巡檢、固定翼巡檢和直升機巡檢。由以上4 種單一巡檢模式共可組合成15 種巡檢模式組合，其中包含4 種單一巡檢模式，6 種兩組合巡檢模式，4 種三組合巡檢模式和1 種四組合巡檢模式，具體組合情況見表1。

表1 巡檢模式組合

各種巡檢模式在不同的地形、天氣、巡檢任務(wù)等條件下都會有不同的表現(xiàn)，都會在質(zhì)量、安全性、效率性和經(jīng)濟性等方面表現(xiàn)出各自的特征。考慮到無人機和直升機受地形的影響不顯著，所以在考察巡檢模式的選擇過程中，可以根據(jù)人工巡檢的方便程度將地形分為3 種：平原地區(qū)、山地丘陵、高山大嶺。其中平原地區(qū)包含農(nóng)田密集區(qū)、湖泊中間區(qū)和泥沼地區(qū)3 類微觀地形；山地丘陵包含農(nóng)田密集區(qū)和林區(qū)2 類微觀地形。同時，將巡檢任務(wù)的類型分為4 種：常規(guī)巡檢、應(yīng)急巡檢、故障巡檢1、故障巡檢2、故障巡檢3。其中，故障巡檢1 指的是在發(fā)生故障時，已經(jīng)明確為桿塔平口以上缺陷以及導(dǎo)地線缺陷，包括對導(dǎo)線、地線、引流線、屏蔽線、OPGW、線路金具等的故障巡檢；故障巡檢2指的是在發(fā)生故障時，已經(jīng)明確為桿塔平口以下缺陷，包括對地基與基面、桿塔基礎(chǔ)、接地裝置、拉線及基礎(chǔ)、絕緣子等的故障巡檢；故障巡檢3 指的是發(fā)生故障時，不知道具體故障發(fā)生的位置。

由于該線路總巡檢效益可由各分段巡檢效益之和表示，所以該線路最大巡檢效益（）為該線路在各路段可能取得的最大效益（）之和，即：

其中，每一路段的最大效益值的計算方法為，分別計算各種可以采用的巡檢模式在該路段的效益值（），然后取其中的最大者（ Max ()）該路段的最大巡檢效益，即，

令各路段取得最大效益的巡檢模式為該路段的最優(yōu)巡檢模式，亦即最應(yīng)該選取的巡檢模式。當(dāng)給定線路的各個路段均采用最優(yōu)巡檢模式時，該線路的總效益值取得最大值，此時，由這些最優(yōu)巡檢模式組成的巡檢方案即為該線路的最優(yōu)巡檢方案。

采用已建立的協(xié)同巡檢效益評估算法模型，對處于典型地形氣象環(huán)境條件下的線路進行了協(xié)同巡檢綜合效益評估分析，可言得到整條線路或線路分區(qū)段的協(xié)同巡檢推薦計劃。結(jié)合典型線路協(xié)同巡檢計劃決策結(jié)果，可給出不同線路設(shè)備、不同地形環(huán)境、不同氣象條件下架空輸電線路協(xié)同巡檢配合模式。下一步亟需收集整理大量典型線路的地形特征、氣象環(huán)境特征、線路運維成本、實際巡檢方式等歷史運維數(shù)據(jù)，采用該協(xié)同巡檢算法模型，進行協(xié)同巡檢綜合效益評估和巡檢費用估算，對推薦的協(xié)同巡檢計劃進行人工審核確認，驗證直升機、無人機和人工相協(xié)同巡檢的方式、內(nèi)容和周期等，驗證模型的合理性和實用性，不斷優(yōu)化調(diào)整模型的評估系數(shù)和指標權(quán)重，進一步優(yōu)化完善算法模型的參數(shù)配置，推動協(xié)同巡檢效益評估和輔助決策算法模型實用化，為輸電線路全年巡檢計劃制定提供技術(shù)依據(jù)，優(yōu)化巡檢計劃，降低運維成本。

4 結(jié)論

本文在現(xiàn)有評估分析方法調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，提出了直升機、無人機和人工協(xié)同巡檢綜合效益評估模型的技術(shù)路線。同完成了協(xié)同巡檢效益評估指標的設(shè)定和量化，對各評估指標的內(nèi)涵進行了界定。本文所構(gòu)建的評估模型不僅能應(yīng)對各種工況，包括地形、天氣、海拔、桿塔對象、巡檢任務(wù)等，并且協(xié)同巡檢效益評估結(jié)果的有效性和適用性也得到了驗證，具有較高的應(yīng)用價值。