無人機在特高壓輸電線路巡檢中的應用

卞紅偉

中國電建集團吉林省電力勘測設計院有限公司 吉林 長春 130022

1 無人機技術在特高壓輸電線路巡檢中的應用現(xiàn)狀

電力關系著日常的生活生產，在現(xiàn)代化的進程中，人們對于電力的需求也越來越大。所以輸電線路的分布也非常廣泛，除了城鎮(zhèn)地區(qū)，輸電線路也遍布于偏遠山區(qū)和大小江河。傳統(tǒng)的輸電線路巡檢工作，都是采用人工操作，在地理或者天氣條件良好時還比較容易操作一些，而到了地形條件復雜的地區(qū)或者在江河上進行人力操作，那么項目工程也是非常繁瑣的，不僅效率低下，也很容易發(fā)生安全事故[1]。在這樣的工程背景下，又隨著科技的全面進步，載人直升機形式的巡檢也應運而生，相比較之下，這種形式的巡檢更有效率，可以更好地應對外界的惡劣環(huán)境，而且安全性也更高。不過，基于政治軍事因素，我國對于空域的管制一直都非常嚴格，再加上載人直升機的使用和維護成本較高，所以在輸電線路的巡檢工作中，載人直升機也很少能夠得以頻繁的應用，因此也沒有實現(xiàn)巡檢質量和效率的實質性突破。

2 無人機的構成

無人機是飛機的一種類型，因為它的飛行無需進行人為駕駛，只需要通過無線電遙控設施就可以對其進行操縱，所以又稱為無人機。從規(guī)模上看，無人機相對較小，在高空中進行作業(yè)的過程中操縱起來也更加便捷。雖然無人機規(guī)模較小，但是功能卻非常齊全，用“麻雀雖小五臟俱全”則可以很好地詮釋現(xiàn)代無人機。這也是無人機技術可以在多個領域大放異彩的重要原因，如在軍事偵查領域、抗災搶險過程以及工程測繪之中，都有無人機的身影。而本文主要圍繞無人機在特高壓輸電線路巡檢領域進行探討，通過分析無人機的構成，來闡明無人機的工作原理。

2.1 飛行控制系統(tǒng)

無人機雖然規(guī)模不大，但是所涵蓋的系統(tǒng)眾多，而飛行控制系統(tǒng)則是最為關鍵的系統(tǒng)之一，也決定著無人機的整體運行狀態(tài)。目前來看，無人機的飛行控制系統(tǒng)主要包括兩種形式，一種是自動駕駛模式，另一種是手動控制模式。飛行控制系統(tǒng)在無人機的運行過程中，扮演著指令者的角色，無人機的路線選擇，也都是由飛行控制系統(tǒng)來決定。選擇不同的駕駛方式，也需要執(zhí)行不同的命令，比如由遙控接收機接收地面控制站所發(fā)出的指令時，這就是手動控制模式；而由自動駕駛儀來發(fā)布控制指令時，這就是自動駕駛模式。

2.2 動力系統(tǒng)

目前來看，無人機的動力系統(tǒng)主要可分為兩種類型，分別是內燃機和電動機系統(tǒng)。通過對這兩種動力系統(tǒng)進行對比可以發(fā)現(xiàn)，前者的聲音更大，后者的聲音更小；前者穩(wěn)定性較差，后者穩(wěn)定性較強，而且后者的重量更輕。整體來看，還是電動機動力系統(tǒng)的優(yōu)勢更加明顯，其可以更好地融入到無人機之中，比如二者可以使用同一電源，而且也有更強的抗干擾性，無論是溫度還是高度的變化，電動機動力系統(tǒng)都足夠穩(wěn)定。

2.3 能源系統(tǒng)

無人機之中各種系統(tǒng)的運行，都需要能源系統(tǒng)提供電力，能源系統(tǒng)也是無人機的根基。結合當前我國無人機的結構來看，其中很多設備都是通過需要電力支持才能運行的，比如電動機，信號接收機，以及調速器等等。所以無人機的飛行也需要應用到很多類型的電池，比如鋰電池、鎳鎘電池以及鋰聚合物電池等等。隨著無人機的日漸升級，現(xiàn)在對能源系統(tǒng)的放電能力也提出了更高的要求，系統(tǒng)的放電強度需保持在15C以上。

2.4 通訊系統(tǒng)

無人機之所以能夠具備監(jiān)測和巡檢的功能，主要就是依賴于輸送系統(tǒng)將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)和圖像信息傳遞給地面的控制站，其中通訊系統(tǒng)中的數(shù)傳電臺負責飛行數(shù)據(jù)的傳遞，其中包括高度、速度、線路以及姿態(tài)等全方位的內容[2]。而通訊系統(tǒng)中的圖傳電臺主要負責無人機所拍攝到的圖像資料的傳遞，這樣無人機就可以實現(xiàn)輸電線路的巡檢功能了。

2.5 荷載設備

無人機除了具備上述等多個系統(tǒng)之外，荷載設備也是不可忽視的環(huán)節(jié)。當然，相比于復雜的系統(tǒng)設備，荷載設備的數(shù)量也相對較少，通常包括熱紅外儀、照相機以及云臺設備等，這也是無人機實現(xiàn)監(jiān)測功能重點依賴的設備工具。

2.6 地面監(jiān)控站

雖然地面監(jiān)控站與無人機是割離存在的，但是二者之間也具有千絲萬縷的聯(lián)系，無人機自身以及監(jiān)測到的所有信息也都會輸送到地面監(jiān)控站之中，而無人機的運行過程也都是由操控人員在地面監(jiān)控站中進行操作。比如無人機的飛行路線，升降落時間，飛行狀態(tài)的調整等多方面的內容，都在監(jiān)控站操作人員的工作范疇之內。此外，監(jiān)控人員還需要對無人機監(jiān)測到的數(shù)據(jù)和圖像信息進行記錄，尤其在高壓輸電線路的巡視工作中，必須要保證無人機和電力系統(tǒng)的安全性，操作人員也需要最大程度上發(fā)揮地面監(jiān)控站的作用。

3 特高壓輸電線路巡檢無人機的特點

當前，我國巡線無人機的分類形式主要包括如下幾種：第一，根據(jù)動力配置方式可以將無人機分為兩種，分別是電動機和內燃機動力型無人機；第二，根據(jù)控制方式可以將無人機分為三種，包括全自動型、遙控型和導航與遙控相結合型的無人機；第三，根據(jù)結構類型可以將無人機分為四種，包括固定翼、單旋翼、四旋翼和六旋翼型的無人機。在本文的研究中，也重點選取幾種最為常用的無人機類型進行介紹。

3.1 固定翼無人機

相比于其它類型的無人機，固定翼無人機的飛行速度也是最快的，正常情況下飛行速度也會保持在每小時100千米到200千米之內，同時，這種機型的續(xù)航能力也更強。所以在特高壓輸電線路的巡檢工作中，通常都是在完成范圍較大的巡檢任務時，會應用到固定翼無人機。而且這種機型不受控制方式的約束，可以根據(jù)需要選擇自動或者手動的飛行模式[3]。整體來看，這種無人機的操作難度較低，而且自動化特征比較明顯，不僅拍攝的靈敏度高，而且無人機的機動性也非常強。除此之外，固定翼無人機的另一大優(yōu)勢就是具備較大的載重量，在巡檢工作中，可以同時搭載更多的設備。當然，固定翼無人機也并非盡善盡美，比如不可懸停，只能進行單向巡檢，這就需要在特高壓輸電線路的巡檢過程中，只能進行俯視拍攝。

3.2 電動多旋翼無人機

電動多旋翼無人機使用旋翼旋轉時產生的動力飛行，采用多支對稱的旋翼旋轉抵消旋翼的自旋扭力，通過調整每只旋翼的轉速可以控制電動多旋翼無人機的飛行動作，包括前進動作、后退動作以及轉向動作。驅動這種無人機飛行主要依賴于電力，相比于其它類型的無人機，電動多旋翼無人機的內部結構更加簡易，整體規(guī)模更小，而且重量也非常輕，所以操控這種無人機也更加便捷。與此同時，以電力作為驅動力，也更有利于能源的節(jié)約。電動多旋翼無人機的主要特點在于占據(jù)空間小，其旋翼可折疊安放，所有控制部件集中在無人機的中部，四周分布的主要是驅動系統(tǒng)，雖然在待機時，電動多旋翼無人機的旋翼是折疊存放的，不過無人機的開機效率卻非常快，從待機狀態(tài)到作業(yè)狀態(tài)，只需要5分鐘就可以實現(xiàn)旋翼的伸展。

3.3 無人直升機

無人直升機又稱為單旋翼帶尾槳式無人機，此類無人直升機主要通過主旋翼旋轉時產生的動力帶動主機實現(xiàn)飛行作業(yè)，而尾翼的旋轉能夠幫助無人直升機改變飛行方向并抵消旋翼的自旋扭力。不同于電力驅動的無人機，無人直升機的驅動力主要來源于汽油驅動。從某種程度上講，相比于電力驅動模式，汽油驅動模式可以有效地增加續(xù)航時間，而且載重量也會隨之提高。不過，這也意味著無人直升機的內部結構更加復雜，重量也會比其它形式的無人機大出很多。需要注意的是，在輸電線路巡檢工作中應用無人直升機，要特別注意尾翼和主旋翼之間的安全距離，因為其主旋翼會達到兩米左右的長度，所以在行駛中兩翼也經常會互相干擾，從而產生飛行事故。所以為了保證兩翼之間的距離足夠，無人直升機的整體規(guī)模也較大。從控制部件的分布上看，主要集中于無人機的前部位置，在這點上無人直升機與電動多旋翼無人機相近，不過二者的差異在于，前者的機體可以進行折疊，而后者則不可以，所以后者的機體也會占據(jù)較大的空間。因此，無人直升機的優(yōu)劣也非常明顯，優(yōu)勢在于續(xù)航時間長，能夠適用于遠端的巡檢作業(yè)，而且載重非常大。劣勢在于操作起來相對復雜，對于操控人員的專業(yè)能力提出了更高的要求，而且相比于電力驅動，汽油驅動的成本也更高，經濟效益較差。

4 無人機輸電線路巡檢技術流程

為了進一步探索無人機技術在特高壓輸電線路巡檢工作中的應用程序，本文也結合酒泉—湖南±800 kV特高壓直流輸電工程這個案例，從而探討其中的技術流程。

4.1 精細巡檢

在工程特高壓輸電線路巡檢工作中，首先進行了精細巡檢，其中精細巡檢的內容主要包括如下等多個方面：如桿塔本體和基礎、接地裝置、絕緣子、導線線路金具以及附屬設施。在這次巡檢中，無人機先對巡檢線路的路徑信息予以收集，并錄入到飛行控制系統(tǒng)之中，再對無人機進行操縱，實現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的采集。為了更好地保障工程電網安全，以及減少定位誤差的影響，在本次巡檢工作中既獲得了自動控制系統(tǒng)的支持，同時也有人工操控的參與。具體的操作流程如下：無人機飛控程序控制旋翼無人機到達已知線路路徑信息的目標桿塔上方15 m的位置，再切換到人工控制旋翼無人機進一步靠近目標桿塔并調整云臺角度，并根據(jù)具體的巡檢任務獲取相關影像。采用這種半自動的精細巡檢方式能極大程度上提高無人機巡檢效率，保障巡檢線路安全，減輕了巡檢人員勞動強度。

4.2 通道巡視

在工程特高壓輸電線路巡檢工作中進行通道巡視，主要是為了對線路走廊安全距離范圍內的不符合規(guī)范的工程進行影像和數(shù)據(jù)進行采集，比如違規(guī)施工行為，道橋坍塌損壞，違章的建筑物，以及防澇設施等等。在通道巡視的過程中，僅僅通過無人機進行原始影像的采集，不足以滿足對線路出現(xiàn)的危險源進行準確的位置判斷，所以也需要應用到數(shù)據(jù)航飛技術，以正射影像的形式將線路內的隱患進行清晰的呈現(xiàn)，這樣也更有利于提升巡檢效率和質量，將安全隱患扼殺于萌芽之中，最終實現(xiàn)節(jié)約成本、減少糾紛的目的[4]。

4.3 故障巡檢和特殊巡檢

所謂故障巡檢，就是指特高壓輸電線路出現(xiàn)故障時，進行故障的巡檢和排查，從而獲取到故障信息，再予以解決。而特殊巡檢則是應對于特殊的巡檢需求而開展的巡檢工作，這兩項巡檢工作更有針對性。在案例工程之中，進行這兩項巡檢任務的過程中，也主要應用到了半自動化的精細巡檢模式，排查出了線路具有釘銷缺陷的問題，并通過高清正射影像的生成，將線路現(xiàn)場的數(shù)據(jù)圖片信息予以收集，再加上現(xiàn)場視頻從而完成診斷和處理，最終完成了故障巡檢和特殊巡檢任務。

4.4 無人機巡檢數(shù)據(jù)的管理和應用

在特高壓輸電線路的巡檢工作中，完成數(shù)據(jù)的管理和應用，主要是通過無人機的影像采集和地理信息系統(tǒng)來實現(xiàn)的。結合工程實踐可知，無人機所采集到的影像資料非常清晰，同時也可以對采集到的影響資料進行高效地處理，最后生成了更好的影像成果并在地理信息系統(tǒng)綜合管理平臺中予以管理和使用，從而整理出工程輸電線路現(xiàn)場存在的問題，比如輸電線路與通道隱患之間的安全距離和位置關系，再如桿塔缺陷隱患類型以及所在的行政區(qū)域等等，這些巡檢的數(shù)據(jù)和影像信息最后都能以報表的形式得以輸出。在地理信息系統(tǒng)綜合管理平臺的支持下，無人機所采集到的線路影像和數(shù)據(jù)信息也能夠得到更好的管理，處理起來更加高效，讓信息呈現(xiàn)出了更大的利用價值。

5 結束語

隨著科技的不斷進步，無人機技術在各個領域中都得到了更加廣泛的應用。其中，鑒于特高壓輸電線路巡檢工作的難度較大，而且危險性也較高，所以無人機技術也為該領域巡檢工作提供了極大的便利。無人機主要由飛行控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、荷載設備和地面監(jiān)控站構成，目前來看，在特高壓輸電線路巡檢工作中應用較多的無人機類型主要包括固定翼無人機，電動多旋翼無人機和無人直升機，其中小型電動多旋翼無人機的優(yōu)勢最為明顯，深受業(yè)界青睞。本文結合酒泉—湖南±800 kV特高壓直流輸電工程案例，指出了無人機的技術流程，主要包括精細巡檢、通道巡檢、故障巡檢和特殊巡檢，以及無人機巡檢數(shù)據(jù)的管理和應用。