無(wú)人機(jī)在10kV配電線路智能巡檢中的應(yīng)用

楊鑫　周攀　李斌　秦碩　高爽　張派

摘要：配電網(wǎng)運(yùn)維面臨巡視人員數(shù)量少、運(yùn)維資產(chǎn)體量大、設(shè)備及通道環(huán)境復(fù)雜等客觀局面。本文以提質(zhì)增效為目的，探索無(wú)人機(jī)在10kV配電架空線路的新應(yīng)用，大力發(fā)展可視化監(jiān)拍和紅外熱成像等無(wú)人機(jī)前沿技術(shù)，旨在提升配電網(wǎng)精細(xì)化巡檢水平，解放人力和時(shí)間成本，將核心人員用于核心業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)配電專(zhuān)業(yè)管理模式的轉(zhuǎn)型提升和人員作業(yè)模式的高質(zhì)高效。本文總結(jié)了無(wú)人機(jī)智能巡檢發(fā)展現(xiàn)狀，提出配電線路無(wú)人機(jī)巡檢的應(yīng)用場(chǎng)景，詳細(xì)描述了無(wú)人機(jī)智能綜合管控系統(tǒng)，對(duì)未來(lái)無(wú)人機(jī)配電網(wǎng)智能巡檢模式的發(fā)展進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞： 配電網(wǎng);無(wú)人機(jī);精細(xì)化巡檢;智能巡檢模式;提質(zhì)增效

Application of UAVs in Intelligent Inspection of 10KV Distribution Line

YANG Xin ZHOU Pan* LI Bin QIN Shuo GAO Shuang ZHANG Pai

（State Grid Beijing Changping Electric Power Co.， Ltd.， Beijing， 102200 China）

Abstract： The operation and maintenance of distribution network is faced with objective situations such as a small number of inspectors， a large volume of electrical equipment assets， and complicated surroundings. Based on the quality and effectiveness improvement as the goal， this paper explores the new application of unmanned aerial vehicles （UAVs） in 10kV distribution line， and vigorously develops UAVs cutting-edge technologies such as visual monitoring and infrared thermal imaging， aiming to enhance the level of distribution network refinement checking， liberate the labor and time costs， apply the core staff to the core business， and realize the transformation and upgrading of professional management mode and the high quality and efficiency of personnel operation mode. This paper summarizes the development status of UAVs intelligent inspection， puts forward the application scenario of UAVs inspection using in distribution line， describes the UAVs intelligent integrated control system in detail， and looks forward to the development of UAVs intelligent inspection mode of distribution network in the future.

Key Words： Power distribution network; UAVs; Refinement checking; Intelligent inspection mode; Quality and effectiveness improvement

0 引言

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)與用戶直接相連的部分，為確保人民生活和企業(yè)生產(chǎn)用電的安全可靠性，提升客戶優(yōu)質(zhì)服務(wù)感知度，配電網(wǎng)運(yùn)維管理壓力與日俱增。配電架空線路及設(shè)備架設(shè)于街道、河畔、山區(qū)、叢林等，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜^[1-2]，目前仍采用人工逐級(jí)桿塔巡線的方式，過(guò)度依賴巡線人員自身素質(zhì)和工作經(jīng)驗(yàn)，且部分山區(qū)線路受限于路徑崎嶇，巡視折返時(shí)間成本高，傳統(tǒng)人工巡視仰視視角存在盲區(qū)，對(duì)于設(shè)備正上方缺陷無(wú)法觀測(cè)，存在巡線周期長(zhǎng)、巡視效率低、巡視不到位等現(xiàn)象^[3]。依托無(wú)人機(jī)自主巡檢等先進(jìn)技術(shù)減員增效是未來(lái)的發(fā)展方向，特別是在山區(qū)線路日常巡視、地區(qū)災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)勘查、故障線路應(yīng)急搶修等方面需求迫切。

1 無(wú)人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)在上世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)行載人直升機(jī)的巡檢工作，但是由于巡檢費(fèi)用高、靈活機(jī)動(dòng)性差、巡檢飛行安全系數(shù)低等諸多原因，此項(xiàng)工作未能得到很好的開(kāi)展^[4]。近年來(lái)，隨著科技發(fā)展和空域申請(qǐng)條件放寬，無(wú)人機(jī)在輸電線路智能巡檢方面得到廣泛應(yīng)用。

在管理方面，2015年7月國(guó)家電網(wǎng)公司針對(duì)架空輸電線路無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)配置導(dǎo)則、固定翼無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)、無(wú)人直升機(jī)巡檢系統(tǒng)、固定翼無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)規(guī)程、直升機(jī)巡檢作業(yè)規(guī)范等發(fā)布企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2019年6月國(guó)家電網(wǎng)公司設(shè)備管理部編制《架空輸電線路多旋翼無(wú)人機(jī)巡檢影像拍攝指導(dǎo)手冊(cè)（試行）》，規(guī)范多旋翼無(wú)人機(jī)巡檢的安全要求、技術(shù)要求、作業(yè)流程、巡檢路徑、拍攝規(guī)則和巡檢資料歸檔等，旨在提升無(wú)人機(jī)巡檢的質(zhì)量和效率，同時(shí)為缺陷智能識(shí)別技術(shù)提供標(biāo)準(zhǔn)化樣本數(shù)據(jù)，加快缺陷智能識(shí)別技術(shù)研究進(jìn)度。近年來(lái)，我國(guó)初步建立無(wú)人機(jī)管理體系，規(guī)范無(wú)人機(jī)日常使用、保養(yǎng)維修、代維服務(wù)等業(yè)務(wù)流程，發(fā)展多地?zé)o人機(jī)培訓(xùn)學(xué)校，組織開(kāi)展無(wú)人機(jī)培訓(xùn)取證，實(shí)現(xiàn)人才儲(chǔ)備。

在應(yīng)用方面，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自主巡檢，采用“無(wú)人機(jī)飛行+人工圖像篩查”的方式完成可見(jiàn)光精細(xì)化巡檢;通過(guò)機(jī)載激光雷達(dá)對(duì)重要輸電走廊和設(shè)備本體進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自主巡檢航線規(guī)劃，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)通道內(nèi)危險(xiǎn)源進(jìn)行精準(zhǔn)建賬;通過(guò)固定翼無(wú)人機(jī)開(kāi)展通道可見(jiàn)光巡檢，單日巡視通道可達(dá)70公里;通過(guò)多旋翼無(wú)人機(jī)搭載雙光相機(jī)對(duì)耐張線夾、引流管等進(jìn)行溫度測(cè)量，與手持式測(cè)溫儀相比，無(wú)人機(jī)測(cè)溫誤差在5攝氏度左右;通過(guò)傾斜攝影對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)三維重構(gòu)與實(shí)景還原，樹(shù)線凈空距離測(cè)量誤差在0.5米內(nèi);實(shí)現(xiàn)復(fù)雜通道環(huán)境360全景感知，經(jīng)處理后隱患點(diǎn)圖像可360度任意旋轉(zhuǎn)。通過(guò)無(wú)人機(jī)采集、提取專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)，處理還原現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)輸電線路本體的精細(xì)化巡檢、輸電線路通道的可視化監(jiān)控，確保隱患全量閉環(huán)、精準(zhǔn)管控。

目前，輸電線路專(zhuān)業(yè)對(duì)無(wú)人機(jī)的應(yīng)用已取得階段性成果，但10kV配電線路專(zhuān)業(yè)對(duì)于無(wú)人機(jī)巡檢的工作開(kāi)展仍處于前期摸索階段。國(guó)家電網(wǎng)公司尚未編制配電線路無(wú)人機(jī)巡檢影像拍攝指導(dǎo)手冊(cè)等相關(guān)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)，配電線路無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)體系尚未建設(shè)。

2 配電無(wú)人機(jī)典型應(yīng)用場(chǎng)景

通過(guò)借鑒無(wú)人機(jī)在高電壓等級(jí)輸電線路應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn)，以“機(jī)巡替代”提高專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)力，彌補(bǔ)配電線路傳統(tǒng)運(yùn)維模式的短板。與輸電線路相比，配電架空線路長(zhǎng)度較短、桿塔較低，線路電磁輻射較小，對(duì)無(wú)人機(jī)抗干擾能力和糾偏能力要求較低^[5]，配電桿塔上電氣設(shè)備距離較近，無(wú)人機(jī)拍攝一張照片可直接覆蓋三相，且拍攝精度和拍攝數(shù)量要求遠(yuǎn)低于輸電線路，但是配電線路走廊情況復(fù)雜，存在交叉跨越、高空障礙等情況，部分線路處于人口密集區(qū)，起飛條件差。配電無(wú)人機(jī)典型應(yīng)用場(chǎng)景多樣化，主要有以下幾類(lèi)：

2.1 故障查線

對(duì)于避雷器、絕緣子上方雷擊受損，線路開(kāi)關(guān)本體上方炸裂等隱蔽性故障點(diǎn)，巡視人員自地面仰視角度無(wú)法觀測(cè)，需停電逐級(jí)登桿檢查才能發(fā)現(xiàn)。無(wú)人機(jī)可通過(guò)俯視或平視視角，快速發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)人工巡視的視覺(jué)盲區(qū)，全方位無(wú)死角高清還原現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

Fig. 1 UAVs inspection found hidden defects of arrestor breakdown

2.2 線路巡視

對(duì)于部分跨河流、跨山峰等人工接近難度較大的山區(qū)線路，無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃可化曲為直，巡視不受地形和路徑限制，降低人工巡線時(shí)間成本，提高巡視效率。

Fig. 2 UAVs inspection turns path curve into straight

2.3 災(zāi)情勘察

對(duì)于山體滑坡、林區(qū)山火、洪水地震等對(duì)搶修人員人身安全造成極大威脅的嚴(yán)重自然災(zāi)害，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查，實(shí)時(shí)傳回圖像和數(shù)據(jù)信息，使搶修人員第一時(shí)間獲悉現(xiàn)場(chǎng)情況，便于后續(xù)進(jìn)行高效決策部署，籌備搶修物資，分配人員力量，安全有序把控?fù)屝奕^(guò)程。

2.4 狀態(tài)檢測(cè)

對(duì)于肘型頭變壓器、導(dǎo)線接頭等宜采用紅外測(cè)溫儀和超聲波檢測(cè)儀等狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備排查配電架空線路設(shè)備的過(guò)熱缺陷和局放缺陷，但狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果受測(cè)量距離影響信號(hào)衰減較大，檢測(cè)精度難以保障，無(wú)人機(jī)搭載的狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備可縮短狀態(tài)檢測(cè)距離，使得狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果更加精確^[6-7]。

2.5 特殊巡視

對(duì)于施工作業(yè)、鳥(niǎo)害、異物搭掛等缺陷隱患開(kāi)展特殊巡視時(shí)，通過(guò)無(wú)人機(jī)可對(duì)線路情況進(jìn)行快速篩查，相較于人工巡視更加便捷高效。

2.6 線路評(píng)估

對(duì)于故障高發(fā)線路、“煤改電”線路、重過(guò)載線路、短時(shí)接地信號(hào)頻發(fā)線路等重點(diǎn)線路進(jìn)行巡視檢查，通過(guò)無(wú)人機(jī)全面分析線路缺陷隱患，為線路整體情況的評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐。

2.7 工程驗(yàn)收

配網(wǎng)工程建設(shè)周期短，多數(shù)工程均為當(dāng)日停電施工當(dāng)日恢復(fù)送電，充分利用無(wú)人機(jī)空中懸停拍照并實(shí)時(shí)傳回的特點(diǎn)，4k高清圖像真實(shí)還原現(xiàn)場(chǎng)情況，高效發(fā)現(xiàn)“銷(xiāo)釘級(jí)”缺陷，突破傳統(tǒng)人工驗(yàn)收效率低，驗(yàn)收存在盲區(qū)的瓶頸^[8]。

Fig. 3 UAVs acceptance makes up for the blind spot of manual acceptance

3 配電無(wú)人機(jī)智能綜合管控系統(tǒng)

針對(duì)無(wú)人機(jī)巡檢業(yè)務(wù)流程各個(gè)環(huán)節(jié)，建設(shè)配電無(wú)人機(jī)智能綜合管控系統(tǒng)，采用國(guó)家電網(wǎng)公司、省公司、地市公司三級(jí)架構(gòu)，不同的用戶具有不同的操作權(quán)限和管理權(quán)限。開(kāi)通無(wú)人機(jī)飛行空域申請(qǐng)網(wǎng)上審批渠道，可實(shí)時(shí)更新空域申報(bào)數(shù)據(jù)和審批流程狀態(tài)，同時(shí)接入無(wú)人機(jī)巡檢實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，展示巡檢全過(guò)程和空域預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)作業(yè)全天候監(jiān)控、作業(yè)管理與現(xiàn)場(chǎng)無(wú)縫連接、巡檢數(shù)據(jù)智能化分析、巡檢資源集約化管控和科學(xué)調(diào)配等功能。

3.1 航線規(guī)劃系統(tǒng)

配電桿塔距離地面位置較低，與線路通道環(huán)境融合度較高，采用傳統(tǒng)激光雷達(dá)掃描定位的方式難以區(qū)分配電桿塔與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，定位效果較差，目前采用“示教飛行”的模式完成航線規(guī)劃，定位效率較低。配電無(wú)人機(jī)智能綜合管控系統(tǒng)深度融合地理位置信息與配電網(wǎng)電力線路拓?fù)潢P(guān)系，采用自動(dòng)優(yōu)化的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)精確采樣地理位置信息，優(yōu)化航線規(guī)劃;實(shí)時(shí)更新配電網(wǎng)電力線路拓?fù)洳⒃鰷p采樣點(diǎn)，動(dòng)態(tài)調(diào)整無(wú)人機(jī)自主巡視航線規(guī)劃。

3.2 通信鏈路系統(tǒng)

無(wú)線通信因山峰阻擋等存在信號(hào)盲區(qū)，開(kāi)發(fā)地面中繼點(diǎn)和空中中繼模式相結(jié)合的復(fù)合通信數(shù)據(jù)鏈，滿足無(wú)人機(jī)超視距條件下的巡線需求^[9-10]，通過(guò)移動(dòng)航母車(chē)載中繼器實(shí)現(xiàn)通信鏈路，或采用移動(dòng)背包等便攜式移動(dòng)中繼器，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸，高效完成復(fù)雜地形區(qū)域的巡線任務(wù)。

3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

現(xiàn)階段無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)一鍵起飛自主巡檢，進(jìn)行圖像采集并實(shí)時(shí)回傳。通過(guò)優(yōu)化后的航線規(guī)劃可圍繞配電桿塔電氣設(shè)備進(jìn)行批量圖像采集，回傳至系統(tǒng)后自動(dòng)處理生成360度智慧全景實(shí)時(shí)感知空間，真實(shí)還原現(xiàn)場(chǎng)情況;進(jìn)行設(shè)備溫度采集，清除背景熱源對(duì)設(shè)備熱點(diǎn)的干擾，回傳至系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。

3.4 AI智能缺陷識(shí)別系統(tǒng)

目前缺陷數(shù)據(jù)的分析比對(duì)和定級(jí)研判主要依靠人工完成。通過(guò)分析多種常見(jiàn)設(shè)備的外形特征和熱故障特征形成缺陷類(lèi)型數(shù)據(jù)庫(kù)，作為判斷設(shè)備缺陷的重要輔助依據(jù)，區(qū)分常見(jiàn)的電力設(shè)備輪廓并進(jìn)行取樣分析，實(shí)現(xiàn)缺陷識(shí)別和定級(jí)定性。設(shè)置溫度閾值，結(jié)合設(shè)備歷史測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)初步篩選溫度異常點(diǎn)位，增設(shè)預(yù)警提示。

3.5 科學(xué)調(diào)配系統(tǒng)

結(jié)合變電站、供電所等場(chǎng)所，建設(shè)分布式無(wú)人機(jī)機(jī)巢及調(diào)撥平臺(tái)，根據(jù)巡檢任務(wù)優(yōu)化無(wú)人機(jī)派出機(jī)制，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)就地調(diào)撥。建立通用的配電架空線路和電力設(shè)備空間數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)與無(wú)人機(jī)通訊連接，實(shí)時(shí)顯示無(wú)人機(jī)巡檢狀態(tài)、巡檢方位和安全距離;增加遇險(xiǎn)安全設(shè)計(jì)，關(guān)聯(lián)氣象預(yù)報(bào)預(yù)警，如遇不滿足飛行條件的惡劣天氣，提前進(jìn)行自主研判，就近機(jī)巢降落，確保飛行安全。

3.6 設(shè)備管理系統(tǒng)

設(shè)置分布式無(wú)人機(jī)和電池管理倉(cāng)，主要功能包括庫(kù)存管理、預(yù)約管理、出入庫(kù)管理、飛行記錄、電池充電管理等。設(shè)備管理系統(tǒng)可直接查詢各管理倉(cāng)內(nèi)無(wú)人機(jī)情況和電池使用情況，優(yōu)化無(wú)人機(jī)電池充電模式，提升無(wú)人機(jī)續(xù)航能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的全壽命周期管理。

3.7 VR模擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

完善無(wú)人機(jī)培訓(xùn)和考核標(biāo)準(zhǔn)，立足電網(wǎng)巡檢需要，深化無(wú)人機(jī)崗位技能培訓(xùn)工作，推動(dòng)無(wú)人機(jī)在電力行業(yè)規(guī)范應(yīng)用、規(guī)模發(fā)展。VR模擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)可以進(jìn)行培訓(xùn)人員現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操訓(xùn)練，提高運(yùn)維人員的綜合素質(zhì)，確保發(fā)生突發(fā)情況時(shí)及時(shí)進(jìn)行人員干預(yù)，有效進(jìn)行應(yīng)急處置。

Fig. 4 Simulate practical training through the VR simulation training system

4 總結(jié)與展望

配電無(wú)人機(jī)智能綜合管控系統(tǒng)通過(guò)深度融合物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的綜合評(píng)價(jià)、智能診斷、預(yù)測(cè)預(yù)警、輔助決策和智慧指揮。推動(dòng)無(wú)人機(jī)管理體系不斷完善，通過(guò)配電線路無(wú)人機(jī)自主巡檢，解放核心生產(chǎn)力，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)運(yùn)維模式的轉(zhuǎn)型提升，為電力行業(yè)發(fā)展帶來(lái)新的機(jī)遇。

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