無人機(jī)電力巡檢技術(shù)研究

金仲鉑

摘 要：隨著國內(nèi)用電負(fù)荷的不斷增加，無論是工業(yè)生產(chǎn)還是人民生活對(duì)供電可靠性的要求都越來越高。傳統(tǒng)的架空輸電線路運(yùn)維管理模式和巡檢作業(yè)方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作條件艱苦，勞動(dòng)效率低，遇到電網(wǎng)緊急故障和異常氣候時(shí)，線路運(yùn)維人員在不具備有利的交通條件時(shí)，只能利用普通儀器或肉眼來巡查設(shè)施，無論是效率還是質(zhì)量都已經(jīng)不能滿足輸電線路運(yùn)行的實(shí)際要求。無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展為架空輸電線路的巡檢工作提供了新的平臺(tái)，將無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于電力線路巡檢中，不但可以大大減輕電力巡線的人力投入，還能快速、安全地對(duì)線路實(shí)施巡檢，增強(qiáng)電力生產(chǎn)自動(dòng)化綜合能力，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)巡檢;輸電線路;數(shù)據(jù)處理;效益分析

中圖分類號(hào)：TM 615

0 引言

改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)、人民生活對(duì)電能的需求也與日俱增。由于架空輸電線路走廊所處地形復(fù)雜，環(huán)境惡劣，交叉跨越眾多，輸電線路發(fā)生缺陷及故障跳閘次數(shù)日益增多。而對(duì)于走廊途經(jīng)高山大嶺、山溝土路、建筑工地、鐵路、高速公路、河道、魚塘、民用住宅、工廠、農(nóng)田、苗圃、果園等地的線路開展驗(yàn)收及巡視工作也存在諸多困難和危險(xiǎn)[1]。人工巡視及故障檢查存在工作量大的、條件非常艱苦等問題。特別是對(duì)于山區(qū)和跨越大江大河的輸電線路的巡檢，以及在水災(zāi)、冰災(zāi)、滑坡、地震等自然災(zāi)害后進(jìn)行故障檢查，所花費(fèi)的時(shí)間長、而且人力方面的成本高，困難非常大。此外，還有一些巡檢的項(xiàng)目僅僅依靠常規(guī)方法還難以完成，比如：日常巡視時(shí)用望遠(yuǎn)鏡在塔下觀察，由于視角限制，一些導(dǎo)地線及桿塔金具缺陷難以發(fā)現(xiàn)[5]。對(duì)線下樹障隱患及施工鉆越處導(dǎo)線;凈空數(shù)據(jù)的測量，通常使用經(jīng)緯儀，但由于線路走廊內(nèi)成片樹木等各種障礙物的遮擋。使獲得數(shù)據(jù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力日不夠準(zhǔn)確。隨著我國“八交十直”特高壓電網(wǎng)的建成，急需先進(jìn)、科學(xué)、高效的電力巡線方式來適應(yīng)現(xiàn)代化大電網(wǎng)的安全運(yùn)維需求[2]。

架空輸電線路無人機(jī)巡檢是指利用無人機(jī)搭載可見光拍攝、紅外、紫外檢測等任務(wù)設(shè)備對(duì)輸電線路進(jìn)行飛行巡檢，并實(shí)時(shí)將現(xiàn)場的情況傳回地面監(jiān)控系統(tǒng)，以便做出正確判斷并及時(shí)排除線路故障[9]。自2013年左右開始，多旋翼無人機(jī)進(jìn)入了電力巡檢領(lǐng)域，開始成為了巡檢人員視覺和動(dòng)作的延伸，并成為一件得心應(yīng)手的工具。多旋翼無人機(jī)能去到巡檢人員無法到達(dá)或不便到達(dá)的地方，高效而安全地完成了原本耗時(shí)耗力的周期性工作，把巡檢人員從高強(qiáng)度的體力勞動(dòng)中逐步解放出來[3]。

1 無人機(jī)巡檢在國外的發(fā)展現(xiàn)狀

發(fā)達(dá)國家依托自身先進(jìn)的無人機(jī)技術(shù)，在無人機(jī)巡線領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。與國內(nèi)主要進(jìn)行硬件開發(fā)不同，發(fā)達(dá)國家已經(jīng)關(guān)注于后續(xù)的圖像、數(shù)據(jù)處理方面的研究，甚至激光雷達(dá)巡線技術(shù)也已經(jīng)應(yīng)用于無人機(jī)上[3]。最早利用無人直升機(jī)巡線的是英國的威爾士大學(xué)和儀埃電力咨詢公司。英國威爾士大學(xué)班戈分校于1995年起與儀埃電力科技公司合作開始研制輸電線路巡檢飛行機(jī)器人，該機(jī)器人是在英國Aerobotics公司的Sprite無人直升機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)的，整個(gè)系統(tǒng)包括微型直升機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)等。該機(jī)器人重35kg，附加了穩(wěn)定性控制系統(tǒng)以增加抗風(fēng)干擾的能力，并安裝了高分辨率的彩色CCD攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)基于視覺的導(dǎo)航和基于視覺的輸電線路跟蹤和在線檢測。同時(shí)，英國威爾士大學(xué)和儀埃電力科技公司利用可見光攝像機(jī)獲得的動(dòng)態(tài)可見光圖像進(jìn)行障礙物測距。該方法是通過機(jī)器視覺技術(shù)，識(shí)別無人飛行器前方的障礙物，通過路徑規(guī)劃的算法，躲避障礙物。但此方法只能識(shí)別較大的障礙物，根據(jù)文獻(xiàn)描述，此系統(tǒng)主要是避開樹木等障礙物。對(duì)導(dǎo)線識(shí)別和避障的可靠性不夠，且要求飛行速度不能太快。

2無人機(jī)巡檢在國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀

2013年開始，國家電網(wǎng)公司組織國網(wǎng)冀北、山東、山西、湖北、重慶、四川、浙江、福建、遼寧和青海10家試點(diǎn)單位及國網(wǎng)通航公司和中國電力科學(xué)研究院，結(jié)合人工巡檢、直升機(jī)巡檢和無人機(jī)巡檢各自的優(yōu)缺點(diǎn)，開展輸電線路直升機(jī)、無人機(jī)和人工協(xié)同巡檢模式試點(diǎn)工作[4]。廣東電網(wǎng)公司于2020年底實(shí)現(xiàn)110kV及以上線路（按公里數(shù)）機(jī)巡覆蓋不少于90%，機(jī)巡占比不少于60%，線路巡檢成本降低20%以上，具備直升機(jī)帶電作業(yè)能力，10kV線路機(jī)巡覆蓋率不少于30%，基本實(shí)現(xiàn)“機(jī)巡為主、人巡為輔”的協(xié)同巡檢目標(biāo)。

在科技項(xiàng)目研究方面，國家電網(wǎng)公司組織中國電力科學(xué)研究院、國網(wǎng)山東省電力公司、國網(wǎng)浙江省電力公司、國網(wǎng)福建省電力公司、國網(wǎng)遼寧省電力公司、國網(wǎng)通航公司、南瑞集團(tuán)公司等開展無人機(jī)巡檢實(shí)用化關(guān)鍵技術(shù)與檢測體系研究“小型旋翼無人機(jī)巡檢安全保障技術(shù)及作業(yè)方式優(yōu)化研究”等項(xiàng)目。緊密結(jié)合協(xié)同試點(diǎn)工作，研究內(nèi)容覆蓋無人機(jī)巡檢系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)用化、輸電線路缺陷自動(dòng)診斷技術(shù)、無人機(jī)巡檢系統(tǒng)檢驗(yàn)檢測技術(shù)和協(xié)同巡檢效果評(píng)估等方面。在無人機(jī)避障技術(shù)實(shí)用化、基于三維GIS無人機(jī)的測控導(dǎo)航、輸電線路典型設(shè)備的實(shí)時(shí)定位和跟蹤和無人機(jī)檢驗(yàn)檢測專用設(shè)備研制等方面取得了很多進(jìn)展[4]。

3 未來發(fā)展趨勢

隨著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，無人機(jī)在電力運(yùn)檢中扮演的角色愈發(fā)重要。傳統(tǒng)飛手操作無人機(jī)巡檢電力桿塔的模式，在過去保障電力供應(yīng)，提升巡檢效率方面作出了巨大貢獻(xiàn)。目前無人機(jī)年作業(yè)達(dá)30萬架次，累計(jì)作業(yè)4程超過10萬公里。無人機(jī)巡檢技術(shù)已達(dá)到成熟實(shí)用化水平，但隨著國家電網(wǎng)“三型兩網(wǎng)”、南方電網(wǎng)“數(shù)字南網(wǎng)”的建設(shè)，電網(wǎng)正向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型，在這個(gè)大背景下如何規(guī)范數(shù)據(jù)采集，有效利用分析，進(jìn)一步提升巡檢自動(dòng)化、智能化程度成了新時(shí)代的命題[5]。

在激光點(diǎn)云三維建模技術(shù)、RTK定位技術(shù)愈發(fā)成熟背景下，兩大電網(wǎng)公司未來將重點(diǎn)推進(jìn)無人機(jī)自主巡檢和集群作業(yè)、圖像智能識(shí)別、北斗系統(tǒng)深化應(yīng)用、智能圖像監(jiān)測及智能標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，實(shí)現(xiàn)輸電專業(yè)智能巡檢全覆蓋，計(jì)劃用3年時(shí)間實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)輸電線路自動(dòng)巡檢全覆蓋，并建立全網(wǎng)統(tǒng)一、集成缺陷智能識(shí)別、支撐無人機(jī)自動(dòng)巡檢的網(wǎng)、省兩級(jí)機(jī)巡管理平臺(tái)，無人機(jī)技術(shù)與電網(wǎng)運(yùn)維深度融合將迎來全新階段。

4 結(jié)論

輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)于地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義。兩大電網(wǎng)公司自大規(guī)模引入多旋翼無人機(jī)以來，經(jīng)歷了從人工巡檢到無人機(jī)手動(dòng)飛行作業(yè)的進(jìn)化。無人機(jī)機(jī)巡作業(yè)有效緩解了電網(wǎng)巡視效率低、巡視質(zhì)量不統(tǒng)一、無法定量判斷設(shè)備狀態(tài)、覆蓋細(xì)節(jié)不夠等問題。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，社會(huì)對(duì)供電可靠性的要求也進(jìn)一步提高。在無人機(jī)大規(guī)模應(yīng)用的背景下，伴隨激光雷達(dá)、激光點(diǎn)云三維建模技術(shù)、RTK定位技術(shù)的不斷融合最終將讓無人機(jī)回歸機(jī)器屬性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡檢全覆蓋，架空輸電線路巡檢有望完成從人巡時(shí)代到機(jī)巡時(shí)代再到智巡時(shí)代的重大變革。

參考文獻(xiàn)

[1]劉振亞，全球能源互聯(lián)網(wǎng)，[M]，北京：中國電力出版社，2015.

[2]徐云鵬，李庭堅(jiān)，毛強(qiáng).架空輸電線路直升機(jī)、無人機(jī)及地面人工巡視互補(bǔ)機(jī)制研討與研究[J].廣西電力，2013，36（5）：72-75.

[3]孫毅.無人機(jī)駕駛員航空知識(shí)手冊[M].北京：中國民航出版社，2018.

[4]姜薈叢.飛行器電力巡檢探討[J].山東電力技術(shù)，2012（5）：46-48.

[5]趙元林.輸電線路微小型無人飛行器智能巡檢系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[C].北京：2011年亞太智能電網(wǎng)與信息工程學(xué)術(shù)會(huì)議，2011.