輸電線路智能巡檢系統的實用化研究

王澤武

（國網武威供電公司，甘肅 武威 733000）

盡管中國的輸電線路距離很長，但在線監測和檢查的信息卻不全面、不可靠，而且變電站存在信息不對稱的問題，導致智能電網運行不平衡。當前電力物聯網的發展為傳輸線檢測技術提供了新的研究和應用方向，提出了一種基于物聯網的輸電線智能檢測系統的基本框架，并根據系統配置和功能要求，分析了輸電線路能量技術、全自動無人機檢測技術、檢驗數據物聯網通信技術、檢驗圖像目標檢測和智能故障識別技術等關鍵技術，可以有效地集成輸電線路的智能檢驗系統，以增加經濟和社會效益，對工程有非常重要的應用價值。

1 輸電線路巡視內容闡述

巡檢任務是對線路本身、輔助設施、電力設施以及設施所在的環境進行檢查，清楚地掌握檢查范圍內傳輸線的具體操作，并發現和檢查任何可能導致故障的原因，在傳輸線運行期間確保了線路的穩定運行。目前傳輸線的檢查主要包括故障檢查、正常檢查和特殊檢查。過去，無論進行哪種檢查，都是采用人工地面檢查，只有在突發特殊情況時，才會出現人員燈塔巡視的情況，這種巡檢模式的應用無法發揮出最佳的巡檢作用和功能。

傳統的人工檢查方法的應用無法滿足當前階段根據不同線路的運行狀況而不同的檢查要求，從而影響了檢查工作的效率，電力公司很難準確、及時地確定傳輸線具體的運行狀況和條件，這無助于線路保護，不僅造成人力資源的浪費，而且影響輸電線路的穩定安全運行[1]。

2 智能巡檢系統的工作原理

該系統結合了全球定位系統（GPS）、手持計算機設備（PDA）和計算機網絡通信技術的最新研發成果。無需在線路上安裝信息識別介質，配備了便攜式照明設備、筆記本計算機和PDA。在無線網絡覆蓋的區域中，工作人員可以完成線路檢查定和規范記錄。可以采用無線網技術隨時隨地處理故障問題，缺陷處理和出勤率識別正逐漸標準化、數字化和信息化。數據服務器收集記錄客戶端計算機上的各種信息，完成數據信息的存儲、查詢、分析、匯總和報告輸出，有效地監督從缺陷發現到缺陷處理的整個過程，并實現對缺陷的閉環控制。同時，實現了PDCA 的高效循環[1]。手持式計算機可以通過串行端口直接連接到裝有PDA同步程序的客戶端計算機，不僅可以下載編輯的工作說明，還可以在工作現場記錄數據。網絡多級組織垂直檢查運營管理模式，上級部門可以隨時查詢、分析和計算下級機構的檢查數據。

3 智能檢測系統的技術優勢

開發該系統時需考慮到該系統必須具有更強大的功能、新技術以及更長的生命周期，以便該系統能夠與計算機技術的發展趨勢保持同步。因此，系統開發采用了更加先進、流行、穩定和成熟的技術。該系統采用B/S 架構，指明了技術發展的方向。B/S 體系結構具有許多優點，特別是當軟件系統的改進和升級變得更加頻繁時，B/S 體系結構產品顯然會顯示出更加便捷的功能。無論有多少用戶，即使有多個分支機構也不會增加維護和升級工作量，在服務器上就可以執行此操作。如果位于遠程位置，則只需要將服務器連接到互聯網，大量節省人力、時間和金錢，可以立即進行維護和升級。因此，智能檢測系統采用基于Web 的企業計算機客戶端，整個系統運行在Windows98 或更高版本的操作系統上，在WindowsXP 操作系統上運行最佳，并且易于操作[2]。

4 電力巡線技術現狀

目前的輸電線路巡檢方式大致可以分為人工、機器人、直升機、無人機4 種。檢查時，使用電線桿等輔助設備完成電氣設備檢查。當線路位于偏遠地區時，大大增加了操作人員的巡檢難度，尤其是在惡劣的環境中。隨著電力建設規模的擴大，勞動量和運維強度也隨之增加，增加了操作人員的工作強度，但巡檢效率卻不盡如人意，傳統的檢驗方法非常浪費人力。同時，常規的檢查方式給工人帶來了很大的風險，尤其是在懸崖、山地等惡劣地形，在雨、雪、冰凍等極端天氣下，往往對人身安全構成威脅。輸電線路具有分布廣、地理環境惡劣、地形復雜，人工巡檢方式面臨時間長、風險大、強度高、效率低等諸多問題。機器人巡檢具有巡檢距離短、巡檢速度慢、越障困難等缺點，應用范圍有限；載人直升機航跡檢查法由于投資成本高、人力多、管理復雜、技術儲備繁雜等原因，并未得到廣泛應用；而無人機巡檢方法以其小型化、低成本、質量輕、操作方便等明顯優勢越來越受到電力企業的歡迎，在輸電線路巡檢領域的重要性日益凸顯。無人機有助于解決交通不便的地區、林區、山區、河流、污染區、高架電報塔等難以維護和存在盲點的輸電線路段問題。提高了巡檢的質量和效率，降低了輸電線路的運維成本，保護了巡檢人員的人身安全。但無人機巡檢方法也存在一些問題，需要探索和改進。大部分無人機巡檢任務因缺乏配套機巢而無法移動，只能巡檢部分線路缺陷，無人機巡檢完成后仍需人工進行圖像缺陷分析。經過調研發現，目前的無人機巡檢還存在誤檢率高、人工成本高、難度大、難以保證檢驗質量等問題[3]。

5 輸電線路智能巡檢系統的設計要求

現有的檢驗方法是檢驗人員攜帶紙質檢驗工作簿，對設備進行檢驗，然后人工書寫檢驗結果，巡檢結束將巡檢記錄冊匯總到電網中心備案，并根據故障記錄采取必要的維修措施。這種使用紙質標準檢驗工作表的檢驗方法價格昂貴且攜帶不便。手工創建檢驗記錄容易出現遺漏、錯誤等人為錯誤，不適合信息統計分析和檢驗。

利用無人機實現輸電線路智能巡檢可以對各種輸入信息進行整合處理，包括無人機姿態、飛行環境、指揮信息等，命令信息包括來自遙控器的控制命令。通過控制地面控制命令和控制系統設置的控制命令的集成，無人機可以自主飛行并收集有關輸電線路的信息，完成對輸電線路的智能巡檢。無人機在輸電線路智能巡檢過程中，既要實現起降、定軌導航等基本功能，又要實現定點數據采集和自動避障。在保障飛行安全的同時，實現輸電線路智能巡檢[4]。

6 輸電線路智能巡檢系統的設計與實現

6.1 輸變電前端巡檢系統

6.1.1 數據同步功能

服務器使用通信網絡將數據實時傳輸到檢查員的手持服務器，以實現數據同步。采用傳感器同步技術，可以按小時匯總信息，并且可以將分析信息傳輸到每個終端，從而可以更快地檢查傳輸線和變電站。

6.1.2 信息查詢功能

傳輸和邊線檢查員使用手持終端查詢信息，確定線路故障和隱患的位置以及自己的位置，以便員工可以到達正確的檢查點，節省故障位置的時間并進行傳輸，可以提高線路巡檢工作效率。

6.1.3 導航功能

檢查人員可以使用輸變電前端檢查系統進行定位和導航。導航功能可以幫助員工快速到達工作場所，并可以幫助無人機制定最佳的檢查路線。無人機的巡邏路線被記錄并存儲在數據庫中，通過比較在后臺檢查路線的更改，并及時更新數據。

6.1.4 數據收集功能

前端檢查系統使用各種傳感器來協同工作以收集坐標和圖像數據。傳輸線檢查器使用便攜式終端來設置需要數據收集的線的位置，獲取各種數據（例如目標檢查點的坐標），然后創建圖像或數字模型，并將其傳輸到服務器進行處理，在目的地點執行傳輸和轉換線路條件的特定分析[4]。

6.2 可見光遙感

可見光遙感巡檢是使用圖像穩定設備，照相機和其他可見光收集設備來檢查用肉眼可以看到的電氣設備的特性變化，設備要求簡單，故障檢測范圍較寬，廣泛用于無人機線路檢查。由于無人機性能特征的差異，在執行可見光遙感時，旋轉翼無人機和固定翼無人機的工作模式和焦點存在明顯差異。旋翼無人機通常用于代替傳統的手動檢查方法。飛行員在檢查地點附近起飛，并使用機載可見光圖像采集設備進行檢查。監視的主要目標是架空線，包括地線、絕緣子和配件，以及操作點附近的線路通道中的異常情況和隱藏的缺陷。固定翼無人機通常從固定的機場或臨時起飛點起飛，沿著架空線或既定路線飛行，并不斷拍攝這些線路的照片并將其連接起來，以形成全景視圖或視頻記錄。監視的主要目標是線路通道和周圍區域，沿線路的跨越環境以及其他宏觀條件，監測了明顯的設備故障，例如桿塔倒伏和斷開連接。

6.3 電力巡檢安全監督

智能電力檢查安全隱患監控是通過3 步分析和評估來監督每個運維檢查工作的過程，以確保運維工作的完成，并防止運維檢查過程中的隱患。首先，在執行每個運維任務之前，將維護事件、時間和環境因素、運維人員與分析相關聯，以評估運維風險和評估相應監控的當前水平。根據風險評估的結果進行維護管理工作。其次，在運維工作的實施過程中，采用北斗定位技術和面部識別技術對運維人員的心理狀態、運維檢查軌跡、耗時等指標進行實時監控，避免了檢查過程中不必要的錯誤，導致檢查失敗并帶來安全隱患。最后，結合運維前后的監控情況，對運維工作進行全面評估，根據評估結果評估維護人員的工作，并使用總體評估和人員評估結果作為監督的重要指標[5]。

6.4 設備缺陷管理

在現場檢查過程中收集的設備缺陷數據通過智能手機傳輸到系統空間數據庫。現場記錄包括缺陷記錄、維護記錄、設備帳戶、缺陷通知、設備文件、線路圖、技術問題和解答等。檢驗管理人員可以分析和查詢生產線上的特定條件，以對生產線的維護缺陷計劃進行分類和確定。通過查詢查找生產線中的缺陷，計算生產線缺陷報告，對查詢的缺陷記錄進行分類、管理和清除，發布清除任務、匯總和打印。智能手機由檢查員攜帶，對檢查員的管理也就是對智能手機的管理。通過實時讀取智能手機的GPS 數據，檢查速度是否到位，并自動生成巡邏軌跡圖，以監控巡邏人員的位置和工作狀態，并可以隨時在現場了解錯誤信息，為現場人員提供遠程技術支持。巡檢管理人員可以通過智能手機實時跟蹤在現場巡邏的人員，并根據巡邏人員發送的現場消息發送調度指令，協調檢查任務。

6.5 巡檢任務管理

檢查管理人員根據檢查工作的規定和實際情況，制定不同類型的檢查工作，以滿足各種輸電線路的檢查需要。用于此檢查的智能手機編號、線路號、檢查要求、檢查類型和強制檢查點，并且線路檢查可以使用多個智能設備。可以檢查同一條線或多條線，避免了由于同一桿或平行安裝而導致線檢查不一致的情況，可以精確控制檢查員的檢查路徑，提高檢查工作質量。設置掃描作業后，檢查管理員將作業設置為已釋放狀態，檢查人員登錄系統以確認檢查作業通過身份驗證并需要完成。巡邏作業信息包括要巡邏的線路（由起點和終點標記），所需的檢查點，工作的截止日期和完成時間，工作狀態以及要檢查的每個點的狀態。巡檢員可以通過USB 接口將巡檢作業下載到智能手機，然后啟動線路巡檢作業[5]。

6.6 在線監測智能技術

由于現代工業科學技術的飛速發展，整個社會的經濟也在快速增長，為了實現工業經濟的進一步發展，各行業必須對過去的工業技術進行改進，以實現自身的飛躍，不斷前進，獲得更大的經濟效益。這一理念推動了整個社會的快速發展，中國的電力系統管理也不例外。考慮到中國電力系統的結構分布，在檢查高壓輸出線路時，具有廣泛易受各種地形環境影響的特點。因此，在輸電線路巡檢中可以利用在線監測技術及時監測全線運行情況，保障中國電力系統安全。例如，某電力單位想通過該項技術對±500 kV 輸電線路整個電力線路的運行情況進行監控。這也是在線稽查技術首次運行到高壓電輸出線路的巡查工作中，通過最后的巡查結果發現，這項技術在安裝運行中，需要通過前端監測分機和監控后臺這2 方面的組成方可對整個線路進行全面的檢查，該裝置主要利用太陽能電池從能量采集中獲取能量，并依靠GPRS+3G/4G 雙通道通信方式檢測全線信息，這樣可以保證整線檢測的穩定性。

6.7 自主檢查技術

與手動控制的無人機相比，無人機巡檢技術可以實現無人機的自動飛行、自動定位和精準拍攝功能，減少人員參與，進一步提高巡檢質量和效率。現有的技術路徑主要有建模與定位技術以及示教航線學習2種。其中，建模與定位技術是通過三維點云軌跡規劃，實現無人機自主巡檢。而示教航線學習是由熟悉輸電線路的巡檢員控制無人機對輸電線路進行巡檢。在巡檢過程中，無人機會記錄準確的航點位置信息，并將其存儲在任務列表中。當下一次執行巡檢時，無人機將根據存儲的信息自動完成巡檢任務。點云采集可通過激光雷達掃描或斜射實現，激光雷達掃描技術具有精度高、全天候、數據處理速度快、采集方式多樣等優點。通過激光雷達掃描獲取高精度激光點云，構建三維地圖模型，提取關鍵特征空間參數。基于三維地圖模型的深度學習算法用于路線規劃，可以自動選擇正確的航點進行復雜的檢查。根據規劃軌跡，無人機可根據RTK 定位技術實現自主巡檢。此外，基于人工智能路徑預測和人工智能目標識別的輸電線路全自主飛行技術正在研究和應用中。數據采集系統搭載板載AⅠ邊緣計算模塊和集成5G 模塊，實現前端AⅠ目標識別跟蹤、高清圖視頻實時傳輸、遠程控制等功能。應用開發無人機自主巡檢技術，采用人工訓練、點云規劃等方法逐步構建自主巡檢路線庫，逐步推進路線自動創建和調用、“一鍵操作”和標準化巡檢拍攝，結合前端智能識別模塊、5G、邊緣計算等技術，實現無人機自動規劃路線，有效提高無人機作業質量和效率。

7 結語

當前，對檢查數據進行智能處理是無人機的一項緊迫任務，也是對無人機進行完全自主檢查的關鍵技術，例如通過機器視覺輔助定位，機器視覺或激光雷達集成來獲取檢查圖像。近年來，隨著人工智能技術的興起，例如多傳感器無人機的定位和導航，機器視覺尤其是圖像處理技術的飛速發展，在用于無人機的圖像數據處理領域取得了具體的研究成果，并且已經通過多次技術驗證，具有廣泛的應用范圍。