基于無人機的輸電線路雷擊跳閘故障快速查找

李宇峰，吳培騁，陳鴻霖

(廣東電網有限責任公司湛江供電局，廣東 湛江 524300)

0 引言

自無人機進入電網檢修領域以來，輸電線路雷擊跳閘故障的查找一直是其應用場景之一，但在實際使用過程中仍存在耗費時間長、查找精度低、工作效率低等問題。

2021-08-28，某35 kV 輸電線路發生雷擊跳閘故障，2 min 后線路重合閘成功，調度發布雷擊跳閘故障信息，監測到故障電流和故障相位但無故障測距。運維人員接到跳閘信息后立即開展故障查找工作，但因無故障測距，無法準確定位故障桿塔單元，被迫開展全線排查工作。由于運維班組無人機飛手緊缺，安排2 名飛手攜帶2 臺無人機到達現場開展飛行查障工作，因天氣惡劣加上飛手經驗不足，導致1 臺無人機炸毀，另1 臺無人機經8 h 全線查找依舊未能發現雷擊跳閘故障位置，后經專業飛手(2 名)耗時4 h 才查找出故障點。

由該案例可見，運維人員需要花費大量時間查找輸電線路雷擊跳閘故障點，即使無人機投入應用，也依舊處于人工操作巡查的低效率狀態。因此，下面總結當前雷擊跳閘故障查找的工作模式，分析其存在的問題提出改進并形成新型、高效、快速的工作方法。

1 工作模式及存在的問題

1.1 輸電線路雷擊跳閘原因分析

輸電線路雷擊跳閘現象是在野外自然環境下雷云放電形成過電壓，輸電線路和桿塔導電材質充當放電通道，雷電擊穿線路絕緣設備從而導致線路跳閘故障[1]。因此，雷擊過程中存在著放電點和放電通道，可通過查找雷擊放電痕跡并根據放電通道從而確定雷擊放電點，即雷擊跳閘故障位置。常見的雷擊放電點包括(根據發生概率排序)：絕緣子均壓環、復合絕緣子、線夾、跳線、球頭碗頭掛環、玻璃絕緣子、導線、橫擔掛點以及地線等[2]。

1.2 傳統工作模式介紹

傳統的輸電線路雷擊跳閘故障查找工作模式如圖1 所示，主要步驟如下。

圖1 傳統的輸電線路雷擊跳閘故障查找工作模式

1) 運維人員接收調度雷擊跳閘信息。跳閘信息包括輸電線路雷擊跳閘故障點測距數據、故障電流和時間，但無法直接定位至具體的桿塔單元。

2) 雷電定位系統用于確定故障點大致位置。根據跳閘時間、電流和測距數據可在系統上大致確定相應故障點的桿塔單元，但由于定位存在一定的誤差且可能會同時給出多個潛在故障點，需運維人員憑經驗判斷；此外，新建桿塔、新建線路、解口、改造、用戶工程等逐年增加，雷電定位系統內的信息無法同步更新，導致部分線路發生雷擊跳閘故障后系統內無故障顯示信息。

3) 手動操作無人機精細化巡視。運維人員驅車到達桿塔附近后，飛手利用無人機攜帶攝像設備對導地線、均壓環、絕緣子、線夾、金具等部位進行拍照：對于有確切定位的，對目標桿塔單元前后各5～15 基桿塔(對220～500 kV 架空輸電線路，在確定目標桿塔后，對目標桿塔前5 基桿塔和后5基桿塔共11 基塔開展查障；35～110 kV 架空輸電線路，則視具體情況對目標桿塔前后10～15 基桿塔開展故障查找)開展查找；對于無定位信息的則全線開展查找。

4) 根據飛行拍攝畫面確定放電點。通過操作無人機拍攝畫面實時查看導地線、金具、絕緣子等部位，判斷是否存在明顯的雷擊放電痕跡，但受制于畫面小、戶外光照、攝像機抖動等因素，人工觀測并直接進行判斷的難度很大[3]，若未找到雷擊故障點則需擴大范圍查找。

5) 線下人工分析確定放電點。通過無人機圖傳畫面無法找到雷擊放電點時，運維人員需對所有易發生雷擊放電的部位進行精細化拍攝，獲取高清圖片，再驅車返回辦公室，將圖片復制至計算機端進行放大查看。

6) 若未找到雷擊故障點則需重復飛行。若本輪精細化巡視未查找到放電點，則可能是放電點未在查找桿塔范圍內、放電點隱藏性較高、拍攝畫面抖動、圖片不清晰、有干擾點等原因，則需要進一步擴大桿塔范圍或驅車返回線路周邊重新飛行拍攝查看。

1.3 問題分析

1) 查找過程資源投入大，耗費時間長。由于無法根據調度信息直接確定桿塔單元以及雷電定位系統的滯后性，現場必須擴大范圍進行故障點查找。因此，根據雷電定位信息初步確定目標桿塔單元，運維班組分配2 組(4 人以上)或多組飛手，對目標桿塔前后各5～15 基桿塔進行精細化巡視拍攝，若無法當場找到則繼續擴大查找范圍；對于無雷電定位信息的故障點而言，則需要全線查找，耗費的時間更長。

人工操作無人機，線路難以實現預定的點到點飛行，因受風力、障礙物、電磁干擾等因素的影響，飛手需不斷手動調整飛行姿態，耗費的時間比自動航線飛行更長；此外，由于野外山地丘陵起伏，桉樹林、竹林等速生高桿植物較多，對無人機遙控信號構成了傳輸障礙，圖傳畫面容易發生卡頓。為了避免炸機事故發生，運維人員需根據現場條件頻繁驅車移位，導致無人機飛行距離變短，增加了作業時長。

2) 故障查找準確度低，工作強度大。為在飛行過程中及時發現雷擊放電點，無人機飛手需緊盯圖傳畫面，同時不斷操作無人機移位進行拍攝。但由于戶外天氣狀況惡劣，在風力達到4 級及以上時，無人機姿態穩定性差，攝像機抖動，造成圖傳畫面不穩定，需要不斷微調靠近目標位置以獲取清晰圖像；同時，線路帶電運行電磁干擾大，但為獲取更加詳細和清晰的現場信息，不得不冒險操縱無人機盡可能靠近疑似故障點，無人機靠近后易發生墜機事故。

下午至傍晚是雷擊跳閘事故發生的高峰期，而此時的環境條件對無人機的工作十分不利，攝像設備的像素、曝光值以及拍攝角度等均會影響人工視覺判斷，需要不斷調整才能獲得高質量畫面，增加了查找時間[4]；除此之外，惡劣天氣導致無人機拍攝不穩、放電點隱蔽性太強無法直接捕捉、環境干擾大以及放電點不明顯等都會對故障點查找的準確度和及時性造成影響。

3) 放電痕跡難辨別，漏識現象頻繁。目前，一線班組大多采用大疆精靈4P 系列進行故障點查找，圖傳監視器畫面為個人手機或機身匹配的5.5寸屏幕。以110 kV 單回路直線桿塔為例，全方位獲取導地線金具相關信息需拍攝至少45 張圖片，耐張塔需拍攝至少65 張圖片，且隨著電壓等級的提高，設備體量、數量也隨之增加，對圖片的數量、質量要求也越來越高。無人機拍攝完畢后，下載照片至手機進行進一步查找分析，但由于屏幕較小、分辨率差異等多種因素，導致放電痕跡較難辨別，漏識現象頻繁[5]。同時，由于圖片分析需要飛手注意力高度集中，緊盯屏幕并認真辨別，久而久之容易造成人員懈怠導致漏識，需要二次查找確認，工作量增加。

4) 電磁干擾強，圖傳信號差，易發生炸機事故。輸電高壓導線周圍會產生極強的電磁場，對無人機的遙控信號、圖傳信號、GPS 信號等均會造成干擾，且距帶電體越近，干擾越明顯。

目前輸電線路巡檢無人機大多采用GPS 衛星定位技術，該技術通過測量已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離，綜合多顆衛星數據運算出接收機的具體位置，從而進行精確定位。在無人機手動飛行查障中，高壓線路強磁場和障礙物反射等均會造成無人機電子羅盤干擾、信號傳輸不穩定以及產生定位誤差(可達10 m 級)等問題；此外，圖傳監視器圖傳信號也會出現中斷甚至丟失現象，導致飛手無法精準操控無人機，極易造成炸機事故。

2 快速查找工作模式及應用效果

2.1 快速查找工作模式

載波相位差分技術(real-time kinematic，RTK)即基于載波相位觀測的實時動態定位技術，實時提供測站點在指定坐標系下的三維定位結果，并達到厘米級精度。在RTK 無人機操作模式下，參考站通過數據鏈路向移動站發送其觀測值和站坐標信息，移動站不僅通過數據鏈接收參考站的數據，還收集GPS 觀測數據，并在系統中形成差分觀測值進行實時處理，同時給出厘米級定位結果，歷時不足1 s。較傳統的全球衛星導航系統(global navigation satellite system，GNSS)定位技術而言，RTK 無人機擁有更強大的抗磁干擾與高精準定位能力，即使在輸電高壓帶電導線等強磁干擾場景下，RTK 無人機依舊可以靠近電力設施并在電子羅盤受擾后精準提供航向信息，從而降低飛行風險和提高作業效率，有效地解決了無人機在輸電高壓導線等強磁場環境下受到的干擾問題。

針對傳統輸電線路雷擊跳閘故障查找工作模式存在的人工投入量大，耗費時間長、故障查找準確度低，放電痕跡難辨別以及查找過程中漏識現象頻繁等問題，基于大疆御2 系列無人機自動駕駛、實時傳輸、航線規劃、AI 智能缺陷識別等技術的基礎上，提出了“歷史跳閘線路區段+查障航線規劃+RTK 無人機自動駕駛+AI 智能分析+人工確認”的新型雷擊跳閘故障快速查找工作模式，如圖2 所示，具體如下。

圖2 快速查找工作模式

1) 歷史跳閘線路區段確定。根據輸電線路歷史跳閘線路區段、電網狀態評估結果、雷擊片區評估、地區天氣狀況等因素確定線路的雷擊跳閘程度，并依據發生雷擊跳閘的頻率劃分為極易發生雷擊跳閘、較易發生雷擊跳閘、一般發生雷擊跳閘、不易發生雷擊跳閘四種類型，對一般及以上發生雷擊跳閘程度的線路應規劃雷擊故障查找航線，盡可能做到全覆蓋。

2) 查障航線規劃。針對傳統無人機故障查找中需不斷手動操作調整無人機而造成工作強度過高的問題，同時對隱蔽性較強的雷擊放電點存在的漏識、錯識等，在無人機航線規劃中應盡量覆蓋所有可能發生雷擊放電的故障點，包括大小號側地線掛點、橫擔、絕緣子橫擔掛點、均壓環、絕緣子、線夾、跳線、調整板以及三角聯板等，其中絕緣子掛點還應分三個角度拍攝，實現無死角自動拍攝。

3) RTK 無人機自動駕駛，實現精細化巡視查障。將規劃的查障航線導入RTK 無人機飛控系統后，無人機即可按照預定航線進行飛行，無需人工手動操作。飛行期間，RTK 無人機可自動調整姿態抵抗風速，飛手僅需觀察無人機姿態有無異常，大幅降低了人工操作強度，提升了故障查找效率；此外，自動駕駛的RTK 無人機具有較強的抗干擾能力，經過現場一年多的應用測試，即使發生干擾導致RTK 無人機失去信號，無人機也能根據基站和自身高精準的定位信號按照規劃航線飛行，降低炸機事故發生的可能性。

4) 圖片實時在線傳輸。基于大疆御2 系列無人機實時拍攝與傳輸功能，開發了圖片接收和存儲平臺，可將RTK 無人機所拍攝的圖片實時傳輸至班組電腦終端。班組電腦終端可將圖片直接發送至AI 智能缺陷識別平臺，實現了圖片的實時分析。當RTK 無人機在飛行期間遭受電磁干擾時，自身攜帶的設備正常拍攝和存儲，待飛離干擾部位后，在線傳輸功能恢復，繼續執行圖片傳輸。現場抗干擾試驗和廠家的型式試驗表明，RTK 無人機可有效保證圖片的在線傳輸，解決了因圖傳信號干擾導致無人機難以操控的問題，穩定及高質量的圖片傳輸與存儲也提升了人工查障辨別的有效性。

5) AI 智能缺陷識別。目前，某企業已搭建AI智能缺陷識別平臺并投入應用，用戶僅需上傳圖片至云端，即可通過AI 智能缺陷識別技術自動識別圖片中的雷擊放電點并推送至人工確認端進行分析確認，實現雷擊跳閘故障查找的智能化、數字化，提高了故障查找效率，降低人工分析的工作強度。

6) 人工分析確認。AI 智能缺陷識別推送至人工確認端的故障點信息由人工進行分析與確認，避免了故障點的錯識、漏識和重復識別等問題，確保故障查找的準確度。

2.2 快速查找工作模式應用效果

以某供電局220 kV 輸電線路雷擊跳閘故障點查找為例，調度發布雷擊跳閘故障點為N98 桿，因此對N98 桿塔前后10 基桿塔進行故障查找。對比傳統工作模式，新型快速查找工作模式在拍攝耗時、發現耗時等多方面具有較大優勢：快速查找工作模式拍攝耗時為28 min，而傳統工作模式則為75 min，是快速查找工作模式的2.68 倍，主要原因為故障查找時天氣惡劣且風速較大，飛手需不斷調整無人機姿態、云臺角度、曝光值以及變換位置進行拍攝，而RTK 無人機可自適應調整飛行姿態，抵抗風速，受環境的影響較小，因此該工作模式下的拍攝時間遠小于傳統工作模式；快速查找工作模式雷擊放電點發現耗時為30 min，比傳統工作模式減少35 %，主要是因為雷擊電流較小，導致雷擊放電能量不大、痕跡不明顯，因此傳統的手動飛行查找方式由于分辨率、圖傳畫面抖動等原因造成識別困難；在拍攝圖片總數方面，快速查找工作模式拍攝630 張圖片，較傳統工作模式減少了128 張，主要原因是當天風速較大，傳統工作模式為了更加清晰和全面地拍攝導地線、金具和絕緣子等部位，存在重復拍攝、小角度變換拍攝以及拍攝不到位等現象，造成拍攝圖片總數的增加，而在快速查找工作模式下，RTK 無人機按照預定航線拍攝，可減少不必要的圖片拍攝；在雷擊故障查找總耗時方面，快速查找工作模式為58 min，較傳統工作模式減少52 %，節約了工作時間，提升了雷擊故障點的查找效率。

3 發展模式展望

隨著無人機自動駕駛技術、5G 通信、數據云技術、AI 智能識別等新技術的快速發展，智能化、數字化、集群化成為輸電線路雷擊跳閘故障查找工作模式未來發展的方向。

1) 智能化是指無人機自動駕駛、圖片自動傳輸與云端融合、自動規劃航線等，在發生雷擊跳閘故障后，無需人工干預，無人機起飛自動前往預定位置進行拍攝，同時直接將圖片上傳至云端內的分析系統，大幅提升作業效率和成本。

2) 數字化發展是指調度發布的故障定位信息及AI 智能識別后的數字化呈現，使得雷電定位數據更加準確，可直接確定雷擊放電點發生部位等。

3) 集群化發展是指無人機查障蜂群化應用，與當前1 組1 臺無人機相比，未來可實現1 組3 臺甚至多臺無人機蜂群組網查障，大幅縮短作業時間。

4 結束語

基于傳統輸電線路雷擊跳閘故障查找工作模式的應用局限性分析，提出了“歷史跳閘線路區段+查障航線規劃+RTK 無人機自動駕駛+AI 智能分析+人工確認”的新型雷擊跳閘故障快速查找工作模式并投入實施應用，通過與傳統輸電線路雷擊跳閘故障查找工作模式進行比較，新型雷擊跳閘故障快速查找工作模式可節約50 %的作業時間，故障查找效率大幅提升，基層減負工作獲得成效。最后，根據技術發展趨勢提出輸電線路雷擊跳閘故障查找工作模式未來發展的方向，相關經驗可供輸電線路故障查找參考。