無人機巡檢智能管理系統在電網巡檢作業中的設計及運用研究

國網揚州供電公司 朱翔宇 林芝茂

1 引言

定期開展電網巡檢才能夠保障電力系統輸電安全，無人機巡檢智能管理系統則為電網巡檢作業提供了新的平臺和技術，便于巡檢人員開展對電網系統的安全、快速、全面巡檢，具有十分廣闊的應用及研究前景[1]。此外，無人機巡檢智能管理系統在完成常規電網巡檢作業的基礎上，能夠通過智能任務規劃及分析診斷功能持續提高電網巡檢作業質量及技術水平，從而推動電網巡檢作業向自動化、電力化、綜合化方向發展，最終創造更為顯著的社會效益和經濟效益。

2 電網巡檢作業無人機類型選擇

無人機為通過無線遙控器及程序控制的、能夠實現自主導航及飛行的飛行器，根據結構形式可以劃分為無人直升機、多旋翼無人機以及固定翼無人機3類，不同類型無人機在電網巡檢作業中的應用場景及應用特征存在差異。

無人直升機包括小型機、中型機兩類，應用優勢包括支持空中懸停及垂直起降，便于拍攝固定物體[2]；航行速度較快，最大為100km/h；載重量大，便于搭載大型裝置。

應用不足包括航行時間有限、對起降場地要求較高，不適合長距離電網巡檢作業；如果電網規劃未能留出足夠巡檢作業空域，會因視覺盲點、空域不足等原因導致無法起飛。無人直升機普遍應用于精細化、多任務、中距離電網巡檢作業，能夠實現對于電力系統及電力設備的細節診斷和故障分析[3]。

多旋翼無人機包括四旋翼無人機、六旋翼無人機以及八旋翼無人機3類，應用優勢包括結構簡易、不占用航道，無須申請專門的巡檢作業空域；對起降場地要求較低，無須任何輔助裝置便可實現隨時起飛降落[4]；支持近距拍攝，能夠獲取高清實時影像。應用不足包括動力較小、自重較輕，需要在特定載重條件下飛行；續航時間較短；航行速度較慢；容易受惡劣天氣影響。

多旋翼無人機普遍應用于短距離電網巡檢作業，能夠實現對于電力系統及電力設備故障的細節化、定點式觀察。固定翼無人機應用優勢包括機動性較高、航行速度較快，適合長距離電網巡檢作業；載重量大；反應速度較快。應用不足包括：不支持近距拍攝、空中懸停，不適合精細化電網巡檢作業。固定翼無人機普遍應用于大范圍、長距離輸電線路通道走廊巡檢作業[5]，能夠實現對于電力系統周邊建筑空間的重點檢測。考慮到3類無人機均具備明顯應用優勢及不足，在開展電網巡檢作業時一般選擇同時應用2類無人機。例如，無人直升機和固定翼無人機、固定翼無人機和多旋翼無人機，以此實現優勢互補，滿足更多電網巡檢作業要求。

3 無人機電網巡檢作業智能管理系統設計分析

3.1 系統框架結構

本次設計由無人機飛行平臺、數據采集系統、數據通信鏈路系統、地面數據處理系統4部分構成的無人機電網巡檢作業智能管理系統。

3.2 無人機飛行平臺

無人機飛行平臺包括自穩云臺、飛行動力系統、飛行控制系統、自主避障系統、數據采集系統以及POS系統（定位定姿系統）等。不同類型無人機的飛行動力系統構成存在差異，例如，多旋翼無人機的飛行動力系統包括槳葉、機架、無刷電機以及動力能源（電力資源、航空煤油資源）。

飛行控制系統包括地面控制平臺、機載控制器，機載控制器則包括傳感器、飛行控制計算機、執行機構。傳感器收集和測量無人機飛行參數（高度、速度、航向）；飛行控制計算機根據地面控制平臺指令計算分析無人機飛行參數，并且以機器碼的形式將計算分析結果發送至執行機構；執行機構根據地面控制平臺指令完成無人機飛行調整及控制。

傳感器無人機飛行參數收集和測量具體流程如下：通過安裝在相互垂直位置處的3個角速率陀螺儀測量三軸方向的角速度；對測量得到的角速度進行積分換算；通過加速度姿態傳感器開展對傳感器輸出信號的去噪處理，以此修正傳感器漂移問題；從而計算出無人機旋轉角度。現以飛行高度為例，進一步設計無人機飛行參數收集和測量流程，飛行高度需要通過環境大氣壓強獲得，環境大氣壓強具體收集和測量流程如圖1所示。

圖1 環境大氣壓強收集和測量流程

在此基礎上，將環境大氣壓強設置為P、無人機飛行高度設置為H，兩者的關系：

T0為熱力學溫度，L為氣壓高度差，P0為標準大氣壓，R為常數（取值為8.51），m為氣體分子量，g為重力加速度。現以標準海平面為基本平面，可以得到無人機飛行高度每增加8.5m環境大氣壓強便下降100Pa的結語，由此可以得到無人機飛行高度計算如式：

例如，現為小型六旋翼無人機搭建飛行平臺，選擇應用M600 pro飛行平臺，搭載了3套GNSS模塊和IMU模塊，設置了陀螺儀、GPS、氣壓計等多種類型傳感器，支持懸停模式、自穩模式等多種飛行模式，垂直方向懸停精度為0.5m，水平方向懸停精度為1.5m。配合電網巡檢作業智能管理軟件，以此實現對于輸電線路三維點的云解算及測量分析，對于輸電線路交叉跨越的觀察分析，對于高溫、風偏、覆冰等輸電線路運行工況的模擬檢測，對于相間距的測量分析，對于弧垂、溫度等三維激光數據的測量分析及處理應用。

3.3 多傳感器數據采集系統

多傳感器數據采集系統包括數據獲取設備、自穩云臺、POS系統。數據獲取設備采集機載成像設備航攝數據，包括采集輸電線路及架設桿塔光學影像的光學相機、采集輸電線路均壓環及絕緣子發熱狀況的紅外熱像儀等。自穩云臺搭載數據獲取設備，同時通過驅動電機對航攝俯仰角度進行控制，通過三軸自穩防抖功能減少無人機飛行振動。

POS系統向地面控制平臺回傳無人機飛行參數，并且隔離對無人機飛行影響較大的外部擾動，為無人機飛行成像過程提供補償參數。

3.4 數據通信鏈路系統

數據通信鏈路系統包括機載信號發射與接收裝置、地面站信號發射與接收裝置，用于完成無人機和地面站的數據通信，并且滿足惡劣通信環境、強電磁干擾環境的通信要求。

3.5 地面數據處理系統

地面數據處理系統包括智能診斷系統、幾何處理系統、數據預處理系統等，對無人機航拍數據進行系統處理分析，在此基礎上結合輸電線路運行特征完成故障定位、隱患排查、缺陷分析等作業。

4 無人機電網巡檢作業智能管理系統運用分析

4.1 電網巡檢基礎流程

本次設計的無人機電網巡檢作業智能管理系統基礎運行流程如下：無人機自主獲取輸電線路GPS地理坐標信息并且實現自主導航；通過機載成像設備識別及拍攝輸電線路及其架設桿塔；通過數據通信鏈路系統將實時采集的位置信息、圖像信息及無人機飛行信息上傳至地面站；地面數據處理系統自動接收并保存無人機傳輸信息，根據信息實現對無人機自主飛行的有效控制，根據信息在線處理及分析結果對輸電線路潛在故障及安全隱患進行判斷排查，隨后由巡檢人員進行人工篩選排查獲得電網巡檢結果。

4.2 電網巡檢模式分析

4.2.1 手動電網巡檢

手動電網巡檢對于無人機電網巡檢作業智能管理系統而言較為簡單，通過無線遙控器及地面站便能實現，具體運行流程如下：通過遙控器、地面站實時監控畫面完成對于無人機運行（起降、變速、變向）的控制，使得機載成像設備能夠完成近距拍攝、定點拍攝等動作。

4.2.2 一鍵電網巡檢

一鍵電網巡檢為無人機電網巡檢作業智能管理系統的關鍵電網巡檢模式，即通過北斗衛星系統及算法控制無人機按照設定好的關鍵坐標點完成自主飛行，同時在飛行過程中自主躲避障礙物、自主完成檢測拍攝動作。

一鍵電網巡檢具體運行流程如下：通過搭載RTK差分技術的高精度定位裝置規劃無人機電網巡檢路徑，確保無人機在復雜地理環境中也能夠實現精準定位；根據無人機電網巡檢路徑規劃無人機電網巡檢流程，獲得無人機飛行路徑點，確定無人機自主飛行關鍵坐標點，確保無人機可以實現定點飛行；地面站根據無人機飛行情況及電網巡檢要求刪除不合理、不科學路徑點，并且對各個路徑點的相對位置關系進行逐一校，確保無人機電網巡檢路徑不會出現交叉、重復問題；根據無人機飛行時間、飛行距離配置無人機電源，確保無人機飛行能力可以達到一鍵電網巡檢要求。

某地區選擇根據基桿塔情況設計配電網架空線路無人機巡檢路徑，具體流程如下：劃分輸電線路架設桿塔類型，將連續跨度等于0基桿塔的塔桿設置為A類型，跨度小于2基桿塔的桿塔設置為B類型，跨度大于2基桿塔的桿塔設置為C類型；根據輸電線路架設桿塔類型調整無人機自主飛行關鍵坐標點，略去A類型桿塔中間桿塔降落點，順次連接前號桿塔的后序連接點、后序桿塔的前序連接點，將降落點設置為基桿塔降落點；補全B類型塔桿中間缺失的桿塔，隨后重新規劃無人機巡檢路徑，刪除中間缺失桿塔的路徑點；選擇桿塔最高點上方15m位置處為前后序連接點，順次連接前后桿塔的前后序連接點。

根據三維坐標空間可以得到無人機水平飛行距離計算表達式、無人機垂直飛行距離計算表達式以及無人機飛行時間計算表達式：

計算無人機飛行時間、飛行距離，判斷無人機飛行能力是否可以達到此次電網巡檢作業要求；無人機飛行距離即為起飛點到結束點所有路徑點的距離總和。

5 結語

無人機巡檢智能管理系統切實提高了電網巡檢作業質量，通過系統化設計、自動化結合手動化實踐優化了電網巡檢資源配置，便于為后續電力系統運行維護提供準確信息。具體來講，電網巡檢作業時一般選擇同時應用無人直升機、多旋翼無人機、固定翼無人機中的2類無人機，在此基礎上按照無人機飛行平臺、多傳感器數據采集系統、數據通信鏈路系統、地面數據處理系統的框架結構設計無人機電網巡檢作業智能管理系統，從而完成手動電網巡檢和一鍵電網巡檢，實現高效電網巡檢。