基于架空輸電線路掛載無人機電力巡檢技術的分析

國網河南省電力公司西峽縣供電公司 石 巖 張汶卓

1 無人機電力巡檢依賴的壓縮感知跟蹤技術原理

以無人機來實現電力巡檢，已經成為當前電力行業應用的主要模式，是推動電力行業朝著智能化方向發展的有效措施。用于電力巡檢的無人機，應具有飛行監控、地圖導航、任務回放以及天線控制的功能。

壓縮感知跟蹤技術理論是信號處理領域的技術，也是當前信號處理領域主要的研究和發展方向，應用該技術可在保證畫質清晰度的前提下壓縮圖像大小，并節省壓縮時間[1]。在這一過程中，對圖像信息進行處理的前提，就是能夠對稀疏的原始信號以稀疏重構的方法，恢復為可供處理的原始信號。具體而言，該技術主要包括以下內容。

設定承載圖像信息的信號為x，信號長度為N，這一信號能夠包含K 個非零值，那么就可以用K 來代表信號x 的稀疏度。用φ 來代表M×N 的矩陣，可以用y=φx 來代表一維的測量值，則該測量值的長度可以用M 來代表。在設定以上未知數之后，可以基于壓縮感知的原理來明確y 和φ 的值，再將得到的數據帶到方程當中，就可以得到x 信號的值。

這一過程需要應用到線性投影的原理，可以用以下公式表示：Y=φθ=φΨ-1x=Acsx。在該式中，φ 代表具體形式為M×N 的稀疏測量矩陣，x、θ為一維向量，長度為N，Acs代表一個維數為M×N的觀測矩陣，且M ＜N。

在這一情況下，方程中存在的未知數要超過方程的數量，因而方程的解是不確定的。但由于x 信號本身是稀疏的，其中可能包含數值為零的元素，則該方程能夠擁有重構信號。在明確以上原理之后，結合RIP 原理中強調的相關條件，將變換對象確定為初始數據，在這一情況下，只需要讓φ 和Ψ 兩個量不相關，即可完成觀測矩陣的應用與求解。

對于原始信號的重構，需要以誤差最小值為主要目標，借助觀測值來實現信號的轉換。在這一過程中，應能夠結合采集數據和信號的實際情況，應用合適的算法。若明確一定數量的觀測信號，基于對信號進行轉換和重構的要求，可以直接通過稀疏變換的原理，結合原有欠定方程的特質，將信號觀測值轉換為范數問題，通過求解方程來得到相關信號的實測值。這一過程用公式表示如下：=argmin||x||0。在該式中，||x||0代表L0范數，能夠代表方程中包含的非零元素的數量。

考慮信號重構過程中可能受到各種因素的干擾，且信號本身也屬于一種噪聲，對重構的信號進行求解，應將噪聲干擾考慮到方程的計算當中，選擇合適的算法來進行有關信號重構的計算，提升信號獲取與重構計算的準確性。

2 基于架空輸電線路的掛載無人機電力巡檢技術應用分析

考慮當前電力市場對電能供應的大量需求，以保障架空輸電線路的運行安全為主要目標，將掛載無人機應用到架空輸電線路的電力巡檢當中，對于提升輸電線路的運行質量和效率具有重要的作用。結合無人機電力巡檢中有關信號處理技術的應用原理，在進行掛載無人機電力巡檢技術應用分析時，應重點圍繞以下幾個方面的內容進行深入研究[2]。

2.1 規劃輸電線路巡檢工作

應用掛載無人機對架空輸電線路進行電力巡檢，應將傳感器安裝到無人機身上，在傳感器獲取數據之后，依靠聲波和信號傳輸將采集數據傳輸給巡檢系統，再由巡檢系統依據既定的邏輯程序和算法，對數據信息進行處理，由系統自動生成電力巡檢的參數集成表，供給相關人員進行分析檢測，保障書店線路的運行安全。

例如，將超聲波發射器安裝到無人機機身上，在無人機航行的過程中，讓發生器向某一方向發射超聲波并自動計時，超聲波接收到碰到障礙物反射回來的超聲波之后，停止計時。然后直接通過測量超聲波的發射脈沖以及接收脈沖的時間差、超聲波在空氣中傳輸的速度，對無人機與被測物體之間的相對位置距離進行計算。為避免受到聲波的干擾，需要在無人機上安裝防干擾的裝置。

在對架空輸電線路的電力巡檢過程中，發揮無人機的作用，基于電力巡檢的要求來為帶電作業提供支持。例如，在某220kV 的等電位的帶電作業中，主要發揮輔助的作用，讓絕緣繩和斗滑車掛鉤連接起來，提升帶電作業的實際效果。

2.2 實現電力巡檢測距

信號傳輸對距離有著較為規范的要求，進行電力巡檢時，無人機與被測物體以及信號塔臺之間的距離，應在可供信號傳輸的安全范圍之內，才能夠充分發揮無人機的作用，通過信號傳輸來實現對于無人機的指令控制以及檢測圖像的獲取。

應用掛載無人機技術，能夠基于TOF 的原理實現無人機測距，依據對光的時間差和相位差的測量結果，對無人機航行周圍是否存在障礙物進行判斷，及時獲取現的障礙物無人機與障礙物之間的距離。該技術依賴TOF 系統發揮作用，由TOF 系統對無人機有效半徑內進行360°的全方位掃描，對于檢測到的障礙物，直接由TOF 系統向無人機的飛控系統發出指令，實現對于無人機的自動控制。

毫米波雷達測距由雷達發射出一個錐狀的高頻連續波束，波束的發射頻率能夠依據三角波的規律進行變化。在雷達接收到的回波頻率和發射頻率變化規律相同的情況下，可直接利用二者之間原本存在的時間差，來對無人機與被測物體之間的距離進行計算。雷達測距系統的運行原理如圖1所示。

圖1 無人機的激光雷達系統

2.3 維護電力設備的運行

現階段，掛載無人機已經能夠實現對于電力設備的有效運行維護。結合無人機巡檢過程中獲取的圖像，對巡檢中發現的問題可采取有效的措施來保障電力設備的安全運行。例如，圖2為某種電力巡檢用無人機夜間照明掛載裝置，該裝置將照明裝置和照明電池固定安裝在無人機本體固定支架的兩端，照明裝置與無人機本體存在的攝像頭之間，能夠基于導線實現聯動，在無人區處于飛行狀態下，能夠分別對無人機所在的周邊環境和攝像頭的前方進行照明，讓無人機能夠在夜間發揮巡檢作用。

圖2 電力巡檢用無人機夜間照明掛載裝置

2.4 影響無人機巡檢技術應用效果的因素

2.4.1 無人機巡檢作業安全距離

在實際應用無人機進行巡檢作業時，發現當無人機進入近塔范圍，容易出現機身抖動以及失控的情況，容易對巡檢作業的安全產生影響。深入分析之后發現，這種降低無人機遠程操控能力的情況，主要由于以下方面原因導致。

在考慮高壓線路輸電運行環境的前提下，由于電流通過產生的磁場效應，會影響無人機的航行路線和飛行狀態。同時，如果無人機飛行過程中與輸電線路的航行路線逐漸縮短，無人機自身裝備中的尖端部位也容易受到磁場變化的影響，在磁場影響較大的情況下，還會因放電作用而影響無人機的飛行安全。

在此基礎上，無人機在飛行中也會受到輸電線路以及桿塔的影響，導致用于操控無人機航行的信號丟失，在影響無人機航行性能的同時，也會對支持輸電線路的電力設備正常運行狀態產生影響。而如果在巡檢作業中發現無人機已經出現難以正常作業的情況，進一步受到強磁場作用影響的情況下，導線也會對無人機產生吸附作用。

為應對這一因素給無人正常航行和巡檢作業產生的影響，應加強對無人機作業與輸電線路距離的控制。考慮架空輸電線路的運行特點和要求，在應用無人機進行電力巡檢作業時，可從電廠的角度出發，在進行巡檢作業前，發揮計算機信息系統的作用，結合電力巡檢工作現場的實際環境，了解輸電線路運行情況，明確無人機系統對直流電場的影響程度，從而計算分析得到無人機巡檢作業時需要與輸電線路之間保持的安全距離（見表1）。

表1 低電壓等級下輸電線路導線側面空間電場分布情況

2.4.2 無人機續航時間

續航時間也會對應用無人機進行電力巡檢的效果產生影響。結合當前應用無人機的實際情況，發現續航能力不足是限制掛載無人機電力巡檢模式推廣應用的主要原因之一。而造成這一現象的主要原因是：由于無人機在實際飛行中會受到重力的影響，對無人機應用大容量電池會導致無人機承受的重力加大，進而影響無人機的飛行高度和航行效果。而電池的容量大小會直接影響到電池的質量和體積大小。

2.4.3 無人機電磁干擾防護

電磁干擾防護是應用無人機進行電力巡檢時需要考慮的重點因素。基于新石器電網運行規模不斷擴大，輸電線路數量不斷增加的背景，對應用無人機進行電力巡檢工作的要求不斷提高，而無人機工作的難度也在不斷提升。在未完成實際巡檢任務要求的情況下，如果無人機受到電磁場的影響而被干擾，直接影響到整個帶電作業的安全，也會對電路的正常運行產生影響。考慮電磁干擾主要基于干擾源、干擾途徑以及受擾體三個要素構成，以屏蔽干擾源的方式，能夠從源頭降低電磁干擾對無人機作業的影響。現階段，能夠用于抵抗電磁干擾的方法，以接地技術、濾波技術以及隔離技術為主。

2.5 掛載無人機的未來發展方向

在充分考慮無人機本身應用原理的背景下，結合各種測距技術的應用優勢和特點，對掛載無人機的優化研究，可以考慮將雙目攝像機作為避障的光學補充，主要應用毫米波雷達與雙目視覺測距相結合的方式，實現對于架空輸電線路范圍內障礙物的有效檢測。而在對無人機自身結構和應用系統進行設計時，則應充分考慮各種可能影響測距技術的應用因素，注重控制無人機與輸電線路之間的安全距離，并能夠在規定的無人機續航時間內，積極采取措施降低由于輸電線路強磁場對無人機造成的干擾情況。

綜上所述，掛載無人機能夠為電力巡檢提供更便利的條件和支持。對架空輸電線路進行日常的電力巡檢，應在明確掛載無人機這一技術應用原理的基礎上，結合以往電力巡檢中無人機巡檢存在的可能影響檢測圖像質量效果的因素，規范技術應用的相關步驟，并能夠充分考慮無人機航行過程中可能存在的各種客觀因素限制，不斷優化發展掛載無人機應用的技術，為架空輸電線路的安全運行提供保障。