無人機在電力系統中的應用及發展方向

劉國嵩，賈繼強

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，長春130033)

隨著我國國民經濟的快速發展，對電力能源的需求日益旺盛，與之相應的電力工程建設的力度也在不斷加強。2011年1月15日中國前國家能源局局長張寶國發言表示，中國電網規模已經超過美國，居世界第一。我國目前已經建成東北、華北、華中、華東、西北和南方共六個跨省區電網，其中110千伏以上輸電線路超過51.4萬千米，而500千伏輸電線路已成為各大電網的主力。由于我國國土遼闊，地形復雜，平原少、丘陵及山區較多，氣象條件復雜，對于特高壓和跨區電網等大型工程的初期規劃建設，到建成后的日常巡查維護，現有的常規測試和檢查手段已不能滿足其快速高效的要求。而隨著自動控制技術、GPS導航技術、航空遙感測繪技術及無線通信技術等的發展，無人機的使用已從軍事領域拓展到許多民用領域，如地球物理探測、災情監測、農作物監測。其中利用無人機航空遙感測繪能夠高效完成電力建設規劃及巡查任務［1］。

1 無人機各種電力應用

無人機測繪系統具備高靈活、快響應、低成本、實時等特點。與衛星遙感和普通航空遙感相比，尤其在低空獲取光學圖像、輸電線路規劃、廠(站)址地形圖像獲取，無人機測繪系統擁有不可代替的作用。同時，還在災害應急響應方面具有重要作用。

1.1 輸電線路規劃

在各種類型電站輸電線路走廊規劃中，利用無人機測繪系統對規劃區域進行詳細的測繪，并高效地獲得相應參考數據，可有效減小地面現場不利環境對勘測的不利影響。通過分析數據，考慮相關因素，各工程項目關系協調，充分利用有限的通道資源，使線路走向和區域規劃更加合理。2011年5月18日，重慶電力設計院利用無人機測繪技術，僅用15天時間，完成了重慶220千伏張秀線的數字航空攝影任務。標志無人機航拍測繪技術首次運用于重慶電網輸電路徑優化設計工作中，優化了輸電線路路徑，節約了工程投資。

1.2 地形圖測量

無人機測繪適用于小比例尺的地形圖測量，成圖比例尺一般小于12 000。但電網工程的可研設計階段，可增加野外控制車的方法并利用野外測量數據優化航測高程信息等，從而獲得1 1 000比例尺的地形圖。為站址布置及優化提供影像、高程等詳細的基礎資料，減少測繪強度，提高規劃效率。

2009年3月，中南電力設計院采用無人機低空攝影測量技術進行大比例尺測圖實驗，并于2010年設立《無人機低空攝影測量在電力工程中的應用研究》大型科研項目，對無人機低空攝影測量作業的流程、測量精度進行了研究。為了確保地形圖的高程精度，提出采用高程面狀擬合的辦法對無人機低空攝影高程數據進行處理，以滿足工程測量大比例尺用圖的要求。通過江西某特高壓變電站地形圖測量項目的實踐檢驗，證明該科研項目取得了良好的效果。圖1為低空攝影測量作業的流程和江西某特高壓變電站備選站址正射影像圖。

圖1 低空攝影測量作業流程和江西某特高壓變電站備選站址正射影像圖

1.3 在常規線路巡查上的應用

巡線維護現代化的重要性越來越得到國內電力專家的重視。實際上，歐美各國在上世紀50年代開始研究并使用直升機完成巡線、帶電作業和線路施工［2］，最早利用無人直升機巡線的是英國威爾士大學和英國EA電力咨詢公司［3］。而我國從20世紀80年代開始研究利用直升機巡線的技術。

線路巡查是一項檢測目標多樣、分散、檢測難度大的任務，表1對其主要檢測目標進行了統計。

表1 線路巡查檢測目標統計表

圖2 導線接頭可見光(A)和紅外照片(B)

從可見光照片圖2(A)中，可以清楚地觀察輸電設備的外觀情況，并可以判斷檢測目標是否存在物理缺陷:導線是否出現斷股、緊固件是否出現松脫、絕緣子是否有破損或污穢、防震錘是否異常等設備缺陷。從紅外光照片圖2(B)中，可以觀察設備是否存在熱缺陷:線路、接頭、線夾、耐張管、接線管、絕緣子等部位是否存在由缺陷所導致的發熱點。由于主干輸電網都設立在野外，植物也可以影響其正常工作。2003年，美國和加拿大的輸電網由于樹木引起故障造成供電中斷事故［4］。澳大利亞的科研工作者進行了相關的研究，他們使用無人機對電網附近的高大樹木進行觀察，通過不同的圖片處理算法算出樹木和電路之間的位置關系，判斷是否會產生不利影響［6］。圖3為他們獲得的圖像及其經過不同算法處理后的效果。

圖3 澳大利亞科研工作者通過無人機獲取的輸電網及其處理照片

1.4 災難應急響應

近幾年，我國經受了洪澇、高溫和嚴寒等極端天氣的考驗，由此引起的洪水、泥石流、冰凍等自然災害對當地的電力基礎設施造成了非常不利的影響，及時對這些設施的實際工作情況進行檢測顯得尤為重要。

2011年初，我國南方遭遇了罕見的冰凍災害，很多基礎電力設施遭到破壞。為了快速獲得第一手的資料，湖南電力公司試研院和國家電網公司輸變電設備防冰減災技術重點實驗室派出四旋翼無人機技術小組，在湖南電網建設公司的配合下，對江城線1724號耐張塔進行了高空近距離觀冰，圖4是四旋翼無人機及其拍攝的冰凍照片。該桿塔是歷年覆冰最嚴重的桿塔之一，由于冬季長期大霧籠罩，對線路的覆冰觀測極為困難。四旋翼無人機是一種能夠垂直起降、無人駕駛自動飛行系統，適用于桿塔等定點目標的低空近距離觀察和拍攝，能在高寒大霧等惡劣天氣中進行飛行，完成線路覆冰觀測任務。整機重量(包括攝像機)只有980克，使用充電電池(充電時間僅2分鐘)，飛行高度達600米，一次飛行滯空時間半個小時以上，具有非常好的飛行穩定性和靈活性。

2011年7月，遼寧省撫順地區普降暴雨，派搶修隊伍前往現場，因交通受阻無法進一步執行故障排查和電力搶修任務。工作人員啟用遼寧電力信息系統并配合無人駕駛勘查飛機共同完成此次電力設施事故排查搶修作業。該系統是基于大型三維空間信息平臺EV-Globe開發，以自主采集0.5米全遼寧高清影像數據為基礎，配以高精度DEM數據、影像、三維電力設施數據、CAD數據、動態GPS數據完全一體化集成系統。圖5所示為基于EV-Globe平臺的三維電網模擬圖。這是該三維電力系統首次進行山區大范圍長距離搜索搶險工作，達到了良好的效果。

圖4 四旋翼無人機執行任務及其拍攝的電力設施覆冰照片

1.5 線路架設

無人機系統配裝相應的引線裝置，還能執行高空架線的任務。2011年3月由遼寧公司與中國科學院沈陽自動化研究所聯合研制的旋翼無人機自動架線系統，完成了本溪220千伏程富線輸電線路初級導引繩任務。這是遼寧公司輸電線路旋翼無人機智能巡檢系統首次實際應用在架線作業中，并在架線過程中實現單次連續牽引1 150米初級導引繩過塔，完成多座桿塔的初級導引繩牽引架設，連續跨越3條10千伏線路和河流，成功地將初級導引繩連續布放在鐵塔的橫擔上。

圖5 基于EV-Globe平臺的三維電網模擬圖

完成架線任務的是博翔-3型旋翼無人機，總長3.8米，最大起飛重量120公斤，最大有效載荷30公斤，續航能力1小時，作業半徑20千米(以地面站為中心)，該機可攜帶載荷在5級以下風力安全飛行。

2 發展方向

現有的民用無人機測量系統具有如下缺點:(1)相機內方位元素的穩定性不高，影響測量精度;(2)相機鏡頭畸變大，對攝影測量精度產生不利影響;(3)相機CCD尺寸小，造成相機的收容寬度有限，增加了無人機的測繪工作量;(4)無人機任務載荷功能單一，多為只具有單一的可見光或紅外攝影能力。為此，今后民用無人機測量系統發展方向應該為［7］:(1)測量相機專業化，即使用內方位元素穩定，鏡頭畸變小的專業測繪相機;(2)相機配備大面陣CCD，使得無人機的工作效能得到提高;(3)無人機任務載荷多樣化，可以同時裝備可見光和紅外相機，或者其它如激光測距等新型測量裝備，以適應不同的測繪要求;(4)相機可同時進行可見光和紅外等不同波長的攝影測量功能，以提高無人機系統的工作效能;(5)相機應具備變焦功能，當發現可疑目標時，可對其進行凝視觀察，可以提高巡線時對故障目標的識別能力。

隨著無人機及航空測量技術的不斷進步，以及我國電力事業的迅猛發展，無人機測量系統必將發揮出更大作用。

［1］鄭小兵，鄭彥春.無人機攝影測量技術用于電力勘測工程的探索和設想［J］.電力勘測設計.2009，12(6):22-24.

［2］I.Ituen，G.Sohn，and A.Jenkins.A case study:workflowlanalysis of powerline systems for risk management［J］.The Imernation Archives of the Photogrammetry，Remote Sensingand Spatial.Information Sciences，2008，37(3):331-336.

［3］D.I.Jones and G.K.Earp，Camera sightline pointing require-ments for aerial inspection of over head power lines［J］.Electric Power Systems Research，2001，57(2):73-82.

［4］Appelt P.J.，Goodfellow J.W.Research on how trees cause interruptions-applications to vegetation management［J］.IEEE RuralElectric Power Conference.2004(23/24/25):1-10.

［5］Zhengrong Li.Towards automatic power line detection for a UAV surveillancesystem using pulse coupled neural filter and an improvedHough transform［J］.Machine Vision and Applica-tions ，2010，21(5):677-686.

［6］張福民，曲興華，葉聲華.大尺寸測量中多傳感器的融合［J］.光學精密工程，2008，16(7):1236-1240.