無人機(jī)在特高壓輸電線路巡檢中的應(yīng)用研究

劉杰

摘要：本文首先闡述了巡檢方案設(shè)計(jì)思路和原則，接著分析了巡檢作業(yè)及設(shè)計(jì)要求，最后對無人機(jī)選點(diǎn)原則及部署方案進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);特高壓輸電線路;巡檢;應(yīng)用

超高壓輸電線路采用無人機(jī)巡檢。經(jīng)過幾年的研究推廣應(yīng)用，獲得了大量的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)了許多問題和技術(shù)問題。例如，山區(qū)的塔式塔大多在海拔40至100米處，隨山勢起伏而豎立，多設(shè)置在山腰上。無人機(jī)則是攜帶任務(wù)裝備在深山中的塔內(nèi)附近10至30米進(jìn)行任務(wù)（困難的是限制在塔高附近的懸吊作業(yè)）。為此，有必要開發(fā)一種持續(xù)時(shí)間長、有效載荷大、飛行距離控制長、能夠飛越山脈進(jìn)行長距離飛行的無人機(jī)檢查系統(tǒng)。

一、巡檢方案設(shè)計(jì)思路和原則

（一）衛(wèi)星中繼

優(yōu)點(diǎn)：高空覆蓋面積大，傳輸距離遠(yuǎn)，可指向多點(diǎn)，機(jī)動(dòng)性好。缺點(diǎn)：有效工作帶寬有限，圖像傳輸時(shí)間延長;實(shí)時(shí)開放訪問困難;使用審批程序多且費(fèi)用昂貴。

（二）山區(qū)制高點(diǎn)架設(shè)中繼

優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備重量、供電能力、傳輸功率、延時(shí)、專用固定帶寬、通信質(zhì)量好、易于滿足技術(shù)要求。缺點(diǎn)：山頂?shù)脑O(shè)備和電力供應(yīng)較困難;信號容易被高山阻擋，有許多盲區(qū);以大投資、低利用率、維修管理困難的方式接力山頂;缺乏靈活性和低性價(jià)比。

（三）車載流動(dòng)中繼

優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備重量、供電能力、傳輸功率、延時(shí)、專用固定帶寬、通信質(zhì)量、易滿足技術(shù)要求;機(jī)動(dòng)性好、布局靈活、無安裝問題，經(jīng)濟(jì)安全。缺點(diǎn)：中繼站需要道路支撐，相鄰的中繼站和運(yùn)營點(diǎn)、地面站應(yīng)通看，選擇點(diǎn)難度較大，有信號盲區(qū)，覆蓋面積相對有限。

（四）空中移動(dòng)中繼

優(yōu)點(diǎn)：覆蓋面積大，流動(dòng)性好。缺點(diǎn)：中繼設(shè)備比較復(fù)雜，小型化有一定的困難;無人機(jī)離開時(shí)間短，還必須具備空中發(fā)電能力;空域使用難以批準(zhǔn)。

（五）電信運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)

優(yōu)點(diǎn)：電信、移動(dòng)、聯(lián)通等公共通信運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)資源豐富，覆蓋點(diǎn)多，線路長，覆蓋面寬。他們在技術(shù)上更加可靠和成熟。他們使用付款，沒有建筑和維修管理問題，成本低。缺點(diǎn)：山地網(wǎng)絡(luò)覆蓋信號較差，帶寬不穩(wěn)定，難以保證固定帶寬，信息安全隱患大，信號傳輸延遲無法保證。

二、巡檢作業(yè)

使用無人機(jī)來安裝中繼設(shè)備而不是衛(wèi)星中繼。首先，無人機(jī)飛行平臺必須具有一定的負(fù)載和供電能力，續(xù)航時(shí)間必須足夠長。同時(shí)，它必須具有遠(yuǎn)程飛行和有效的控制距離。為此，我們應(yīng)該全面考慮發(fā)動(dòng)機(jī)以滿足機(jī)載設(shè)備負(fù)載和電能的需求，以及中繼地圖傳輸和數(shù)字傳輸鏈路的有效控制距離。

穿山而過，正常直線距離約數(shù)公里，特高壓傳動(dòng)線的塔身距離一般約300-5000m，20基塔約6-10km。因此，無人機(jī)飛越這座山，一般不超過20塔。

無人機(jī)長途飛越山區(qū)，耗時(shí)長，但飛行時(shí)間長必然會(huì)增加載重量，即需要增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率。

機(jī)載中繼設(shè)備的傳輸功率與傳輸距離、體積、重量成正比。功率低，圖形傳輸和數(shù)字傳輸中繼設(shè)備的傳輸距離不能滿足需要，功率大。雖然圖形傳輸和數(shù)字傳輸中繼設(shè)備的傳輸距離較遠(yuǎn)，但所需的功耗、體積和重量將不可避免地增加。

由于傳輸圖像的分辨率越高，所需信道帶寬、設(shè)備傳輸功率和編碼壓縮比越大，在相同條件下信號傳播距離越短，通道利用率和圖像恢復(fù)質(zhì)量越低。無人機(jī)的實(shí)際飛越應(yīng)首先確保巡邏飛行的安全。根據(jù)網(wǎng)格巡檢的實(shí)際飛行經(jīng)驗(yàn)，實(shí)時(shí)傳輸?shù)头直媛省皹?biāo)清”視頻圖像可以滿足無人機(jī)巡邏飛行的監(jiān)控需求。更高分辨率的“高清”照片可以保留在無人機(jī)中完成檢查操作，然后在返回地面后提取分析。優(yōu)先利用有限的信道資源，確保指揮控制，維護(hù)通信鏈路安全，確保無人機(jī)檢查和飛行控制的安全。

三、設(shè)計(jì)要求

無人駕駛直升機(jī)應(yīng)足夠長（90～100分鐘以上），以滿足20個(gè)基地飛行巡邏塔或6～10公里左右的時(shí)間要求。無人駕駛直升機(jī)的有效飛行控制距離必須足夠長（不少于15公里），以滿足20座基地塔的檢查需要。無人駕駛直升機(jī)必須具備自發(fā)電能力，以保證高功率地圖傳輸和數(shù)字中繼設(shè)備的長期不間斷供電需求;發(fā)電功率不少于200w，以滿足5至6g中繼設(shè)備的供電要求和單次航程100多分鐘的巡邏飛行要求。

無人直升機(jī)載重量足以攜帶20公斤以上的大功率地圖傳輸和數(shù)字中繼設(shè)備。當(dāng)負(fù)載大于20公斤時(shí)，需要支援超過100毫升引擎。應(yīng)盡量減少高功率地圖傳輸和數(shù)字中繼設(shè)備的體積和質(zhì)量（地面站組數(shù)少于3公斤），以容納安裝在中小型單旋翼無人直升機(jī)上的設(shè)備。

四、無人機(jī)選點(diǎn)原則及部署方案

無人機(jī)與任務(wù)機(jī)聯(lián)合運(yùn)行模型的目的是解決地面站與任務(wù)機(jī)之間的通信問題。由于無人機(jī)的位置和高度對于確保飛行任務(wù)飛機(jī)的安全飛行至關(guān)重要，因此應(yīng)充分收集檢查線周圍的地理和氣象條件，并在選擇地點(diǎn)之前進(jìn)行實(shí)地調(diào)查。

按照檢查任務(wù)線的經(jīng)緯度和高河方向，結(jié)合檢查任務(wù)塔的布局，必須確保無人機(jī)位置可見檢查塔，距離不超過10公里。地面站可以看到無人機(jī)，距離不超過10公里。無人機(jī)應(yīng)位于視察團(tuán)最高塔海拔50來以卜。

在確保無人機(jī)檢查塔和無人機(jī)檢查地面站位置的情況下，以無人機(jī)為中心盡可能選擇直徑300m的無人移動(dòng)區(qū)作為無人機(jī)盤旋點(diǎn)。

結(jié)合山地分布情況，參照當(dāng)?shù)孛咳掌痫L(fēng)時(shí)間和起風(fēng)水平，綜合確定中繼點(diǎn)位置。

確定中繼點(diǎn)位置后，繪制檢查任務(wù)路線、塔的經(jīng)緯度、塔的高度、路線方向和中繼點(diǎn)位置的地圖。

五、結(jié)束語

無人機(jī)巡檢技術(shù)能否進(jìn)一步應(yīng)用，取決于通信數(shù)據(jù)鏈技術(shù)能否有效突破。本文詳細(xì)討論并驗(yàn)證了無人機(jī)合作巡檢模式在特高壓輸電線路巡檢中的應(yīng)用。中繼技術(shù)的應(yīng)用可以改變傳統(tǒng)的超山運(yùn)送線運(yùn)營商的運(yùn)送線模式，開辟山區(qū)超山運(yùn)送線的新途徑，并完成山區(qū)復(fù)雜地形環(huán)境的長途、長途特高壓傳輸線檢查，使特高壓檢查作業(yè)成為可能。

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