無人機技術在電力行業中的應用研究

楊莉 周年榮 黃星 于輝 唐標 尹春林

摘? 要： 隨著我國電網建設的發展，布設線路的規模不斷擴大，公里數持續增加，且由于這些線路絕大多數架設在野外，所處的地理環境復雜，周圍氣象條件多變，無疑給電力線路巡檢、線路規劃及線路架設作業帶來了極大的挑戰與不便，考慮利用無人機來替代人工巡線等工作，可以減少作業難度、較好的提高工作效率、從而減輕作業人員的工作量并降低工作危險系數，具有重要的現實意義和價值。本文結合實際業務的開展，基于云大物移技術重點研究介紹了無人機的關鍵技術以及無人機技術在電力行業中的應用探索。

關鍵詞： 無人機;電力線路巡檢;云大物移;機巡數據中心

中圖分類號： TP99? ? 文獻標識碼： B? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.027

本文著錄格式：楊莉，周年榮，黃星，等. 無人機技術在電力行業中的應用研究[J]. 軟件，2019，40（10）：121124+194

Research on the Application of UAV Technology in Electric Power Industry

YANG Li， ZHOU Nian-rong， HUANG Xing， YU Hui， TANG Biao， YIN Chun-lin

（Yunnan Electric Power Research Institute， Kunming 650217， China）

【Abstract】： With the development of China's power grid construction， the scale of laying out lines is expanding and the number of kilometers is increasing continuously. Because most of these lines are set up in the field， the geographical environment is complex， and the surrounding meteorological conditions are changeable， it undoubtedly brings great challenges and inconveniences to power line inspection， line planning and line erection. Considering the use of unmanned aerial vehicles to replace manual patrol lines， etc. Work can reduce the difficulty of work， improve work efficiency， reduce the workload of workers and reduce the work risk factor， which has important practical significance and value. In this paper， the key technologies of UAV and the application of UAV technology in electric power industry are introduced based on the research of CBIM Technology.

【Key words】： UAV; Power line inspection; CBIM; Machine patrol data center

0? 引言

隨著經濟發展速度的不斷加快，無人機作為全球新一輪科技產業革命的核心與熱點，將成為中國經濟增長的新動力。我國加大對無人機的研究與應用，推動無人機產業走向了國際市場，并以產品的形式在市場上創造了新的奇跡，目前，我國絕大部分無人機廠商實現了從制造到創造的升級轉型，自主創造的無人機也逐步應用于各行各業中。在電網方面，我國電網布設線路的規模不斷擴大，架設線路的公里數持續增加，且由于這些線路絕大多數架設在野外，所處的地理環境復雜，周圍氣象條件多

變，鐵塔、導線、絕緣子和避雷器等電力設備在各種環境、外力的長期作用下，不可避免地會出現損壞、腐蝕或斷股等問題，較傳統的方式是采用人工巡線模式，但這種方式應用于電網架空線比較危險，需要大量的人力和物力，且巡檢工作質量和效率均相對較差[1]。因此，采用無人機技術開展對電網架空線更加高效準確的巡檢應用具有重要的現實意義和價值。

1? 無人機技術研究現狀

無人機是無人駕駛飛機的簡稱（英文全稱為Unmanned Aerial Vehicle，縮減為UAV），是一種由動力驅動、可操控、無人駕駛卻能攜帶多設備、執行多任務，并可重復使用的無人駕駛航空飛行器[2]，也被稱為“空中機器人”[3]。廣義地看臨近空間飛行器（從20公里至100公里空域）也屬于無人機，如平流層飛艇、高空氣球、太陽能無人機等。

1.1? 國外無人機技術研究現狀

國外無人機的研究特別是美國無人機主要聚焦在軍用領域，民用無人機相比于軍用無人機發展較晚。隨著現實需求的快速增長，美國始終堅持自主創新，掌控了無人機行業核心技術，始終處于全球無人機行業的龍頭地位。

在無人機設計制造技術方面，以色列是全球范圍最為先進的國家之一，主要是在中東戰爭的炮火催生下發展起來的，其軍用無人機領域覆蓋了通信技術、反輻射技術和偵察及干擾等多個方面，形成了長航時無人機發展到戰術無人機再到攻擊無人機的完整過渡體系。從無人機作戰性能來說，部分以色列無人機甚至趕超美國。

另外，歐洲各大國在無人機的研制上主要采用聯合研制方式，目前在航空技術領域方面處于領先的地位。

1.2? 國內無人機技術研究現狀

為滿足軍用和民用的現實需求，近幾年我國多措并舉推進無人機領域研發，目前無人機領域的發展呈現出蓬勃之勢。但由于起步晚，基礎薄，經驗少，在軍用無人機領域我國尚未推出國家層面的戰略規劃，需進一步對軍用無人機的需求方向、研制技術和發展規模進行探索研究與明確定位。在民用無人機領域，我國進步較快。隨著無人機技術的快速發展和我國配套工業產業鏈的應用成熟，中國制造應運而生，并從純生產加工制造轉型為自主研發與創新，在民用無人機制造技術方面，我國目前已進入世界前列。

目前我國無人機主要應用于電力線路巡檢、石油管道巡檢、農林植物保護、國土地形測繪和航空遙感巡邏等諸多實用場景。引用宇辰網則的預計數據，我國民用無人機行業應用將繼續保持快速發展態勢，到2020年，我國民用無人機產品銷售量將達到265億元[3]。

進而分析國內無人機在電力系統方面的現狀。為充分利用現有資源，解決電力線路巡檢和運維人員工作量大、工作難度大且人員嚴重不足等問題，近幾年，無人機在電力系統的應用越來越廣泛，為電力系統巡檢和更好的保障電力系統的運行提供新技術支撐。在電網應用方面，國家電網公司于2009年開始試點應用無人機巡檢，2016年在十個省份推廣新興巡檢模式。南方電網公司于2011年也開始試點運用無人機代替人工巡線，2013年在整個南網全面推廣輸電線路機巡作業[4]。中國電力企業聯合會標準化中心首次建立了電力行業無人機作業標準，于2015年7月對外發布了《架空輸電線路無人機巡檢作業技術導則》[5]，為無人機在電力行業的應用提供指導。

2? 無人機類型及分類

無人機分類方法多樣，較常見的是按照技術特征分類，主要分為固定翼無人機、多旋翼無人機、無人直升機和復合翼無人機四類[6]。固定翼無人機顧名思義是機翼固定的一類無人機，其位于機翼外端處的后掠角可隨速度變化自動或手動進行調整，擅長長距離航行且速度快，但是不能精準懸停。多旋翼無人機和無人直升機統稱為旋翼無人機，具有垂直起降、精準懸停、巡航和快速轉變航向等特性，但無法滿足長航時遠距離需求。其中，多旋翼無人機就是一種多軸無人飛行器，具有三個及以上旋翼軸，其相比直升機具有機械結構簡單、旋翼角度固定、使用成本低和安全穩定性高等優點。垂直起降的固定翼無人機又稱復合翼無人機，兼顧精準懸停和長距離航飛等優點，但是相比多旋翼無人機結構復雜，成本高。目前多旋翼無人機在電力行業應用較多。

3? 無人機關鍵技術

3.1? 多旋翼無人機本體技術

（1）續航方面

多旋翼無人機電池主要分為模型電池和智能電池兩種，從電池材料上分主要有碳性電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池和鋰聚合物電池。目前大疆無人機電池即為智能鋰電池，飛行高度在500米，飛行時間大約在30分鐘以內[7]。

（2）遠距離通信方面

無人機上使用的通信方式主要為衛星通信和無線電通信[8]，針對多旋翼無人機多使用無線電通信。目前在無人機巡線作業中應用中繼通信系統以加強通信訊號，中繼通信方式主要有基于地面中繼節? 點的通信方式和基于空中中繼節點的無線通信方式兩類[9]。

（3）高精度定位方面

目前定位技術有以衛星定位、視覺系統的定位、無線電加激光定位等。基于無人機定位主要以衛星定位為主，其定位精度大于等于1米，有50%的概率會出現信號誤差達到2米以上。高精度定位多采用RTK技術，經緯度精度可以達到10厘米以下，高程精度在30里面以下[10]。

（4）避障方面

目前，無人機的避障技術主要有紅外避障、超聲波避障、激光避障及視覺避障。大疆無人機的前視避障首選了雙目視覺避障技術，采用該技術雙眼看到的場景略有不同，視覺效果猶如3D電影，能夠給人帶來更直接的真實感和更強烈的空間臨場感。

（5）飛控方面

無人機飛控主要體現在無人機平移飛行、旋轉飛行、爬升飛行、俯沖飛行。大疆無人機具有五種飛行模式：P模式（GPS模式）、A模式（姿態模式）、F模式（智能模式）、S模式（運動模式）[11]，根據不同實際需求進行選擇切換。因GPS模式采用導航衛星輔助定位，能穩定懸停和飛行，是目前絕大多數人首選的飛行模式。

3.2? 多旋翼無人機數據采集及作業技術

多旋翼無人機數據采集及作業技術體現在云臺種類及掛載能力。目前云臺主要有紅外云臺、噴火云臺、樹障精準噴灑云臺、起重導引云臺、照明云臺。

3.3? 多旋翼無人機采集可見光圖像分析處理技術

無人機掛載可見光或紅外探頭，可實現對象巡視、拍攝及分析[12-13]，大多為圖像信號。因此，基于圖像信號的應用技術是關鍵，基于圖像處理技術主要分為兩個方向：基于特征工程的應用技術和基于深度人工神經網絡結構的深度學習技術。

3.4? 多旋翼無人機采集激光數據分析處理技術

激光雷達技術（LiDAR）作為一種關鍵航空遙感技術，與成像光譜技術和成像雷達技術統稱為對地觀測三大核心技術。采用LiDAR獲取地形、電力線纜和周邊建筑、植被的準確三維坐標，形成高精度地形信息表或分布圖，從而可構建輸電線路走廊，開展輸電線路樹障分析和輸電線路交叉跨越分析等工作[14-16]。

共享資源池構建的基礎為感知層。通過安裝部署RFID標簽、RFID讀寫器、智能門禁、視頻監控設備、智能管理終端和各種環境傳感器等硬件設備實現資產管理的閉環管控，打造資產管理共享硬件交互基礎。

共享資源池構建的難點為二次開發及數據集成。通過二次開發實現硬件設備的數據接入，實現軟硬件系統聯動，保證設備出入庫及盤點操作。針對實驗室儀器設備通過理解設備的通信規約實現數據統一自動化采集，針對不具備通信接口的儀器設備可采用圖像識別、數據庫抽取等技術實現原始數據的結構化工作。通過基本的硬件改造（如：加裝智能硬件）實現實驗室檢測工作的半自動化，并逐步將重復類的工作實現自動化檢測。

共享資源池構建的核心為資源分配[14-16]和實驗數據、業務模型及策略的綜合分析。通過數據分析后，能夠對設備健康狀態及企業樣品檢測指標可視化展現。通過對指標項數據進行分析評價，最終得出設備總體健康狀態等級，可實現自動觸發和人工觸發功能，對單個設備或多個設備，根據多種導則方法靈活配置及評估;通過梳理適合分析試驗項目、試驗作業流程，結合規約轉換和圖像識別技術，構建智能試驗運維識別采集終端，實現對試驗運維數據的采集。建立試驗運維數據倉庫，對資產數據、試驗數據、人員數據等進行統一存儲與管理。研究試驗測試與樣本運維的互動分析機制，結合運維、監測、試驗等因素，分析樣本試驗測試與樣本歷史運維數據的關聯關系，對同類設備進行橫向縱向綜合分析后提出基于樣本全生命周期的試驗分析及評價方法。構建基于實驗室及現場作業的試驗數據綜合分析應用，實現包括設備損耗、健康狀態、成本、價值和自治、設備采購策略、設備狀態評價策略提供支持。

4? 無人機技術在電力行業的應用研究

無人機在電力行業的應用主要包括線路巡檢（絕緣子爆片、防震錘脫落、導地線泡股斷股、間隔棒斷角、桿塔傾斜、基礎滑坡、樹障巡視）、線路架設（導線牽引）和線路規劃（地質勘測）等。

以無人機作為平臺進行高分率可見圖像拍攝、紅外圖像、激光采集，涉及飛行控制技術、機體穩定控制技術、數據鏈通訊技術、現代導航技術、機載遙測遙感技術、快速對焦攝像技術以及故障診斷等多個高尖技術領域取得突破[17-19]。

本文利用云大物移[20]等現代技術手段，基于物聯網技術CPS架構，設計機巡作業管控總體系和分層架構，主要包括傳感器層、網絡層、云平臺和應用層，最終構建機巡大數據中心和管控中心。機巡作業管控體系設計圖如圖1所示。

機巡作業管控體系整體業務架構采用了物聯網架構體系，使用RFID、智能芯片、傳感器、智能終端等技術和設備建立基礎感知層，為機巡作業管控中心提供硬件支持。采用5G等通信技術建立傳輸層網絡，為傳感設備的互聯互通提供網絡基礎通道。將全部數據統一存儲在云數據平臺，作為數據的存儲加工層，對海量感知數據進行存儲分析和組織管理，為應用層提供數據服務。應用層包括PC端應用和移動端應用，對應用功能進行聚焦，建設定制化的移動APP應用服務。

通過體系和中心的建設，著力推進無人機建設和保障支撐體系的完善，不斷強化數據分析及應用，實施差異化、精益化管控，激光點云隱患識別，確保輸電設備、作業安全，實現無人機日常巡視、特殊巡視、災情巡視的自動化與智能化。從而促進輸配電設備全生命周期管理，不斷強化數據分析及應用，實施差異化、精益化管控，提高工作質量、提升工作效率，降低勞動強度，確保輸配電設備、作業安全，為實現設備精益化管理和作業精細化管控奠定堅實基礎。以“資產全生命周期管理為主線，技術監督和設備管理規范化達標為抓手，著力提高設備精益化管理水平、著力做好信息系統推廣應用、著力抓好可靠性提升管理、著力提升輸配電線路防災能力，把好輸配電設備選型、入口、驗收、運維、檢修關”的工作思路，統籌規劃，實現作業過程全統一 ，多維數據全融合，建立響應快速、高效、敏捷的輸配電運維管控工作模式。

機巡數據中心主要對無人機巡檢數據進行采集、存儲、處理和分析。在數據采集方面打通企業管理系統數據通道，實現巡視任務閉環管理;構建無人機智能機庫，智能管理無人機、電池、配件;融合環境、氣象、三維GIS，保障飛行輔助決策;協調無人機生產廠家，提升無人機續航、遠距離通信、抗風、避障能力。

在數據處理方面實現巡視原始數據的自動命名和歸類整理、缺陷標記、報告自動生成和激光、傾斜影像點云化等功能。

在數據分析方面主要基于激光和可見光巡視通道隱患（樹障、交叉跨越、基礎滑坡、桿塔傾斜、鳥害、覆冰等）自動分析、告警;基于可見光和紅外巡視對象缺陷（絕緣子爆片、防震錘脫落、導線泡股斷股、間隔棒斷角銹蝕等）自動分析、告警;巡視軌跡和飛行控制策略自動生成;三維走廊重現。

目前數據存儲方面的深層次研究還處于空白區，未來可匯聚無人機采集照片影像、巡視對象臺賬、樹障、在線監測、生產GIS、自然災害預測等數據，實現結構化和非結構化數據按用戶、按時間、按位置存儲，同時具備數據加密、比對、加水印、自動銷毀、數據自動分析處理（傾斜影像、激光到點云數據轉換、缺陷隱患分析）能力。

5? 結束語

隨著經濟的發展和科技的進步，無人機技術已經越來越成熟，利用無人機在巡檢電力系統中巡檢線路，不僅可降低在人工巡檢過程中出現的故障率，也有效的降低了電力企業的成本預算，并且提高了電力巡檢工作的效率，具有非常廣闊的應用和發展前景。

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