無人機在高壓輸配電線路智能巡檢中的研究與應用

于子涵

（山東黃金電力有限公司，山東 萊州 261441）

1 電力線路巡檢現狀

輸配電線路是電力系統的重要組成部分，更是電力傳輸的重要載體，承擔安全穩定輸送電能的重要任務，對電網供電安全性、可靠性至關重要。做好電力線路的巡檢和維護，讓電力線路處于良好狀態成為電力線路巡檢工作的重中之重。

隨著電網的電力線路規模越來越大，要對輸配電線路開展定期巡視檢查和特殊巡檢，隨時掌握輸配電網絡的運行狀態、線路周圍環境、線路是否存在安全隱患，對于電力線路巡檢的要求也越來越高。電力線路巡檢通常采用兩種巡檢方式。一種是人工巡檢模式。通過人手持望遠鏡和紅外熱成像儀等巡檢設備對輸配電線路進行巡檢。該巡檢方式勞動強度大、工作條件艱苦、巡檢效率低，在遇到電網緊急故障和異常氣候時，線路人員由于不具備有利的交通優勢，嚴重影響線路巡檢質量和效果。隨著線路運維工作量不斷提升，人工巡檢模式已不能適應智能電網的建設和運維需求。另一種是以人工巡檢為主人為操控無人機巡檢為輔的巡檢模式。這種巡檢方式嚴重依賴無人機飛手人員數量、操作技能以及對巡檢線路的熟悉程度，無人機在電力線路巡檢質量有了大幅度提升，但是巡檢效率整體不高。[1-2]

2 方案設計

無人機在線路智能巡檢中的研究與應用主要針對兩種巡檢方式的缺點和不足的基礎上進行探索和研究，采用無人機智能巡檢的方式開啟新的電力輸配電線路巡檢模式，擺脫人的因素制約，通過智能巡檢方式完成電力輸配電線路巡檢工作[3]。

無人機在高壓輸配電線路智能巡檢中的研究與應用設計主要通過無人機智能巡檢系統控制無人機自主、智能巡檢電力線路，該設計方案將主要其大致分成五個組成部分，分別是無人機自動機場、無人機、無人機智能巡檢系統、航線規劃和GIS 線路三維展示[4]。建立一個無人機智能巡檢系統，所有對無人機機場、無人機的操控指令都通過管控平臺下達。通過無人機智能巡檢系統首先完成電力巡檢線路航線規劃、航線導入，自主控制無人機機場和無人機遠程設定作業任務并下發巡檢任務，無人機通過起飛、巡檢、降落、回收、充電、數據上傳等實現無人機在線路中智能巡檢的工作任務，實現電力線路巡檢現場的桿塔和線路走廊照片取證、現場監控及隱患排查等工作，對電力巡檢全過程進行展示，并自動生成巡檢報告，通過GIS 線路三維展示電力線路三維巡檢通道，實現電力線路巡檢、通道樹障和交跨、電力巡檢隱患的可視化管理。

無人機在線路智能巡檢中的研究與應用開啟了第三種電力巡檢方式——無人機自主電力巡檢，可實現黃金電網內無人機線路巡檢的自動化、智能化。無人機根據無人機智能巡檢系統下發的巡檢指令按照規劃航線并攜帶多功能云臺相機完成本次航線內的桿塔基礎、接地裝置、桿塔本體及輸電線路、絕緣子、金具及導地線附件及其他設施、通道環境等巡檢任務，并在每個規劃定點位置拍攝可見光照片和紅外照片，實時回傳無人機智能巡檢系統，線路巡檢人員可通過無人機智能巡檢系統查看實時數據并對機場進行集中監控和控制。通過無人機智能巡檢系統對電力線路巡檢進行隱患分析，形成線路巡檢報告。

3 關鍵技術

3.1 無人機自動機場

要想無人機自主巡檢，它需要一個承載無人機的設備。無人機自動機場是實現無人機無人值守化作業的智能巡檢系統的重要組成部分，對無人機存儲、自主化飛行、電能補充等功能模塊增加異常處理與自恢復邏輯，實現現場無人機智能、自動巡檢工作。

無人機自動機場采用固定式機場，為無人機提供存儲空間。執行作業任務前，固定機場打開艙門，并升起甲板，等待釋放無人機，無人機完成作業任務后精準降落至固定機場甲板上，固定機場會自主回收完成作業任務的無人機。在接收到無人機智能巡檢系統指令后接受作業任務，自動打開機場艙門，放飛無人機，無人機按照巡檢任務執行電力線路巡檢工作，任務執行完畢后自動落回機場，同時自動機場根據無人機帶電情況為無人機自動充電，充電完成后繼續開展電力巡檢作業。

電力線路巡檢作業受天氣情況影響較大，無人機機場配置一體化氣象站，自動識別飛機飛行條件，具備飛行條件后按照規劃航線執行巡檢作業任務。為實現無人機機場與無人機相互配合，自動機場具備無人機自動機場自動打開艙門，釋放無人機，無人機完成作業任務后精準降落至固定機場甲板上，機場自主回收完成作業任務的無人機，在無人機機場配備快速充電模塊，無人機歸位即刻充電。為了滿足戶外作業，機場內配置空調系統，可實現在-35℃至50℃無人機巡檢戶外作業，同時配置防雷系統、內置備用電源，支持斷電5 小時云端在線，保障無人機安全返航。

3.2 無人機

無人機作為無人機智能巡檢技術方案關鍵組成部分，設計中主要采用四旋翼飛機，可以實現四軸飛行器的一次放飛、回收充電，便于常年使用，不執行巡檢任務時就保存在無人機自動機場內。

無人機掛載重量過重，影響無人機飛行時間和飛行效率，基于這一點，為減輕無人機負載重量，將無人機掛載內置在無人機上，成為無人機的一部分，同時為了便于飛行一次獲取更多的信息，內置掛載采用多傳感器混合云臺相機，將激光測距儀、廣角相機、變焦相機和熱成像相機這四個相機功能混合在一起，在飛機飛行時可測量輸變電線路走廊線路對地距離，廣角和變焦相機可以捕捉識別電桿、鐵塔上的導線、金具、電纜等線路巡檢細節，無需人為手動調整，為電力線路巡檢節省時間[5]。同時，電力線路中某一金具過熱這一類似的電力隱患無法通過相機獲知，紅外相機可以對這類故障迅速辨識，并將超溫故障的照片傳回無人機智能巡檢系統，提前發現電力線路隱患，保障電力線路的傳送電能的可靠性。

無人機在巡檢電力線路過程中，為保障無人機不發生撞線等意外事故的發生，無人機配置RTK 定位[6]。RTK 定位技術主要采用的差分技術達到厘米級的定位結果，無人機采用網絡RTK 精準定位。為了加強電力無人機安全，在機身配置六項雙目視覺及近紅外傳感器，自動設置避障距離。無人機配備高清圖像視頻和紅外圖像展示功能，可在20m 之外通過10 倍光學變焦進行電力巡檢，實現一鍵全景、線路紅外圖像展示和紅外熱溫度分析功能。

四旋翼無人機的巡航時間大概在40 分鐘，電池作為四旋翼無人機的主要動力來源，無人機在升空和降落也需要電能[7]，除了在無人機固定機場內給無人機充電以外，可以設計一個臨時給無人機充電和停泊系統。如果能在電力線路巡檢路線中對巡檢的線路和無人機電量進行大數據分析，在線路周邊建立幾個無人機小型充電和停泊系統。電力線路架設通常在偏遠地區，取電通常不會便捷[8]。通過利用電力線路自身的電壓是最好的一種取電方式，利用線路電降將其降至無人機相適應的電壓，用于無人機小型充電和停泊系統供電。該系統的利用無人機停泊后與系統接觸面進行充電，待充滿電后無人機進行斷點續飛，大大提高無人機的巡檢效率，減少無人機返回機場充電來回時間，減少無人機斷點續飛而飛行的距離。

3.3 無人機智能巡檢系統

無人機智能巡檢系統是無人自動機場、無人機的管控中心。將確定好的規劃航線導入無人機智能巡檢系統，通過管控平臺下發巡檢任務，固定機場獲取任務信息后啟動無人機自動進行電力線路巡檢作業，整個過程無需人員參與，實現電力線路巡檢的無人化、自動化和智能化，可以實現無人機定點電力線路巡檢任務，同時也可在室內集中操控所有機場并監控現場實時狀態[9]。

無人機智能巡檢系統支持對多個機場、多臺無人機（項目涉及的所有無人機）的操控和管理，可對多個覆蓋區域的無人值守實現立體巡檢。完成無人機自主巡檢的所有操作，同時要識別無人機航線規劃，支持規劃航線導入無人機機場和無人機。無人機智能巡檢系統進行私有化部署，采用專用網絡，通過光纜和4G 網兩種方式與無人機自動機場進行通信。無人機智能巡檢系統具備創建任務、下發創建任務、狀態監控、巡檢數據查看、航線規劃、自主巡檢、數據回傳、報告生成等功能。

3.4 航線規劃

航線規劃主要包括激光點云采集、激光點云數據計算和處理、航線生成和航線校核等。

激光點云采集主要通過無人機掛載激光雷達，對所巡檢的電力線路走廊上方飛行，完成輸電線路本體及周邊廊道的高精度三維激光點云數據。生成點云數據達到厘米級，每平方米采點密度100 個以上，連續性好，不存在缺失，保證其桿塔結構、導線、絕緣子及關鍵連接部位清晰、可辨識。

將所有線路采集的激光點云數據利用軟件進行點云解算和賦色，獲得高精度三維線路走廊地形地貌、線路設施設備，以及走廊地物包括電塔、塔桿、掛線點位置、電線弧垂、樹木、建筑物等的精確三維空間信息和三維模型，為航線規劃和WEB GIS 三維線路展示提供三維基礎數據，完成激光點云數據計算和處理。

將解算的激光點云數據導入無人機智能巡檢系統生成初步航線規劃，精準識別塔型和巡檢點，設置航線的安全距離、拍照距離、拍照時的懸停時間、云臺調整懸停時間、目標點的拍照張數、塔體的航跡點位置、拍照點的機頭角度、云臺角度、目標點的拍照張數及拍照距離等參數，手動對線路參數進行調整，生成高精度、飛行路徑最優的精細化巡檢航線。

航線規劃開發需對每條線路進行定制開發，確定每條線路的巡檢路線和巡檢點，滿足電力線路巡檢要求，包括精準化巡檢和線路通道巡檢。航線規劃要完成采集桿塔本體及輸電線路整體狀況，包括桿塔傾斜情況、橫擔歪斜情況、桿塔異物情況，絕緣子金具運行情況、導線接續管等部件是否有異常等。

3.5 GIS 線路三維展示

GIS 技術就是地理信息系統，將電網內電力線路的地理信息與地圖信息進行整合，為無人機智能巡檢提供地理坐標，便于巡檢線路航線規劃，同時將巡檢結果與地理信息相融合，在地理信息系統GIS 中將巡檢線路以三維形式進行展示，構建以高精度地形和影像、激光點云數據為基礎的三維數字化電力線路通道，以三維視角實現對電力線路巡檢、通道樹障、交跨和隱患的可視化管理，通過與原有二維WebGIS 融合，實現電網資源的二三維一體化管理。

除了三維數據展示外，還與無人機智能巡檢系統實現數據交互，在三維電力巡檢界面加入設備樹管理，可實現對線路設備按電壓等級、線路名稱、桿塔名稱樹狀結構進行羅列，雙擊桿塔名稱可以在三維場景中定位，點擊三維場景中桿塔名稱可以顯示設備臺賬、桿塔名稱，同時具備圖層管理、書簽管理功能。無人機在巡檢任務完成后，選擇一條已執行的任務航線，可以在三維場景中顯示此次無人機巡檢的歷史軌跡，在每個任務點旁邊顯示對應的巡檢照片。同時能缺陷照片空間定位在具體線路的桿塔上。

4 預期效果分析

無人機在高壓輸配電線路智能巡檢中的研究與應用是對第三種電力巡檢方式——無人機自主電力巡檢的探析，提高了電網輸電、配電線路巡視質量和運維智能水平。解放勞動力，無需人工巡視，實現線路巡檢無人化管理，實現了機械化減人、智能化減人、信息化減人，減少線路巡線工人，減少人工運維成本，同時能第一時間發現線路隱患和故障，避免因故障發生的設備燒毀、供電中斷的發生，提高公司整體電網安全可靠性。隨著十四五期間大量線路的新建和投運，無人機智能巡檢線路技術將為電網安全可靠運行提供優質、高效的巡檢服務。

5 結語

無人機在線路智能巡檢中的研究與應用項目已在電網內開始建設，預計在未來黃金電網的輸配電線路電力巡檢中的應用將會越來越多、越來越廣，在該應用過程中要加強五個組成部分的相互銜接、相互配合，使得電力線路巡檢在巡檢質量、巡檢效率和巡檢成果展示上面得到更大幅度的提高。