基于無人機+3D 建模對高壓線路自主巡檢的應(yīng)用探究

韓建波

（山西萬家寨引黃水務(wù)集團有限公司偏關(guān)分公司，山西 偏關(guān) 036400）

1 引言

山西萬家寨引黃水務(wù)集團有限公司偏關(guān)分公司下轄五座大型泵站，主要承擔著將萬家寨水利樞紐大壩內(nèi)的黃河水向省內(nèi)太原、朔州、大同等地提供生活、生態(tài)和工業(yè)用水，同時擔負著向首都永定河提供生態(tài)供水的重要任務(wù)。其中，總干線三座泵站的設(shè)計流量為48 m3/s,年供水量12 億m3；每座泵站安裝10 臺立式單級單吸離心泵，8 工2 備；單泵流量6.45 m3/s，配套電機功率12 MW，總裝機容量為120 MW。為保證各泵站用電設(shè)備的安全、穩(wěn)定、可靠運行，轄區(qū)內(nèi)共設(shè)有110 kV 主電源變電站5 座、110 kV 外引電源變電站2 座，共有110 kV、10 kV 架空輸電線路347.89 km、桿塔2004 座。

如何確保我司轄區(qū)內(nèi)高壓輸電線路的安全、穩(wěn)定、高效運行，成為關(guān)系到我司供水事業(yè)的興衰，更是關(guān)系到供水沿線各大城市的重大民生問題。而傳統(tǒng)高壓架空輸電線路的巡檢方式主要依靠人工巡檢，不僅效率低下、漏檢率高，而且還存在高處墜落和意外觸電的危險，已無法滿足架空線路運維發(fā)展的需要[1]。因此，如何應(yīng)用更加高效、便捷、安全的巡檢方式取代傳統(tǒng)落后的人工巡檢，成為我們每個水利和電力從業(yè)人員努力探索的重要課題。

隨著我國無人機技術(shù)日趨成熟和人工智能技術(shù)的突飛猛進發(fā)展，應(yīng)用無人機對高壓架空線路進行全方位、專業(yè)化、高效化巡檢，已成為我司運維一體化改革創(chuàng)新研究的一大課題[2]。我司應(yīng)用無人機自主巡檢實現(xiàn)“不爬山、不登塔、3D 建模、自主巡查、隱患排查、遠程可視化” 巡檢，從而極大地提高運維工作效率，并降低和消除巡檢人員觸電傷亡和高空墜落的風險[3]。

2 無人機巡檢的技術(shù)優(yōu)勢

2.1 三維激光建模

所謂三維（3D）激光建模，是指無人機搭載激光雷達通過對輸電線路和桿塔進行激光掃描和慣導標定，生成高精度點云密度模型（圖1）；再經(jīng)過大疆智圖或TOVOS Powerline 專業(yè)圖形處理軟件形成全方位、高精度、可視化的三維輸電線路立體模型（圖2）。

圖1 實物與點云密度模型實時畫面

圖2 3D 立體模型圖

通過該3D 立體模型可清晰、直觀、詳細的對輸電線路走廊的地形地貌和輸電設(shè)施，進行細致的分析、測距、規(guī)劃。從而對電力線路的規(guī)劃設(shè)計和運行維護提供高精度測量數(shù)據(jù)成果，并為后期輸電線路的運行、維護和管理提供更快速、更高效和更科學的運維決策依據(jù)。

2.2 自主巡檢

根據(jù)3D 激光建模生成的高精度點云模型，在此基礎(chǔ)上結(jié)合巡檢工作任務(wù)，按先后順序標注巡檢任務(wù)點（圖3），并設(shè)置巡檢動作（如拍照、測溫、測距等）和航線后，無人機將自動生成飛行航線和航點動作進行自主巡檢，可實現(xiàn)一次設(shè)置重復使用（圖4）。

圖3 巡檢點及航線標注

圖4 自主巡檢

圖5 系統(tǒng)接線示意圖

隨著無人機飛控技術(shù)的不斷創(chuàng)新和日趨智能，無人機自主巡檢過程中可實現(xiàn)智能避障、自動跟蹤、自動變焦、智能返航和RTK 厘米級高精度定位等功能。從而使自主巡檢更加智能、高效和安全。

2.3 傳感技術(shù)

無人機巡檢可根據(jù)不同任務(wù)，搭載不同功能的傳感器或集成度高的光學儀器。實現(xiàn)對輸電線路和桿塔的全方位、數(shù)字化、可視化巡檢。

搭載紅外線成像傳感器，可對高壓輸電架空線路中的接線盒和接線夾發(fā)熱現(xiàn)象進行測溫和夜間巡檢，發(fā)現(xiàn)異常高溫點及時進行處置，可避免火災(zāi)和大面積停電事故的發(fā)生。

搭載紫外線成像傳感器，可對高壓輸電線路中的電暈放電故障進行早發(fā)現(xiàn)、早處置，避免故障擴大。

搭載距離傳感器，可精準測量架空線路與周圍樹障、導地線、絕緣子和金具的距離。

3 無人機巡檢的應(yīng)用流程

3.1 應(yīng)用背景

2023 年5 月17 日18 時許，110 kV 方下線發(fā)生跳閘故障，經(jīng)查詢變電站內(nèi)線路保護裝置，發(fā)現(xiàn)C相發(fā)生接地短路故障，距離保護I 段動作，零序過電流I 段動作，斷路器三相跳閘。此時該地正處于雷雨天氣，經(jīng)初步研究判斷該故障為雷擊導致110 kV C 相線纜的一處絕緣子放電，引發(fā)跳閘故障。經(jīng)綜合測算，該故障點大致位于變電站進線側(cè)7.9 km 處。

由于該故障點所處位置為山區(qū)密林，道路崎嶇，交通極為不便。加之雷雨天氣，禁止人工巡檢。因此，使用無人機進行特殊巡檢，可準確定位故障點，并第一時間掌握現(xiàn)場情況，可為后續(xù)的故障處理提供重要參考依據(jù)。

3.2 應(yīng)用流程

本次巡檢選用的無人機為大疆MATRICE 300 RTK(簡稱M300 RTK),搭載禪思L1 激光雷達鏡頭，可實現(xiàn)對巡檢線路自主巡檢、紅外測溫、測距等功能。部分性能參數(shù)見表1。

表1 無人機及激光雷達性能參數(shù)

本次應(yīng)用無人機對110 kV 架空線路及桿塔進行故障巡檢的作業(yè)流程如圖6 所示。

圖6 故障巡檢作業(yè)流程圖

首先，根據(jù)變電站內(nèi)的線路保護裝置和故障濾波器的報警信息綜合研判，初步判斷故障點的方位和大概距離。然后選擇相應(yīng)的巡檢設(shè)備和專業(yè)搭載器具。待《事故搶修單》批復后，飛控手根據(jù)故障點的大概位置，從前期建立的3D 數(shù)據(jù)庫中選擇該故障點的航線地圖，生成KML 航線，并發(fā)送至M300 RTK 的遙控器中執(zhí)行自主巡檢。通過確認作業(yè)周圍環(huán)境安全后，現(xiàn)場組裝無人機，并對飛控、通信、電池和光學等模塊進行檢查和確認。即可進行本次110 kV 線路C 相故障點的巡檢作業(yè)。

其次，無人機起飛后沿既定的航線，以20 m/s的速度向故障點的方向進行自主巡檢。在接近故障點約15 m 處懸停，并觀察確定故障點的位置和損傷范圍。然后將無人機的自主巡檢模式切換為手動控制，對故障點低速抵近檢查，并對故障點進行多角度拍攝取證（圖7），為后期維修更換提供決策依據(jù)，可極大地提高運維工作效率和降低工作成本。

圖7 故障點精準復飛多角度取證

最后，可按既定航線繼續(xù)完成剩余巡檢任務(wù)；也可使用“一鍵返航”功能，自動返回起飛點后降落。巡檢人員將無人機及攝像機等關(guān)鍵設(shè)備，進行拆卸裝箱。并取出攝像機的存儲卡，插入計算機SD卡槽，對本次巡檢拍攝的數(shù)據(jù)進行綜合分析研判，確定故障類型和處理方案后，出具本次《故障巡檢報告》。及時對無人機進行保養(yǎng)和充電，為后續(xù)的巡檢工作做好準備。

3.3 應(yīng)用效果

經(jīng)對無人機拍攝的視頻和照片資料，進行仔細研究分析，發(fā)現(xiàn)該故障點的110 kV 高壓桿塔C 相絕緣子傘裙處有明顯放電灼燒痕跡，絕緣子傘裙已出現(xiàn)裂紋，構(gòu)成安全隱患無法繼續(xù)使用，需停電后更換處理。

此次故障巡檢用時12 min，是人工巡檢效率的10 倍以上，而且還可彌補人工巡檢時的各項弊端，從而驗證了無人機巡檢是一種不爬山、不登塔、不停電、更安全、更高效、更專業(yè)的巡檢模式。

4 無人機巡檢的應(yīng)用前景

4.1 水利設(shè)施巡檢

我國水利設(shè)施的總體分布及規(guī)模特征是：南多北少、東小西大、區(qū)域發(fā)展不平衡。因此，如何對我國交通不便的中西部，以及地形復雜的西南部的水利設(shè)施進行減員增效和科學化、專業(yè)化巡檢，具有重要意義。

結(jié)合無人機航拍、多光譜視覺感知、視頻智能分析、衛(wèi)星遙感等技術(shù)，實現(xiàn)對我國江、河、湖、水庫、大壩、灌區(qū)等地的水質(zhì)檢測、水毀預警、水量統(tǒng)計分析、汛期監(jiān)測、洪峰預測、凌汛防控等方面進行可視化管理、預防和決策，可加快推進智慧水務(wù)建設(shè)和全面提升水利設(shè)施信息化管理水平。

4.2 電力設(shè)施巡檢

可應(yīng)用無人機對電網(wǎng)的輸、配電網(wǎng)絡(luò)和升降壓變電站等一系列危險性高、專業(yè)性強的電力設(shè)施進行專業(yè)化、掃描式巡檢，結(jié)合紅外測溫和熱成像技術(shù)，可對關(guān)鍵電力設(shè)施進行紅外測溫和夜間巡檢，對異常發(fā)熱部件可及時發(fā)現(xiàn)，及時處理，避免因溫度過高導致絕緣老化，造成擊穿放電的停電事故。結(jié)合紫外線光學設(shè)備可對電網(wǎng)中潛在的電暈放電現(xiàn)象做到早發(fā)現(xiàn)、早處理，將電力故障消除在萌芽狀態(tài)。應(yīng)用無人機對電力設(shè)施進行常態(tài)化巡檢，將極大地降低巡檢人員和電力行業(yè)的工作強度，實現(xiàn)減員增效和安全運營。

4.3 農(nóng)業(yè)病蟲害巡檢

無人機巡檢可廣泛應(yīng)用到大面積經(jīng)濟作物、藥材、果蔬等作物的長勢分析、病蟲害監(jiān)控、精準施藥等，大幅度提高產(chǎn)量和效益，實現(xiàn)由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向數(shù)字化、智能化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。

4.4 森林防火巡檢

無人機巡檢可結(jié)合紅外熱成像技術(shù)、物聯(lián)感知、煙感溫感遙測和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，廣泛應(yīng)用到森林防火、珍貴野生物保護、防盜、防蟲害等方面；實現(xiàn)對森林資源的綜合管理和全面防護。

4.5 地質(zhì)災(zāi)害防治

我國地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，應(yīng)用無人機對地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的區(qū)域，定期進行3D 巡檢掃描生成詳細的地理信息，經(jīng)大數(shù)據(jù)對比分析。可對滑坡、崩塌、危巖等地質(zhì)災(zāi)害進行早期識別告警和治理，避免大范圍的群死群傷的事故發(fā)生，可減少人民群眾和國家社會的財產(chǎn)損失。

5 結(jié)語

隨著我國無人機技術(shù)的不斷進步，促使其他相關(guān)領(lǐng)域如飛控系統(tǒng)、航電系統(tǒng)、測繪技術(shù)、光學攝像、激光探測和5G 通信技術(shù)等不斷革新升級。無人機巡檢將逐漸取代人工巡檢，并將廣泛應(yīng)用于水利、電力、交通、治安、邊防軍事、應(yīng)急救援、環(huán)境保護等領(lǐng)域。