架空輸電線路無人機巡檢中的自動補光系統應用研究

鄭 波

（國網山東省電力公司超高壓公司，山東 濟南 250000）

0 引 言

隨著社會的持續進步與經濟的快速發展，電力作為現代社會的核心驅動力，其需求量與日俱增。輸電線路穩定運行對于保障電力供應的穩定連續至關重要。然而架空輸電線路長期處于復雜的自然環境，常年遭遇冰凍、鳥害、雷擊等影響，導致線路關鍵部位時常出現絕緣子自爆、防震錘脫落、線路斷裂等故障。若不能及時發現并處理故障，可能導致跳閘事故，威脅轄區的電網安全，因此需開展線路巡檢及時發現并處理故障[1]。受限于人的視覺和體力，傳統人工巡檢方式效率低下且難以覆蓋所有的輸電線路。隨著數字技術的發展，新型巡檢方式如直升機巡檢、無人機巡檢以及智能機器人巡檢等應運而生，在架空輸電線路巡檢領域展現出顯著優勢[2]。其中，無人機巡檢不僅可以大幅提高工作效率，還能捕捉傳統巡檢方法難以觀察到的細節，如導線的微小裂紋、絕緣子的破損等。特別是在面對復雜多變的桿塔塔型和線路通道環境時，無人機巡檢的靈活性和適應性尤為突出。但無人機巡檢對風向、光照、溫濕度等氣象條件的要求較高，條件不達標時工作效能較低。例如，在晨昏或陰霾環境下，巡檢現場光照亮度不足，無法滿足安全飛行要求。此時即便執行飛行任務，但由于光線過暗，會導致圖像采集不清晰，最終無法精準識別缺陷。

1 無人機可視化巡檢

1.1 巡檢內容

無人機可視化巡檢主要依靠無人機搭載的可見光巡檢設備，對架空輸電線路外部可見的導線損傷、絕緣子污穢、金具銹蝕等缺陷或故障進行排查、識別。無人機還可以利用紅外熱成像技術，通過捕捉設備表面溫度的異常變化來檢測熱故障，如架空輸電線路過載、接觸不良等。

1.2 巡檢流程

無人機可視化巡檢通常涵蓋無人機巡檢規劃與準備、無人機巡檢作業實施、數據處理與分析以及巡檢結果反饋與應用4 個環節[3]。第一，無人機巡檢規劃與準備。電力公司運檢部或線路運維部制定詳細的巡檢計劃，并做好巡檢準備工作，如巡檢空域申報、設備設施領用檢查等，確保無人機飛行狀態良好、設備齊全且功能正常。第二，無人機巡檢作業實施。無人機巡檢時應當按照預定路線飛行，不可隨意變更起降點和航路。飛行過程中，無人機搭載的高清攝像頭和傳感器設備全方位拍攝和檢測輸電線路，實時分析和判斷線路的運行狀態。第三，數據處理與分析。處理和分析收集的圖像和數據，識別和定位輸電線路的缺陷和隱患，并采取針對性的維修和整改措施，確保輸電線路安全運行。第四，巡檢結果反饋與應用。運維部門將發現的缺陷和隱患及時反饋給相關部門和人員，以便及時安排維修人員進行修復和處理，同時將巡檢結果輸入線路的運行管理數據庫，為后續的線路維護和管理提供數據支持。

1.3 巡檢安全條件

無人機巡檢需要一定的環境條件，如天氣條件、環境光線、航線與航點等。這些條件共同確保了無人機可視化巡檢在架空輸電線路巡檢中的有效性和安全性[4]。在天氣條件方面，無人機執行巡檢任務需要天氣晴、風級適宜，而在雷雨、降雪、大霧及寒潮大風等惡劣氣象條件下不允許飛行。在環境光線方面，無人機執行巡檢任務需要光線良好，尤其在開展精細化巡檢任務時，盡可能避開暗光環境。在航線與航點方面，無人機應在規劃航路中飛行，以確保無人機飛行姿態平穩、巡檢數據準確、可靠。

2 環境光線過暗對無人機巡檢的影響

2.1 降低巡檢質效

無人機巡檢在一定程度上能夠替代傳統巡檢人員登塔作業，不僅降低了高空墜落風險，而且擴展了巡檢范圍。然而在晨昏時段、陰霾天氣等暗光環境中，無人機圖像信息采集質量下降，難以準確判斷重要信息，如線路細節、設備狀態、缺陷故障等，使得無人機精細化巡檢缺陷識別率降低，甚至出現漏檢和誤判情況。以山東電力某500 kV 輸電線路021 號至050 號區段冬季巡檢任務為例，在天氣晴朗、光線良好的時段（上午10:00—11:00，下午13:30—15:00），通過無人機巡檢共檢查發現缺陷85 處。但是，在同一天暗光環境下（薄霧上午08:00—09:30，傍晚16:00—18:00），同一巡檢班組利用無人機巡檢發現缺陷總計僅為37 處，缺陷具體種類數量如圖1 所示。對比光線充足的時段，暗光環境下無人機巡檢的缺陷發現率降低了56.47%，巡檢質效嚴重降低。

圖1 無人機在晴朗白天與晨昏陰霾條件下巡檢缺陷發現情況對比

2.2 降低巡檢安全系數

無人機依靠視覺傳感器進行導航和定位，光線不足會導致視覺傳感器性能下降，增大導航和控制難度，降低無人機巡檢在復雜環境下的安全系數，甚至會發生墜機、碰撞等事故。山東電力超高壓公司某市公司2019 年以來無人機可視化巡檢作業墜機分析報告統計顯示，由于環境光線不佳導致操作無人機的巡檢人員無法及時發現障礙物而造成的無人機墜機事故34 架次，占總墜機事故的42.3%，大大降低無人機巡檢的安全系數。

3 無人機巡檢補光系統設計

3.1 圖騰柱開關電路工作原理

圖騰柱開關控制電路，如圖2 所示。它的主要構件為NPN 三極管Q2、PNP 三極管Q3以及補光燈模塊。Q2與Q3以共基極的方式接入輸入端，并以共發射極的方式連接至輸出端。當輸入信號為高電平時，Q2呈現導通狀態，Q3呈現截斷狀態。在此狀態下，補光燈獲得電流供應，并通過電源進行供電。當輸入低電平信號，Q2呈現截斷狀態，Q3轉變為導通狀態，補光燈通過Q3接地，實現電路的閉合[5]。

圖2 圖騰柱開關控制電路電路圖

3.2 補光系統設計

設計的補光系統的電路見圖3。在圖騰柱開關電路基礎上進行改進，增加自動補光功能，同時結構上增加外界光線亮度實時檢測單元、高低電平逆轉模塊以及穩壓模塊。

圖3 無人機可視化巡檢自動補光系統電路圖

外界亮度實時檢測單元的核心組件包括LM393寬壓比較器和光敏感應電阻。在巡檢過程中，無人機依據光敏電阻的阻值變化來評估外界光線強度的變動情況。當處于暗光環境時，若實際光線強度未達到預設的閾值，光敏電阻的阻值會相應增大，此時信號由U 轉向U+，進而觸發LM393 發出低電平補光信號。若巡檢環境光線明亮，亮度超過預設閾值，光敏電阻的阻值會減小，導致U-小于U+，此時LM393 會傳遞高電平補光信號。

高、低電平逆轉模塊采用NPN 型三極管Q1構建信號逆轉電路。該模塊與LM393 寬壓比較器的輸出端相連。當基極接收到低電平補光信號時，輸出端將其轉換為高電平補光信號；若基極接收到高電平補光信號，輸出端轉換為低電平補光信號。

LM138 穩壓模塊中，LM138 三端穩壓器的輸入端與電源模塊輸出端電連接，輸出端與開關控制模塊電連接，用于給補光模塊提供穩定補光電源。

LED 補光模塊選擇燈具時，需要結合工作環境、光照需求、補光范圍等因素來挑選補光系統運行流程見圖4。外界光線亮度實時檢測單元感知外界亮度變化，把亮度信息轉換成高、低電平補光信號，信號傳輸到高、低電平逆轉模塊進行電平信號的逆轉輸出。圖騰柱開關控制電路在收到高電平補光信號后，導通LED 補光模塊開啟補光，收到低平補光信號后關閉LED 補光模塊。

圖4 補光系統運行流程

4 自動補光系統效果驗證

為驗證所提補光系統的效果，選取山東電力轄區某500 kV 輸電線路021 號至050 號區段線路為實驗對象，在2023 年11 月22 日3 個時段開展加裝補光系統的無人機精細化巡檢。3 個時段分別是清晨薄霧時段（07:00—09:00）、天氣晴朗光線明亮時段（10:30—12:30）和傍晚光線較暗時段（16:00—19:00）。

巡檢圖像信息自動識別系統形成的巡檢報告如下：天氣晴朗光線明亮時段，共識別缺陷16 處（懸垂線夾銹蝕6 處、螺栓移位3 處、防震錘斷股2 處、銷釘脫出2 處及鳥巢3 處）；在傍晚光線較暗時段，共識別缺陷14 處（懸垂線夾銹蝕5 處、螺栓移位3處、防震錘斷股1 處、銷釘脫出2 處及鳥巢3 處）；在清晨薄霧時段共識別缺陷13處（懸垂線夾銹蝕5處、螺栓移位2 處、防震錘斷股1 處、銷釘脫出2 處及鳥巢3 處）。具體識別結果如圖5 所示。對比3 個時段缺陷識別情況能夠看出，在薄霧、傍晚等外界光線不充足環境中，搭載自動補光系統的無人機實施精細化巡檢時，缺陷發現率均可達80%以上，能夠較好地解決以往暗光環境中無人機巡檢質效低、圖像采集模糊、缺陷難以有效識別等問題。

圖5 加裝自動補光系統后不同光線條件下無人機巡檢發現缺陷數量

5 結 論

架空輸電線路的無人機巡檢技術已經在電網系統中得到廣泛應用，但仍受限于設備性能。在清晨、傍晚或薄霧天氣等光線較暗的環境下，無人機難以高效執行巡檢任務。為解決這一問題，提出自動補光系統，可有效提升巡檢照片的質量，使缺陷和故障在暗光環境中能被較好地識別。本研究旨在提高無人機巡檢的效率和準確性，推動無人機巡檢技術在全天候、全時段的應用和發展。