無人機在電網領域中的主要應用場景及關鍵技術研究綜述

摘" 要：無人機（UAV）技術的快速發展和市場擴大，已推動其在電網領域的應用從傳統的巡檢擴展至測繪、檢修等多個方面，促進關鍵技術的創新。該文采用CiteSpace知識圖譜和文獻綜述法，深入分析2014—2024年發表的470篇以“無人機”和“電網”為關鍵詞的中文文獻，明確無人機在電網領域的三大主要應用場景及其關鍵技術。研究不僅在理論上拓寬對無人機應用的認識，跳出以往局限于巡檢的綜述范疇，而且在實踐上為電網領域無人機技術的未來發展提供指導。

關鍵詞：無人機；電網領域；電力巡檢；關鍵技術；知識圖譜

中圖分類號：TM75" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）09-0094-06

Abstract： The rapid development and market expansion of unmanned aerial vehicle（UAV） technology have promoted its application in the power grid field to expand from traditional inspection to surveying， mapping， maintenance and other aspects， promoting the innovation of key technologies. This paper uses the CiteSpace knowledge map and literature review method to conduct an in-depth analysis of 470 Chinese documents from 2014 to 2024 with the keywords of \"UAV\" and \"power grid\"， and clarifies the three main application scenarios and key technologies of unmanned air vehicles in the power grid field. The research not only theoretically broadens the understanding of UAV applications and breaks out of the previous review scope limited to inspections， but also provides guidance for the future development of UAV technology in the power grid field in practice.

Keywords： Unmanned Air Vehicle （UAV）; power grid field; power inspection; key technology; knowledge map

隨著科技的不斷進步，無人機技術在電網領域的應用日益廣泛，其應用場景已從傳統的巡檢領域[1]擴展至測繪[2]、檢修、應急響應及災害救援[3]等多個方面。無人機技術在電網領域的廣泛應用得益于其機型的多樣性[4]和機載設備的先進性：無人直升機、多旋翼無人機和固定翼無人機，根據其性能特點，分別在電網運維的不同方面發揮關鍵作用[5]。盡管無人機技術在電網運維領域取得了顯著成就，有效提升了電網的安全性與可靠性，現有文獻綜述卻多聚焦于輸電線路巡檢技術的發展[6]，對于無人機在其他電網應用場景的深入探討則顯得不足。鑒于此，本文旨在綜合評述無人機在電網領域的多樣化應用場景，并深入討論各個場景中的關鍵技術。

為了全面了解無人機技術在電網領域的應用和發展，本文采用了Citespace知識圖譜軟件進行可視化分析，以期對研究現狀進行宏觀把握。通過文獻研究法，本文對2014年至2024年間的相關文獻進行了檢索、整理和分析。本文首先在中國知網進行高級檢索，以“無人機”和“電網”為關鍵詞，共篩選出470篇文獻，并利用CiteSpace進行節點類型和文獻精簡方法的設置，生成了關鍵詞聚類圖、關鍵詞突現圖、機構共線圖和年份發表量圖，以期揭示無人機在電網領域的主要應用場景。隨后，本文進一步通過中國知網和Web of Science 2個文獻平臺，對“無人機”與“電力巡檢”“輸電線路勘測”“電路檢修”等關鍵詞組合進行深入研究，以探索無人機技術的發展歷程及其關鍵技術點。

1" 文獻發表情況分析

圖1清晰地描繪了2014—2023年無人機在電網應用領域的研究文獻發表量及其增長軌跡。這10年的學術文獻增長揭示了該研究領域的持續升溫。分析可劃分為3個主要階段：2014—2017年的初期發展期，年均發表量約20篇，標志著領域的興起；2017—2020年的快速增長期，年發表量激增并在2020年達到65篇的峰值，突顯了學者們對無人機技術在電網應用中的研究熱情；2020—2023年的穩定發展期，年均發表量保持在60篇左右，顯示研究已步入成熟階段。

深入分析基于中國知網（CNKI）數據庫的檢索結果，表1 展示了發文量排名前10的機構。機構類型顯示高校和電網公司在該領域的研究貢獻旗鼓相當，各有5家機構位列榜單。華北電力大學（北京）以6篇文獻發表量領先，緊隨其后的是華北電力大學和華南理工大學，均有5篇文獻發表。高校累計發表22篇，電網公司發表18篇，反映了學術界與工業界在該領域的平衡參與。特別地，所有電網公司的研究機構均位于南方地區，這可能關聯到該地區電網建設的快速進展和對技術創新的重視。

2" 無人機在電網領域的應用場景

2.1" 應用場景概述

圖2通過CiteSpace生成的關鍵詞聚類圖揭示了無人機在電網領域研究的細分子領域及其關注度。圖中關鍵詞前的數字越小，表明該研究子領域的關注度越高。在圖2中，#2電力巡檢、#4輸電線路勘測、#6電路檢修3個關鍵詞分別代表了無人機技術在電網領域的3種主要應用場景。其中，電力巡檢作為關注度最高的研究子領域，反映了其在電網安全運營中的核心作用。輸電線路勘測的關注度緊隨其后，顯示出電網建設與維護對精確勘測技術的迫切需求。電路檢修的關注度相對較低，可能與其技術實施的復雜性或研究資源的分配不均有關。

2.2" 電力巡檢

電力巡檢，又稱“電網巡檢”“電力巡線”，根據圖2關鍵詞聚類圖及分析可以得出，電力巡檢相比其他2種應用場景（輸電線路勘測、電路檢修）而言，研究關注度更高。自21世紀10年代起，無人機電力巡檢作為處理電力線路日常維護和應急處置的高效手段，已逐步取代傳統的巡檢方式而被廣泛應用[7]。無人機電網巡檢相比傳統人工巡檢，具有設備簡單、成本低廉、激動靈活和安全高效等多項優點。

國內研究顯示（圖3），2014—2018年間，無人機電力巡檢技術框架初步形成，涵蓋圖像采集和預處理[8]、飛行姿態控制[9]、多傳感器高精度時間同步[10]、地面數據處理[9]、無人機自主定位[11]、巡檢路徑規劃[12]、安全距離診斷與自主避障系統等多個系統[13]。2019年后，研究進入快速發展期，文獻數量激增，尤其在2021年達到高峰。研究深入細化。例如，針對無人機電力巡檢在復雜地區或無公網地區無法高精度定位服務的問題，白天陽等[14]提出基于北斗衛星導航系統的精密單點定位-實時動態定位（PPP-RTK）技術；針對人工路徑規劃效果差、巡航效率低的問題，常安等[1]提出無人機電力巡檢航線智能規劃及自主巡檢研究方法；各類深度學習算法、博弈論廣泛應用于無人機電力巡檢卸載策略[10，15]；值得注意的是，近年來隨著人工智能大模型的爆發，其與無人機電力巡檢結合的相關研究也逐漸興起，結合路徑為人工智能大模型作用于圖像采集和預處理，從技術層面助力無人機電網巡檢[16]。

2.3" 輸電線路勘測

輸電線路勘測是電力設備架設前的關鍵環節，涵蓋地形、水文、氣象等環境因素的詳細調查[17]。無人機技術在此領域發揮著重要作用，特別是在地形勘測方面，相較于傳統人工測量，無人機勘測以高效率和精確度著稱。這一技術進步同時對無人機和測繪科學技術提出了更高的標準。中南電力設計院自2009年3月起，便開始利用無人機低空攝影測量技術進行大比例尺地圖制作實驗。2010年，該院進一步開展了“無人機低空攝影測量在電力工程中的應用研究”項目，深入研究了無人機低空攝影測量的工作流程和測量精度[18]。這些研究不僅推動了無人機技術在電力工程勘測中的應用，也為提升勘測質量和效率奠定了基礎。

2.4nbsp; 電路檢修

電路檢修是指在電路出現故障或為預防故障出現時，而進行的檢查和維修工作。目前無人機主要在2種電網場景中發揮檢修作用，分別是輸電線路除冰和接觸網停電檢修。在輸電線路除冰方面，通用辦法是無人機搭載激光設備或噴火設備，激光器發射的激光通過穿透冰塊來除冰，噴火設備則通過加熱冰塊來除冰，這2種除冰裝置都是由無人機、任務設備、地面控制模塊和綜合保障模塊組成[19]。值得關注的是，大多數除冰作業發生在低溫嚴寒地區，而無人機在低溫嚴寒條件下的續航能力會受到影響，因此，關于除冰的相關技術研究應同時注意無人機電池續航問題[20]。在接觸網停電檢修方面，無人機可代替人工完成掛接地線操作，提升作業質量，節省作業時間；然而，無論是接觸網停電檢修還是其他項目停電檢修，暫停供電會對生產生活造成不良影響，所以未來應當加強對不停電檢修技術的研究[21]。

3" 無人機在電網領域應用的關鍵技術分析

3.1" 關鍵技術概述

圖4通過CiteSpace軟件分析呈現了2014—2024年電網領域無人機應用研究的關鍵詞突現，反映了關鍵詞的引用頻次變化。2014—2020年間，研究集中于“電力巡線”“遠程監控”和“地形測繪”，顯示出對無人機應用場景的探索。這一時期，圖像技術如“圖像處理”“圖像分類”雖受關注，但其他技術研究尚不突出。自2021年起，“圖像分析”“圖像識別”持續成為研究焦點，同時“路徑規劃”“深度學習”的引用頻次增加，凸顯這些技術問題的研究重要性。結合第三部分的應用場景描述，傳感器、激光雷達、電池續航等技術也是電網領域無人機應用的研究重點。綜合分析，圖像采集與處理、路徑規劃與避障、電池續航技術是無人機在電網領域深入應用的三大核心研究領域。

3.2" 圖像采集與處理技術

無人機技術在電網領域的應用已成為提升運維效率和保障電網安全的重要工具。通過搭載高清攝像頭和紅外熱像儀等設備，無人機能夠高效采集輸電線路和變電站等關鍵設施的高分辨率圖像，有效解決了傳統人工巡檢的局限，并提高了巡檢的安全性與效率。圖像處理技術，包括計算機視覺、機器學習及大數據分析，進一步優化了圖像質量，實現了對電網設施的智能分析與預警。針對無人機圖像采集在惡劣天氣下的影響，李海龍等[22]提出了一種基于無人機的圖像采集方法，通過調整航拍參數以獲得最佳效果。王坤等[23]則通過現場可編程門陣列加密模塊和嵌入式安全芯片，實現了航拍圖像的實時在線加解密，有效預防了數據丟失和無人機被攻擊的風險。深度學習技術的應用，使得無人機定期巡檢收集的設備狀態數據對故障預測的準確性有顯著提升。集成信息平臺的建立，整合了無人機數據與其他系統數據，促進了信息流通和決策優化。劉傳洋等[16]的研究綜述了近10年無人機航拍圖像中電力線檢測方法的進展，特別強調了基于深度卷積神經網絡的語義分割方法在智能識別與分析電力線目標中的關鍵作用，并指出了當前研究的挑戰與未來方向。這些研究不僅提高了電網運維的智能化水平，也為電網安全管理提供了強有力的技術支持。

3.3" 路徑規劃與避障技術

在電網巡檢領域，無人機技術的應用正不斷優化路徑規劃與避障策略。王峰等[17]針對輸電線路無（弱）信號區域的實時數據傳輸問題，提出了一種結合5G和北斗衛星通信的智能車載移動作業系統。該系統通過雙通信方式實現1+1容災備份，顯著提升了無人機巡檢作業車的通信可靠性與安全性。袁林峰[24]則專注于避障技術，提出了一種基于正交激光雷達的自主避障系統，該系統能夠有效檢測垂直和水平方向的障礙物，并提出了適用于電力巡檢的垂直避障策略。實驗驗證了該避障策略和控制算法的有效性，證明了無人機在電力巡檢中的自主避障能力。楊磊等[25]進一步研究了多旋翼無人機在輸電線路巡檢中的傳感器融合與障礙物信息處理。他們通過搭載毫米波雷達、雙目視覺傳感器和差分GPS，采用多傳感器融合方法進行障礙物檢測，并利用虛擬力場法進行航跡重規劃。實際飛行測試結果表明，該方法在桿塔避障方面表現出色。這些研究成果不僅提高了無人機在電網巡檢中的作業效率，也增強了其在復雜環境下的適應性和安全性，為電網的智能化運維提供了有力的技術支持。

3.4" 電池續航技術

無人機續航能力的提升對于執行長時間和遠距離任務至關重要。隨著電池技術的不斷進步，尤其是鋰聚合物電池和氫燃料電池的應用，無人機續航時間已顯著延長。唐霜華[26]構建了以氫燃料電池為動力源的多旋翼無人機動力系統數學模型，分析了續航的關鍵因素，并通過實際案例驗證了模型的有效性。熊典等[27]針對輸電線路無人機巡檢中續航時間難以精確控制的問題，提出了一種考慮溫度補償系數和加權系數的鋰電池荷電狀態計算方法，并結合無人機實時狀態，提供了剩余續航時間的預測方法和計算模型，有效提高了巡檢的安全性和效率。鄭玉浩等[28]針對地面輸電夜間探照燈存在的問題，提出了一種利用高空虛擬電池技術、交直流變流原理和高亮COB照明技術的長續航無人機照明裝置。該裝置從高空為輸電檢修提供照明，解決了夜間搶修作業的安全風險，并實現了長續航高空照明效果。這些研究不僅提高了無人機在電網巡檢中的續航能力，也為夜間作業提供了創新的照明解決方案，進一步優化了電網運維的智能化和安全性。

4" 總結與展望

無人機技術正在引領電網巡檢、勘察與維修的革命性進步，其三大技術支柱——圖像采集與處理、路徑規劃與避障、電池續航為電網環境提供了卓越性能。本文通過可視化分析與文獻研究，明確了無人機在電力巡檢、輸電線路勘測和電路檢修的關鍵應用場景。電力巡檢尤為重要，而其他2項雖關注度低卻同樣關鍵。圖像采集技術的提升，尤其是深度學習的應用，顯著增強了巡檢的效率與準確性。路徑規劃與避障技術的智能化確保了無人機的安全飛行。電池技術的發展為無人機續航提供了提升空間。隨著技術成熟與推廣，無人機在電網領域的應用將持續成為研究熱點，未來研究需進一步探索技術創新與系統集成，推動其深入應用與發展。

參考文獻：

[1] 常安，陳振輝，付明，等.無人機電力巡檢航線智能規劃及自主巡檢研究[J].電網與清潔能源，2023，39（7）：61-66.

[2] 劉安興，李志軍.無人機機載LiDAR航測技術在地形地貌復雜區的應用研究[J].測繪與空間地理信息，2022，45（5）：74-76.

[3] 付子峰，吳啟進，劉繼承，等.人工智能除冰技術在輸電線路中的應用[J].湖北電力，2018，42（3）：15-18.

[4] 王新陽.多旋翼無人機在電網中的運用及進展[J].電工材料，2023（3）：53-55.

[5] 田宇，鄒春海，周正偉，等.多旋翼無人機的發展及應用[J].航空模型，2016（1）：80-83.

[6] 李端姣，郭錦超，豐江波，等.基于人工智能的輸電線路無人機巡檢技術分析[J].中文科技期刊數據庫（全文版）工程技術，2023（4）：4.

[7] 趙偉高，朱莊生.無人機電力巡檢中光纖IMU數據采集系統設計[J].現代電子技術，2013，36（16）：34-37.

[8] 牛姣蕾，林世忠，陳國強.圖像融合與拼接算法在無人機電力巡檢系統中的應用[J].電光與控制，2014，21（3）：88-91.

[9] 南方電網首個配網AI大模型實現實體化應用[J].電力安全技術，2024，26（5）：36.

[10] MI X， FENG J， ZHANG S， et al. An optimization method of multi-uav fast line patrol scheduling for distribution network[Z]. 2022.

[11] 許忠雄，邵瑰瑋，謝予星，等.基于編碼標志的無人機電力巡檢自主定位方法[J].應用科學學報，2018，36（5）：845-858.

[12] 羅隆福，李冬，鐘杭.基于改進RRT的無人機電力桿塔巡檢路徑規劃[J].湖南大學學報（自然科學版），2018，45（10）：80-86.

[13] 陳馳，彭向陽，宋爽，等.大型無人機電力巡檢LiDAR點云安全距離診斷方法[J].電網技術，2017，41（8）：2723-2730.

[14] 白天陽，張春光，陳向東，等.基于北斗的PPP-RTK技術在無人機電力巡檢中的應用分析[J].全球定位系統，2024，49（1）：45-53，101.

[15] 鄧芳明，單運，解忠鑫，等.基于博弈論和強化學習的無人機電力巡檢卸載策略[J].電網技術，2021，45（9）：3649-3657.

[16] 劉傳洋，吳一全，劉景景.無人機航拍圖像中電力線檢測方法研究進展[J].中國圖象圖形學報，2023，28（10）：3025-3048.

[17] 王峰，楊利波，楊嘉妮，等.基于5G與北斗的輸電線路無人機車載智能移動巡檢系統設計[J].中國測試，2023，49（12）：87-93.

[18] 劉國嵩，賈繼強.無人機在電力系統中的應用及發展方向[J].東北電力大學學報，2012，32（1）：53-60.

[19] 周鑫，楊瑤玉，焦澎，等.低溫環境下輸電線路覆冰問題的解決方法[J].光源與照明，2022（11）：188-190.

[20] 李佳鑫.無人機集群無線充電方艙及其鋰電池SOC在線估算研究[D].北京：北方工業大學，2024.

[21] 章晉，張珍芬，張麗娜.輸變電智能巡檢技術應用與展望[J].中國設備工程，2020（20）：160-162.

[22] 李海龍，劉金慧，張志國，等.基于無人機的輸電線路工程圖像采集研究[J].電子設計工程，2022，30（8）：123-127.

[23] 王坤，匡文凱，林楠，等.架空輸電線路巡檢無人機航拍圖像硬件加密方法[J].信息安全與通信保密，2021（2）：75-82.

[24] 袁林峰，柯達，許超，等.基于正交激光雷達的電力巡檢無人機自主避障系統研究[J].自動化技術與應用，2021，40（7）：18-22.

[25] 楊磊，陳鳳翔，陳科羽，等.基于多傳感器的無人機避障方法研究及應用[J].計算機測量與控制，2019，27（1）：280-283，287.

[26] 唐霜華.氫燃料電池多旋翼無人機的動力系統建模和續航分析[J].華東科技（綜合），2021（8）：1-2.

[27] 熊典，王斌，代禮弘，等.基于SOC的無人機巡檢剩余續航時間預測方法[J].電源技術，2015，39（1）：105-107.

[28] 鄭玉浩，于學超，梁剛，等.一種虛擬電池的無人機長續航照明系統的研究[J].農村電氣化，2023（2）：76-80.