配电线路采用无人机巡线的应用分析

‍0引言随着近几年国民经济的迅猛发展，我国配电线路公里数同比不断增加。由于配电线路设备大多暴露在野外环境运行，气象条件复杂、现场环境多变，导线、避雷线、绝缘子、金具在长时间运行后，由于各种力的长期作用，可能发生断股、锈蚀、过热等情况。过去依靠人工逐基杆塔巡视的作业方法，巡视工作量大、复杂的地理环境给巡视人员带来未知的安全风险、结构繁杂的铁塔的验收勘察，过去落后的人工巡检方式消耗了大量的人力和资源，使得更多深入的工作无法有效展开。目前都已经意识到人工巡检的短板，从最初的直升机巡线、动力伞巡线、机器人巡线到最近开始兴起的无人机巡线，智能高效的线路运行手段已经投入实用，特别是无人机巡视，已经在北京、山东、青海等地输电线路运用成熟。本文将从现有的四种高效巡视方法入手，简要介绍一下四种巡视设备的应用比较，重点介绍无人机的装备结构、控制技术和数据管理，最后拟定无人机在配电线路中的应用方案，建立高效的现代化巡视系统，满足愈发庞大的电网的维护要求。1输电线路巡线装备的应用成果输电线路的巡检是一项非常详实精细的工作，需要能够发现并识别导线上的雷击痕迹、断股、异物；线夹有无松脱发热；绝缘子闪络、污秽。1.1直升机巡线由一名航检员操作对线路进行检查和录像，另一名航检员操作防抖望远镜对线路进行检查，使用直升机装备陀螺稳定的可见光检测仪与红外热成像仪，精确拍摄设备缺陷和实时状态。但巡视时对线路走廊的路径、周边环境、杆塔结构、电气结构等都必须事先制定飞行方案，它具有高效、高科技、不受地域影响、可靠等优点，但巡线费用较高，长期频繁使用将支付高昂的成本和资源。1.2动力伞巡线由一名巡视人员搭乘动力伞飞行器，使用可见光观测仪或红外观测仪，对输电线路进行巡视。运用动力伞，可对架空输电线路进行立体巡检，全空间位移动而不受地面物体的遮拦，使作业效率得到成倍提高，采用远程巡检则更能体现其优越性。不仅在远距离时能对目标进行精准测温和拍摄、获得状态图片，而且还能通过更换巡检设备达到对较高杆塔进行广泛、全面的设备设施检测。并且能迅速发现和反馈线路缺陷和隐患信息，特别是在电网迎峰度夏、突发险情应急抢修抢险、特殊巡视等时段，使用该系统更有利于快速发现线路缺陷、隐患,并能及时反馈信息，实时预警能力大大超过人工巡检方式。1.3机器人巡线将机器人悬挂在输电线路架空避雷线上，避雷线走廊与导线走廊几乎重合，因此能够通过巡线机器人在避雷线上的行走路径，通过远程控制方式完成输电线路巡检作业，并对导线断股、毛刺，绝缘子闪络、零值，金具松脱、发热等进行检测。精细的作业要求使得巡线机器人必须能够沿线路全程巡视，包括沿线的直线、分段、耐张、支节等实现越障巡视，进行信息采集、缺陷预处理、隐患提取和智能识别。1.4无人机巡线使用无线遥控无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。无人机可携带可见光、红外热成像和紫外线成像等设备对输电线路进行高精度检测，高精度的无人机还能进行定点悬停检测，既克服了地面巡线班组距离太远和观测视场角太小的难题，也解决了有人直升机巡线的费用高、安全性差、精度低等问题。2输电线路巡线装备的应用比较2.1作业要求使用直升机巡线需要掌握被巡视线路的线路走向，设计好飞行走廊，设定好飞行控制，熟悉知晓重要节点设备的位置；拍摄时做好机体稳定和摄像防抖设备；检测时必须搭载杆塔自动跟踪识别设备，快速对焦成像摄像器材。使用动力伞巡线相比直升机巡线安全系数更高，在空中停车状态，动力伞也能够安全着陆，使用动力伞巡视更准确的是进行长距离线路普查，必须携带高精密设备在滑翔过程中对电网设备进行检测，作业必须在天气状况良好的条件下才能进行。使用机器人巡线，需要在机器人上携带良好的传感器及机电控制系统，才能实现越障巡视，附加携带高清晰度的摄像机和红外热成像设备，方便对杆塔各部件与周边环境进行巡视。使用无人机巡线，距离控制不得超过30Km，需要采用GPS定为自主导航控制系统、地理匹配自动巡航控制系统等；需要训练有素的飞行控制技术和数据采集控制。2.2作业特点直升机是目前技术最成熟的新型巡检装备，飞行成本为7000元/小时以上，无法对标的物进行精准拍摄，无法获得状态图片，作业时需要大量后勤保障且作业时有人身安全事故隐患。动力伞安全系数比直升机更高，飞行成本为1000元/小时，能够远距离对标的物进行精准拍摄，同时获取状态图片，作业时不需要大量后勤保障且作业时人身安全事故隐患较小，但动力伞对天气依赖度最高，巡检人员的培训量最大。机器人能拍摄最清晰的设备状态图片且成本低廉，能够对标的物进行精准拍摄，获得状态图片，但无法进行立体巡查，拍摄角度受限制，作业时无需后勤保障且作业时没有人身安全事故隐患。无人机是目前最热门的研究领域，在军用、民用及科研领域都有长足的发展，飞行成本为1500元/小时，能够对标的物进行精准拍摄，获得状态图片，能够进行立体巡查及静态拍摄，作业时需要少量后勤保障且作业时没有人身安全事故隐患。2.3作业功能直升机能够进行远距离线路普查，对较明显架空线路设备缺陷发掘、隐患排查有良好的作用，发生输电线路事故后可以进行紧急特巡，不受地形限制，机载红外和可见光摄像设备能进行设备状态拍摄。动力伞在空中进行立体巡检时可以检查更多角度，携带摄像装备可以进行远程拍摄，同时为巡检人员提供更为安全可靠的飞行体验。机器人能够对输电线路进行近距离巡检，拍摄效果最佳，有障碍物检测识别与定位、自主作业规划、自主越障、对输电线路及其线路走廊自主巡检、巡检图像和数据的机器人本体自动存储与远程无线传输、地面远程无线监控与遥控、电能在线实时补给、后台巡检作业管理与分析诊断等功能。无人机具备GPS自主线路导航、线路杆塔自动跟踪识别技术，飞行更为精确，搭载红外和可见光摄像机能进行高分辨率航空摄影，自动化率较高。2.4配电线路对无人机巡线的要求配电线路电压等级从过去的380V～35KV、380V～110KV，直到现在的380V～220KV，随着配电线路电压等级不断升高，线路长度、杆塔高度和设备状态检修标准同步提高，但与输电线路相比，线路长度较短、杆塔较低需要配备的无人机功能可相应降低；线路电磁辐射较小，对无人机抗干扰能力和纠偏能力要求较低；线路走廊相比输电线路更为复杂，通常经过居民区或闹市区，操作人员需要良好的操作技能；平行线路较多，需要熟悉线路走向及周边环境。3无人机巡线的系统结构3.1装备结构输电线路巡视用无人机装备结构主要由飞行控制和数据采集控制两部分组成。依文献[1]飞行控制主要由飞行系统机载控制计算机和地面控制计算机两部分组成。其中飞行系统机载控制计算机由舵机控制器、PCM遥控接收机、专色测量仪、气压高度计、卫星定位模块、数字罗盘、陀螺仪和加速度计组成，依靠数传电台与地面站控制计算机进行数据互换。数据采集控制系统主要与可见光相机、红外热成像仪、增稳云台、存储器进行连接，通过无线通讯模块，与地面站控制计算机进行数据互换。3.2系统控制无人机飞行及数据采集控制包括动力系统、飞行控制系统、导航系统、测距系统、地面控制系统。飞行时，无人机电子罗盘、测速模块和GPS为导航系统提供数据，导航系统模块与飞行控制器进行数据互换（包括角速度器、加速度传感器、气压高度器），飞行控制器对动力系统和拍摄云台行进控制，GPS模块与地面控制中心进行数字信号互换、拍摄云台与地面控制中心进行数字信号互换。由此构成一套完整的输电线路巡检无人机控制系统。3.3图像传输技术无人机无线图形图像传输技术不同于传统手机、无线设备，由于受到无人机机体轻量化及机身小型化等特点，无人机具备一套适用于不同状态、抗强干扰、高质量的图形图像传输技术。依文献[2]目前无人机的图形图像传输技术研究主要集中于提高数字信号传输的图像压缩编码算法，降低图像图像数据量、减少带宽使用，同时启用低能耗高效集成芯片；在特高压及高压线路飞行，伴有强大的电磁干扰，需要提高图形图像信息流差错控制和编码纠错技术；在多变的飞行状态下摄取高质量图形图像，必须提高拍摄的稳像技术；图形图像实时传输系统在整个无人机系统中占用超过1/5能耗，17%以上的重量及较大的体积空间，减少传输系统能耗使用、减轻设备重量及体积，是目前犹待解决的一大难题。3.4巡线避障措施采用无人机巡检对设备进行精确拍照取样时，必须进行近距离飞行；在线路走廊复杂地带，需要避让周边障碍物。依文献[3]为此，无人机需要有一套完整的飞行避障系统，包括障碍物探测系统、障碍物距离测量系统和障碍物躲避控制方式指定系统。障碍物探测系统必须能够发现、识别、确认障碍物的位置和形状，利用探测系统的数据传感器、数据交换器和数据控制器进行。障碍物距离测量系统必须测量物体迎面各点直线距离和实时动态直线距离，利用距离测量仪、数据采集器、分析交换机进行。障碍物躲避控制方式指定系统需要对线路走廊进行初期勘探，对飞行关键点进行避障设置。3.5维护与管理无人机的维护主要依靠数据采集系统与状态监控故障预测系统来实现，依文献[4]由数据采集系统对无人机遥测数据进行分类处理、传输到状态监控故障预测系统，通过预定的健康阀值，对各项数据分类比较，从而进行健康评估、故障预测和维修管理。无人机管理系统主要提供关键零部件升级，包括系统级部件升级、分系统级部件升级、设备级部件升级和关键部件级部件升级。3.6注意问题目前无人机巡检虽然对杆塔倾斜、线路断线、绝缘子脱落、树林碰线进行快速识别，但对于污闪、金具发热、绝缘子裂纹等依然无法自动识别。对于图片拍摄，目前无人机飞行必须与线路保持40m以内距离才能拍摄清晰录像，但距离过近需要配置更高的抗干扰设备，使用长变焦设备存在后期图片处理时间长、费用高等问题。3.7在配电网的应用方案上海金山区共有12条110kv线路，长度总计101km，由一名运检人员负责，当使用传统人工加车辆巡检时，需要一年时间才能完成12条线路初检，由于受地形和环境限制，对于沿线导线、避雷线情况依然无法完全掌握。在多次培训和制定巡检试飞方案后，通过使用CUH711型无人机，（该机型最低飞行高度10m，一般飞行距离6km，配合地面基站车，遥控距离可达30km，续航时间为2h，续航距离为130km，应用无人机时，需要一辆车载地面基站车，一名司机、一名飞行操纵、一名任务操纵），对合亭7648进行巡检，巡检长度约16km，杆塔约35基，对线路各部分不同角度进行了拍摄，取得了预期的巡检效果。4结语无人机巡检相比有人直升机和动力伞巡检更为安全、相比机器人巡检速度更快、检测没有角度限制。目前无人机巡检还属于研发试飞阶段，在飞行避障、自动导航、无线通信、能耗控制等方面仍有较大的发展空间。北京、山东、青海、上海等地相继采用无人机进行电网巡检，目前尚无一套电力行业的无人机培训规程和管理标准，相信在相应标准出台后，无人机巡检作业将迈入正式、规范的作业时代。