输电线路直升机智能巡检关键技术研究

刘 高 武利会 张 虎

（广东电网公司 佛山供电局，广东 佛山 528000）

我国电网现已发展到了一个新的阶段，特高压交、直流输电示范工程建设，长距离跨区域输电线路将越来越多，其正常运行维护、检修、故障探测及带电作业，更迫切需要先进的现代化技术支撑，以提高现代化电网输电线路的运行维护质量和效率，及安全运行水平.目前世界上比较先进的国家大多采用直升机应用于导线路的检修和维护，而我国直升机巡检在电力系统中应用也有10年多的时间，华北、东北、浙江等相继开展了此项工作，为开展直升机巡检技术的研究，提升输电线路的现代化水平奠定了良好的基础.

通过对直升机巡检技术的国内外调研，发现当前的直升机巡检技术存在如下问题：1）目前直升机巡线成本高.一般需要2人巡线，而且巡检的平均速度低、有效时间短、工作效率低.2）直升机巡检作业自动化程度不高.没有专业机载系统的支持，所有设备全部依靠手工操作，数据漏检较多.3）在直升机上巡检技术手段单一.主要靠人眼、望远镜发现缺陷后，采用可见光摄影摄像设备、红外热像仪记录缺陷，以上观测手段会导致线路电晕放电等隐蔽性缺陷不能有效发现，以及线路通道交跨物危害性目标的距离检测只能靠目测大致估算.4）当前直升机巡检技术数字化程度不高.一般采用磁带记录图像数据，不利于地面人工通过计算机分析缺陷和管理巡检缺陷图像等.

为了解决上述存在的问题，本文从直升机对线路导航的自动化、各种检测设备拍摄线路的自动化、发现线路部件缺陷的智能化、及对线路部件缺陷管理的规范化着手，进行了深入研究.

1 智能直升机巡检系统

在直升机巡检时，需要有一种高效的方式对线路部件及缺陷全部拍摄，同时将拍摄的线路部件图像能实时存储，便于事后分析诊断其缺陷，本文从智能的直升机巡检系统的组成及线路巡检的自动控制方法两方面论述直升机巡检系统.

1.1 智能直升机巡检系统的组成

图1 智能直升机巡检系统的组成

1.2 线路巡检的自动控制方法

现有的直升机巡检系统，需要人工操作对准导线与杆塔主要部件，必要时要求直升机悬停在杆塔上方，调整吊舱拍摄线路部件，这种人工操作虽然简单，但重复劳动强度很高；而且要求直升机悬停，实际上降低了直升机巡检的效率，导致直升机巡检成本提高.

智能直升机巡检方式不需要人工操作，或者以自动对准线路部件为主，以人工操作为辅，降低直升机巡检人工操作强度.采取在导线区域快速巡检；在接近直线杆塔中速巡检，对大小侧全面拍摄；在接近耐张杆塔慢速巡检，对耐张塔大小侧进行精细拍摄，实现一种高效的直升机巡检模式［1］，进而降低直升机巡检的成本.为实现上述所提的智能巡检，研制了基于杆塔空间GPS位置信息，动态测量吊舱接近杆塔的距离，进而实现自动调整吊舱对准杆塔.

图2 自动采集控制原理图

图3 直升机与杆塔位置动态度量

首先，在每次巡检任务前，建立杆塔的GPS信息，并标注每个杆塔的类型，即直线塔还是耐张塔，规划飞行的安全通道，制定飞行的速率，在导线区域快速飞行，在杆塔区域慢速飞行.

在巡检飞行时，随时计算吊舱与最近杆塔的距离，在接近杆塔时，分析与杆塔距离的变化趋势，即在大号侧与小号侧各50m范围内，主要针对杆塔区域拍摄，分析距离变化趋势，旋转吊舱对大号侧与小号侧分别进行拍摄.

2 智能的缺陷诊断方法

输电线路缺陷种类与数量很多，为了能全面检测线路各种缺陷，设计了智能诊断系统的核心是统一的诊断算法接口管理模块，这个接口管理模块构建了一组生成诊断算法标准接口的函数，不同的诊断算法均可以套用这个接口，进而构建不同的诊断算法库，在接口管理模块中，可以按一定（可以设定）次序将各诊断算法按链表连接，输入的图像数据依次传输到各算法的输入接口中，并将诊断结果写入到一个统一的结构中.实现对缺陷诊断算法及部件识别算法完全自动管理，实现自适应增强巡检系统的性能［2］，如图4所示.

图4 智能诊断系统功能模块

2.1 线路热缺陷的智能诊断

将提取的导线对象方法应用到红外智能热缺陷诊断中，在红外图像上提取出导线在其方向上左右各扩展一段区域，即为导线接触点区域，将其与导线连接为一个对象，采用分段比较相邻温差与最高温度的绝对温差法，进而判决是否存在热缺陷［3］.

图5 基于分段的红外热缺陷诊断原理

红外诊断算法的过程如图6所示.

图6 红外热缺陷诊断过程

关于区域的大小，温度判决门限值均可以预先设定；最高温度选取可能会受到季节影响，现选取30～50范围，事先设置.

图7 实际巡检检测的红外热缺陷

2.2 线路电晕缺陷的智能诊断

为智能检测输电线路的放电缺陷，在紫外与可见光叠加的图像上，通过连续图像来检测紫外放电缺陷，依据放电的分布密度与放电的频率，将当前图像与前后图像作灰度差，如当前图像存在放电，该放电区域的差异存在明显的突变，检测出的突变区域进行近似区域合并，将合并区域在整个图像上的分布进行判决，确定是否存在比较集中的区域，如存在，则判决为可疑放电区域；在紫外图像上提取出导线对象，在其上下一定区间内，判决可疑放电区域是否在该区间内，如在其区间判决为放电区域.

图8 实际巡检检测的紫外电晕缺陷

2.3 基于可见光图像的缺陷诊断

在直升机航拍的图像不同于地面拍摄的图像，有如下特点：1）航拍图像具有大的范围，如在输电线路上的对象具有不同的大小，铁塔与导线属于大的对象，而防震垂、间隔棒部件属于小的对象，因此需要采用层次化方法来识别线路部件；2）航拍图像具有宽的视角，由于受背景的影响，航拍图像上叠加了很多对象，进而使得图像具有很多的空间层次，需要从这些叠加的背景上识别出线路部件是一件具有挑战性的任务；3）近距离（100m内）航拍图像受天气、光线的影响较大，特别像输电线路是由金属构建的，在不同的光线下，其反射形成不同的图像特征.从地面看导线通常颜色较深；而从直升机上拍摄导线通常较亮，存在角度及光线的反射，使得一段导线颜色较暗.

基于对航拍的线路图像的分析，将航拍的线路图像分成3层结构：景物层次，部件层次，部件上下关系层次.

图9 高压线路组成结构

图10是线路部件识别的知识层次模型，首先识别线路上的大部件：导地线、引流线、杆塔；在识别出大部件的基础上再识别线路的小部件：绝缘子、防震垂、间隔棒、均压环、线夹；最后在识别出大部件与小部件的基础上，进行缺陷诊断.

图11是线路部件上下位置关系模型.线路部件存在附着与共连关系.

图10 线路部件识别的知识层次模型

图11 线路部件上下位置关系模型

在图10的线路层次知识模型的第1层中，存在共连关系，如一幅航拍的线路图像，有两种情况：有杆塔画面；无杆塔画面.在无杆塔的画面中，由左右走向的平行导地线组成；在有杆塔的画面中，导线端点、引流线端点、绝缘子端点存在交汇的区域内；而绝缘子端点与杆塔区域也存在交汇区域.在图10的线路层次知识模型的第2层中，存在附着关系：在导线上存在防震垂、间隔棒、均压环小部件；地线上有防震垂；引流线上有间隔棒.这样对小部件的识别不需要像大部件，在图像全局上进行搜索，可以沿着识别的大部件的基础上，进行搜索小部件，提高识别的效率.

线路部件缺陷的诊断主要采用如下3种方法：

1）基于线路知识模型对部件缺陷的诊断［4］，能用于诊断基于安装位置诊断丢失的部件，如诊断防震垂与间隔棒的丢失；基于部件相对位移关系来诊断缺陷，如用于诊断断股与防震垂偏移；在导线宽度变化时，存在突变与渐变，如存在渐变，则可疑为导线上附着异物；如存在突变，检测垂直方向是否存在下垂的线段，如存在下垂线段，则判定为可疑的断股；基于部件尺寸之间比例关系来诊断缺陷，如用于诊断导线上覆冰、松股与防震垂掉头缺陷；正常导线其宽度值固定，导线宽度与防震垂抓的宽度比例值固定；如测量比例值明显变化，则可疑其存在缺陷.

2）基于图像形态学分析来发现表面污浊的缺陷，如用于诊断部件表面的油漆、鸟粪及裂痕缺陷.

3）基于纹理与颜色分析来诊断不规则的缺陷，如用于诊断玻璃绝缘子自爆、杆塔上大面积腐蚀、杆塔上鸟窝均压环与金具表面破损等缺陷.

采用图像纹理分析方法来诊断线路玻璃绝缘子的缺陷，主要分析识别出的部件8个纹理特征量：均值，变化量，角二阶矩，局部平稳，对比度，非相似性，熵，相关性.对于导线、绝缘子、防震锤等输电线设备来说，它们的纹理是很有规律的，如果其中有一处缺损或者有异物，那么这时候纹理的特征值会发生明显的变化.然后，那些基于明亮度的特征由于受到环境和光强的影响，往往会造成识别上的误差和不准确.因此，用纹理来作为输电线设备的特征量是有实际和理论依据的.

图12 自动诊断玻璃绝缘子掉片缺陷

2.4 基于全景图像的交跨距离测量

国际上，有用机载GPS激光三维扫描系统巡检电力通道，生成具有定位尺寸的数字立体走向图，可准确给出周围物体与导线路的相对距离，进而达到导线的自动监测和预警的巡检目的.尽管激光三维扫描系统具有高可靠性的优点，但其价格昂贵、覆盖的范围有限、体积庞大、重量大、数据处理复杂、操作复杂等特点限制了其在电力巡检中的应用.

采用在直升机上获取飞行姿态仪数据和全景观测仪获取的视频数据，计算导线高程等.首先，从全景影像数据中提取导线，由于多根导线同时出现在影像上，可根据导线两端的杆塔在影像上的位置，按一定的准则选择一根导线，然后在铅垂线约束条件下，确定导线的空间位置，从而求得导线的高程.针对导线下方地形地物的测量，利用铅垂线轨迹法（VLL）求得导线下方地物的高程.此时，导线的高程和下方地物的高程都求得，根据两者之差来判断该处是否安全.其实现的原理框图如下.

图13 导线到下方交跨物测距原理

图14 实际测量等间隔导线到下方树木的高度

3 结 论

项目成果已经成功运用到佛山电网500kV线路实际巡检中，平均航巡速度提高了近一倍，图像漏采率由原来30%降低到5%，缺陷发现率提高了10%以上，有效发现了多处人工难以发现的缺陷，如地线断股、均压环断裂、间隔棒握手脱落等，后期数据处理工作量较以前减少50%以上，提高了输电网安全运行水平，促进了输电环节智能化技术的进步.研发成功的“巡检信息采集和管理数字化、对象捕捉和跟踪自动化、缺陷识别和诊断智能化”等技术是输电线路直升机智能巡线技术的一次重大突破，将大幅度提高输电线路直升机巡线效率和质量，降低直升机巡线成本，具有显著的经济社会效益和推广应用价值.

［1］于德明，沈 建，汪 骏，等.直升机在电网运行维护中的研究与应用［J］.电网技术，2009（6）：41-46.

［2］黄宵宁，葛 乐，杨成顺，等.基于智能诊断技术的输电线路直升机巡视系统框架设计［J］.电力系统保护与控制，2012（7）：23-28.

［3］尚大伟.华北电网直升机电力作业的现状与发展［J］.电力设备，2007（4）：67-72.

［4］张 柯，李海峰，王 伟.浅议直升机作业在我国特高压电网中的应用［J］.高电压技术，2006（6）：33-38.