大型无人机在复杂环境下电力巡检研究

吴冰莹++戴礼豪++林朝辉

摘 要：为适应复杂飞行环境，实现远距离、长航时的电网输电线路无人机巡检，该文提出大型无人机电力巡检系统，以Z-5大型无人直升机为飞行平台，搭载中继数据链系统、任务吊舱系统、三维地面站测控导航系统、飞行避障系统、缺陷故障智能诊断系统，使系统具备无人机系统自主起降、三维程控飞行、超视距测控、预警避障、可见光＼红外＼紫外巡视以及电网设备健康状况诊断评估等多项实用化功能。该系统能够适应有山区、河流等多种复杂地形气候环境的输电线路巡检和防灾减灾应用，并具有远距离、精细化、安全可靠的突出特点，可切实提高电网线路巡检的效率和安全性。该系统已经在福建省投入实用化应用，应用效果良好。

关键词：无人机巡检 中继链路 任务吊舱 三维地面站软件

中图分类号：TM75 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（a）-0026-02

传统的人工巡检方法不仅工作量大而且条件艰苦，特别是对山区和跨越江河的输电线路的巡检，以及在冰灾、水灾、地震、滑坡等灾情下巡线检查，所花时间长、人力成本高、难度大、风险高。近年来，为减轻人工巡视的负担，提高巡检工作效率和电网可靠性，无人机在电网输电线路巡检中的应用日益广泛[1-6]。

目前国家电网多家单位先后研发了各自的电网巡视专用飞行巡检系统，然而这些系统大多基于中小型无人机平台，系统存在航程短、载荷低、清晰度不足、抗风能力弱、自动化程度低等缺陷，在复杂地形气候环境下难以展开实用化应用。为此，该文重点从适用于复杂环境，提高巡视距离、巡检精细化和安全性入手，结合输电线路巡检、航空、飞行自动控制、通信、地理信息、图像识别和处理技术等多项技术，研发了一套大型无人机输电线路巡检系统。

1 系统设计原则

根据应用需求以及更远、更精、更安全的技术要求，系统设计应能够实现在中继数据链支持下30 km以上超视距飞行巡检；在70 m外自主跟踪导线，清晰识别3 mm销钉级设备缺陷；具有应对各种复杂环境的飞行安全控制技术和保护策略；避障系统能够在30～100 m范围内探测厘米级设备或障碍物能力，实现各种复杂环境下自主避让障碍物安全飞行。同时，为丰富系统功能，提高系统的实用性和智能性，系统应该能够实现无人机系统全自主盲飞、任务吊舱系统全自主执行拍摄任务、自主起降、精确规划三维航路、智能化评估诊断电网设备健康状况和故障情况等多项实用化功能。

按照设计原则，将大型无人机电网巡检系统设计分为无人机系统、中继数据链系统、任务吊舱系统、三维地面站测控导航系统、飞行避障系统、缺陷故障智能诊断系统等六个分系统。

2 大型无人机在电网巡检中的系统设计

2.1 无人机分系统

无人机分系统是飞行的主体平台，主要提供飞行能力和装载的功能。为满足远距离、长航时的飞行，并具有足够的载荷能力，本系统选用Z-5大型无人机作为飞行平台。

大型Z-5无人机与中型Z-3无人机技术参数对比如表1所示。

为了使无人机的飞行控制能力能够应对山区、丘陵、河流等复杂气候地形环境，无人机配套飞控系统具备飞行安全控制技术，可全自主盲飞、自主起降、具备一键返航、低油量返航、失控返航等多种安全归航保护措施。

2.2 中继数据链分系统

为解决山峰阻挡、多径折射衰弱和输电线路强电磁干扰等带来的通讯问题，有效拓宽无人机复杂地形巡线飞行的测控通信范围，本系统设计采用中继转发模式的解决方案。中继数据链系统采用地面光/电混合中继和空中中继两种模式，并结合具体使用情况选择。

数据链采用L频段作为通信频段，上行控制信号和下行图像与遥测信号均有120 MHz的总带宽。每个方向至少能够涵盖10个数据通信带宽，频点之间不会存在相互的干扰；能够实现灵活切换，降低外场频点干扰，确保无线链路的正常通信功能；数据链时延低，标清图像传输延迟不大于260 ms，高清图像传输延迟不大于300 ms，遥控传输延迟不大于130 ms，保证了数据链路的可靠通讯（见图1）。

2.3 任务吊舱分系统

任务吊舱系统包括可见光摄像机、红外热像仪、紫外成像仪、高分辨率照相机、稳定控制系统、图像跟踪系统等（见图2）。

可见光照相机/摄像机所获图像可检测是否存在物理缺陷，导线是否断股、线路是否有明显异物、绝缘子是否破损、防震锤否异常等缺陷；红外图像可检测设备是否存在热缺陷：接头、线夹、耐张管、接续管等；紫外图谱可检查由于连接不良、绝缘子内部缺陷等引起的电晕放电[7]。

稳定平台的精度是系统的重要技术指标。稳定控制系统利用高精度陀螺仪隔离吊舱平台的扰动，具备水平和垂直两种大角度自动扫描方式，可以解决吊舱抖动及视场角受限造成图像采集不清晰、不全面的难题。

图像跟踪系统根据高压电线的线状目标特点，运用智能的跟踪算法，可以实现复杂背景下的线状目标检出和输电线路自主跟踪；通过接受到飞机平台的载机和杆塔的GPS信息，可在无人机飞出测控范围后，全自主跟踪导线并瞄准杆塔拍照；吊舱设计杆塔凝视功能，通过综合计算得到跟踪输电线的方位角，送给稳定跟踪控制系统，使无人机偏离理论航向的情况下对前方杆塔进行凝视对准（见表2）。

2.4 三维地面站测控导航分系统

三维地面测控导航系统通过加载地理数据、三维电网数据开发与无人机结合应用系统，实现无人机全程自主飞行和实时状态监测，大幅提高无人机飞行精度和安全性。

系统设计三维航线的智能化规划功能，可实现与中继设备、中继飞机、飞控系统、缺陷诊断系统的数据通讯，为无人机在在电力线路巡检和大范围防灾减灾应用提供基础数据支撑。

2.5 飞行避障分系统

无人机避障系统基于毫米波高分辨率雷达探测技术[8]，包括机载信号采集模块及设置于飞控系统内的机载避障分析模块，构建了无人机超低空飞行障碍预警与规避支撑理论和实用化系统。endprint

系统可在前视半球面70 m内探测出26 mm直径的导线，实现智能避让输电导线、树木等障碍物，保证了无人机在复杂地形条件下与电力线路及其它障碍物的安全距离保持，同时能够为无人机飞行控制系统在飞行状态下提供实时预警和避障的安全保障。

2.6 缺陷故障智能诊断分系统

系统采用了算机技术、网络通信技术、图像处理、模式识别技术和数据融合技术等多种技术，通过对无人机巡检获取的线路设备多传感器视频及图像数据进行处理，建立高压线路缺陷特征数据图库[9]；应用图像识别技术和数据融合技术对线路设备缺陷进行自动辅助检测诊断和评估。

3 实例应用

2012年4月至今，国网福建省电力有限公司福州供电公司无人机飞行团队先后在500 kV福东线、220 kV闽建线等11条线路上进行无人机巡检飞行，租用福州市闽侯竹歧镇竹岐民用机场作为飞行保障基地和主要起降场地。巡检飞行期间，共巡检飞行78 h，飞行68架次，巡检797多公里，发现隐患故障95处。

通过实际飞行演练，无人机巡检系统逐步建立了在山区、高温条件下，无人直升机的小速度带悬停巡线飞行模式，建立了空中中继、双机同空飞行作业流程，充分验证了该套系统的可行性和合理性。

4 结语

大型无人机巡检系统，以Z-5大型无人直升机为飞行平台，搭载中继数据链系统、任务吊舱系统、三维地面站测控导航系统、飞行避障系统、缺陷故障智能诊断系统，具有不受地形环境限制的优势，可实现电网线路巡视、设备巡查和灾情监控的一体化管理，实现山区等复杂气候地形环境下远距离、长航时输电线路巡检和防灾减灾应用，提升电力系统防灾减灾和线路运行管理水平。在无人机电力巡检应用中，大型无人机巡检系统在复杂环境下远距离、长航时的应用需求中，具有很大的实用化应用前景。同时，通过无人机在电力巡检系统的研究应用，也推动了民用无人机在石油管线巡查、森林防火、勘测测绘等领域的发展，推动了国内无人机、数据链、光电侦察吊舱等高新技术的研发应用。

参考文献

[1] 林韩，林朝辉，汤明文，等.电力输电线路无人直升机巡视的应用[J].华东电力，2011，39（10）：1657-1660.

[2] 汤明文，戴礼豪，林朝辉，等.无人机在电力线路巡视中的应用[J].中国电力，46（3）：35-38.

[3] 李力，徐勋建，李波，等.架空线路无人机巡线技术探讨[J].湖南电力，2012，32（1）：1-4.

[4] 于德明，武艺，陈方东，等.直升机在特高压交流输电线路巡视中的应用[J].电网技术，2010，34（2）：29-32.

[5] 厉秉强，王骞，王滨海，等.利用无人直升机巡检输电线路[J].山东电力技术，2010，172（1）：1-4.

[6] 陈晓兵，马玉林，徐组舰.无人飞机输电线路巡线技术探讨[J].南方电网技术，2008，2（6）：56-61.

[7] 牛姣蕾，林世忠，陈国强.图像融合与拼接算法在无人机电力巡检系统中的应用[J].电光与控制，2014（3）：88-91.

[8] 郑天茹，王滨海，刘俍，等.电力巡线无人直升机障碍规避系统[J].山东电力技术，2012，185（1）：14-17.

[9] 何思远，阑蔺，杨大为，等.基于无人机的输电塔检测方法研究[J].仪器仪表学报，2012，33（8）.endprint

系统可在前视半球面70 m内探测出26 mm直径的导线，实现智能避让输电导线、树木等障碍物，保证了无人机在复杂地形条件下与电力线路及其它障碍物的安全距离保持，同时能够为无人机飞行控制系统在飞行状态下提供实时预警和避障的安全保障。

2.6 缺陷故障智能诊断分系统

系统采用了算机技术、网络通信技术、图像处理、模式识别技术和数据融合技术等多种技术，通过对无人机巡检获取的线路设备多传感器视频及图像数据进行处理，建立高压线路缺陷特征数据图库[9]；应用图像识别技术和数据融合技术对线路设备缺陷进行自动辅助检测诊断和评估。

3 实例应用

2012年4月至今，国网福建省电力有限公司福州供电公司无人机飞行团队先后在500 kV福东线、220 kV闽建线等11条线路上进行无人机巡检飞行，租用福州市闽侯竹歧镇竹岐民用机场作为飞行保障基地和主要起降场地。巡检飞行期间，共巡检飞行78 h，飞行68架次，巡检797多公里，发现隐患故障95处。

通过实际飞行演练，无人机巡检系统逐步建立了在山区、高温条件下，无人直升机的小速度带悬停巡线飞行模式，建立了空中中继、双机同空飞行作业流程，充分验证了该套系统的可行性和合理性。

4 结语

大型无人机巡检系统，以Z-5大型无人直升机为飞行平台，搭载中继数据链系统、任务吊舱系统、三维地面站测控导航系统、飞行避障系统、缺陷故障智能诊断系统，具有不受地形环境限制的优势，可实现电网线路巡视、设备巡查和灾情监控的一体化管理，实现山区等复杂气候地形环境下远距离、长航时输电线路巡检和防灾减灾应用，提升电力系统防灾减灾和线路运行管理水平。在无人机电力巡检应用中，大型无人机巡检系统在复杂环境下远距离、长航时的应用需求中，具有很大的实用化应用前景。同时，通过无人机在电力巡检系统的研究应用，也推动了民用无人机在石油管线巡查、森林防火、勘测测绘等领域的发展，推动了国内无人机、数据链、光电侦察吊舱等高新技术的研发应用。

参考文献

[1] 林韩，林朝辉，汤明文，等.电力输电线路无人直升机巡视的应用[J].华东电力，2011，39（10）：1657-1660.

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[4] 于德明，武艺，陈方东，等.直升机在特高压交流输电线路巡视中的应用[J].电网技术，2010，34（2）：29-32.

[5] 厉秉强，王骞，王滨海，等.利用无人直升机巡检输电线路[J].山东电力技术，2010，172（1）：1-4.

[6] 陈晓兵，马玉林，徐组舰.无人飞机输电线路巡线技术探讨[J].南方电网技术，2008，2（6）：56-61.

[7] 牛姣蕾，林世忠，陈国强.图像融合与拼接算法在无人机电力巡检系统中的应用[J].电光与控制，2014（3）：88-91.

[8] 郑天茹，王滨海，刘俍，等.电力巡线无人直升机障碍规避系统[J].山东电力技术，2012，185（1）：14-17.

[9] 何思远，阑蔺，杨大为，等.基于无人机的输电塔检测方法研究[J].仪器仪表学报，2012，33（8）.endprint

系统可在前视半球面70 m内探测出26 mm直径的导线，实现智能避让输电导线、树木等障碍物，保证了无人机在复杂地形条件下与电力线路及其它障碍物的安全距离保持，同时能够为无人机飞行控制系统在飞行状态下提供实时预警和避障的安全保障。

2.6 缺陷故障智能诊断分系统

系统采用了算机技术、网络通信技术、图像处理、模式识别技术和数据融合技术等多种技术，通过对无人机巡检获取的线路设备多传感器视频及图像数据进行处理，建立高压线路缺陷特征数据图库[9]；应用图像识别技术和数据融合技术对线路设备缺陷进行自动辅助检测诊断和评估。

3 实例应用

2012年4月至今，国网福建省电力有限公司福州供电公司无人机飞行团队先后在500 kV福东线、220 kV闽建线等11条线路上进行无人机巡检飞行，租用福州市闽侯竹歧镇竹岐民用机场作为飞行保障基地和主要起降场地。巡检飞行期间，共巡检飞行78 h，飞行68架次，巡检797多公里，发现隐患故障95处。

通过实际飞行演练，无人机巡检系统逐步建立了在山区、高温条件下，无人直升机的小速度带悬停巡线飞行模式，建立了空中中继、双机同空飞行作业流程，充分验证了该套系统的可行性和合理性。

4 结语

大型无人机巡检系统，以Z-5大型无人直升机为飞行平台，搭载中继数据链系统、任务吊舱系统、三维地面站测控导航系统、飞行避障系统、缺陷故障智能诊断系统，具有不受地形环境限制的优势，可实现电网线路巡视、设备巡查和灾情监控的一体化管理，实现山区等复杂气候地形环境下远距离、长航时输电线路巡检和防灾减灾应用，提升电力系统防灾减灾和线路运行管理水平。在无人机电力巡检应用中，大型无人机巡检系统在复杂环境下远距离、长航时的应用需求中，具有很大的实用化应用前景。同时，通过无人机在电力巡检系统的研究应用，也推动了民用无人机在石油管线巡查、森林防火、勘测测绘等领域的发展，推动了国内无人机、数据链、光电侦察吊舱等高新技术的研发应用。

参考文献

[1] 林韩，林朝辉，汤明文，等.电力输电线路无人直升机巡视的应用[J].华东电力，2011，39（10）：1657-1660.

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[4] 于德明，武艺，陈方东，等.直升机在特高压交流输电线路巡视中的应用[J].电网技术，2010，34（2）：29-32.

[5] 厉秉强，王骞，王滨海，等.利用无人直升机巡检输电线路[J].山东电力技术，2010，172（1）：1-4.

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[9] 何思远，阑蔺，杨大为，等.基于无人机的输电塔检测方法研究[J].仪器仪表学报，2012，33（8）.endprint