输电线路定期巡检系统总体设计的探讨

赵鹏

摘 要：输电线路在国家整体的电网建设中占有一定的比例，是经济发展以及居民生活中不可缺少的一部分，是将发电站、变电器、用户连接起来的传送带，它的正常工作运行是电路稳定的一个重要条件。输电线路分布在全国各个地方，大部分的输电线路都是暴露在野外的自然环境中，野外环境较为恶劣而且复杂多变，在冰雹、狂风、曝晒、暴雨等自然环境的长期作用下以及线路本身随着时间会老化，容易产生散股、断股、绝缘子自爆等缺陷，需要定期不断的监测与维护，以保证线路正常工作。

关键词：输电线路；无人机；巡检

引言：传统的输电线路巡视方式主要是依靠巡检人员定期沿着线路行走查看运行情况，通过攀爬到铁塔高处检查各个部件的情况，这种巡检方式无法避免地岑在劳动强度大、巡视时间长、巡视人员危险性高的缺点。尤其当线路处在偏僻的森林或者山区时，道路以及通信条件落后。一旦遇到恶劣的天气时，巡检工人没有办法及时对线路进行巡检，及时消除隐患，容易造成经济等损失。此外，线路巡检所需要检测的内容是多方面的，通过人眼去检查线路设备，一些明显、直观的缺陷容易被发现，而一些在角落细微之处的隐患很有可能会被忽略，使小隐患慢慢发展成为大的问题。当大量设备需要巡检人员肉眼观测时，随着工作时间增加检测人员的疲劳程度增强，在缺陷检测时容易出现偏差。图像缺陷识别算法来对无人机巡视得到的线路图像数据进行分析处理，对输电线路的缺陷进行智能识别，有效避免了根据人眼经验去判断线路缺陷的弊端，及时全面发现问题。

1 系统总体框架

输电线路是电力传输的重要载体，输电线路定期巡检是保证电网设备安全、正常运行的根本条件。随着经济迅猛的发展，输电线路的建设越来越多，从发达的城市到偏远的山区都建有线路。传统的人工巡檢方式无可避免地存在着巡检不到位、隐患消除不及时的缺点，近年来逐渐开始发展的无人机巡检很大程度上弥补了人工巡检的不足，提升了巡检的准确性与效率。无人机巡检是人工与智能相结合的一种新的巡检方式，操控手通过远程操控无人机进行输电线路巡线，当无人机到达指定铁塔处指定的悬停点后，对需要巡检的输电线路进行拍摄采集图像，然后依次自主飞行至另一个悬停点，直到遍历设定的全部悬停点。对于障碍物的检测与躲避是保证无人机安全飞行的必要条件，通过基于标志物图像测距的方法，使无人机能够检测出与周边标志物的距离，随时调整无人机的飞行姿态，避免与障碍物发生碰撞，完成预设的多点悬停任务，实现输电线路铁塔的立体巡视。图像处理技术可以对图像中运动或静止目标的提取、分析、处理。通过高清图传将采集到的图像信息传送到地面站系统，通过基于图像识别技术的缺陷分析算法，实现从大量图像信息中检测缺陷，自动告警，自动统计，进一步提升巡检作业的信息处理和统计能力。

整个系统的结构主要是（结构图 1 所示）：1）无人机巡检子系统：无人机设备的主要组成结构，通过基于标志物图像测距的算法，测量出目标物与无人机的距离，便于及时调节无人机的飞行状态，实现无人机的自主避障；无线通信子模块是无人机与地面站控制系统之间数据传输、存储与处理的通道。到达指定位置对输电线路进行拍摄，完成对线路的整体巡检。2）地面站控制子系统主要包括系统管理、任务管理、无人机飞行管理和缺陷识别。设置系统的登陆权限，制定、下达、管理巡线任务，对无人机巡检过程的飞行姿态、飞行数据、设备运行情况的实时监控，输电线路的缺陷识别。

2. 无人机巡检子系统

无人机巡检子系统主要分为无人机组成机构、无人机避障管理、无线通信子模块三个部分。

无人机主要有机臂、电机、电池、图传设备、GPS、IOSD、陀螺仪、姿态控制器等部分组成，论文所选用是六旋翼无人机，它是一种专业的航拍飞行器，具有一定的抗风能力，能够实现垂直起降，不受场地的限制，续航时间较长。机型支架采用较轻的全炭素材料；电机一般采用大功率的高效盘式电机，通过在电机上配置电调提高无人机的负载能力；电池通常选用锂电池；三轴云台的设计可以实现无人机 360 度全方面旋转拍摄线路；飞行控制方面，选用的六旋翼机型支持手动、姿态、GPS 三种模式自由切换，GPS 模式控制模式下能保证无人机处于优异的空中悬停效果，飞行控制距离达到 3km。

操控工人人工操控无人机巡检的方式，对操控手的技能要求高，当飞行距离远时，由于视角与视距的影响，操控手容易判断失误，影响巡视效果甚至损坏无人机。无人机避障管理主要通过基于标志物图像测距的方法实现无人机的自主避障功能。在贴上尺寸合适的标志物（例如胶带）在目标物做出标记，通过设定好参数的相机上测量距离，在地面根据相机成像原理就可以测出当前无人机离标识物的距离。在没有直接接触的情况下，对已经做好标记的目标物进行测距，根据测得的当前位置与标志物之间的距离，调整无人机的飞行姿态，绕开障碍物，实现自主避障功能。这种避障的方式不仅简单有效，而且不必在无人机上加载额外的设备，减轻了无人机的负载、降低了电池的消耗。

通信子模块是无人机与地面站监控系统之间的能够进行数据信息的传输、存储与处理的系统，实现无人机拍摄到的铁塔信息、自然环境信息、线路信息等数据的传输、存储与处理。地面站和与图传采用 5.8Ghz 无线传输，可实时显示高清相机传回的视频数据以及当前无人机飞行高度、飞行距离、飞行电压、无人机姿态、卫星数量、机头方向等信息。可直接加载到电脑上使用，且即插即用。

3地面站控制子系统

地面站控制子系统整体分为：系统管理工作台、任务工作台、无人机飞行管理工作台、缺陷识别工作台四个部分。系统管理工作台主要设置登陆权限与系统参数的设定；任务工作台主要是任务下达、任务监控、任务分析、计划管理；无人机飞行管理工作台主要是实时监控无人机巡检过程中的飞行姿态以及设备运行情况，制定巡检计划完成线路巡视任务；缺陷识别工作台主要是处理图像、完成对导线与绝缘子的缺陷识别。

3.1 系统管理工作台

分为用户管理与系统参数设置两部分，用户管理主要设置登陆权限，只有输入正确的用户名与密码才能进入管理系统，保障了系统的安全可靠性；系统参数设置主要是在无人机执行巡检任务时，通过调整无人机的参数来调整飞行姿态，使无人机顺利完成巡检任务。

3.2 任务工作台

在线路巡检中对巡检任务的制定、下达与处理，制定巡检的区域与巡检时间；在巡检过程中实时查看任务的进度情况并进行调整管理；统计任务的完成程度、缺陷的发生概率生成统计表（0 表示正在执行，1 表示按时完成，2 表示超时完成）；根据不同季节、不同地域、不同的线路制定不同的巡检计划，实现对重要线路的重点巡检。

3.3 无人机飞行管理工作台

无人机飞行管理工作台主要分为实时视频管理与飞行管理。实时视频管理主要是接收无人机在巡检过程中通过无线图传输送回来的数据，经过分析处理将无人机的飞行的位置姿态、设备运行状况、运行参数、电源电压，实时显示出来；设置故障报警模块，一旦发现无人机工作状态发生错误，及时提醒操作员调整无人机的飞行参数，避免造成损失。飞行管理主要是根据需要巡检的线路以及线路周围的环境规划无人机巡检路线，制定飞行计划，使无人机按照设定的轨迹巡检；检查无人机的飞行姿态，及时调整避免造成损失；根據巡检任务的要求与无人机任务完成现状调整无人机的巡检工作，完成对整个线路的巡检工作。

3.4 缺陷识别工作台

缺陷识别工作台是完成输电线路缺陷识别的主要模块，是整个地面站监控系统的重要部分。通过对图像数据的提取、预处理、边缘检测、分割等进行图像缺陷识别，检查导线与绝缘子是否有缺陷产生；如果有缺陷产生，报警提示处理，并将巡视的线路、缺陷的具体内容以及发生的时间与缺陷记录下来，以便于后期的查看与分析。

4.结束语

本文提出了利用无人机完成对输电线路的智能巡线，通过操控无人机飞行巡视线路能有效缩短线路巡视周期，降低工作强度，提高巡视全面性，降低人员工作的安全风险，避免了传统巡检方式由于天气原因无法及时巡线的弊端与巡检效率低的缺点，能及时发现输电线路存在的缺陷，提高电力生产的稳定性，促进电力生产由劳动密集型向生产技术管理、智能化转变，以科技创新提高工作效率。在国内电力输电领域具备良好的示范效应，无人机巡检不仅可以应用于超高压输电线路，还可以应用于城市配网输电线路。

参考文献：

[1]孙宝银.浅谈架空送电线路状态巡视[J].南京供电技术，2007（1）：18-20

[2]魏瑞轩，李学仁.无人机系统及作战使用[M].北京：国防工业出版，2009.45-48