电网运行中无人机实用化巡检实践探究

文/于佰龙 魏真，国网四川省电力公司检修公司

1 引言

当前我国高压输电线路已约50万公里，人工线路巡检占据电网公司很大比例运营成本。2013年3月，我国大陆两家电网公司之一---国家电网公司运检部出台了关于输电线路直升机、无人机和人工协同巡检模式试点工作方案的文件，明确圈定包括湖北、山东、浙江、四川等10个省份检修公司作为试点单位，利用2～3年时间开展输电线路新型巡检模式规范化应用试点工作，2015年7月1日，国家能源局发布名为《架空输电线路无人机巡检作业技术导则》的电力行业标准，于2015年12月1日正式实施，可看到，电力联合会的无人机行业标准正式出台，对电网运行无人机巡检具有重要的推动作用。

电力巡检无人机分为固定翼（手抛式）和旋翼（多旋翼或直升机）两种，由于只需携带小重量传感设备，通常体积小（所以后文介绍的微型多旋翼航拍无人机就可用于电力巡检）。相对于传统人工巡检，电力巡检效率高且安全。

2 无人机巡检基本概念

2.1 基本概念

电力巡检无人机分为固定翼和旋翼，效率明显高于人工巡检。无人机航巡输电线路是一种新的巡检方法，是指在无人航空设备上装备陀螺稳定的可见光检测仪与红外热成像仪等载荷，对输电线路进行检查和录像，具有高科技、高效率、不受地域影响等优点。

2.2 无人机巡线优势分析

无人机巡线的优点主要体现在以下几个方面：

（1）故障巡线。快速、精确查找到电网及其设备的故障点。

（2）常规巡线。代替人工常规巡线，提高巡线效率，降低巡线成本，降低巡线人员劳动。

（3）年度巡线。替代载人机执行年度计划的航空巡线，其作业项目主要有：可见光录像、远距离摄影、红外热成像、绝缘子监测等。

（4）社会效益。无人机应用于电力输电线路巡检，不受地形地貌限制，尤其适用于险峻山区、多河流地貌下的巡线工作。机载高清摄像设备可对输电线路产生的故障进行实时在线定位和监控，地面控制人员可根据地面站回传实况及时发现排除线路缺陷及重大隐患，杆塔巡查效率得以大大提高，节省了大量人力、物力，提高了巡检人员工作安全系数。采用无人机系统获得的收益不仅仅在实际层面上得到体现，也极大地提升国网自动化电力系统的集成度，能有效促进相关项目的建设进度。

3 电网运行中无人机巡检现实意义分析

3.1 超特高压交直流混联运行对运检工作提出更高要求

随着我国水电开发和电网发展，电网规模不断扩大，电网已从局部电网转变为国网枢纽电网、超特高压交直流混联运行的大电网，超特高压交直流混联的运行方式对运检工作提出了更高的要求。

3.2 复杂电网运行环境给运检工作带来极大困难

在四川地区电网，地跨青藏高原、云贵高原、秦巴山地、四川盆地，山地、高原和丘陵占总面积的91.8%，“西电东送”、“电力天路”、“川藏联网”等众多输电通道穿越高海拔、重冰区、无人区、地震以及洪灾泥石流频发地区超过1.6万公里，运维检修、应急抢险等工作开展难度大，人财物投入远高于其它地区。

3.3 电网规模日益扩大与运检人员配置不足矛盾日益突出

根据四川电力公司负责运维的500kV及以上输电线路长度统计， “十三五”期间，预计新增输电线路2.3万公里、变电容量1.41亿千伏安。然而，运检人员的增长速度远低于电网规模增长速度，根据统计数据显示，“十二五”期间，电网设备规模增长率为71%，而运检人员增长率仅为25%，运检人员劳动强度增加了近50%。电网规模日益扩大与运检人员配置不足矛盾日益突出，迫切需要改变运检方式。

4 电网运行中无人机实用化巡检实践

4.1 无人机与人工协同巡检建设思路

借鉴卓越绩效管理理念和管理模式，从卓越绩效的分解模块和本质要求出发，构建无人机与人工协同巡检的建设思路。如图所示。

图1 无人机与人工协同巡检建设思路

4.2 无人机实用化巡检实践分析

4.2.1 需求契合：以效益最大化为目标的人机协同巡检新模式

（1）创新差异巡检模式

建立无人机与人工协同巡视效益评估模型，对采取人机协同状态巡视的线路分别进行纯人工和纯无人机巡视效益预评估。评价指标如图所示：

图2 输电线路巡视效益评估因子层次图

（2）开展差异化协同巡检

①拓展无人机应用领域：积极探索与拓展无人机的应用领域，在专项巡检与应急巡检等方面发挥无人机的功能，实现巡检效益最大化。

专项巡检领域：按照国家、行业有关标准，梳理出专项巡检类目共11项，并根据各类目具体要求确定不同的巡检时间。

应急巡检领域：对于雷击故障、高空故障诊断、复杂地形故障诊断采用无人机为主巡视模式；对于平原、丘陵地区通道类故障采用人工为主巡视模式，人工快速准确对故障进行定位，再由无人机对高空部分线路本体进行诊断。

②设计协同巡检总体模式：根据效益评估结果及巡检领域拓展结果，固化出一套实用性强的协同巡检模式，以适应不同巡检范围和巡检对象下的多样化组合巡检要求。

（3）组建无人机巡检技术支持中心

组建无人机巡检技术支持中心，作为无人机与人工协同巡检模式的专业支撑机构。其主要职责与功能如下：

①完成巡检对象精细化建模：无人机巡检技术支持中心对各输电线路进行三维立体模型构建，完成所有500kV及以上电压等级输电线路和杆塔的精细化建模，从而直观呈现巡检对象特征，为协同巡检工作的开展奠定坚实基础。

②气象预警信息智能分析：利用管控系统接收来自中国电科院提供的覆冰灾害等气象预警数据。预报内容包括覆冰厚度、覆冰速率，以及常规气象要素，为开展差异化的状态巡检提供决策依据。

③开发巡检大数据分析平台：通过大数据分析技术，整合线路运行状态数据、缺陷隐患数据、气象数据等，实现输电线路的历史数据精准分析；建立可视化地图，开展适时视频监控；

4.2.2 技术领先：无人机巡检应用技术体系

（1）信息采集：机载三维激光雷达扫描

传统通道巡检是利用固定翼无人机搭载可见光对线路通道情况进行拍摄，能够察看线路通道整体情况，但无法进行距离测算。通过运用新技术，利用无人机搭载激光雷达或多拼相机对线路通道进行扫描，采集通道数据，并通过数据处理软件形成线路通道的三维立体影像。在影像中，可以整体查看线路通道内情况，还可以精确测量任意两点之间的垂直、水平和净空距离，其精度达到0.1m。

（2）缺陷识别：图像自主识别

通过提取绝缘子缺失、导地线散股和杆塔倾斜等现象缺陷样本，建立统一标准的缺陷样本库，并设计、开发典型缺陷的图像识别算法及学习和训练模型，在此基础上研发设计出输电线路主要部件缺陷自动检测系统，可自动完成图像的预处理、分析、识别、结果反馈等处理流程。

（3）缺陷处理：便携抛投式除异物

通过无人机飞达异物上方，投放除异物点火装置到高压线异物上，地面人员通过遥控点火器点燃除异物装置来引燃异物。在使用过程中，针对投放盲目性问题，对设备进行升级和完善，增加视频对准系统，有效提高投放点火装置的准确性。

（4）智能导航：无人机立体巡视

为解决无人机电力巡检过程中智能化程度低的问题，从无人机自主导航、三维目标跟踪、自主避障、远距离大数据通信平台以及具有输电线路缺陷识别能力的多旋翼地面站五个方面着手，开展多旋翼无人机的立体巡视研究。一是基于GPS/MEMS-SINS的组合导航算法，使无人机具备自动前往铁搭并自动作业的能力；二是基于D GPS导航的飞行控制系统，使无人机在高度及经纬度方面定位精度能够达到厘米级别；三是基于伪相距的三维目标跟踪，有效获取铁塔、绝缘子等目标相对于无人机的三维空间距离信息，通过三维空间位置解算，为无人机提供自动导航信息，无人机根据导航信息自主调整飞行姿态并实现目标拍摄，减少由于操控手原因产生的跟丢现象。

5 无人机输电线路巡检工作提升措施

在通道巡检方面，利用无人机搭载激光雷达或多拼相机技术对线路通道进行扫描，采集通道数据，并通过数据处理软件形成线路通道的三维立体影像。因此协同巡检模式在整体掌控和测量精度上取得了质量提升。但为了更好做好无人机输电线路巡检工作，需进一步从以下几个方面提升措施：

（1）提升设备性能，增强特殊环境适应性

无人机在运用过程中由于线路所处海拔、气象条件复杂，同时整体可靠性不高，设备时有损坏情况出现，影响巡检工作进度，造成巡检计划不能及时完成。因此，需创新工作方式，建立“电网+厂家”研发协作机制，在为深化无人机应用而积极开展自主研发的过程中，参与并扮演适当角色，共同承担一定责任，推动服务电网运维、无人机设备性能升级、无人机应用市场拓展等方面的研发成果创新。

（2）加强辅助支撑，保障物料采购顺畅化

受目前没有物料号、固化技术规范等因素影响，无人机巡检系统、无人机配件及无人机维保工器具的采购无法正常开展。应加快无人机维修检测工器具技术规范书编制，推进维修检测工器具ERP物料号申请进度，为无人机巡检、维修保障物资正常渠道购买提供条件。

6 结语

无人机巡检的多角度、全方位、无遮挡的拍摄方式实现了线路通道情况的完全掌控，显著提高了线路巡检质量。通过无人机与人工协同巡检模式的持续开展与深化应用，巡检质量和效率都有显著提高。本文从无人机输电线路巡检的基本概念出发，对电网运行中无人机巡检现实意义进行了分析，并从实践对电网运行中无人机实用化巡检进行了阐述，以期为行业内开展无人机巡检工作提供参考与借鉴。

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