无人机在特高压输电线路巡检中的应用研究

刘杰

摘要：本文首先阐述了巡检方案设计思路和原则，接着分析了巡检作业及设计要求，最后对无人机选点原则及部署方案进行了探讨。

关键词：无人机;特高压输电线路;巡检;应用

超高压输电线路采用无人机巡检。经过几年的研究推广应用，获得了大量的应用经验，但在实际应用中也发现了许多问题和技术问题。例如，山区的塔式塔大多在海拔40至100米处，随山势起伏而竖立，多设置在山腰上。无人机则是携带任务装备在深山中的塔内附近10至30米进行任务（困难的是限制在塔高附近的悬吊作业）。为此，有必要开发一种持续时间长、有效载荷大、飞行距离控制长、能够飞越山脉进行长距离飞行的无人机检查系统。

一、巡检方案设计思路和原则

（一）卫星中继

优点：高空覆盖面积大，传输距离远，可指向多点，机动性好。缺点：有效工作带宽有限，图像传输时间延长;实时开放访问困难;使用审批程序多且费用昂贵。

（二）山区制高点架设中继

优点：设备重量、供电能力、传输功率、延时、专用固定带宽、通信质量好、易于满足技术要求。缺点：山顶的设备和电力供应较困难;信号容易被高山阻挡，有许多盲区;以大投资、低利用率、维修管理困难的方式接力山顶;缺乏灵活性和低性价比。

（三）车载流动中继

优点：设备重量、供电能力、传输功率、延时、专用固定带宽、通信质量、易满足技术要求;机动性好、布局灵活、无安装问题，经济安全。缺点：中继站需要道路支撑，相邻的中继站和运营点、地面站应通看，选择点难度较大，有信号盲区，覆盖面积相对有限。

（四）空中移动中继

优点：覆盖面积大，流动性好。缺点：中继设备比较复杂，小型化有一定的困难;无人机离开时间短，还必须具备空中发电能力;空域使用难以批准。

（五）电信运营商网络

优点：电信、移动、联通等公共通信运营商的网络资源丰富，覆盖点多，线路长，覆盖面宽。他们在技术上更加可靠和成熟。他们使用付款，没有建筑和维修管理问题，成本低。缺点：山地网络覆盖信号较差，带宽不稳定，难以保证固定带宽，信息安全隐患大，信号传输延迟无法保证。

二、巡检作业

使用无人机来安装中继设备而不是卫星中继。首先，无人机飞行平台必须具有一定的负载和供电能力，续航时间必须足够长。同时，它必须具有远程飞行和有效的控制距离。为此，我们应该全面考虑发动机以满足机载设备负载和电能的需求，以及中继地图传输和数字传输链路的有效控制距离。

穿山而过，正常直线距离约数公里，特高压传动线的塔身距离一般约300-5000m，20基塔约6-10km。因此，无人机飞越这座山，一般不超过20塔。

无人机长途飞越山区，耗时长，但飞行时间长必然会增加载重量，即需要增加发动机功率。

机载中继设备的传输功率与传输距离、体积、重量成正比。功率低，图形传输和数字传输中继设备的传输距离不能满足需要，功率大。虽然图形传输和数字传输中继设备的传输距离较远，但所需的功耗、体积和重量将不可避免地增加。

由于传输图像的分辨率越高，所需信道带宽、设备传输功率和编码压缩比越大，在相同条件下信号传播距离越短，通道利用率和图像恢复质量越低。无人机的实际飞越应首先确保巡逻飞行的安全。根据网格巡检的实际飞行经验，实时传输低分辨率“标清”视频图像可以满足无人机巡逻飞行的监控需求。更高分辨率的“高清”照片可以保留在无人机中完成检查操作，然后在返回地面后提取分析。优先利用有限的信道资源，确保指挥控制，维护通信链路安全，确保无人机检查和飞行控制的安全。

三、设计要求

无人驾驶直升机应足够长（90～100分钟以上），以满足20个基地飞行巡逻塔或6～10公里左右的时间要求。无人驾驶直升机的有效飞行控制距离必须足够长（不少于15公里），以满足20座基地塔的检查需要。无人驾驶直升机必须具备自发电能力，以保证高功率地图传输和数字中继设备的长期不间断供电需求;发电功率不少于200w，以满足5至6g中繼设备的供电要求和单次航程100多分钟的巡逻飞行要求。

无人直升机载重量足以携带20公斤以上的大功率地图传输和数字中继设备。当负载大于20公斤时，需要支援超过100毫升引擎。应尽量减少高功率地图传输和数字中继设备的体积和质量（地面站组数少于3公斤），以容纳安装在中小型单旋翼无人直升机上的设备。

四、无人机选点原则及部署方案

无人机与任务机联合运行模型的目的是解决地面站与任务机之间的通信问题。由于无人机的位置和高度对于确保飞行任务飞机的安全飞行至关重要，因此应充分收集检查线周围的地理和气象条件，并在选择地点之前进行实地调查。

按照检查任务线的经纬度和高河方向，结合检查任务塔的布局，必须确保无人机位置可见检查塔，距离不超过10公里。地面站可以看到无人机，距离不超过10公里。无人机应位于视察团最高塔海拔50来以卜。

在确保无人机检查塔和无人机检查地面站位置的情况下，以无人机为中心尽可能选择直径300m的无人移动区作为无人机盘旋点。

结合山地分布情况，参照当地每日起风时间和起风水平，综合确定中继点位置。

确定中继点位置后，绘制检查任务路线、塔的经纬度、塔的高度、路线方向和中继点位置的地图。

五、结束语

无人机巡检技术能否进一步应用，取决于通信数据链技术能否有效突破。本文详细讨论并验证了无人机合作巡检模式在特高压输电线路巡检中的应用。中继技术的应用可以改变传统的超山运送线运营商的运送线模式，开辟山区超山运送线的新途径，并完成山区复杂地形环境的长途、长途特高压传输线检查，使特高压检查作业成为可能。

参考文献：

[1]何健，罗映昀，范畅，侯品.架空特高压输电线路无人机人工联合巡检模式初探[J].电子测试，2015（21）.

[2]陈晓兵，马玉林，徐祖舰.无人飞机特高压输电线路巡线技术探讨[J].南方电网技术，2018（06）.

[3]高坤，李昶君，杨金波，莫卫权，李立新.无人机在高原山区线路巡检中的应用[J].电气技术，2015（04）.

[4]王海东，纪正刚，静磊.无人机在高原山区线路巡检中的应用[J].科技风，2017（10）.

[5]莫文华.研究特高压输电线路巡检中无人机的运用及发展[J].通讯世界，2016（09）.

[6]李明明，秦宇翔，李志学.无人机在特高压输电线路巡检中的应用及发展前景[J].电子制作，2014（21）.