输电线路巡检的综合效益模型分析及应用

张玉刚 李玉明 方 勇 焦小强 王和平 郑思嘉 邹 彪

（1、国网甘肃省电力公司，甘肃 兰州730046 2、国网甘肃检修公司，甘肃 兰州730050 3、国网通用航空有限公司，北京102209）

输电线路规模庞大，运行环境复杂多变，通过巡检及时掌握线路运行状况及通道环境变化，发现设备缺陷和安全隐患，是保证线路安全运行的基础。目前架空输电线路本体和通道巡检主要依靠传统人工，存在特殊地形和气象条件下巡检困难、巡检效率低、不易发现平口以上部位缺陷的巡视范围不全面等问题。因此，面向电网快速发展新形势和内外部复杂环境，应用新型巡检技术，提升运检效益，是运检专业发展的必由之路。本文详细分析了多种不同的输电线路巡检方式，并介绍了各种巡检方式的成本和综合效益，对于提升输电线路的巡检效率和巡检效益具有一定的价值。

1 输电线路巡检方式分析

目前在电力企业的输电线路巡检当中，主要具有直升机、无人机和人工等三种不同的巡线方式，为保证输电线路的安全运行发挥了重要的作用。采用最广泛的巡线方法仍是人工定期巡线，发现杆塔基础缺陷能力强但技术含量低。传统的地面人工巡检工作量大、效率偏低，部分地区无法开展地面人工巡检，线路红外检测难度大，巡检作业人身伤害风险高等。因此，传统的人工巡检方法不仅工作量大、耗时长、效率低，而且受人为因素制约，一些线路缺陷或故障点不容易被发现。在常规运维体系下，运维人员数量难以满足日益增长线路巡视任务需求，同时运维人员巡视效果及效率同样受到地形环境的制约[1]。采用直升机、无人机等智能装备和巡检技术，构建协同立体化巡检模式成为现阶段提升巡检效益、保证线路运维质量的主要任务。

随着输电线路专业新技术、直升机和无人机巡检技术的快速发展，国内输电线路运行巡检方式已趋向多样化。但是，目前国内尚未对上述三种巡检方式进行统一规范，各类巡检技术标准化作业体系尚未完全建立，巡检效益未充分发挥，各类巡检技术应用相对独立、分工不明确、多手段协同作业程度不高，增加了输电线路的运维成本，巡检资源未实现统一调配，应用效益未得到充分体现。

传统的输电线路巡检方式在实际应用中也存在一些问题：一是巡检效益未充分发挥。直升机巡检存在作业成本较高、巡检数据利用率低、数据分析链条长等问题；无人机巡检存在续航能力不足、缺陷智能识别程度低等问题；人工移动巡检存在携带装备种类繁多、功能单一、信息采集规范性差等问题。二是各类巡检技术分工界面不明确，未建成统一高效的协同巡检体系。存在各类巡检技术应用相对独立、分工不明确、协同巡检管理规范和技术标准体系尚未完全健全、多手段协同作业程度不高等问题，巡检资源未实现统一调配，应用效益未得到充分体现。三是智能化和信息化程度有待进一步提高。存在巡检数据融合性差、海量数据处理分析困难、利用率低等问题[2]。因此，为进一步提升直升机、无人机和人工协同巡检效率和效益，降低输电线路运维成本，根据当地地形条件及线路运维环境，结合不同线路运维手段的实际效果、成本、巡视周期等历史数据，开展直升机、无人机、人工三种巡线方式综合效益研究分析，提出具有实际应用效果的协同巡检解决方案，指导直升机、无人机和人工三种巡线方式的实际应用。

2 不同巡检方式的特征及巡检成本分析

直升机巡检特征主要包括：一是巡检不受地域影响且效率高。直升机可以方便地穿越崇山峻岭，跨越林区、沼泽、湖泊和人员无法到达的无人区等区域，几乎不受地域限制。直升机机动灵活，是人工巡检速度的几十倍，巡检效率高。二是发现隐蔽性缺陷能力强。直升机可以利用机载陀螺仪内部集成的稳定红外热成像仪发现线路上的一些隐蔽性缺陷，如引流板和金具发热和合成绝缘子内部损伤发热等。而人工巡检很难发现这些缺陷，这是因为巡视人员虽然配备手持红外热像仪，但在地面受巡检位置等因素限制，人工巡检不像直升机巡检可以全程监视。在巡查设备隐蔽性缺陷能力方面，直升机巡检相比人工巡检优势明显。其次，无人机巡检不受地域影响，机动灵活、效率高。与直升机相似，无人机可以不受地形地貌限制，穿越高山、河流对输电线路进行快速巡检，大大提高线路巡检速度和效率，机动灵活且效率高。同时相比载人直升机，航空管制对无人机的影响稍小，仅在特殊时期有专门的航空管制声明。最后，人工巡检方式应用广泛，发现杆塔基础缺陷能力强，能够对一些细小的隐患和缺陷进行快速、直接的现场处理或反馈，在发现杆塔基础缺陷方面较有优势，但巡检主要依靠人工完成。

对于输电线路不同巡检方式的巡检成本，可以选取当地处于典型地形地貌、气象环境条件下的典型电压等级线路，通过统计近3 年来该典型线路运维手段的巡检成本、巡视次数等历史数据，建立三种巡检方式的巡检成本估算模型，对直升机、无人机和人工巡检三种巡检方式的巡检成本进行估算。根据所选的典型线路的实际支出费用参数，对每条线路各种巡检方式的年度巡检费用单价进行估算，评估分析每条线路的巡检成本。

对于直升机的巡检费用估算，可以根据目前公司相关标准计算得出。对于无人机巡检费用估算，主要包括以下几点：一是设备折旧费，不同采购年限、不同配置的无人机，其设备价格差异较大，需要按照无人机巡检系统设备价格进行计算，通过预估出使用寿命，从而计算出每年的设备折旧费（设备价格/设备使用寿命）。二是年人工费折算值：人工费包括无人机巡检人员、辅助人员及相关管理人员的工资、差旅、培训、补助、工伤医疗保险等各项费用。同时，考虑到目前大多数无人机班组是柔性班组，无人机巡检人员也从事人工巡视、检修等工作，则无人机巡检人员人工费需折合到仅仅从事无人机巡检的人/天费用。三是年维护费，年维护费主要包括无人机巡检系统的关键组部件、主要零配件等日常维护、维修保养、及主要配件更换费分摊值等，特别是出现无人机失控、坠机等异常情况时，无人机巡检系统维修费和主要组部件更换费需分摊到每年的年维护费中。四是车辆运输费：与人工巡检中汽车的运输方式类似，车辆运输费主要包括运输车辆的燃油、运输及车辆维修保养等相关费用，无人机巡检时车辆需从无人机库房到整条线路，与无人机巡检公里数有关[3]；由于该架无人机运输车辆也用于其他无人机巡检运输或人工巡检运输等，需对运输费进行折算。五是年管理费分摊值：指该条输电线路年运维管理费分摊到无人机巡检管理的费用，包括空域申报费、巡检计划制定、设备和人员管理、各类管理系统操作管理等间接费用。综上可知，每千米线路无人机年巡检费用单价为：（年设备折旧费+年人工费折算值+年维护费+车辆运输费+年管理费分摊值）/无人机巡检公里数，计算得到输电线路无人机的巡检费用单价。

一般而言，线路所处不同地形、采用不同巡检方式时巡检费用单价也不同，应全面考虑巡检线路的地理环境、气象条件、线路设备特征等影响因素，确定综合巡检效益。对于平原地带的线路，直升机年巡检费用高于人工、无人机年巡检费用；对于高山区内的线路，直升机、无人机和人工年巡检费用差别不大，直升机巡检费用略高，但对于高山区等人员难以到达地区直升机的综合巡检效益较高。

3 输电线路巡检的综合效益模型分析

在对输电线路巡检的综合效益进行分析时，由于不同的线路巡检方式在巡检质量、安全、效率等方面都具有较为明显的差异，故需要将质量、安全、效率统一等值到巡检成本上，以巡检成本来衡量每种巡检模式的综合效益。评价指标的等值化过程为：首先，对各效益评价指标进行等级划分；其次，将等级划分后的评价指标等值化为标准成本；最后，针对不同巡检方法的组合进行效益评估，计算最终综合成本。

对于协同巡检综合效益评估模型的构建，首先需要设定协同巡检组合的模式，目前常用的单一巡检模式有人工巡检、小型多旋翼巡检、固定翼巡检和直升机巡检。由以上4 种单一巡检模式共可组合成15 种巡检模式组合，其中包含4 种单一巡检模式，6 种两组合巡检模式，4 种三组合巡检模式和1 种四组合巡检模式，具体组合情况见表1。

表1 巡检模式组合

各种巡检模式在不同的地形、天气、巡检任务等条件下都会有不同的表现，都会在质量、安全性、效率性和经济性等方面表现出各自的特征。考虑到无人机和直升机受地形的影响不显著，所以在考察巡检模式的选择过程中，可以根据人工巡检的方便程度将地形分为3 种：平原地区、山地丘陵、高山大岭。其中平原地区包含农田密集区、湖泊中间区和泥沼地区3 类微观地形；山地丘陵包含农田密集区和林区2 类微观地形。同时，将巡检任务的类型分为4 种：常规巡检、应急巡检、故障巡检1、故障巡检2、故障巡检3。其中，故障巡检1 指的是在发生故障时，已经明确为杆塔平口以上缺陷以及导地线缺陷，包括对导线、地线、引流线、屏蔽线、OPGW、线路金具等的故障巡检；故障巡检2指的是在发生故障时，已经明确为杆塔平口以下缺陷，包括对地基与基面、杆塔基础、接地装置、拉线及基础、绝缘子等的故障巡检；故障巡检3 指的是发生故障时，不知道具体故障发生的位置。

由于该线路总巡检效益可由各分段巡检效益之和表示，所以该线路最大巡检效益（）为该线路在各路段可能取得的最大效益（）之和，即：

其中，每一路段的最大效益值的计算方法为，分别计算各种可以采用的巡检模式在该路段的效益值（），然后取其中的最大者（ Max ()）该路段的最大巡检效益，即，

令各路段取得最大效益的巡检模式为该路段的最优巡检模式，亦即最应该选取的巡检模式。当给定线路的各个路段均采用最优巡检模式时，该线路的总效益值取得最大值，此时，由这些最优巡检模式组成的巡检方案即为该线路的最优巡检方案。

采用已建立的协同巡检效益评估算法模型，对处于典型地形气象环境条件下的线路进行了协同巡检综合效益评估分析，可言得到整条线路或线路分区段的协同巡检推荐计划。结合典型线路协同巡检计划决策结果，可给出不同线路设备、不同地形环境、不同气象条件下架空输电线路协同巡检配合模式。下一步亟需收集整理大量典型线路的地形特征、气象环境特征、线路运维成本、实际巡检方式等历史运维数据，采用该协同巡检算法模型，进行协同巡检综合效益评估和巡检费用估算，对推荐的协同巡检计划进行人工审核确认，验证直升机、无人机和人工相协同巡检的方式、内容和周期等，验证模型的合理性和实用性，不断优化调整模型的评估系数和指标权重，进一步优化完善算法模型的参数配置，推动协同巡检效益评估和辅助决策算法模型实用化，为输电线路全年巡检计划制定提供技术依据，优化巡检计划，降低运维成本。

4 结论

本文在现有评估分析方法调研分析的基础上，提出了直升机、无人机和人工协同巡检综合效益评估模型的技术路线。同完成了协同巡检效益评估指标的设定和量化，对各评估指标的内涵进行了界定。本文所构建的评估模型不仅能应对各种工况，包括地形、天气、海拔、杆塔对象、巡检任务等，并且协同巡检效益评估结果的有效性和适用性也得到了验证，具有较高的应用价值。