超特高压输电线路无人机全程自主巡检系统

耿亚含 冯俊杰 河南送变电建设有限公司

近几年，伴随着我国社会对电力能源需求量的不断增长，电力网络规模和长度都实现了成倍增加，在这种情况下，依然沿用人工对输电线路进行检查的方式必然会逐渐被淘汰。基于超特高压输电线路的无人机全程自主巡检云台系统，采用深度学习目标识别以及视觉和惯性测量单元结合的导航技术，运用无人机自动飞到线路周边然后对线路进行拍摄，能够实现线路的自动巡检以及监控，这不但能够提升电力企业对特高压输电线路运行的监控能力，同时还有助于降低线路巡检成本，提升企业经济效益。

一、电力无人机概述

根据无人机的机体结构，通常可将无人机分为无人直升机、多旋翼无人机和固定翼无人机三类。目前在电力巡检中都有应用，但由于三种无人机的性能特点存在较大差异，其所承担的巡检任务也有所侧重。

无人直升机与传统直升机类似，但由操控人员在地面站进行操控，是早期电网无人机巡检试验方案之一。由于无人直升机体积较大，操控难度较高，存在与电力设施碰撞产生严重后果的潜在风险，且成本较高，目前已较少应用在电力巡检领域。

多旋翼无人机由多个旋翼产生升力，通过改变各个旋翼的转速控制飞行器的姿态，具有小巧灵活、垂直起降、精准悬停的优点，但机动性和飞行高度较低，负载较小，续航时间短。因此，在架空线路巡检中，多旋翼无人机通常负责小范围精细作业，或杆塔精细化建模等任务。

固定翼无人机依靠螺旋桨或涡轮发动机提供前进动力，由机翼与空气的相对运动产生升力，其巡航速度快，续航时间长，但起降需要跑道，且无法悬停。在架空线路巡检中，固定翼通常负责大范围、有较高航程要求的任务。

除此之外，还有结合固定翼与多旋翼的复合翼无人机，兼具垂直起降、精准悬停与巡航速度快的优点，在灾后应急等恶劣复杂环境的应用场景中极具潜力，但在电力巡检领域尚未有大范围落地应用。

二、输电线路无人机智能巡检现状

无人机智能巡检技术是一种由飞手远程操控无人机，通过机载传感设备对架空高压输电线路进行巡查和检修的技术。根据无人机机体结构的不同，可将无人机分为无人直升机、多旋翼无人机、固定翼无人机和复合翼无人机。其中，无人直升机体积较大，控制难度和使用成本较高，已很少应用于输电线路巡检中；多旋翼无人机小巧灵活，可垂直起降、精准悬停，但它可承受的负载较小，机动性和飞行高度较低，且续航时间较短；固定翼无人机巡航速度较快，且续航时间长，但需要跑道起降，也无法悬停；结合了多旋翼和固定翼的复合翼无人机兼具多旋翼和固定翼无人机的优势，但其成本较高，尚未在高压输电线路巡检中使用。

在输电线路无人机巡检中，无人机是承载监测输电线路运行状态遥感设备的平台。常用的遥感检测手段包括可见光成像、紫外成像、红外热成像、激光雷达电能等。其中，可见光遥感检测利用相机等可见光采集设备，检查肉见可见的输电线路及其附属电力设备的特性和性质变化，已被广泛应用输电线路无人机巡检工作中；紫外遥感检测主要利用紫外遥感设备，检测输电线路和电力设备是否发生电晕放电或局部闪络的现象。由于成本较高，紫外遥感检测尚未在输电线路无人机巡检中被广泛使用；红外遥感检测主要利用红外热像仪等设备，检测运行中的电力设备是否出现过热缺陷的现象；激光雷达检测主要用于输电线路的地理信息测绘和定位导航中。

无人机在巡检输电线路的过程中，会拍摄大量的输电线路和附属电力设备的图片数据。由于这些图片的智能处理还处于研究阶段，后期还是需要人工处理。此外，现有输电线路巡检无人机还不能做到完全自主巡检，巡检质量严重依赖的无人机巡检人员专业水平。

三、系统主要功能

该云台系统的目的是实现无人监值的线路巡检，所以应具备根据坐标飞往巡检起点的功能。在起点的杆塔位置进行杆塔的目标识别确定杆塔的位置，进而根据输电线路的方向沿途寻找下一座杆塔。在每一座杆塔的位置检测到后，利用视觉和惯性测量单元相结合的方案进行相对坐标的定位，在此过程中环绕杆塔进行绝缘端以及其他感兴趣目标的检测。检测流程执行完毕后，无人机系统返回杆塔检测开始时的位置，进行线路检测并前往下一座杆塔。

该方案同时具备飞行过程中的安全控制系统，全程利用GPS 系统进行绝对坐标的约束，保证无人机系统的安全并在系统异常时及时发出预警。

四、无人机在特高压输电线路巡检中的具体应用

（一）屏蔽技术

电磁波的屏蔽技术，主要是用绝缘材质阻隔电磁波的干扰。屏蔽技术在实际使用中，只能通过吸收和反射，来稍微削减电磁波，并不能有效阻隔。常见的屏蔽技术，主要是通过以下两个方面进行电磁屏蔽防护。

1）将无人机所有的缝隙包裹严实。采用合适的绝缘材质填充缝隙，防止电磁波进入。常见的填充材质包括金属丝网垫、导电布垫、软金属3 种。

在无人机的元器件附近，通过屏蔽层的包裹，将电磁波阻隔在外。常用的方法包括：在元器件附近，用锡箔纸进行整体包裹；在信号回路处采用屏蔽双绞线，保障不同的信号有单独的传输线路，还可以避免短路现象的发生；在电源连接处包裹屏蔽层，使接收部位将电磁波有效阻隔。

2）优化整个系统，避免关键设备受到电磁波的干扰，确保无人机安全。系统优化时，应遵循以下两个原则：一是在无人机干扰源附近避免装设关键设备飞行控制系统、测量元件等设备都要远离元器件的接口或者缝隙处，从而弱化电磁波的干扰；二是通过对无人机电源线路的改造使主要线路与其他线路保持一定的距离，在电源回路与信号回路交叉地方，应当将其夹角设置为90°。

（二）辅助检修作业技术

传统的检修方法是检修人员从杆塔底部攀爬到塔顶，再逐步移动到线路检修所在位置进行作业，这种方法繁琐、低效。

随着以特高压为骨干网架大电网的建成，无人机巡检逐渐成为电网运检工作的核心，其对传统检修方法的辅助和补充，受到越来越多的关注。无人机辅助检修作业主要包括无人机牵引架线、辅助传递工器具、清除导地线异物、无人机验电和复合绝缘子憎水性检测等。

随着无人机在电力行业的广泛应用，在无人机辅助检修作业方面，还需积极探索相关新技术，包括开展无人机带电作业、带电水冲洗、复合绝缘子憎水性检测、绝缘子零值低值检测、喷涂防污闪涂料、应急照明、基于声纹识别的设备异常检测等，以进一步拓展无人机在检修作业中的应用。

（三）滤波技术

滤波技术可以过滤电磁干扰的能量，从而保障无人机的元器件正常工作。针对进入无人机的电磁波，可以在无人机缝隙处装设滤波器，对接受的信号进行分析过滤，将电磁波阻隔在外。针对沿着设备元器件产生的电磁干扰信号，可以通过电源滤波器的装设，在电源处就将电磁波阻隔在外。

应用较为广泛的滤波器为铁氧体磁环滤波器。铁氧体磁环滤波器也可以看作成电阻，其电阻值会随着电磁波的频率而发生变化，具有非常强的阻隔性能。可以根据电磁波的频率特点，来选定不同材质的铁氧还磁体。通过大量的实践研究，发现镍锌铁氧环的阻隔性能高于锰锌铁氧环。在实际应用中，也可以在同一条线路上，通过镍锌铁氧环和锰锌铁氧环的同时使用，来阻隔大范围的电磁波。在磁环装设时，必须环环相扣，将线路严密包裹，避免发生电磁波泄漏的情况。此外，磁环的安装位置要尽量贴近干扰源或者无人机缝隙处，这样才能取得较好的成效。

五、结语

目前，国家对于无人机的发展重点关注，重点发展。伴随着经济的飞速发展和科技的进步，无人机巡检输电线路的技术水平也在不断提升、完善。在人工巡检过程中，由于观察角度以及巡查人员的水平限制，效率远远小于无人机巡检的排查。无人机巡检排查降低了成本，提升了效率。国家电网在无人机技术和人才培养方面着重进行培养，恰恰说明无人机将迎来新的发展应用阶段。