无人机在特高压输电线路巡检中的应用

卞红伟

中国电建集团吉林省电力勘测设计院有限公司 吉林 长春 130022

1 无人机技术在特高压输电线路巡检中的应用现状

电力关系着日常的生活生产，在现代化的进程中，人们对于电力的需求也越来越大。所以输电线路的分布也非常广泛，除了城镇地区，输电线路也遍布于偏远山区和大小江河。传统的输电线路巡检工作，都是采用人工操作，在地理或者天气条件良好时还比较容易操作一些，而到了地形条件复杂的地区或者在江河上进行人力操作，那么项目工程也是非常繁琐的，不仅效率低下，也很容易发生安全事故[1]。在这样的工程背景下，又随着科技的全面进步，载人直升机形式的巡检也应运而生，相比较之下，这种形式的巡检更有效率，可以更好地应对外界的恶劣环境，而且安全性也更高。不过，基于政治军事因素，我国对于空域的管制一直都非常严格，再加上载人直升机的使用和维护成本较高，所以在输电线路的巡检工作中，载人直升机也很少能够得以频繁的应用，因此也没有实现巡检质量和效率的实质性突破。

2 无人机的构成

无人机是飞机的一种类型，因为它的飞行无需进行人为驾驶，只需要通过无线电遥控设施就可以对其进行操纵，所以又称为无人机。从规模上看，无人机相对较小，在高空中进行作业的过程中操纵起来也更加便捷。虽然无人机规模较小，但是功能却非常齐全，用“麻雀虽小五脏俱全”则可以很好地诠释现代无人机。这也是无人机技术可以在多个领域大放异彩的重要原因，如在军事侦查领域、抗灾抢险过程以及工程测绘之中，都有无人机的身影。而本文主要围绕无人机在特高压输电线路巡检领域进行探讨，通过分析无人机的构成，来阐明无人机的工作原理。

2.1 飞行控制系统

无人机虽然规模不大，但是所涵盖的系统众多，而飞行控制系统则是最为关键的系统之一，也决定着无人机的整体运行状态。目前来看，无人机的飞行控制系统主要包括两种形式，一种是自动驾驶模式，另一种是手动控制模式。飞行控制系统在无人机的运行过程中，扮演着指令者的角色，无人机的路线选择，也都是由飞行控制系统来决定。选择不同的驾驶方式，也需要执行不同的命令，比如由遥控接收机接收地面控制站所发出的指令时，这就是手动控制模式；而由自动驾驶仪来发布控制指令时，这就是自动驾驶模式。

2.2 动力系统

目前来看，无人机的动力系统主要可分为两种类型，分别是内燃机和电动机系统。通过对这两种动力系统进行对比可以发现，前者的声音更大，后者的声音更小；前者稳定性较差，后者稳定性较强，而且后者的重量更轻。整体来看，还是电动机动力系统的优势更加明显，其可以更好地融入到无人机之中，比如二者可以使用同一电源，而且也有更强的抗干扰性，无论是温度还是高度的变化，电动机动力系统都足够稳定。

2.3 能源系统

无人机之中各种系统的运行，都需要能源系统提供电力，能源系统也是无人机的根基。结合当前我国无人机的结构来看，其中很多设备都是通过需要电力支持才能运行的，比如电动机，信号接收机，以及调速器等等。所以无人机的飞行也需要应用到很多类型的电池，比如锂电池、镍镉电池以及锂聚合物电池等等。随着无人机的日渐升级，现在对能源系统的放电能力也提出了更高的要求，系统的放电强度需保持在15C以上。

2.4 通讯系统

无人机之所以能够具备监测和巡检的功能，主要就是依赖于输送系统将监测到的数据和图像信息传递给地面的控制站，其中通讯系统中的数传电台负责飞行数据的传递，其中包括高度、速度、线路以及姿态等全方位的内容[2]。而通讯系统中的图传电台主要负责无人机所拍摄到的图像资料的传递，这样无人机就可以实现输电线路的巡检功能了。

2.5 荷载设备

无人机除了具备上述等多个系统之外，荷载设备也是不可忽视的环节。当然，相比于复杂的系统设备，荷载设备的数量也相对较少，通常包括热红外仪、照相机以及云台设备等，这也是无人机实现监测功能重点依赖的设备工具。

2.6 地面监控站

虽然地面监控站与无人机是割离存在的，但是二者之间也具有千丝万缕的联系，无人机自身以及监测到的所有信息也都会输送到地面监控站之中，而无人机的运行过程也都是由操控人员在地面监控站中进行操作。比如无人机的飞行路线，升降落时间，飞行状态的调整等多方面的内容，都在监控站操作人员的工作范畴之内。此外，监控人员还需要对无人机监测到的数据和图像信息进行记录，尤其在高压输电线路的巡视工作中，必须要保证无人机和电力系统的安全性，操作人员也需要最大程度上发挥地面监控站的作用。

3 特高压输电线路巡检无人机的特点

当前，我国巡线无人机的分类形式主要包括如下几种：第一，根据动力配置方式可以将无人机分为两种，分别是电动机和内燃机动力型无人机；第二，根据控制方式可以将无人机分为三种，包括全自动型、遥控型和导航与遥控相结合型的无人机；第三，根据结构类型可以将无人机分为四种，包括固定翼、单旋翼、四旋翼和六旋翼型的无人机。在本文的研究中，也重点选取几种最为常用的无人机类型进行介绍。

3.1 固定翼无人机

相比于其它类型的无人机，固定翼无人机的飞行速度也是最快的，正常情况下飞行速度也会保持在每小时100千米到200千米之内，同时，这种机型的续航能力也更强。所以在特高压输电线路的巡检工作中，通常都是在完成范围较大的巡检任务时，会应用到固定翼无人机。而且这种机型不受控制方式的约束，可以根据需要选择自动或者手动的飞行模式[3]。整体来看，这种无人机的操作难度较低，而且自动化特征比较明显，不仅拍摄的灵敏度高，而且无人机的机动性也非常强。除此之外，固定翼无人机的另一大优势就是具备较大的载重量，在巡检工作中，可以同时搭载更多的设备。当然，固定翼无人机也并非尽善尽美，比如不可悬停，只能进行单向巡检，这就需要在特高压输电线路的巡检过程中，只能进行俯视拍摄。

3.2 电动多旋翼无人机

电动多旋翼无人机使用旋翼旋转时产生的动力飞行，采用多支对称的旋翼旋转抵消旋翼的自旋扭力，通过调整每只旋翼的转速可以控制电动多旋翼无人机的飞行动作，包括前进动作、后退动作以及转向动作。驱动这种无人机飞行主要依赖于电力，相比于其它类型的无人机，电动多旋翼无人机的内部结构更加简易，整体规模更小，而且重量也非常轻，所以操控这种无人机也更加便捷。与此同时，以电力作为驱动力，也更有利于能源的节约。电动多旋翼无人机的主要特点在于占据空间小，其旋翼可折叠安放，所有控制部件集中在无人机的中部，四周分布的主要是驱动系统，虽然在待机时，电动多旋翼无人机的旋翼是折叠存放的，不过无人机的开机效率却非常快，从待机状态到作业状态，只需要5分钟就可以实现旋翼的伸展。

3.3 无人直升机

无人直升机又称为单旋翼带尾桨式无人机，此类无人直升机主要通过主旋翼旋转时产生的动力带动主机实现飞行作业，而尾翼的旋转能够帮助无人直升机改变飞行方向并抵消旋翼的自旋扭力。不同于电力驱动的无人机，无人直升机的驱动力主要来源于汽油驱动。从某种程度上讲，相比于电力驱动模式，汽油驱动模式可以有效地增加续航时间，而且载重量也会随之提高。不过，这也意味着无人直升机的内部结构更加复杂，重量也会比其它形式的无人机大出很多。需要注意的是，在输电线路巡检工作中应用无人直升机，要特别注意尾翼和主旋翼之间的安全距离，因为其主旋翼会达到两米左右的长度，所以在行驶中两翼也经常会互相干扰，从而产生飞行事故。所以为了保证两翼之间的距离足够，无人直升机的整体规模也较大。从控制部件的分布上看，主要集中于无人机的前部位置，在这点上无人直升机与电动多旋翼无人机相近，不过二者的差异在于，前者的机体可以进行折叠，而后者则不可以，所以后者的机体也会占据较大的空间。因此，无人直升机的优劣也非常明显，优势在于续航时间长，能够适用于远端的巡检作业，而且载重非常大。劣势在于操作起来相对复杂，对于操控人员的专业能力提出了更高的要求，而且相比于电力驱动，汽油驱动的成本也更高，经济效益较差。

4 无人机输电线路巡检技术流程

为了进一步探索无人机技术在特高压输电线路巡检工作中的应用程序，本文也结合酒泉—湖南±800 kV特高压直流输电工程这个案例，从而探讨其中的技术流程。

4.1 精细巡检

在工程特高压输电线路巡检工作中，首先进行了精细巡检，其中精细巡检的内容主要包括如下等多个方面：如杆塔本体和基础、接地装置、绝缘子、导线线路金具以及附属设施。在这次巡检中，无人机先对巡检线路的路径信息予以收集，并录入到飞行控制系统之中，再对无人机进行操纵，实现影像数据的采集。为了更好地保障工程电网安全，以及减少定位误差的影响，在本次巡检工作中既获得了自动控制系统的支持，同时也有人工操控的参与。具体的操作流程如下：无人机飞控程序控制旋翼无人机到达已知线路路径信息的目标杆塔上方15 m的位置，再切换到人工控制旋翼无人机进一步靠近目标杆塔并调整云台角度，并根据具体的巡检任务获取相关影像。采用这种半自动的精细巡检方式能极大程度上提高无人机巡检效率，保障巡检线路安全，减轻了巡检人员劳动强度。

4.2 通道巡视

在工程特高压输电线路巡检工作中进行通道巡视，主要是为了对线路走廊安全距离范围内的不符合规范的工程进行影像和数据进行采集，比如违规施工行为，道桥坍塌损坏，违章的建筑物，以及防涝设施等等。在通道巡视的过程中，仅仅通过无人机进行原始影像的采集，不足以满足对线路出现的危险源进行准确的位置判断，所以也需要应用到数据航飞技术，以正射影像的形式将线路内的隐患进行清晰的呈现，这样也更有利于提升巡检效率和质量，将安全隐患扼杀于萌芽之中，最终实现节约成本、减少纠纷的目的[4]。

4.3 故障巡检和特殊巡检

所谓故障巡检，就是指特高压输电线路出现故障时，进行故障的巡检和排查，从而获取到故障信息，再予以解决。而特殊巡检则是应对于特殊的巡检需求而开展的巡检工作，这两项巡检工作更有针对性。在案例工程之中，进行这两项巡检任务的过程中，也主要应用到了半自动化的精细巡检模式，排查出了线路具有钉销缺陷的问题，并通过高清正射影像的生成，将线路现场的数据图片信息予以收集，再加上现场视频从而完成诊断和处理，最终完成了故障巡检和特殊巡检任务。

4.4 无人机巡检数据的管理和应用

在特高压输电线路的巡检工作中，完成数据的管理和应用，主要是通过无人机的影像采集和地理信息系统来实现的。结合工程实践可知，无人机所采集到的影像资料非常清晰，同时也可以对采集到的影响资料进行高效地处理，最后生成了更好的影像成果并在地理信息系统综合管理平台中予以管理和使用，从而整理出工程输电线路现场存在的问题，比如输电线路与通道隐患之间的安全距离和位置关系，再如杆塔缺陷隐患类型以及所在的行政区域等等，这些巡检的数据和影像信息最后都能以报表的形式得以输出。在地理信息系统综合管理平台的支持下，无人机所采集到的线路影像和数据信息也能够得到更好的管理，处理起来更加高效，让信息呈现出了更大的利用价值。

5 结束语

随着科技的不断进步，无人机技术在各个领域中都得到了更加广泛的应用。其中，鉴于特高压输电线路巡检工作的难度较大，而且危险性也较高，所以无人机技术也为该领域巡检工作提供了极大的便利。无人机主要由飞行控制系统、动力系统、能源系统、通讯系统、荷载设备和地面监控站构成，目前来看，在特高压输电线路巡检工作中应用较多的无人机类型主要包括固定翼无人机，电动多旋翼无人机和无人直升机，其中小型电动多旋翼无人机的优势最为明显，深受业界青睐。本文结合酒泉—湖南±800 kV特高压直流输电工程案例，指出了无人机的技术流程，主要包括精细巡检、通道巡检、故障巡检和特殊巡检，以及无人机巡检数据的管理和应用。