输电架空线路的无人机巡检技术应用

2021-12-25王霖张文豪杨斌

科学与信息化 2021年20期

王霖张文豪杨斌

国网镇江供电公司江苏镇江 212000

引言

我国幅员辽阔，为保证全国各地的可靠供电，需建设较多的高压输电线路。而线路巡检是保证高压输电线路正常运行的重要手段，对我国电力的可持续供应和经济的安全、快速发展具有重要意义。最近十几年，随着国家经济的高速发展，架设的高压输电线路越来越多。在这种背景下，如果采用传统的人工巡检模式巡检数量如此之多的高压输电线路，将会不可避免地存在着作业强度大、巡检周期长、部分线路检修危险等问题。近年来，国家电网公司积极引进无人机智能巡检技术，提升高压输电线路巡检工作的自动化程度，改进巡检工作模式，以期实现高压输电线路的精确、高效、经济巡检。

1 无人机的控制巡检技术

无人机的飞控系统是相当精密的，它所建立的无人机平台拥有分系统，其中包含了大量的飞控计算机核心组件，其性能优劣与整个飞控系统的性能存在直接关联关系。一般来说，无人机的飞控计算机性能表现都十分强劲，如此才能保障无人机安全稳定飞行。在这里，飞控系统就承担了两大重要责任：信息采集以及无人机飞行参数传输，它们合理有序控制了无人机的飞行速率，可实现对飞行路线的有针对性解算与控制，基于路线相关模块发送指令，完成飞行任务管理与调度工作内容。在无人机进行架空输电线路巡检过程中，它主要运用到了多余度飞控系统，该系统可满足无人机飞行需求，建立多部件与系统协调体系，确保在统一协调机制背景下完成同一任务内容。在建立余度结构过程中，还需要对架空输电线路中的二余度、三余度内容进行分析，保证顺利完成巡检任务。而在架空输电线路巡检过程中，无人机主要利用飞控计算机建立双余度结构，如此可保证简化结构复杂性，实施针对监控输电线路巡检过程中的主从机控制，降低系统故障覆盖率。在设计这一双余度结构过程中还需要建立与架空输电线路的交联环境，调整无人机的飞控方式，检测区域环境复杂程度，对巡检过程进行人工决策优化调整，采用自主控制方式来尽量减少巡检工作中的诸多不确定性因素。在巡检技术应用过程中，应该利用无人机建立巡检动态建模与代理信息模式，提高无人机巡检效率[1]。

2 输电架空线路的无人机巡检技术应用

2.1 输电线路无人机巡检平台功能设计

本平台作为基于5G网络的新型无人机巡检平台，设计了首页、状态概览、巡线管理、无人机巡线、信息管理、资产管理和系统管理7类功能，实现线路管理、设备管理、权限管理、任务管理等管理需求，且提供无人机巡检的操作及监控能力，同时首页为大屏展示，提供实时图像、数据、告警信息、线路地图等信息的展示。①首页。首页为大屏展示功能，可以提供巡线实时场景展示、多线路多图层可视化展示等图像展示功能，同时还可以提供安全运行天数统计、危险点统计、今日巡检任务统计、无人机巡检占比统计、本周巡检任务统计、实时告警及统计等信息的图表展示功能。②状态概览。提供状态信息的可视化查看功能，提供线路地图的多图层展示，并通过点击图层内线路、无人机等图标，实现线路基本信息、杆塔基本信息、业务告警信息、无人机信息、搭载设备信息、无人机位置信息等信息的查看和显示功能。

2.2 自主飞行控件

自主飞行控件由“无人机自主巡检事务控制移动应用”和“无人机自主巡检管控平台”系统组成，用于现场与无人机飞控信息交互，指导无人机自主飞行作业，作为后台管理系统进行巡检任务及巡检成果管理。通过移动应用与管控平台的协同配合，支撑配电网无人机巡检作业，实现以下应用功能。①巡检任务协同管理。根据巡检任务要求，平台自动统计可用资源信息供巡检人员选择，并根据巡检任务分配自主巡检路径。平台可将任务信息自动推送至现场作业人员，并进行作业提醒。实现一对多的巡检任务协同管理。②一键高效自主巡视。无人机飞控系统将巡检任务里的高精度自主巡检路径下发至无人机，在北斗差分定位服务的保障下，只需一键启动便可实现无人机自主巡视、精准悬停及定点起降。③巡检过程实景可视。平台对接无人机飞控系统，可在三维实景中直观地监控无人机飞行状态，并可通过高清影像进行远程协同巡视及疑难问题的专家诊断，实时指导现场作业。集成智能识别模块还可自动标注缺陷位置，提醒巡检人员重点关注。④巡检成果便捷处置。移动应用自动将巡检成果打包发送至后台服务器，线路管理人员可通过任务、线路等多种渠道轻松查找及管理巡检成果，做到历史数据可追溯，现存数据可查询，同时便于线路管理人员对缺陷进行标注、复核及消缺管理。

2.3 巢-巢巡检技术模式的实践应用

巢-巢巡检技术模式属于无人机巡检工作中的新技术模式，它可在有条件背景下完成变电站架空输电线路的远程巡检工作，主要操作就是针对远程架空输电线路发送管控指令，建立远程无人自主巡检模式。该模式中除采用到无人机巡检技术以外，还采用到人工智能AI图像识别技术、5G通信技术以及云计算技术等等先进技术内容，是典型的无人机智慧巡检模式。智慧巡检技术的实践应用包括：①从架空输电线路的全方位远程监控系统建立开始，建立系统的无人值守机巢，配合中央控制系统进行远程控制。②基于云端层面部署监控平台实施后台监管，预留空域管理接口建立监管综合体系。基于上述两点技术采用到续航能力在50min以上的无人机，且确保其单向巡航里程应该在35km以上。整个巡检过程采用到中央控制系统对机巢实施远程管理，而无人机则配合气象站辅助设备远程发送各项指令内容，以便于控制无人机在必要时自主开机、起飞、按照提前规划好的航线完成自主飞行巡检工作，最后精准降落。③在机巢控制系统中还加入了自动充电模块、自动数据传输模块以及云端数据自动智能处理模块等，所有巡检数据都会自动上传到后台管控中心，完成整个巡检工作流程。巢-巢巡检技术体系就建立了无人机机巢与后台管控中心巢之间的相互连带体系，而其中则利用无人机完成自动化、智能化巡检过程，所有的数据内容都通过无线数据传输完成，最后再采用深度学习人工智能图像识别技术有效解决数据自动智能分析相关问题。而多传感器技术在巡检工作过程中则起到了解决远程精准起降等关键技术问题。

2.4 无人机续航

无人机续航能力不足是输电线路无人机智能巡检技术中存在的另一关键问题，已严重制约了输电线路巡检的效率。目前，无人机续航时间通常为30min左右。为解决无人机的续航问题，部分地区已开始采用了设置无人机机巢的方法。无人机机巢主要有巡检车改装而成的移动式机巢和固定于杆塔顶部的固定式机巢。其中，移动式机巢可在一定程度上提高无人机巡检的续航时间，但并不适应无人机自主巡航的发展趋势，并且人工、维护等成本较高；而固定式机巢仅需少量的人工干预，更加契合无人机自主巡检的要求，因而具有较好的应用前景。然而，如何将固定式机巢完备地融合于输电线路无人机智能巡检技术中，还有诸多技术难点需要攻克。此外，对无人机进行动态充能是一种更加理想的解决方案。通常这种方式，可直接提高无人机的续航能力，但也存在着一些需要解决的关键技术问题。

2.5 无人机智能联动

无人机智能联动是指无人机与杆塔上图像监测装置结合，当图像监测装置检测到有问题时，通过平台间数据共享触发智能联动机制，控制无人机自动进行清障、喊话等操作，保障输电线路运行安全。当无人机巡检平台接到可视化平台推送的通道异物告警后，巡检平台将异物位置信息发送到无人机，同时给无人机发送清障指令，无人机接到指令后自动更换搭载设备，搭载激光清障器和高清摄像头，利用5G通信高带宽、低延时、高精度的特点，准确到达异物位置，并锁定异物，高能激光束射到目标异物，通过光热作用将架空线路上的漂浮型异物部位吸收激光导致局部温度急剧升高后熔化或气化，从而掉落。同理，当输电线路下方出现未经批准的非法施工或经过超高车辆后，无人机接到指令后自动更换搭载设备，搭载喊话装置和高清摄像头，快速到达指定位置，对下方施工人员或车辆司机进行喊话，勒令其停止施工或驶离，并进行录像保存证据，并将视频实时回传至无人机巡检平台，运维人员可以通过现场视频进行备案和责任追寻。

2.6 无人机航拍图像安全性分析

为方便用户读取航拍图像，无人机厂商将图像信息存储于可插拔的外部存储器。考虑到用户无人机实时操控性能的需求，目前外部存储器并无任何访问控制防护手段，攻击方在诱骗劫持无人机后可直接拔取存储器获得航拍图像数据。此外，在未来大规模开展无人机多场景自主巡检作业后，考虑到自主巡检对高响应性能的要求，厂商将飞航数据和预设航迹路线等敏感文件嵌入内部高速驱动器，因同样未设置访问控制手段，攻击方仍然可通过无人机的Micro USB 端口接入获取数据。

2.7 图像数据处理

无人机巡检图像数据主要来源于光学影像数据和激光雷达点云数据。其中，激光雷达点云数据的处理已具有较高的智能自动化处理水平，应用商业软件再加上少量的人工干预即可。而光学影像数据，包括可见光影像、红外影像等数据的智能化处理尚不成熟，还处于初步研究阶段。目前，可见光影像数据智能化处理是输电线路无人机巡检图像处理领域的热门研究方向。传统的电力设备图像数据处理方法是基于人工设计特征提取的机器学习图像目标检测方法。随着计算机性能的不断提升和智能算法的不断发展，有学者提出可建立大型的数据集，将深度学习算法引入输电线路无人机巡检图像的数据处理中。但是，目前还难以建立起比较完善的数据集，制约了深度学习技术在输电线路无人机巡检图像数据智能处理中的发展。未来可通过不同单位和公司的合作方式，建立完善的电力设备缺陷数据集，将深度学习技术的优势在无人机巡检图像数据智能处理中的优势发挥出来[2]。