无人机在输电线路巡检中的应用和发展

2022-01-13石书山

光源与照明 2021年7期

石书山

贵州电网有限责任公司输电运行检修分公司，贵州贵阳 550000

0 引言

近年来，全网输电线路无人机巡检业务发展迅速，已基本实现了“人巡为主、机巡为辅”的线路巡检模式，为输电线路安全稳定运行提供了有力保障[1]。现阶段，我国已形成东北、华北、华中、华东、西北和南方共六个跨省电网，其中110 kV以上的输电线路超过51.4万km，500 kV输电线路已成为各大电网的主力。由于我国国土辽阔，地形、气候复杂，输电线路巡检每1 000 km距离不仅需约10名巡检人员进行不间断的线路排查和维护，还需40多名护线人员对线路进行日常维护。传统的日常巡查维护方法已很难满足现阶段快速、高效的巡视需求。随着无人机技术的进步，无人机已从军事领域逐步扩展到电力行业，如输电线路巡检、变电站巡检等，提高了电力设备日常巡检的效率。

1 无人机在输电线路中的应用

1.1 缺陷高清图片拍摄

随着输电线路的不断扩展，现代化的输电巡检和设备管理受到了巡检人员的重视。在常规输电线路检测中，巡检人员会对输电线路的所有设备进行检测，由于设备种类和数量繁多，巡检任务是一项复杂、目标多样且分散的任务。使用无人机可见光技术和热红外技术对需要检测的设备进行拍摄，巡检人员可根据拍摄的照片对输电线路进行缺陷分析和定位[2]。对主要检测目标和检测类型的缺陷进行统计（见表1）。

表1 输电线路检测目标和检测类型

从可见光图片（见图1）可清晰观察输电线路设备外观情况，且可根据判断规则对检测目标进行判断是否存在缺陷，如绝缘子串组掉串、脱开，电弧烧伤，端部金具锈蚀等缺陷。从热红外图片（见图2）可查看设备检测时的温度，检测部位是否存在因设备缺失造成的温度异常，也可查看已有设备因温度异常产生的微型形变。在使用无人机进行常规检测时，应注意影响拍摄效果的因素，如拍照角度和天气以及高压导线附近的电磁场辐射。此外，测量设备的因素也不能忽略无人机的选型、热红外测温的精度、测量时无人机与设备的距离等。在无人机选型时，巡维人员要根据该条线路的特点进行设备选型和测量精度选型，确保机器的性能达标，满足测量的硬性条件。

图1 可见光拍摄导线断股

图2 热红外拍摄绝缘子升温异常

利用无人机拍摄可见光和热红外图片，巡检人员可快速识别和定位输电线路设备的缺陷和缺陷位置，提高巡检效率，确保输电设备稳定工作。

1.2 线路自动规划

在使用无人机巡视输电线路的过程中，需要对输电线路各杆塔和设备进行近距离拍摄。尽管该方法已在电力行业广泛应用，但由于近距离拍摄容易损坏输电设备，且高压电线附近容易产生较强的电磁场，对拍摄设备有一定的影响，因此对飞行员的要求较高。采用激光点云测试可对现有的设备进行三维建模，了解线路的特征和关键设备的位置，从而固定无人机的自动巡检路径，保障输电设备、拍摄设备和人员的人身安全[3]。

无人机负载激光雷达技术获取的点云数据不仅能辅助巡检人员对线路进行常规的安全检测，同时可为精细化的自动巡检线路提供基础航线信息。激光雷达技术可根据预先设定的飞行航线获得高精度、高分辨率的三维坐标，主要包含点云几何数据、影相数据、激光强度数据、激光回波数据四种数据。通过几何校正、预处理、分类、叠加地面点、约束要素和构建规则三角网等操作，生成数字高程度模型、数字地表模型及测区内等高线图，结合实际线路图像生成高精度数字正射影相图。用户可通过这些测绘成品在系统中进行交互操作，获得输电线路最基本的数据。根据获取数据，巡检人员可固定无人机的自动巡检路径，根据无人机机型、航迹点数、飞行高度、距离等因素，选择出最优的飞行路径。无人机的拍摄航迹点数与输电线路设备类型和数量密切相关，在训练识别模型时，需将所在航线的所有杆塔、设备需检测的内容进行标记。结合上述条件，在多条航线中找到路径最短、耗时较少、拍摄种类较多的路线作为最优的飞行航迹。

1.3 通道植被检测

输电线路通道植被生长过快会对输电线路安全造成威胁，从而形成植被隐患。预测植被能确定植被准确位置，并在合适的时间砍伐存在隐患的植被。传统的植被检测是由人工巡查的方式实现。巡检人员需到达现场测量和记录通道的植被情况，并对记录的数据进行分析。一旦分析结果超过安全距离，则视为植被隐患。这种方法对植被检测的结果容易受到人为因素的影响，也容易对巡检人员的人身安全造成威胁。

采用无人机负载激光点云技术，根据杆塔位置提取输电线路设备对应的点云数据。点云数据分析后，结合输电线路安全运行规范分析导线与植被之间的距离是否满足安全规范。随后，进行安全分析，最直接的方法是分别计算每个输电线点与植被点之间的距离，判断是否小于安全规范设定的值。为了加快查找速度，对植被点云建立空间检索结构kdtree，遍历所有的激光点。遍历后，根据线路安全运行规程所规定的安全距离寻找该巡检线点范围内是否存在植被隐患，若存在植被点，则确认为缺陷点位置，并保存缺陷点数据库。巡检人员可根据缺陷点位置和危机程度到现场处理隐患植被。

激光点云技术在小范围的效果甚微，成本较高，在采用前，应结合综合情况判断该技术是否适用。

2 无人机在输电线路应用的机遇和挑战

2.1 机遇

（1）发展机巡业务是应对电网快速发展、缓解运维资源紧张的有效途径。我国经济社会已经进入了新常态，电网建设将仍然保持较高速度增长。与电网和设备资产快速增加相比较，电网公司生产运维人员规模已经无法与电网发展速度相匹配。按照南方电网输电线路人员定额标准测算，2015年，输电运维人员总体缺口约为3 000人，缺员比例达34%。机巡业务的发展将大幅提升输电线路运维效率，有效缓解人员紧张的情况。

（2）新技术应用为机巡业务发展提供了技术和资源保障。近年来，以云计算、大数据、互联网和移动应用为代表的新技术快速发展，电网企业不约而同地选择主动融入技术发展的大潮中，电力创新屡见不鲜，以数字化、信息化管理为代表的电网管理新模式正在形成。从机巡业务发展的进程来看，一方面，随着技术不断成熟，无人机制造和使用成本逐渐降低；另一方面，随着大数据、物联网、云计算等新技术发展迅猛，远程数据采集分析成为可能，保证了机巡业务所需的时效性，为机巡发展提供了技术保障。

2.2 挑战

（1）国内无人机相关管理法规欠缺，给无人机巡检的发展带来管理挑战。国内无人机相关管理法规制定滞后于无人机技术发展，目前无人机适航体系、操作人员资质管理体系、空域申报体系均尚未建立完整的管理法规。强制性管理要求的缺失造成了目前无人机应用存在混乱的情况，无人机干扰正常空域使用的情况时有发生。这也给无人机巡线业务的发展带来了新的管理挑战，需要结合各地电网实际情况，重点考虑应用策略，保证人机巡检配合得当，以免带来违规风险。

（2）各单位机巡业务开展水平差异较大。部分电网公司在直升机或多旋无人机巡视作业方面开展较早，对机巡工作重视程度高，在机构建设、人员配置、装备购置等方面投入较大，具有较强作业能力且业务发展方向明确。部分电网公司因机巡中心成立较晚或前期机巡业务投入较少，存在基础薄弱、专职人员少、技术水平不高、装备配置不足等方面的问题，尚未形成规模化、常态化机巡业务。