卫星遥感赋能电网巡检的发展现状与展望

文/岑宗浩，王洪飞，王博，陈宏宇

（1.国家电网有限公司华东分部，上海 200120；2.复旦大学光电研究院，上海，200438）

一、引言

电网是能源资源输送的重要基础设施。电网持续稳定运行是社会经济发展的保障，是国家能源安全重要的一环。而电网巡检是及时发现、排除威胁电网安全隐患的手段。现如今，中国已经拥有庞大的电网设施存量。同时，在需求侧压力下，电网存量仍在不断增长。从2012 年到2020 年，我国电网规模翻了一番，全国110（66）kV及以上电线线路总长度达到了114.2 万公里。[1]电网巡检工作量也随之不断增加，传统的电网巡检风险高、效率低，已然难以适应当今的电网发展形势。

近年来，我国航天事业快速发展，尤其是在卫星遥感领域。我国在卫星载荷种类、遥感图像分辨率和定位精度、遥感数据解译等方面达到了国际领先水平。随着遥感图像分辨率和探测精度的不断提升，使用卫星遥感进行电网巡检变得可能。

卫星电网巡检是卫星遥感技术、人工智能、空间通信等多领域在电网巡检中的综合应用。卫星电网巡检是传统电网巡检的重要数字化改造，发挥卫星遥感领域技术优势，以提高电网巡检效率、缩短巡检周期、降低巡检成本。结合大数据、人工智能等关键技术，改造传统电网巡检的生产与管理模式。

二、电网巡检现状

电力巡检的对象主要有输电设施、外来物以及电网线路周边环境。其中，输电设施主要包括杆塔、导线、绝缘子等部件。这些部件会受到极端天气、地形变化等因素影响，容易出现杆塔倒塌、导线断裂、绝缘子破碎等事故。外来物会对电网设施造成威胁，主要存在的威胁因素有覆冰、异物和吊车等。周边环境一般指飑线风、树廊和山火等异常情况。

目前，针对上述巡检场景存在几种传统的巡检方法，分别为人工、直升机、无人机、挂线机器人、传感器等。

（一）人工

人工巡检是传统电力巡检的主要方式，由专门的巡检工人完成电力巡检检查工作。电力设施环境是否存在风险十分依赖巡检人员的经验。[2]单一的人力巡检方式在电力需求不断增长、电力巡检标准日益增高的今天已然不足，存在巡检成本高、巡检效率低、巡检风险高等劣势。人工巡检方式不足以支撑新时代对电力巡检的要求，直升机、挂线机器人、无人机等机巡方式被广泛研究、应用。

（二）直升机

直升机提供了俯瞰电力线路设施的独特视野，巡检人员可在短时间内巡视大面积区域，巡检效率有所提升[3]。搭载直升机，巡检人员更容易进入难以直接访问的地区。直升机可以搭载热成像仪、专用摄影机等设备辅助巡检人员监测输电设施可能存在的故障问题。但直升机其使成本较高，起飞前需要向民航局申请航线，易受禁飞区影响。在气象条件恶劣的情况下巡检人员的飞行安全难以保障。

（三）挂线机器人

挂线机器人巡检是一种利用机器人、传感器技术来巡视输电线路的方法。挂线机器人通常具有轮式或轨道式地盘，能够在输电线路上移动，其上配备摄像机、传感器等设备用于检查线路及其他设施的状态。挂线机器人通常具备自主导航能力，可以识别、避开障碍物并同时沿着输电线路的路径移动，其上运用的控制系统及控制算法是挂线机器人工作可靠性及巡检效率的关键。[2][4]

（四）无人机

无人机巡检是一种利用无人机进行电力设施、输电线路和相关设备巡检的方法。由于其具有作业风险低、环境适用性强、作业灵活性高可进行实时传输的优点，无人机巡检方式在电力行业中的使用越来越普遍[5][6][7][8]。

尽管优点众多，无人机巡检体系仍旧存在一定限制，自主巡检技术尚未成熟，需要有经验的操作员监控和操作无人机飞行。不仅如此，无人机容易受到外来物及环境因素影响，在面对突发状况时发挥作用有限。

（五）传感器

用于电网检测的传感器主要包括：可见光/红外相机、振动传感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器等。传感器对电网进行监测具有以下优点：安全性高、实时数据收集和处理、及时发现隐患。但传感器也存在缺点，主要在于：①传感器边缘计算算力有限，图像处理等功能需要回传到控制中心，对网络传输速率要求较高。②应用推广受到传感器安装、成本等多方面限制。传感器须人工安装在杆塔和高线上，对所有电网进行普及需要投入大量的人力成本。③传感器的投入增加巡检负担，传感器本身也会出现故障，增加维护成本。各种巡检的方法总结如表1 所示。

表1 人巡与机巡的优缺点总结

综上所述，目前我国采用的人巡和机巡结合的巡检方式仍然存在不可避免的缺点，无法对电网实现高频次广覆盖的巡检。想要进一步大幅度提高电力巡检效能亟需新技术破局，基于卫星遥感、卫星星座技术的星巡方式正帮助电力巡检体系迈上新台阶。

三、我国卫星遥感发展现状

我国的卫星遥感技术起源于20 世纪80 年代，稍晚于西方发达国家。经过近40 年的迅速发展，我国卫星遥感技术飞跃式发展，已经广泛应用于陆地资源监察、海洋生态保护、气象灾害预测等诸多领域，服务多项国家重大工程。[10][11][12][13]截至2023 年4 月，我国在轨遥感卫星已达200 余颗。这些遥感卫星主要分为三大系统：陆地遥感卫星、气象遥感卫星和海洋遥感卫星。[14]

由于我国架空输电线路主要覆盖区域为陆地，因此辅助电力巡检，有助于输电线路安全稳定运行的主攻手是陆地遥感卫星。另外，电网系统极易受飑线风、冻雨等极端天气的影响，气象卫星提供的气象数据也有助于电网系统的巡检。[15]在电网巡检领域，卫星遥感具有以下优势：

（一）覆盖地域广、快速重访

遥感卫星比直升机、无人机等平台拥有更大的幅宽，更高的飞行高度，可同时拍摄电网及其周围区域。当在不同轨道建立星座后，可实现卫星的快速重访，有助于突发事件地点遥感图像的快速获取，响应速度优于人巡和机巡。

（二）载荷丰富

遥感卫星可以搭载可见光、多光谱、中波红外、SAR等多种载荷，可适用于电网巡检中多种场景。

（三）在轨寿命长

遥感卫星大多运行在距离地球500 km 左右高度的轨道上，轨道越高，卫星受近地轨道稀薄大气的影响越少，寿命越长。

四、卫星遥感电网巡检可行性分析

随着航天遥感技术的发展，相机和雷达对地遥感的空间分辨率和对地定位精度不断提升。目前，相机和雷达的对地成像分辨率达到了亚米级精度，定位精度也达到了小于10 m 的水平。尽管，卫星对地遥感的空间分辨率远不如地面人工和无人机巡检近距离观察的效果，但遥感技术仍可勘察和监测电网系统中的杆塔、电线、周边环境。

（一）卫星遥感电网巡检整体方案

基于卫星遥感的电网巡检中所要观测的目标的检测存在的依赖关系，所有检测项目都是建立在完成杆塔和电线的检测之后。其中的关系如图1 所示。图1 中，电网自身缺陷检测用橙色框表示，悬挂在电线上的异物用蓝色框表示，绿色框代表周边环境带来的影响。

（二）输电设施可行性检测

（1）杆塔检测

可见光图像中，由于卫星拍摄姿态、载荷、太阳高度角、天气等因素共同作用，杆塔的图像呈现不同形式。拍照条件的不同会使杆塔本体更明显或杆塔影子更明显。可以用两种不同的方法检测和识别杆塔，分别为：①直接检测的本身[16][17][18]；②先检测杆塔的影子再根据影子推测杆塔本体位置。[19]

直接检测法不依赖影子，不受太阳高度角影响，但是杆塔投影大小取决于卫星拍摄时的侧摆角。间接检测法的优点在于：影子比本体更加明显，算法效果好。但是，影子长度依赖太阳高射角，当太阳直射杆塔时，杆塔的影子将消失，导致杆塔检测失败。

1.杆塔倾斜检测

近几年发展的永久散射体（PS）技术在滑坡、地面沉降和地质灾害监测等领域得到了广泛的应用。[20][21][22]PS 技术具有高精度、高时间分辨率、能极大提高影像利用率的优点。目前，大多数SAR 图像的入射角为30°。SAR图像上的杆塔投影距离达到了其本身高度的70%，这种投影关系大大提升了杆塔的识别能力。在SAR图像中可清晰判别杆塔的每个横担的端点和中心点[23]，这些点可作为永久散射体预测杆塔上每个PS 点的变化矢量，即可判断杆塔的姿态是否发生改变。

(2)绝缘子检测

绝缘子是杆塔上比较大的部件，在特高压输电线路中绝缘子长度通常在1 m 以上，但其宽度小于20 cm，即使在高清的遥感图像上分辨绝缘子仍是十分困难的。尽管在有些条件下无法观察到绝缘子的实体，仍可以在杆塔的影子中发现绝缘子的影子，使得绝缘子被遥感图像检测出来成为一种可能。目前，学术科研领域没有人尝试在遥感图像中检测杆塔上的绝缘子，相关领域没有理论和实践基础，但可以将现有的图像识别、分割和检测算法应用到这个领域。

(3)导线检测

在可见光图像中，电线的观测主要受到天气、太阳高度角，卫星观测姿态、背景颜色共同影响。当条件允许时，电线可以在遥感图像中被观测到。当太阳高度角合适时，电线的影子比电线的本体更容易被区分出来。基于边缘检测和直线拟合算法可将导线拟合出来。

(三)异物检测可行性分析

(1)异飘物检测

输电线上的异物搭挂现象一般出现在远离城区旷野地区，常见的挂线异物一般包括风筝、气球、农业塑料大棚的薄膜碎片。[9]目前，用遥感目标检测方法进行电力场景中的异物检测的相关研究工作几乎没有，其主要的原因在于：①缺少电塔和电线挂异物的真实数据，无法验证相关理论；②遥感图像分辨率有限，挂在电线上的异物的检测问题属于弱小目标检测问题，该问题一直是图像处理领域还在投入的领域，算法研发困难大。

(2)吊车检测

车辆是遥感目标检测算法重点关注的对象之一。目前车辆目标检测算法相关技术已经成熟，先进的目标检测算法在车辆检测精度指标达到90%。现在存在两种目标检测方法，分别为基于可见光图像的目标检测和基于SAR 图像的目标检测。SAR 图像中的像素代表目标散射微波的强度。SAR 图像是全天候的，不受云层和光照影响，在SAR 图像中车辆目标更容易被发现。综上，基于卫星遥感数据对电网覆盖范围内的车辆目标进行检测是可行的。

（四）周边环境异常检测可行性分析

(1)树廊检测

树廊是影响电力线路安全运行的重要因素，也是引发电力线路跳闸的主要原因。近年来，随着多光谱成像和数据分析技术的发展，利用多光谱数据对地表植被进行分类日益成熟，可以对杆塔和导线周围区域的植被进行分类，对速生桉等植物进行监测和预警。[25]另外，当前人们可通过采集不同时间同一树廊区域的遥感图像，通过变化检测算法推算该区域的变化程度。若变化程度较大，则该地区植被发生变化概率较大。[26]

(2)山火检测

利用红外遥感技术进行山火监测、发现着火点是较为成熟的技术。其核心在于对高温地物目标监测。基于遥感卫星数据的热源探测技术为监测识别高温目标提供了更加便捷、及时的手段，弥补了人工参与模式的诸多缺陷，成为监测高温的重要手段和方法。[27]

对于电网巡检的使用场景，短期热源的不可控和突发性对电网的威胁最大，短期热源通常包括各种火灾。中波红外的覆盖温度范围是800℃～950℃，该温度范围恰好覆盖着火点的温度区间。因此，可利用中波红外相机对电网区域进行扫描，对电网周边环境的地表温度进行反演，获取地表的温度。对温度异常点进行普查，对长期热源进行登记，在处理结果时可过滤掉长期热源，对短期热源进行及时检测。短期热源的检测可使用基于目标检测的方法，异常出现的高温点进行捕捉和定位。

（五）极端天气预警

对电网损害较大的极端天气主要有冻雨和飑线风等。冻雨会造成杆塔和电线覆冰。而飑线风则会导致杆塔倾斜甚至倒塌、电线断裂等事故发生。

（1）覆冰预警

线路覆冰就是指冻雨天气造成一个范围内的所有电线都被冰包住的状况。根据冻雨形成是大气的特性，利用气象卫星对大气层不同高度的水汽和温度的红外数据进行反演可实现对冻雨天气的预报和检测。目前，我国所发射的气象遥感卫星所产生的气象预报的分辨率还在公里级别，没法实现对电网区域周边环境的精准预测。但现阶段可以实现对可能发生冻雨的地方进行气象监测，若电网线路通过该区域，即可及时得知冻雨可能到达的强度，通过建立冻雨强度与电网覆冰程度的模型，即较为准确地评估冻雨对电网的威胁程度。

（2）飑线风预警

飑线风属于雷暴的一种。飑线风可通过局部地区的大气温度和风场变化来预测。[28][29]由于飑线风持续时间很短，用卫星遥感数据预测或捕捉正在发生的飑线风概率很低。目前，我国在轨服务的气象卫星尽管所在轨道类型丰富，回访周期从12 小时到十几分钟，但都不能同时满足高分辨率、高回访频率和小尺度的气象预测。相对于覆冰天气的预测，飑线风的预测难度更大。

针对电网巡检的应用需求可设计专门的气象卫星星座，对电网覆盖区域进行高分辨率、高回访频率的气象监测。可将被动微波探测仪作为气象卫星的主要载荷，对电网地区的温度、风场、水汽等探测，通过建立预报模型来实现对极端天气的精准预测和监控。

五、结论

卫星遥感具有覆盖范围广、快速重放、载荷丰富、寿命长等特点。但卫星遥感技术应用在电力巡检领域还存在局限性，体现在：①卫星遥感图像的分辨率不能实现对细小零件的检测；②卫星遥感只能俯视对电网巡检，当电网下面出现问题时，卫星会漏掉这部分信息。而这些局限性对于无人机等常规巡检方法可以被忽略掉。因此，卫星、人巡和机巡可以优势互补，卫星可以实现高覆盖域、高频次的电网巡检，人巡和机巡则可提供精细的近距离巡检。我们可通过建立空天地一体的电力巡检系统，实现卫星对电网进行普查和预警、地面指挥中心调配无人机近距离巡检的高效的电力巡检，共同维护好输电设施的安全稳定性，实现我国电力巡检体系的高质量发展。