基于架空输电线路挂载无人机电力巡检技术的分析

国网河南省电力公司西峡县供电公司 石 岩 张汶卓

1 无人机电力巡检依赖的压缩感知跟踪技术原理

以无人机来实现电力巡检，已经成为当前电力行业应用的主要模式，是推动电力行业朝着智能化方向发展的有效措施。用于电力巡检的无人机，应具有飞行监控、地图导航、任务回放以及天线控制的功能。

压缩感知跟踪技术理论是信号处理领域的技术，也是当前信号处理领域主要的研究和发展方向，应用该技术可在保证画质清晰度的前提下压缩图像大小，并节省压缩时间[1]。在这一过程中，对图像信息进行处理的前提，就是能够对稀疏的原始信号以稀疏重构的方法，恢复为可供处理的原始信号。具体而言，该技术主要包括以下内容。

设定承载图像信息的信号为x，信号长度为N，这一信号能够包含K 个非零值，那么就可以用K 来代表信号x 的稀疏度。用φ 来代表M×N 的矩阵，可以用y=φx 来代表一维的测量值，则该测量值的长度可以用M 来代表。在设定以上未知数之后，可以基于压缩感知的原理来明确y 和φ 的值，再将得到的数据带到方程当中，就可以得到x 信号的值。

这一过程需要应用到线性投影的原理，可以用以下公式表示：Y=φθ=φΨ-1x=Acsx。在该式中，φ 代表具体形式为M×N 的稀疏测量矩阵，x、θ为一维向量，长度为N，Acs代表一个维数为M×N的观测矩阵，且M ＜N。

在这一情况下，方程中存在的未知数要超过方程的数量，因而方程的解是不确定的。但由于x 信号本身是稀疏的，其中可能包含数值为零的元素，则该方程能够拥有重构信号。在明确以上原理之后，结合RIP 原理中强调的相关条件，将变换对象确定为初始数据，在这一情况下，只需要让φ 和Ψ 两个量不相关，即可完成观测矩阵的应用与求解。

对于原始信号的重构，需要以误差最小值为主要目标，借助观测值来实现信号的转换。在这一过程中，应能够结合采集数据和信号的实际情况，应用合适的算法。若明确一定数量的观测信号，基于对信号进行转换和重构的要求，可以直接通过稀疏变换的原理，结合原有欠定方程的特质，将信号观测值转换为范数问题，通过求解方程来得到相关信号的实测值。这一过程用公式表示如下：=argmin||x||0。在该式中，||x||0代表L0范数，能够代表方程中包含的非零元素的数量。

考虑信号重构过程中可能受到各种因素的干扰，且信号本身也属于一种噪声，对重构的信号进行求解，应将噪声干扰考虑到方程的计算当中，选择合适的算法来进行有关信号重构的计算，提升信号获取与重构计算的准确性。

2 基于架空输电线路的挂载无人机电力巡检技术应用分析

考虑当前电力市场对电能供应的大量需求，以保障架空输电线路的运行安全为主要目标，将挂载无人机应用到架空输电线路的电力巡检当中，对于提升输电线路的运行质量和效率具有重要的作用。结合无人机电力巡检中有关信号处理技术的应用原理，在进行挂载无人机电力巡检技术应用分析时，应重点围绕以下几个方面的内容进行深入研究[2]。

2.1 规划输电线路巡检工作

应用挂载无人机对架空输电线路进行电力巡检，应将传感器安装到无人机身上，在传感器获取数据之后，依靠声波和信号传输将采集数据传输给巡检系统，再由巡检系统依据既定的逻辑程序和算法，对数据信息进行处理，由系统自动生成电力巡检的参数集成表，供给相关人员进行分析检测，保障书店线路的运行安全。

例如，将超声波发射器安装到无人机机身上，在无人机航行的过程中，让发生器向某一方向发射超声波并自动计时，超声波接收到碰到障碍物反射回来的超声波之后，停止计时。然后直接通过测量超声波的发射脉冲以及接收脉冲的时间差、超声波在空气中传输的速度，对无人机与被测物体之间的相对位置距离进行计算。为避免受到声波的干扰，需要在无人机上安装防干扰的装置。

在对架空输电线路的电力巡检过程中，发挥无人机的作用，基于电力巡检的要求来为带电作业提供支持。例如，在某220kV 的等电位的带电作业中，主要发挥辅助的作用，让绝缘绳和斗滑车挂钩连接起来，提升带电作业的实际效果。

2.2 实现电力巡检测距

信号传输对距离有着较为规范的要求，进行电力巡检时，无人机与被测物体以及信号塔台之间的距离，应在可供信号传输的安全范围之内，才能够充分发挥无人机的作用，通过信号传输来实现对于无人机的指令控制以及检测图像的获取。

应用挂载无人机技术，能够基于TOF 的原理实现无人机测距，依据对光的时间差和相位差的测量结果，对无人机航行周围是否存在障碍物进行判断，及时获取现的障碍物无人机与障碍物之间的距离。该技术依赖TOF 系统发挥作用，由TOF 系统对无人机有效半径内进行360°的全方位扫描，对于检测到的障碍物，直接由TOF 系统向无人机的飞控系统发出指令，实现对于无人机的自动控制。

毫米波雷达测距由雷达发射出一个锥状的高频连续波束，波束的发射频率能够依据三角波的规律进行变化。在雷达接收到的回波频率和发射频率变化规律相同的情况下，可直接利用二者之间原本存在的时间差，来对无人机与被测物体之间的距离进行计算。雷达测距系统的运行原理如图1所示。

图1 无人机的激光雷达系统

2.3 维护电力设备的运行

现阶段，挂载无人机已经能够实现对于电力设备的有效运行维护。结合无人机巡检过程中获取的图像，对巡检中发现的问题可采取有效的措施来保障电力设备的安全运行。例如，图2为某种电力巡检用无人机夜间照明挂载装置，该装置将照明装置和照明电池固定安装在无人机本体固定支架的两端，照明装置与无人机本体存在的摄像头之间，能够基于导线实现联动，在无人区处于飞行状态下，能够分别对无人机所在的周边环境和摄像头的前方进行照明，让无人机能够在夜间发挥巡检作用。

图2 电力巡检用无人机夜间照明挂载装置

2.4 影响无人机巡检技术应用效果的因素

2.4.1 无人机巡检作业安全距离

在实际应用无人机进行巡检作业时，发现当无人机进入近塔范围，容易出现机身抖动以及失控的情况，容易对巡检作业的安全产生影响。深入分析之后发现，这种降低无人机远程操控能力的情况，主要由于以下方面原因导致。

在考虑高压线路输电运行环境的前提下，由于电流通过产生的磁场效应，会影响无人机的航行路线和飞行状态。同时，如果无人机飞行过程中与输电线路的航行路线逐渐缩短，无人机自身装备中的尖端部位也容易受到磁场变化的影响，在磁场影响较大的情况下，还会因放电作用而影响无人机的飞行安全。

在此基础上，无人机在飞行中也会受到输电线路以及杆塔的影响，导致用于操控无人机航行的信号丢失，在影响无人机航行性能的同时，也会对支持输电线路的电力设备正常运行状态产生影响。而如果在巡检作业中发现无人机已经出现难以正常作业的情况，进一步受到强磁场作用影响的情况下，导线也会对无人机产生吸附作用。

为应对这一因素给无人正常航行和巡检作业产生的影响，应加强对无人机作业与输电线路距离的控制。考虑架空输电线路的运行特点和要求，在应用无人机进行电力巡检作业时，可从电厂的角度出发，在进行巡检作业前，发挥计算机信息系统的作用，结合电力巡检工作现场的实际环境，了解输电线路运行情况，明确无人机系统对直流电场的影响程度，从而计算分析得到无人机巡检作业时需要与输电线路之间保持的安全距离（见表1）。

表1 低电压等级下输电线路导线侧面空间电场分布情况

2.4.2 无人机续航时间

续航时间也会对应用无人机进行电力巡检的效果产生影响。结合当前应用无人机的实际情况，发现续航能力不足是限制挂载无人机电力巡检模式推广应用的主要原因之一。而造成这一现象的主要原因是：由于无人机在实际飞行中会受到重力的影响，对无人机应用大容量电池会导致无人机承受的重力加大，进而影响无人机的飞行高度和航行效果。而电池的容量大小会直接影响到电池的质量和体积大小。

2.4.3 无人机电磁干扰防护

电磁干扰防护是应用无人机进行电力巡检时需要考虑的重点因素。基于新石器电网运行规模不断扩大，输电线路数量不断增加的背景，对应用无人机进行电力巡检工作的要求不断提高，而无人机工作的难度也在不断提升。在未完成实际巡检任务要求的情况下，如果无人机受到电磁场的影响而被干扰，直接影响到整个带电作业的安全，也会对电路的正常运行产生影响。考虑电磁干扰主要基于干扰源、干扰途径以及受扰体三个要素构成，以屏蔽干扰源的方式，能够从源头降低电磁干扰对无人机作业的影响。现阶段，能够用于抵抗电磁干扰的方法，以接地技术、滤波技术以及隔离技术为主。

2.5 挂载无人机的未来发展方向

在充分考虑无人机本身应用原理的背景下，结合各种测距技术的应用优势和特点，对挂载无人机的优化研究，可以考虑将双目摄像机作为避障的光学补充，主要应用毫米波雷达与双目视觉测距相结合的方式，实现对于架空输电线路范围内障碍物的有效检测。而在对无人机自身结构和应用系统进行设计时，则应充分考虑各种可能影响测距技术的应用因素，注重控制无人机与输电线路之间的安全距离，并能够在规定的无人机续航时间内，积极采取措施降低由于输电线路强磁场对无人机造成的干扰情况。

综上所述，挂载无人机能够为电力巡检提供更便利的条件和支持。对架空输电线路进行日常的电力巡检，应在明确挂载无人机这一技术应用原理的基础上，结合以往电力巡检中无人机巡检存在的可能影响检测图像质量效果的因素，规范技术应用的相关步骤，并能够充分考虑无人机航行过程中可能存在的各种客观因素限制，不断优化发展挂载无人机应用的技术，为架空输电线路的安全运行提供保障。