輸電線路直升機智能巡檢關鍵技術研究

劉 高 武利會 張 虎

（廣東電網(wǎng)公司 佛山供電局，廣東 佛山 528000）

我國電網(wǎng)現(xiàn)已發(fā)展到了一個新的階段，特高壓交、直流輸電示范工程建設，長距離跨區(qū)域輸電線路將越來越多，其正常運行維護、檢修、故障探測及帶電作業(yè)，更迫切需要先進的現(xiàn)代化技術支撐，以提高現(xiàn)代化電網(wǎng)輸電線路的運行維護質量和效率，及安全運行水平.目前世界上比較先進的國家大多采用直升機應用于導線路的檢修和維護，而我國直升機巡檢在電力系統(tǒng)中應用也有10年多的時間，華北、東北、浙江等相繼開展了此項工作，為開展直升機巡檢技術的研究，提升輸電線路的現(xiàn)代化水平奠定了良好的基礎.

通過對直升機巡檢技術的國內外調研，發(fā)現(xiàn)當前的直升機巡檢技術存在如下問題：1）目前直升機巡線成本高.一般需要2人巡線，而且巡檢的平均速度低、有效時間短、工作效率低.2）直升機巡檢作業(yè)自動化程度不高.沒有專業(yè)機載系統(tǒng)的支持，所有設備全部依靠手工操作，數(shù)據(jù)漏檢較多.3）在直升機上巡檢技術手段單一.主要靠人眼、望遠鏡發(fā)現(xiàn)缺陷后，采用可見光攝影攝像設備、紅外熱像儀記錄缺陷，以上觀測手段會導致線路電暈放電等隱蔽性缺陷不能有效發(fā)現(xiàn)，以及線路通道交跨物危害性目標的距離檢測只能靠目測大致估算.4）當前直升機巡檢技術數(shù)字化程度不高.一般采用磁帶記錄圖像數(shù)據(jù)，不利于地面人工通過計算機分析缺陷和管理巡檢缺陷圖像等.

為了解決上述存在的問題，本文從直升機對線路導航的自動化、各種檢測設備拍攝線路的自動化、發(fā)現(xiàn)線路部件缺陷的智能化、及對線路部件缺陷管理的規(guī)范化著手，進行了深入研究.

1 智能直升機巡檢系統(tǒng)

在直升機巡檢時，需要有一種高效的方式對線路部件及缺陷全部拍攝，同時將拍攝的線路部件圖像能實時存儲，便于事后分析診斷其缺陷，本文從智能的直升機巡檢系統(tǒng)的組成及線路巡檢的自動控制方法兩方面論述直升機巡檢系統(tǒng).

1.1 智能直升機巡檢系統(tǒng)的組成

圖1 智能直升機巡檢系統(tǒng)的組成

1.2 線路巡檢的自動控制方法

現(xiàn)有的直升機巡檢系統(tǒng)，需要人工操作對準導線與桿塔主要部件，必要時要求直升機懸停在桿塔上方，調整吊艙拍攝線路部件，這種人工操作雖然簡單，但重復勞動強度很高；而且要求直升機懸停，實際上降低了直升機巡檢的效率，導致直升機巡檢成本提高.

智能直升機巡檢方式不需要人工操作，或者以自動對準線路部件為主，以人工操作為輔，降低直升機巡檢人工操作強度.采取在導線區(qū)域快速巡檢；在接近直線桿塔中速巡檢，對大小側全面拍攝；在接近耐張桿塔慢速巡檢，對耐張塔大小側進行精細拍攝，實現(xiàn)一種高效的直升機巡檢模式［1］，進而降低直升機巡檢的成本.為實現(xiàn)上述所提的智能巡檢，研制了基于桿塔空間GPS位置信息，動態(tài)測量吊艙接近桿塔的距離，進而實現(xiàn)自動調整吊艙對準桿塔.

圖2 自動采集控制原理圖

圖3 直升機與桿塔位置動態(tài)度量

首先，在每次巡檢任務前，建立桿塔的GPS信息，并標注每個桿塔的類型，即直線塔還是耐張塔，規(guī)劃飛行的安全通道，制定飛行的速率，在導線區(qū)域快速飛行，在桿塔區(qū)域慢速飛行.

在巡檢飛行時，隨時計算吊艙與最近桿塔的距離，在接近桿塔時，分析與桿塔距離的變化趨勢，即在大號側與小號側各50m范圍內，主要針對桿塔區(qū)域拍攝，分析距離變化趨勢，旋轉吊艙對大號側與小號側分別進行拍攝.

2 智能的缺陷診斷方法

輸電線路缺陷種類與數(shù)量很多，為了能全面檢測線路各種缺陷，設計了智能診斷系統(tǒng)的核心是統(tǒng)一的診斷算法接口管理模塊，這個接口管理模塊構建了一組生成診斷算法標準接口的函數(shù)，不同的診斷算法均可以套用這個接口，進而構建不同的診斷算法庫，在接口管理模塊中，可以按一定（可以設定）次序將各診斷算法按鏈表連接，輸入的圖像數(shù)據(jù)依次傳輸?shù)礁魉惴ǖ妮斎虢涌谥校⒃\斷結果寫入到一個統(tǒng)一的結構中.實現(xiàn)對缺陷診斷算法及部件識別算法完全自動管理，實現(xiàn)自適應增強巡檢系統(tǒng)的性能［2］，如圖4所示.

圖4 智能診斷系統(tǒng)功能模塊

2.1 線路熱缺陷的智能診斷

將提取的導線對象方法應用到紅外智能熱缺陷診斷中，在紅外圖像上提取出導線在其方向上左右各擴展一段區(qū)域，即為導線接觸點區(qū)域，將其與導線連接為一個對象，采用分段比較相鄰溫差與最高溫度的絕對溫差法，進而判決是否存在熱缺陷［3］.

圖5 基于分段的紅外熱缺陷診斷原理

紅外診斷算法的過程如圖6所示.

圖6 紅外熱缺陷診斷過程

關于區(qū)域的大小，溫度判決門限值均可以預先設定；最高溫度選取可能會受到季節(jié)影響，現(xiàn)選取30～50范圍，事先設置.

圖7 實際巡檢檢測的紅外熱缺陷

2.2 線路電暈缺陷的智能診斷

為智能檢測輸電線路的放電缺陷，在紫外與可見光疊加的圖像上，通過連續(xù)圖像來檢測紫外放電缺陷，依據(jù)放電的分布密度與放電的頻率，將當前圖像與前后圖像作灰度差，如當前圖像存在放電，該放電區(qū)域的差異存在明顯的突變，檢測出的突變區(qū)域進行近似區(qū)域合并，將合并區(qū)域在整個圖像上的分布進行判決，確定是否存在比較集中的區(qū)域，如存在，則判決為可疑放電區(qū)域；在紫外圖像上提取出導線對象，在其上下一定區(qū)間內，判決可疑放電區(qū)域是否在該區(qū)間內，如在其區(qū)間判決為放電區(qū)域.

圖8 實際巡檢檢測的紫外電暈缺陷

2.3 基于可見光圖像的缺陷診斷

在直升機航拍的圖像不同于地面拍攝的圖像，有如下特點：1）航拍圖像具有大的范圍，如在輸電線路上的對象具有不同的大小，鐵塔與導線屬于大的對象，而防震垂、間隔棒部件屬于小的對象，因此需要采用層次化方法來識別線路部件；2）航拍圖像具有寬的視角，由于受背景的影響，航拍圖像上疊加了很多對象，進而使得圖像具有很多的空間層次，需要從這些疊加的背景上識別出線路部件是一件具有挑戰(zhàn)性的任務；3）近距離（100m內）航拍圖像受天氣、光線的影響較大，特別像輸電線路是由金屬構建的，在不同的光線下，其反射形成不同的圖像特征.從地面看導線通常顏色較深；而從直升機上拍攝導線通常較亮，存在角度及光線的反射，使得一段導線顏色較暗.

基于對航拍的線路圖像的分析，將航拍的線路圖像分成3層結構：景物層次，部件層次，部件上下關系層次.

圖9 高壓線路組成結構

圖10是線路部件識別的知識層次模型，首先識別線路上的大部件：導地線、引流線、桿塔；在識別出大部件的基礎上再識別線路的小部件：絕緣子、防震垂、間隔棒、均壓環(huán)、線夾；最后在識別出大部件與小部件的基礎上，進行缺陷診斷.

圖11是線路部件上下位置關系模型.線路部件存在附著與共連關系.

圖10 線路部件識別的知識層次模型

圖11 線路部件上下位置關系模型

在圖10的線路層次知識模型的第1層中，存在共連關系，如一幅航拍的線路圖像，有兩種情況：有桿塔畫面；無桿塔畫面.在無桿塔的畫面中，由左右走向的平行導地線組成；在有桿塔的畫面中，導線端點、引流線端點、絕緣子端點存在交匯的區(qū)域內；而絕緣子端點與桿塔區(qū)域也存在交匯區(qū)域.在圖10的線路層次知識模型的第2層中，存在附著關系：在導線上存在防震垂、間隔棒、均壓環(huán)小部件；地線上有防震垂；引流線上有間隔棒.這樣對小部件的識別不需要像大部件，在圖像全局上進行搜索，可以沿著識別的大部件的基礎上，進行搜索小部件，提高識別的效率.

線路部件缺陷的診斷主要采用如下3種方法：

1）基于線路知識模型對部件缺陷的診斷［4］，能用于診斷基于安裝位置診斷丟失的部件，如診斷防震垂與間隔棒的丟失；基于部件相對位移關系來診斷缺陷，如用于診斷斷股與防震垂偏移；在導線寬度變化時，存在突變與漸變，如存在漸變，則可疑為導線上附著異物；如存在突變，檢測垂直方向是否存在下垂的線段，如存在下垂線段，則判定為可疑的斷股；基于部件尺寸之間比例關系來診斷缺陷，如用于診斷導線上覆冰、松股與防震垂掉頭缺陷；正常導線其寬度值固定，導線寬度與防震垂抓的寬度比例值固定；如測量比例值明顯變化，則可疑其存在缺陷.

2）基于圖像形態(tài)學分析來發(fā)現(xiàn)表面污濁的缺陷，如用于診斷部件表面的油漆、鳥糞及裂痕缺陷.

3）基于紋理與顏色分析來診斷不規(guī)則的缺陷，如用于診斷玻璃絕緣子自爆、桿塔上大面積腐蝕、桿塔上鳥窩均壓環(huán)與金具表面破損等缺陷.

采用圖像紋理分析方法來診斷線路玻璃絕緣子的缺陷，主要分析識別出的部件8個紋理特征量：均值，變化量，角二階矩，局部平穩(wěn)，對比度，非相似性，熵，相關性.對于導線、絕緣子、防震錘等輸電線設備來說，它們的紋理是很有規(guī)律的，如果其中有一處缺損或者有異物，那么這時候紋理的特征值會發(fā)生明顯的變化.然后，那些基于明亮度的特征由于受到環(huán)境和光強的影響，往往會造成識別上的誤差和不準確.因此，用紋理來作為輸電線設備的特征量是有實際和理論依據(jù)的.

圖12 自動診斷玻璃絕緣子掉片缺陷

2.4 基于全景圖像的交跨距離測量

國際上，有用機載GPS激光三維掃描系統(tǒng)巡檢電力通道，生成具有定位尺寸的數(shù)字立體走向圖，可準確給出周圍物體與導線路的相對距離，進而達到導線的自動監(jiān)測和預警的巡檢目的.盡管激光三維掃描系統(tǒng)具有高可靠性的優(yōu)點，但其價格昂貴、覆蓋的范圍有限、體積龐大、重量大、數(shù)據(jù)處理復雜、操作復雜等特點限制了其在電力巡檢中的應用.

采用在直升機上獲取飛行姿態(tài)儀數(shù)據(jù)和全景觀測儀獲取的視頻數(shù)據(jù)，計算導線高程等.首先，從全景影像數(shù)據(jù)中提取導線，由于多根導線同時出現(xiàn)在影像上，可根據(jù)導線兩端的桿塔在影像上的位置，按一定的準則選擇一根導線，然后在鉛垂線約束條件下，確定導線的空間位置，從而求得導線的高程.針對導線下方地形地物的測量，利用鉛垂線軌跡法（VLL）求得導線下方地物的高程.此時，導線的高程和下方地物的高程都求得，根據(jù)兩者之差來判斷該處是否安全.其實現(xiàn)的原理框圖如下.

圖13 導線到下方交跨物測距原理

圖14 實際測量等間隔導線到下方樹木的高度

3 結 論

項目成果已經(jīng)成功運用到佛山電網(wǎng)500kV線路實際巡檢中，平均航巡速度提高了近一倍，圖像漏采率由原來30%降低到5%，缺陷發(fā)現(xiàn)率提高了10%以上，有效發(fā)現(xiàn)了多處人工難以發(fā)現(xiàn)的缺陷，如地線斷股、均壓環(huán)斷裂、間隔棒握手脫落等，后期數(shù)據(jù)處理工作量較以前減少50%以上，提高了輸電網(wǎng)安全運行水平，促進了輸電環(huán)節(jié)智能化技術的進步.研發(fā)成功的“巡檢信息采集和管理數(shù)字化、對象捕捉和跟蹤自動化、缺陷識別和診斷智能化”等技術是輸電線路直升機智能巡線技術的一次重大突破，將大幅度提高輸電線路直升機巡線效率和質量，降低直升機巡線成本，具有顯著的經(jīng)濟社會效益和推廣應用價值.

［1］于德明，沈 建，汪 駿，等.直升機在電網(wǎng)運行維護中的研究與應用［J］.電網(wǎng)技術，2009（6）：41-46.

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