無(wú)人機(jī)在電力輸電線路的各種應(yīng)用

黃謹(jǐn)益

（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530001）

無(wú)人機(jī)在電力輸電線路的各種應(yīng)用

黃謹(jǐn)益

（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530001）

無(wú)人機(jī)技術(shù)由于其可控制、可攜帶多種任務(wù)設(shè)備、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等特性，被廣泛應(yīng)用于輸電線路規(guī)劃、輸電線路測(cè)量、輸電線路巡視、災(zāi)難應(yīng)急響應(yīng)、輸電線路架設(shè)等電力各領(lǐng)域，有效提高電力工程基礎(chǔ)設(shè)施作業(yè)效率、提升電力系統(tǒng)的維護(hù)水平，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人工作業(yè)的不足。

無(wú)人機(jī)；電力系統(tǒng)；輸電線路；應(yīng)用

廣西地形復(fù)雜，平原少、丘陵及山區(qū)較多，氣象條件復(fù)雜，線路走廊趨于緊張，規(guī)劃及新建設(shè)的線路不得不穿越比以往更惡劣的深山大嶺。從輸電線路的初期規(guī)劃建設(shè)到建成后的日常巡查維護(hù)及事故處理，傳統(tǒng)人工做法的應(yīng)用不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且耗時(shí)多，效率低下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了高效的需求。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)，在電力各領(lǐng)域中廣泛得到應(yīng)用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人工的不足。

1 無(wú)人機(jī)在電力輸電線路應(yīng)用

1.1輸電線路規(guī)劃

在進(jìn)行電力線路規(guī)劃時(shí)，一般仍然采用方法是在衛(wèi)星圖片或者航拍圖片對(duì)走廊的清理等工程量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過(guò)比較各種路徑方案經(jīng)濟(jì)性來(lái)選擇實(shí)施方案。這兩種方法在實(shí)際應(yīng)用中都存在局限性。衛(wèi)星圖片由于衛(wèi)星收到軌道和過(guò)頂時(shí)間的約束，時(shí)效性差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀測(cè)，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)地形地貌發(fā)生改變的情況。傳統(tǒng)大飛機(jī)航飛必須報(bào)批軍事與民航部門，獲取航空批文難度較大，對(duì)起降場(chǎng)地要求嚴(yán)格，并且耗時(shí)長(zhǎng)，費(fèi)用高，因此在惡劣天氣條件下，無(wú)法升空作業(yè)，并且易受云層等因素影響得不到準(zhǔn)確的影像，在諸如廠區(qū)等小面積區(qū)域，尤其是面積在 50km2以下的區(qū)域和長(zhǎng)度較短的線路路徑難以實(shí)現(xiàn)較快的速度、較低成本獲取較精準(zhǔn)相關(guān)數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)的應(yīng)用相對(duì)于傳統(tǒng)線路規(guī)劃方法而言，體型小、消耗少、使用成本低、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，可以在陰云天氣攝影，飛行高度低，可以獲得更高分辨率的航空影像及其數(shù)據(jù)，能更有效減少不利地面實(shí)地調(diào)查環(huán)境的負(fù)面影響。重慶電力設(shè)計(jì)院在220kV張秀線工程項(xiàng)目規(guī)劃中，為克服重慶地區(qū)地形條件復(fù)雜等因素的限制，首次應(yīng)用無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)了十五天完成航空測(cè)繪。該航空測(cè)繪的高質(zhì)量數(shù)字影像優(yōu)化了輸電線路路徑，極大減少了工程投資。

1.2輸電線路測(cè)量

在輸電線路地形測(cè)量中，對(duì)于導(dǎo)線至導(dǎo)線底部物體的測(cè)量使用較多的方法是使用經(jīng)緯儀。但是，使用經(jīng)緯儀測(cè)量中，經(jīng)過(guò)林區(qū)的測(cè)量通道有時(shí)無(wú)法清理，或視野受地形限制，需要通過(guò)多次搬站測(cè)量才能完成任務(wù)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

無(wú)人機(jī)搭載光學(xué)測(cè)量設(shè)備，在測(cè)量視野受限較大的區(qū)域如林區(qū)、有高大建筑的居民區(qū)及在使用傳統(tǒng)測(cè)量方式需要繞行的區(qū)域如峽谷、高山等時(shí)，能快速調(diào)整所處的位置取得相對(duì)高精度的數(shù)據(jù)資料，同時(shí)降低了強(qiáng)度和區(qū)域測(cè)量工作的負(fù)荷，節(jié)省了時(shí)間，提高了測(cè)量效率。2009年，中南電力設(shè)計(jì)院采用低空無(wú)人機(jī)遙感與地面測(cè)量相結(jié)合的大比例尺測(cè)圖高程面狀擬合方法對(duì)江西某高壓變電站了無(wú)人機(jī)低空測(cè)量。2011年，重慶電力設(shè)計(jì)院在涪陵至長(zhǎng)壽的220kV線路工程中采用無(wú)人機(jī)測(cè)量?jī)?yōu)化路徑，使工程總投資節(jié)約了 3%～5%，野外勘察作業(yè)時(shí)間減少了1/3，提高了工作效率。

1.3輸電線路巡視

通過(guò)巡視檢查來(lái)掌握線路運(yùn)行狀況及周圍環(huán)境的變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷和危及路線安全的因素，以便及時(shí)消除缺陷，預(yù)防事故的發(fā)生。

巡視的分類主要有：（1）線路的定期巡視：主要是進(jìn)行巡線管理。（2）線路的特殊巡視：特殊巡視是在發(fā)生冰凍災(zāi)害、沙塵暴、暴雨、泥石流、洪水等災(zāi)害、外力影響、異常運(yùn)行和其他特殊情況時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路異?，F(xiàn)象及部件的變形損壞情況。特殊巡視一般不能一人單獨(dú)巡視，而且是依據(jù)情況隨時(shí)進(jìn)行的。（3）巡線的夜間、交叉和診斷性巡視：一般根據(jù)運(yùn)行季節(jié)特點(diǎn)、線路健康情況和環(huán)境特點(diǎn)確定重點(diǎn)。（4）線路的故障巡視：是查明線路上接地故障產(chǎn)生緣由，找出線路故障點(diǎn)，查明設(shè)備受損程度。（5）線路的登桿巡視。線路上有很多缺陷是不能從地面上發(fā)現(xiàn)的，甚至用望遠(yuǎn)鏡也無(wú)濟(jì)于事。所以每年必須進(jìn)行人工登桿檢查或是無(wú)人機(jī)近距離檢測(cè)。

南方電網(wǎng)公司最新的招標(biāo)技術(shù)要求無(wú)人機(jī)搭載可見光攝像機(jī)光電吊倉(cāng)可見光圖像可清晰識(shí)別長(zhǎng)度10mm的銷釘?shù)木嚯x值，可清晰反映電力通道周邊災(zāi)情、違章建筑、施工等情況；搭載紅外熱像儀光電吊倉(cāng)紅外檢測(cè)線路設(shè)備溫度優(yōu)于2K的絕對(duì)誤差的距離值，可判別線路設(shè)備±0.5K的相對(duì)溫差的距離值；搭載紅紫外成像儀光電吊紫外可探測(cè)并捕捉電暈放電和表面局部放電的距離值。

2009年初，國(guó)家電網(wǎng)公司正式立項(xiàng)研制無(wú)人直升機(jī)巡檢系統(tǒng)。無(wú)人機(jī)是一種有動(dòng)力、可控制、能攜帶多種任務(wù)設(shè)備并能重復(fù)使用的無(wú)人駕駛飛行器，具有機(jī)動(dòng)靈活、快速反應(yīng)、無(wú)人飛行、操作要求低、搭載多類傳感器、影像實(shí)時(shí)傳輸、高危地區(qū)探測(cè)、綜合效益高等許多優(yōu)點(diǎn)[1]。主要有六旋翼飛行器、無(wú)人直升機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)這幾種類型。六旋翼飛行器屬短距離飛行，優(yōu)點(diǎn)在于能夠近距離定點(diǎn)拍攝；無(wú)人直升機(jī)屬中距離飛行，優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，飛行點(diǎn)易控制；固定翼無(wú)人機(jī)則屬中、長(zhǎng)距離飛行，優(yōu)點(diǎn)在于能快速獲知較長(zhǎng)距離的線路整體情況。

2010年4月9日，山東電力公司研制的油動(dòng)單旋翼無(wú)人機(jī)在500千伏川泰I、II線雪野湖段飛行15分鐘，巡檢1.6千米線路、6基鐵塔，實(shí)現(xiàn)了自主起飛、航線跟蹤、軌跡展示、程控飛行等技術(shù)突破；其固定翼燃油動(dòng)力飛機(jī)在2011年末進(jìn)行了試飛作業(yè)，翼展3米以上，航速108～120km/h，起飛時(shí)需火箭助推。青海省電力公司與青海電研院使用多旋翼油動(dòng)遙控?zé)o人機(jī)于2010年6月14～17日，11月18～20日，進(jìn)行了無(wú)人機(jī)項(xiàng)目研究的高海拔飛行試驗(yàn)。

2012年2月，國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司研制出了基于大型無(wú)人直升機(jī)的電力飛行巡檢技術(shù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸電線路的可見光、紅外全過(guò)程高精度自主程控飛行巡檢，并成功的應(yīng)用于線路巡視和防災(zāi)減災(zāi)工作。

2013年9月，國(guó)網(wǎng)山東電科院承辦了國(guó)網(wǎng)無(wú)人機(jī)飛行驗(yàn)證試驗(yàn)，主要是針對(duì)輸電線路巡檢用油動(dòng)固定翼無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)飛行驗(yàn)證試驗(yàn)，并對(duì)中型無(wú)人直升機(jī)與任務(wù)吊艙的適配性開展驗(yàn)證工作。國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司超高壓局通過(guò)建設(shè)輸電線路走廊三維可視化管理系統(tǒng)對(duì)輸電線路進(jìn)行三維重建，并利用了重慶超高壓局6條500kV輸電線路進(jìn)行運(yùn)行實(shí)驗(yàn)；國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司檢修分公司開展了四旋翼無(wú)人機(jī)在輸電線路巡視中的應(yīng)用,主要開展短距離巡檢、設(shè)備定點(diǎn)檢查等方面。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，我國(guó)每年電力行業(yè)整體投資約為1000億元，其中硬件設(shè)施為73%，說(shuō)明輸電設(shè)備在國(guó)家電網(wǎng)建設(shè)上比重越來(lái)越大，隨著電網(wǎng)的日益擴(kuò)大，巡線的工作量也日益加大，無(wú)人機(jī)進(jìn)行故障點(diǎn)查找工作，極大節(jié)省了時(shí)間，提高了工作效率。以國(guó)網(wǎng)冀北電力公司運(yùn)維500kV昌門線山區(qū)段為例, 應(yīng)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行故障點(diǎn)查找工作，僅需2個(gè)小時(shí)左右，節(jié)省時(shí)間6個(gè)小時(shí)以上，若以單條500kV線路平均負(fù)荷1000MW、過(guò)網(wǎng)電價(jià)0.07元、減少停電6個(gè)小時(shí)計(jì)算,直接避免過(guò)網(wǎng)電量損失達(dá)42余萬(wàn)元。根據(jù)記錄,2010年～2012年每年發(fā)生的非重合鬧故障次數(shù)分別為:9次、6次、14次。故按平均每年10次計(jì)算，可減少直接經(jīng)濟(jì)損失420萬(wàn)元（1000MW ×0.07元×6小時(shí)×10次=420萬(wàn)）。

圖1　無(wú)人機(jī)在巡視

2015年以來(lái)，廣西電網(wǎng)公司分布在各個(gè)網(wǎng)區(qū)的30多名飛行操作員，已完成對(duì)“西電東送”輸電線路、南昆鐵路專供線路等重要輸電線路的巡視任務(wù)。廣西電網(wǎng)所轄線路覆蓋面廣，沿線山高嶺陡、溝壑縱橫、山多林密，輸電線路的桿塔架設(shè)在崇山峻嶺之中，傳統(tǒng)人工巡檢，從一基桿巡到另外一基桿需要翻過(guò)一座山要走上好幾個(gè)小時(shí)。每到廣西的夏季，多臺(tái)風(fēng)、暴雨，會(huì)引發(fā)洪水、泥石流等自然災(zāi)害，會(huì)導(dǎo)致輸電線路經(jīng)行地區(qū)山體滑坡、沖段道路，以致于線路檢修人員無(wú)法及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)線路桿塔基礎(chǔ)、絕緣子等設(shè)備進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。當(dāng)發(fā)生大霧天氣、冰凍天氣時(shí)，由于桿塔上可能覆水或覆冰，人工登桿檢查存在較大危險(xiǎn)。利用無(wú)人機(jī)的迅速快捷、高效安全的特性對(duì)高山、溝壑、河流等線路路徑中輸電線路設(shè)備進(jìn)行巡視不僅能避免人工登桿的危險(xiǎn)作業(yè)，而且能發(fā)現(xiàn)許多以地面視角觀察難以發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，如絕緣子污閃、雷擊留下的痕跡，導(dǎo)地線或者避雷線散股、斷股等，極大提高了工作效率。同時(shí)從不同角度拍攝圖像，使巡檢數(shù)據(jù)資料更加完整。作為電網(wǎng)的“千里眼”及“順風(fēng)耳”，廣西電網(wǎng)工作人員在后臺(tái)可監(jiān)測(cè)柳州、百色、桂林等1068條輸電線路、300多臺(tái)供電設(shè)備。

1.4災(zāi)難應(yīng)急響應(yīng)

冰凍災(zāi)害、泥石流突發(fā)等自然災(zāi)害對(duì)輸電線路影響嚴(yán)重，輕者閃絡(luò)、斷線，重者發(fā)生倒桿等大規(guī)模停電事件，因此加大對(duì)自然災(zāi)害的監(jiān)控預(yù)防尤其重要。作為新一代應(yīng)急救災(zāi)預(yù)警航測(cè)系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)為抗災(zāi)決策、評(píng)判災(zāi)情、及時(shí)科學(xué)引導(dǎo)救災(zāi)方面作出了重要貢獻(xiàn)。

2010年7月30日至31日，遼寧本溪供電公司研制的旋翼油動(dòng)遙控?zé)o人機(jī)對(duì)撫順電網(wǎng)遭遇暴雨泥石流災(zāi)害進(jìn)行災(zāi)情巡視。

2011年云南盈江地震后，中國(guó)四維測(cè)繪技術(shù)有限公司利用固定翼油動(dòng)無(wú)人機(jī)，對(duì)盈江14平方公里地面進(jìn)行了50分鐘的航測(cè)，獲得分辨率為0.1米的照片603張。在第一時(shí)間對(duì)災(zāi)區(qū)進(jìn)行了普查工作，及時(shí)匯總了災(zāi)區(qū)的受災(zāi)情況，為之后救援、重建工作的決策提供了數(shù)據(jù)支撐。

廣東韶關(guān)市江城線1724號(hào)耐張塔所處地較復(fù)雜，每年冬季，時(shí)常發(fā)生大霧彌漫，能見度低，人工觀測(cè)需等到大霧散盡才能作業(yè)。2011年1月，湖南電力試研院利用無(wú)人機(jī)能夠定點(diǎn)懸停，能夠攜帶可見光攝像機(jī)等特性對(duì)該桿塔進(jìn)行高空近距離覆冰情況監(jiān)測(cè)，解決了惡劣氣象條件下覆冰監(jiān)測(cè)的難題，充分體現(xiàn)了科技防冰減災(zāi)的技術(shù)支撐作用。

2012年北京及其周邊地區(qū)遭遇61年來(lái)最強(qiáng)暴雨及洪澇災(zāi)害，暴雨沖垮了房山區(qū)的大部分道路，供電局檢修人員無(wú)法及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)線路基礎(chǔ)受損境況進(jìn)行評(píng)估。線路檢修人員使用無(wú)人機(jī)對(duì)災(zāi)區(qū)巡視通道被沖斷的神保線進(jìn)行巡視，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患并進(jìn)行排除。

圖2　無(wú)人機(jī)在覆冰線路作業(yè)

1.5線路架設(shè)

無(wú)人機(jī)放線與傳統(tǒng)的人工放線相比，能有效克服施工環(huán)境復(fù)雜等不利因素，能夠降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高施工效率、減少青苗賠償、降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

2011年1月23日，江蘇省送變電公司研制的旋翼油動(dòng)無(wú)人機(jī)試飛展放初級(jí)導(dǎo)引繩，其識(shí)別感應(yīng)、自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)整飛行軌跡的技術(shù)，比上世紀(jì)90年代北京送變電公司成功采用的人工遙控方式展放初級(jí)引繩技術(shù)有了新的突破。

2011年3月，遼寧電力有限公司在本溪220kV程富線輸電線路工程項(xiàng)目中第一次應(yīng)用配裝自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)及相應(yīng)引線裝置的旋翼無(wú)人機(jī)，實(shí)現(xiàn)單次連續(xù)牽引1500米初級(jí)導(dǎo)引繩過(guò)塔，完成多座桿塔的初級(jí)導(dǎo)引繩牽引架設(shè)，連續(xù)跨越 3條 10kV線路和河流，成功地將初級(jí)導(dǎo)引繩連續(xù)布放在鐵塔的橫擔(dān)上[2]。

2014年，浙江省寧波供電公司利用八旋翼小型無(wú)人機(jī)完成了110kV輸電線路的架設(shè)。八旋翼小型無(wú)人機(jī)在近50米的兩個(gè)基塔之間沿線路上空飛行，通過(guò)施放引繩逐步完成架設(shè)導(dǎo)線。通常架設(shè)6公里的線路往往需要花費(fèi)20天，在利用無(wú)人機(jī)架設(shè)后，工時(shí)縮短至15天，同時(shí)也減少了施工人員的人力輸出，確保線路架設(shè)沿線樹木、農(nóng)作物不因線路架設(shè)而遭受經(jīng)濟(jì)損失。

2015年5月14日，施工人員使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行牽引繩引渡放線。當(dāng)日，在位于江蘇昆山境內(nèi)的淮南-南京-上海特高壓1000千伏交流輸變電工程施工現(xiàn)場(chǎng)，施工人員使用八旋翼無(wú)人機(jī)“穿針引線”，在兩座高逾144米、重達(dá)570噸的特高壓鐵塔之間架設(shè)線路，大大縮短了施工時(shí)間，節(jié)約了施工成本。

圖3　無(wú)人機(jī)在進(jìn)行牽引作業(yè)

2 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人機(jī)在輸電線路規(guī)劃、測(cè)量、巡視、災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)以及線路架設(shè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，這對(duì)于提升電力工程的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、電力系統(tǒng)的維護(hù)水平起著至關(guān)重要的作用。

當(dāng)然，聯(lián)系到相關(guān)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，無(wú)人機(jī)技術(shù)在今后的應(yīng)用中還需要克服自身的不足，主要表現(xiàn)為：（1）若使用電池續(xù)航，作業(yè)時(shí)間較短，一般是30分鐘或者更少，不利于進(jìn)行較大范圍的巡檢；（2）固定翼飛機(jī)起飛方式有滑跑、彈射、車載（可選），降落方式有滑跑、機(jī)腹擦地、傘降、撞網(wǎng)（可選），需要大場(chǎng)地及設(shè)備保證飛機(jī)的起降時(shí)關(guān)鍵設(shè)備不受損壞，航空領(lǐng)域申報(bào)工作困難較多；（3）無(wú)人機(jī)定位精度多在水平位置控制精度5m左右，不利于作業(yè)效率及設(shè)備安全的保障?？刂仆ㄓ嵕嚯x受地球曲率或地形影響視距測(cè)控通信設(shè)備測(cè)控距離一般 0～300 km，更遠(yuǎn)的需要增加地面中繼測(cè)控通信設(shè)備（100～400 km）、空中中繼測(cè)控通信設(shè)備（400～800 km）、衛(wèi)星中繼測(cè)控通信設(shè)備（800～3000 km）中的一種或幾種。（4）無(wú)人機(jī)可控性相對(duì)較差，在經(jīng)過(guò)密林或是居民生活區(qū)，機(jī)載燃油若發(fā)生泄燃或墜機(jī)事故，會(huì)引起大火，會(huì)發(fā)生較大的事故和造成較大損失。

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)在電力領(lǐng)域的深入應(yīng)用，很多不足也在持續(xù)改善之中，小型無(wú)人機(jī)為了提高自控作業(yè)的安全水平，在未來(lái)也將引入超聲波避碰預(yù)警技術(shù)。瑞士洛桑聯(lián)邦科技學(xué)院OS4項(xiàng)目(Omnidirectional Stationary Flying Outstretched Robot)研究了0S4的避障問(wèn)題，共使用5個(gè)超聲波傳感器來(lái)探測(cè)障礙物和測(cè)量高度，并在仿真環(huán)境下進(jìn)行避障模型測(cè)試。通過(guò)測(cè)試了多種不同碰壁方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映了在仿真環(huán)境中可有效避開障礙物，實(shí)現(xiàn)安全飛行。其次，功率更為強(qiáng)大、抗干擾性更強(qiáng)的超聲波傳感器可提升無(wú)人機(jī)測(cè)距的精準(zhǔn)度。

[1] 彭仲.武漢將年產(chǎn) 500架無(wú)人機(jī)[N].長(zhǎng)江日?qǐng)?bào),2012-11-02(12).

[2] 劉國(guó)嵩,賈繼強(qiáng).無(wú)人機(jī)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用及發(fā)展方向[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(1):53-56.

Application of UAV in power transmission line

UAV technology has been widely used in transmission line planning, transmission line measurement, disaster emergency response, power transmission line, and so on. It can effectively improve the operation efficiency of electric power engineering infrastructure, improve the maintenance level of power system.

UAV; power system; transmission line; application

TM72

A

1008-1151(2015)09-0081-03

2015-08-12

黃謹(jǐn)益（1980－），男，廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院在讀工程碩士研究生。