多旋翼無人機在輸電線路巡檢中的應(yīng)用局限及發(fā)展前景

楊 杰，邵 帥，王 凱，張慶雷，高 翔，黃 濤，王文賢

(國網(wǎng)濟南供電公司，山東 濟南 250000)

輸電線路需要進行定期巡視檢修[1-3]，高壓輸電線路的巡檢主要依靠人工方式，工作強度大、工作條件差、工作效率低且存在人身安全的風(fēng)險[4-5]。隨著無人機技術(shù)尤其是多旋翼無人機技術(shù)的發(fā)展，已逐步開始利用多旋翼無人機為載體，地面監(jiān)控設(shè)備為支撐的輸電線路巡檢系統(tǒng)[6-8]。

目前，大多無人機為通用產(chǎn)品，性能還無法滿足輸電線路巡檢的特殊要求，本文將從高壓輸電線路的特殊需求、輸電線路用多旋翼無人機應(yīng)用現(xiàn)狀及其在輸電線路巡檢領(lǐng)域未來的發(fā)展方向等方面對多旋翼無人機進行探討，以期為未來輸電線路用無人機的發(fā)展提供一定的指導(dǎo)。

1 高壓輸電線路的特殊需求

高壓輸電線路一般指35 kV及以上的架空輸電線路，是連接發(fā)電廠和變電站的主要設(shè)備。由于高壓輸電線路規(guī)模龐大、環(huán)境復(fù)雜而且?guī)Т筘摵蛇\行等情況，因此無人機巡視具有以下幾個特點。

1.1 目標小

輸電線路無人機巡檢對象主要為輸電桿塔中的眾多金具，包括延長環(huán)、掛板、螺栓、銷子等。這些金具與輸電桿塔相比，大都體型較小，長度在幾厘米到十幾厘米，目標較小，缺陷發(fā)現(xiàn)難度較大。

1.2 數(shù)量多

隨著社會用電量的持續(xù)攀升，電網(wǎng)建設(shè)進程不斷加快，需要進行巡視和檢修的桿塔數(shù)量和規(guī)模不斷擴大。據(jù)不完全統(tǒng)計，國網(wǎng)濟南供電公司管轄的輸電線路就達7 200余基，巡檢工作量巨大。

1.3 距離遠

作為連接發(fā)電廠與變電站之間及變電站與變電站之間重要電力設(shè)施，輸電線路一般長度較長，特別是隨著特高壓交流、直流輸電的發(fā)展，單條輸電線路的長度已達幾千公里。同時，為降低建設(shè)成本，各桿塔之間的距離設(shè)置均比較大，據(jù)統(tǒng)計，220 kV及以上線路檔距大多在300 m以上，跨江、跨河等大跨越線路更可達幾千米。

1.4 風(fēng)速高

隨著城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴大及居民維權(quán)意識的日益提高，輸電線路防外破形勢越來越嚴峻。目前有效地解決方式是提高輸電線路桿塔高度，逐步淘汰高度較低的水泥桿數(shù)量。以濟南公司為例，近十年來所建設(shè)的桿塔均為鐵塔或鋼管塔，并且高度在20～120 m。根據(jù)《電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊(第二版)》可知，以120 m高跨河桿塔為例，假設(shè)地面為5級風(fēng)，風(fēng)速為10 m/s，則塔頂?shù)鼐€掛點處風(fēng)速為13.9 m/s，為7級風(fēng)。

1.5 環(huán)境復(fù)雜

由于土地資源緊張、民事協(xié)調(diào)難度大等問題，新建的高壓輸電線路多處于郊區(qū)、丘陵、山地等地形復(fù)雜地區(qū)，特別是南方，輸電線路穿梭于崇山峻嶺之中，為輸電線路巡檢帶來巨大的困難。

1.6 電磁影響惡劣

輸電線路尤其是高壓輸電線路都具有電壓高、電流大的特點，加之輸電線路均為裸導(dǎo)線，其周圍存在較強的電磁場，這對輸電線路用無人機的電磁屏蔽和抗干擾能力提出了更高的要求。

2 多旋翼無人機在輸電線路巡檢中的應(yīng)用局限

隨著多旋翼無人機技術(shù)的日漸成熟，無人機也越來越廣泛應(yīng)用于高壓輸電線路巡檢。國網(wǎng)公司已連續(xù)進行多次招標，并在中國電科院武漢高壓試驗基地開展了各項多旋翼無人機的試驗項目，這為無人機在輸電線路巡檢中的應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。

目前市場上存在的多旋翼無人機大體分為兩類，一類是輕型化，以航拍為主要用途的無人機，主要生產(chǎn)廠家是大疆公司；另一類是體型較大，以完成特定作業(yè)任務(wù)為主要用途的無人機，如噴灑農(nóng)藥、巡視輸電線路等，其主要生產(chǎn)廠家有伊瓦特、中航智等。

另外，已有大量的文獻對多旋翼無人機在輸電線路中的應(yīng)用做了研究[2,5-9]，文獻[10-13]提出了多種利用無人機進行輸電線路缺陷檢測的方法，如紅外檢測、紫外檢測、傳感器數(shù)據(jù)分析等；文獻[1-3,5-9]都從輸電線路巡視的角度探討了無人機的應(yīng)用及發(fā)展方向。但這些僅是對無人機功能模塊的再次開發(fā)，并未對無人機本身的改進提出建設(shè)性意見。

目前應(yīng)用于輸電線路巡檢的多旋翼無人機存在以下幾個方面的問題。

(1)續(xù)航能力不足。目前市面上的多旋翼無人機多采用電池供能的形式，其續(xù)航時間多在30 min內(nèi)，無法滿足輸電線路大規(guī)模巡視要求。

(2)自身重量與拍攝質(zhì)量矛盾突出。由于電磁環(huán)境的影響，無人機在進行輸電線路巡視時與帶電導(dǎo)線需保持至少10 m的距離，這要求無人機搭載的相機或鏡頭具有可變焦功能，才能發(fā)現(xiàn)輸電桿塔上存在的少銷子、少螺栓等微小缺陷。質(zhì)量輕、體型小的大疆無人機搭載的鏡頭無法實現(xiàn)變焦，而搭載可變焦相機的中航智及伊瓦特?zé)o人機又存在體型大、質(zhì)量重，無法滿足正常巡視要求的問題，因此無人機自身重量與拍攝質(zhì)量的矛盾限制了其在輸電線路巡檢中的應(yīng)用。

(3)起降條件要求苛刻。多旋翼無人機起飛和降落時需保持水平狀態(tài)，這要求輸電桿塔及線路周圍必須有一塊1～2 m2見方的平地才能滿足無人機的起降要求。而處于丘陵、山地等復(fù)雜地區(qū)的輸電桿塔周圍幾乎不存在類似場地，大大限制了無人機在丘陵、山地等地區(qū)進行輸電線路巡檢作業(yè)。

(4)功能較為單一。目前市面上的多旋翼無人機功能大多集中在拍照上，僅僅只能進行輸電線路日常巡視，遠遠無法完成像帶電除異物、補開口銷、校緊引流板等檢修作業(yè)。而目前各文獻及專利提出的無人機功能開發(fā)也大多停留在試驗室層面，離大規(guī)模應(yīng)用還有很長的一段距離。

3 輸電用多旋翼無人機的未來發(fā)展方向

在不久的將來，無人機在輸電線路巡檢方面將獲得廣泛推廣應(yīng)用，但目前市場中的無人機在輸電線路巡檢中的適應(yīng)性遠遠無法達到要求。因此，為適應(yīng)輸電線路巡檢作業(yè)的特點，未來輸電用多旋翼無人機應(yīng)具備以下幾個特點。

3.1 續(xù)航時間更長

隨著輸電規(guī)模的進一步擴大，無人機巡檢的任務(wù)將進一步加重，單純靠增加無人機數(shù)量的方式來滿足作業(yè)量的迅速增加是不可取的，這要求多旋翼無人機具備較長的續(xù)航時間，但由于無人機工作方式的特點，電池的重量還需保證在一定的范圍內(nèi)。因此，首先，要積極探索新型高能量密度的電池材料，在保證電池體積基本不變的情況下，提高電池容量；其次，提高無人機系統(tǒng)的運行效率，降低無人機系統(tǒng)的能量損耗，進而延長續(xù)航時間；最后，開發(fā)無人機光伏系統(tǒng)，利用太陽能為無人機提供可持續(xù)的動力，提高無人機的續(xù)航時間。

3.2 抗電磁干擾能力更強

由于多旋翼無人機多工作在輸電線路周圍，其受到的電磁干擾尤為強烈，無人機在進行近距離工作時，通常會出現(xiàn)鏈路丟失、圖傳延遲、控制滯后等問題，嚴重影響無人機的正常工作，這大大限制無人機在輸電線路巡檢中的應(yīng)用推廣。如何能夠提高無人機的抗電磁干擾能力，降低甚至屏蔽高壓輸電線路對無人機的電磁干擾，保證無人機在輸電線路附近的正常工作，將是推動輸電線路用無人機發(fā)展的一個至關(guān)重要的因素。

3.3 地形適應(yīng)力更好

在丘陵、山地等地形復(fù)雜地區(qū)，常常因為沒有適合起降的場地而限制多旋翼無人機的使用。開發(fā)一種簡單、便攜的無人機起降平臺，作為無人機起降的輔助工具，解決無人機起降的場地限制問題，進而提高無人機的各地形適應(yīng)能力。

3.4 控制距離更遠

目前，市場上多數(shù)多旋翼無人機的控制距離在2 000 m以內(nèi)，大概為3～4檔輸電線路的距離。隨著輸電線路規(guī)模的不斷擴大、巡檢作業(yè)量的增加以及無人機續(xù)航能力的提高，該控制距離將無法滿足未來的工作要求。因此，提高地面站信號收發(fā)能力，擴大無人機控制范圍，將是未來輸電用無人機的一個重要發(fā)展趨勢。

3.5 抗風(fēng)性能更高

隨著桿塔尤其是大跨越桿塔高度的持續(xù)增加，多旋翼無人機巡檢作業(yè)處的風(fēng)速將超過目前市場上大多數(shù)無人機的承受范圍(注：目前市場上大多數(shù)無人機的抗風(fēng)能力為4～5級)，無人機巡檢能力得到嚴重限制。如何改進多旋翼無人機的飛控系統(tǒng)，提高無人機抵御高強度大風(fēng)的能力，對于無人機的在輸電線路巡檢領(lǐng)域的發(fā)展同樣起著比較重要的作用。

3.6 質(zhì)量更輕

由于輸電線路規(guī)模巨大，巡檢作業(yè)量持續(xù)增加，加之有相當(dāng)部分的輸電線路桿塔位于山地、丘陵等復(fù)雜地區(qū)，質(zhì)量過大的無人機反而會成為輸電線路巡檢的負擔(dān)，降低巡檢效率和質(zhì)量。采取優(yōu)化無人機結(jié)構(gòu)及使用新型材料等措施，在保證無人機自身強度的情況下，降低無人機整體的質(zhì)量，才能不斷拓展無人機在輸電線路巡檢中的應(yīng)用。

3.7 拍照性能更優(yōu)

作為主要巡檢對象的輸電桿塔上的眾多金具多具有體型小、難發(fā)現(xiàn)的特點。另外，由于輸電線路周圍強烈的電磁干擾影響，無人機無法進行近距離工作。這要求無人機搭載的相機需具備更優(yōu)的拍照性能，更強的變焦能力，才能及時發(fā)現(xiàn)輸電線路中存在的各種缺陷，提高巡檢質(zhì)量和水平。

3.8 輸電檢修功能更多

據(jù)統(tǒng)計，市場上的多旋翼無人機90%以上只具有拍照功能，僅只能滿足輸電線路日常巡視的要求，而且需要人工進行控制，這大大限制了多旋翼無人機在輸電線路巡檢中的應(yīng)用。為提高多旋翼無人機的可用性及實用性，其自身功能需要進行一定程度的拓展。目前已有一些單位開始進行相關(guān)的研究，如文獻《基于無人機紫外檢測的輸電線路電暈放電缺陷智能診斷技術(shù)》、《基于無人機紅外視頻的輸電線路發(fā)熱缺陷智能診斷技術(shù)》等都對無人機的巡檢功能進行了拓展，通過紫外、紅外等技術(shù)手段對輸電線路缺陷進行診斷，提高了無人機在輸電巡檢中的適用性；國網(wǎng)山東電科院及國網(wǎng)浙江檢修公司都開發(fā)出了無人機噴火系統(tǒng)，用來進行輸電線路的帶電除異物等。此外，作為輸電線路巡檢的重要工具，無人機還應(yīng)具有定導(dǎo)線軌跡飛行、導(dǎo)線探傷、補開口銷、校緊引流板、涂刷防污閃材料等各種輸電線路巡檢功能。因此，在軟件方面，一是無人機開發(fā)者應(yīng)對輸電線路巡檢需要做出充分調(diào)研，開發(fā)出適用于輸電巡檢的各種功能模塊；二是未來多旋翼無人機應(yīng)具備可二次開發(fā)功能，預(yù)留足夠的開發(fā)端口，方便輸電巡檢人員開發(fā)功能模塊，提高無人機在輸電巡檢中的適應(yīng)性，推動多旋翼無人機在輸電線路巡檢領(lǐng)域的發(fā)展，提高輸電線路巡檢效率和水平；在硬件方面，多旋翼無人機應(yīng)配置綜合性多功能云臺，方便各種拓展功能的硬件接入或組裝，以達到一機多能的目的，提高無人機的應(yīng)用范圍。

4 結(jié)語

(1)高壓輸電線路具有桿塔高、距離遠、數(shù)量多、目標小、環(huán)境復(fù)雜以及電磁影響惡劣等特點，這為輸電線路用多旋翼無人機提出了更高的要求。

(2)目前市場上多數(shù)無人機為通用產(chǎn)品，作為輸電線路巡檢工具，其具有續(xù)航能力不足、自身重量與拍攝質(zhì)量矛盾突出、起降條件要求苛刻及功能較為單一的缺陷，遠遠無法滿足日益增長的輸電線路巡檢需求。

(3)為適應(yīng)龐大且復(fù)雜的輸電線路巡檢作業(yè)，未來的無人機應(yīng)向著更長的續(xù)航時間、更強的抗電磁干擾能力、更好的地形適應(yīng)力、更遠的控制距離、更高的抗風(fēng)性能、更輕的質(zhì)量、更優(yōu)的拍照性能及更多的輸電作業(yè)功能等方向發(fā)展，才能真正滿足輸電線路巡檢需求，提高輸電線路巡檢質(zhì)量和水平。

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