輸電線路巡檢的綜合效益模型分析及應(yīng)用

張玉剛 李玉明 方 勇 焦小強(qiáng) 王和平 鄭思嘉 鄒 彪

（1、國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司，甘肅 蘭州730046 2、國(guó)網(wǎng)甘肅檢修公司，甘肅 蘭州730050 3、國(guó)網(wǎng)通用航空有限公司，北京102209）

輸電線路規(guī)模龐大，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，通過(guò)巡檢及時(shí)掌握線路運(yùn)行狀況及通道環(huán)境變化，發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷和安全隱患，是保證線路安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。目前架空輸電線路本體和通道巡檢主要依靠傳統(tǒng)人工，存在特殊地形和氣象條件下巡檢困難、巡檢效率低、不易發(fā)現(xiàn)平口以上部位缺陷的巡視范圍不全面等問(wèn)題。因此，面向電網(wǎng)快速發(fā)展新形勢(shì)和內(nèi)外部復(fù)雜環(huán)境，應(yīng)用新型巡檢技術(shù)，提升運(yùn)檢效益，是運(yùn)檢專(zhuān)業(yè)發(fā)展的必由之路。本文詳細(xì)分析了多種不同的輸電線路巡檢方式，并介紹了各種巡檢方式的成本和綜合效益，對(duì)于提升輸電線路的巡檢效率和巡檢效益具有一定的價(jià)值。

1 輸電線路巡檢方式分析

目前在電力企業(yè)的輸電線路巡檢當(dāng)中，主要具有直升機(jī)、無(wú)人機(jī)和人工等三種不同的巡線方式，為保證輸電線路的安全運(yùn)行發(fā)揮了重要的作用。采用最廣泛的巡線方法仍是人工定期巡線，發(fā)現(xiàn)桿塔基礎(chǔ)缺陷能力強(qiáng)但技術(shù)含量低。傳統(tǒng)的地面人工巡檢工作量大、效率偏低，部分地區(qū)無(wú)法開(kāi)展地面人工巡檢，線路紅外檢測(cè)難度大，巡檢作業(yè)人身傷害風(fēng)險(xiǎn)高等。因此，傳統(tǒng)的人工巡檢方法不僅工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)、效率低，而且受人為因素制約，一些線路缺陷或故障點(diǎn)不容易被發(fā)現(xiàn)。在常規(guī)運(yùn)維體系下，運(yùn)維人員數(shù)量難以滿足日益增長(zhǎng)線路巡視任務(wù)需求，同時(shí)運(yùn)維人員巡視效果及效率同樣受到地形環(huán)境的制約[1]。采用直升機(jī)、無(wú)人機(jī)等智能裝備和巡檢技術(shù)，構(gòu)建協(xié)同立體化巡檢模式成為現(xiàn)階段提升巡檢效益、保證線路運(yùn)維質(zhì)量的主要任務(wù)。

隨著輸電線路專(zhuān)業(yè)新技術(shù)、直升機(jī)和無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)輸電線路運(yùn)行巡檢方式已趨向多樣化。但是，目前國(guó)內(nèi)尚未對(duì)上述三種巡檢方式進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范，各類(lèi)巡檢技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)體系尚未完全建立，巡檢效益未充分發(fā)揮，各類(lèi)巡檢技術(shù)應(yīng)用相對(duì)獨(dú)立、分工不明確、多手段協(xié)同作業(yè)程度不高，增加了輸電線路的運(yùn)維成本，巡檢資源未實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)配，應(yīng)用效益未得到充分體現(xiàn)。

傳統(tǒng)的輸電線路巡檢方式在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些問(wèn)題：一是巡檢效益未充分發(fā)揮。直升機(jī)巡檢存在作業(yè)成本較高、巡檢數(shù)據(jù)利用率低、數(shù)據(jù)分析鏈條長(zhǎng)等問(wèn)題；無(wú)人機(jī)巡檢存在續(xù)航能力不足、缺陷智能識(shí)別程度低等問(wèn)題；人工移動(dòng)巡檢存在攜帶裝備種類(lèi)繁多、功能單一、信息采集規(guī)范性差等問(wèn)題。二是各類(lèi)巡檢技術(shù)分工界面不明確，未建成統(tǒng)一高效的協(xié)同巡檢體系。存在各類(lèi)巡檢技術(shù)應(yīng)用相對(duì)獨(dú)立、分工不明確、協(xié)同巡檢管理規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系尚未完全健全、多手段協(xié)同作業(yè)程度不高等問(wèn)題，巡檢資源未實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)配，應(yīng)用效益未得到充分體現(xiàn)。三是智能化和信息化程度有待進(jìn)一步提高。存在巡檢數(shù)據(jù)融合性差、海量數(shù)據(jù)處理分析困難、利用率低等問(wèn)題[2]。因此，為進(jìn)一步提升直升機(jī)、無(wú)人機(jī)和人工協(xié)同巡檢效率和效益，降低輸電線路運(yùn)維成本，根據(jù)當(dāng)?shù)氐匦螚l件及線路運(yùn)維環(huán)境，結(jié)合不同線路運(yùn)維手段的實(shí)際效果、成本、巡視周期等歷史數(shù)據(jù)，開(kāi)展直升機(jī)、無(wú)人機(jī)、人工三種巡線方式綜合效益研究分析，提出具有實(shí)際應(yīng)用效果的協(xié)同巡檢解決方案，指導(dǎo)直升機(jī)、無(wú)人機(jī)和人工三種巡線方式的實(shí)際應(yīng)用。

2 不同巡檢方式的特征及巡檢成本分析

直升機(jī)巡檢特征主要包括：一是巡檢不受地域影響且效率高。直升機(jī)可以方便地穿越崇山峻嶺，跨越林區(qū)、沼澤、湖泊和人員無(wú)法到達(dá)的無(wú)人區(qū)等區(qū)域，幾乎不受地域限制。直升機(jī)機(jī)動(dòng)靈活，是人工巡檢速度的幾十倍，巡檢效率高。二是發(fā)現(xiàn)隱蔽性缺陷能力強(qiáng)。直升機(jī)可以利用機(jī)載陀螺儀內(nèi)部集成的穩(wěn)定紅外熱成像儀發(fā)現(xiàn)線路上的一些隱蔽性缺陷，如引流板和金具發(fā)熱和合成絕緣子內(nèi)部損傷發(fā)熱等。而人工巡檢很難發(fā)現(xiàn)這些缺陷，這是因?yàn)檠惨暼藛T雖然配備手持紅外熱像儀，但在地面受巡檢位置等因素限制，人工巡檢不像直升機(jī)巡檢可以全程監(jiān)視。在巡查設(shè)備隱蔽性缺陷能力方面，直升機(jī)巡檢相比人工巡檢優(yōu)勢(shì)明顯。其次，無(wú)人機(jī)巡檢不受地域影響，機(jī)動(dòng)靈活、效率高。與直升機(jī)相似，無(wú)人機(jī)可以不受地形地貌限制，穿越高山、河流對(duì)輸電線路進(jìn)行快速巡檢，大大提高線路巡檢速度和效率，機(jī)動(dòng)靈活且效率高。同時(shí)相比載人直升機(jī)，航空管制對(duì)無(wú)人機(jī)的影響稍小，僅在特殊時(shí)期有專(zhuān)門(mén)的航空管制聲明。最后，人工巡檢方式應(yīng)用廣泛，發(fā)現(xiàn)桿塔基礎(chǔ)缺陷能力強(qiáng)，能夠?qū)σ恍┘?xì)小的隱患和缺陷進(jìn)行快速、直接的現(xiàn)場(chǎng)處理或反饋，在發(fā)現(xiàn)桿塔基礎(chǔ)缺陷方面較有優(yōu)勢(shì)，但巡檢主要依靠人工完成。

對(duì)于輸電線路不同巡檢方式的巡檢成本，可以選取當(dāng)?shù)靥幱诘湫偷匦蔚孛?、氣象環(huán)境條件下的典型電壓等級(jí)線路，通過(guò)統(tǒng)計(jì)近3 年來(lái)該典型線路運(yùn)維手段的巡檢成本、巡視次數(shù)等歷史數(shù)據(jù)，建立三種巡檢方式的巡檢成本估算模型，對(duì)直升機(jī)、無(wú)人機(jī)和人工巡檢三種巡檢方式的巡檢成本進(jìn)行估算。根據(jù)所選的典型線路的實(shí)際支出費(fèi)用參數(shù)，對(duì)每條線路各種巡檢方式的年度巡檢費(fèi)用單價(jià)進(jìn)行估算，評(píng)估分析每條線路的巡檢成本。

對(duì)于直升機(jī)的巡檢費(fèi)用估算，可以根據(jù)目前公司相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得出。對(duì)于無(wú)人機(jī)巡檢費(fèi)用估算，主要包括以下幾點(diǎn)：一是設(shè)備折舊費(fèi)，不同采購(gòu)年限、不同配置的無(wú)人機(jī)，其設(shè)備價(jià)格差異較大，需要按照無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)設(shè)備價(jià)格進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)預(yù)估出使用壽命，從而計(jì)算出每年的設(shè)備折舊費(fèi)（設(shè)備價(jià)格/設(shè)備使用壽命）。二是年人工費(fèi)折算值：人工費(fèi)包括無(wú)人機(jī)巡檢人員、輔助人員及相關(guān)管理人員的工資、差旅、培訓(xùn)、補(bǔ)助、工傷醫(yī)療保險(xiǎn)等各項(xiàng)費(fèi)用。同時(shí)，考慮到目前大多數(shù)無(wú)人機(jī)班組是柔性班組，無(wú)人機(jī)巡檢人員也從事人工巡視、檢修等工作，則無(wú)人機(jī)巡檢人員人工費(fèi)需折合到僅僅從事無(wú)人機(jī)巡檢的人/天費(fèi)用。三是年維護(hù)費(fèi)，年維護(hù)費(fèi)主要包括無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)的關(guān)鍵組部件、主要零配件等日常維護(hù)、維修保養(yǎng)、及主要配件更換費(fèi)分?jǐn)傊档?，特別是出現(xiàn)無(wú)人機(jī)失控、墜機(jī)等異常情況時(shí)，無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)維修費(fèi)和主要組部件更換費(fèi)需分?jǐn)偟矫磕甑哪昃S護(hù)費(fèi)中。四是車(chē)輛運(yùn)輸費(fèi)：與人工巡檢中汽車(chē)的運(yùn)輸方式類(lèi)似，車(chē)輛運(yùn)輸費(fèi)主要包括運(yùn)輸車(chē)輛的燃油、運(yùn)輸及車(chē)輛維修保養(yǎng)等相關(guān)費(fèi)用，無(wú)人機(jī)巡檢時(shí)車(chē)輛需從無(wú)人機(jī)庫(kù)房到整條線路，與無(wú)人機(jī)巡檢公里數(shù)有關(guān)[3]；由于該架無(wú)人機(jī)運(yùn)輸車(chē)輛也用于其他無(wú)人機(jī)巡檢運(yùn)輸或人工巡檢運(yùn)輸?shù)?，需?duì)運(yùn)輸費(fèi)進(jìn)行折算。五是年管理費(fèi)分?jǐn)傊担褐冈摋l輸電線路年運(yùn)維管理費(fèi)分?jǐn)偟綗o(wú)人機(jī)巡檢管理的費(fèi)用，包括空域申報(bào)費(fèi)、巡檢計(jì)劃制定、設(shè)備和人員管理、各類(lèi)管理系統(tǒng)操作管理等間接費(fèi)用。綜上可知，每千米線路無(wú)人機(jī)年巡檢費(fèi)用單價(jià)為：（年設(shè)備折舊費(fèi)+年人工費(fèi)折算值+年維護(hù)費(fèi)+車(chē)輛運(yùn)輸費(fèi)+年管理費(fèi)分?jǐn)傊担?無(wú)人機(jī)巡檢公里數(shù)，計(jì)算得到輸電線路無(wú)人機(jī)的巡檢費(fèi)用單價(jià)。

一般而言，線路所處不同地形、采用不同巡檢方式時(shí)巡檢費(fèi)用單價(jià)也不同，應(yīng)全面考慮巡檢線路的地理環(huán)境、氣象條件、線路設(shè)備特征等影響因素，確定綜合巡檢效益。對(duì)于平原地帶的線路，直升機(jī)年巡檢費(fèi)用高于人工、無(wú)人機(jī)年巡檢費(fèi)用；對(duì)于高山區(qū)內(nèi)的線路，直升機(jī)、無(wú)人機(jī)和人工年巡檢費(fèi)用差別不大，直升機(jī)巡檢費(fèi)用略高，但對(duì)于高山區(qū)等人員難以到達(dá)地區(qū)直升機(jī)的綜合巡檢效益較高。

3 輸電線路巡檢的綜合效益模型分析

在對(duì)輸電線路巡檢的綜合效益進(jìn)行分析時(shí)，由于不同的線路巡檢方式在巡檢質(zhì)量、安全、效率等方面都具有較為明顯的差異，故需要將質(zhì)量、安全、效率統(tǒng)一等值到巡檢成本上，以巡檢成本來(lái)衡量每種巡檢模式的綜合效益。評(píng)價(jià)指標(biāo)的等值化過(guò)程為：首先，對(duì)各效益評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行等級(jí)劃分；其次，將等級(jí)劃分后的評(píng)價(jià)指標(biāo)等值化為標(biāo)準(zhǔn)成本；最后，針對(duì)不同巡檢方法的組合進(jìn)行效益評(píng)估，計(jì)算最終綜合成本。

對(duì)于協(xié)同巡檢綜合效益評(píng)估模型的構(gòu)建，首先需要設(shè)定協(xié)同巡檢組合的模式，目前常用的單一巡檢模式有人工巡檢、小型多旋翼巡檢、固定翼巡檢和直升機(jī)巡檢。由以上4 種單一巡檢模式共可組合成15 種巡檢模式組合，其中包含4 種單一巡檢模式，6 種兩組合巡檢模式，4 種三組合巡檢模式和1 種四組合巡檢模式，具體組合情況見(jiàn)表1。

表1 巡檢模式組合

各種巡檢模式在不同的地形、天氣、巡檢任務(wù)等條件下都會(huì)有不同的表現(xiàn)，都會(huì)在質(zhì)量、安全性、效率性和經(jīng)濟(jì)性等方面表現(xiàn)出各自的特征。考慮到無(wú)人機(jī)和直升機(jī)受地形的影響不顯著，所以在考察巡檢模式的選擇過(guò)程中，可以根據(jù)人工巡檢的方便程度將地形分為3 種：平原地區(qū)、山地丘陵、高山大嶺。其中平原地區(qū)包含農(nóng)田密集區(qū)、湖泊中間區(qū)和泥沼地區(qū)3 類(lèi)微觀地形；山地丘陵包含農(nóng)田密集區(qū)和林區(qū)2 類(lèi)微觀地形。同時(shí)，將巡檢任務(wù)的類(lèi)型分為4 種：常規(guī)巡檢、應(yīng)急巡檢、故障巡檢1、故障巡檢2、故障巡檢3。其中，故障巡檢1 指的是在發(fā)生故障時(shí)，已經(jīng)明確為桿塔平口以上缺陷以及導(dǎo)地線缺陷，包括對(duì)導(dǎo)線、地線、引流線、屏蔽線、OPGW、線路金具等的故障巡檢；故障巡檢2指的是在發(fā)生故障時(shí)，已經(jīng)明確為桿塔平口以下缺陷，包括對(duì)地基與基面、桿塔基礎(chǔ)、接地裝置、拉線及基礎(chǔ)、絕緣子等的故障巡檢；故障巡檢3 指的是發(fā)生故障時(shí)，不知道具體故障發(fā)生的位置。

由于該線路總巡檢效益可由各分段巡檢效益之和表示，所以該線路最大巡檢效益（）為該線路在各路段可能取得的最大效益（）之和，即：

其中，每一路段的最大效益值的計(jì)算方法為，分別計(jì)算各種可以采用的巡檢模式在該路段的效益值（），然后取其中的最大者（ Max ()）該路段的最大巡檢效益，即，

令各路段取得最大效益的巡檢模式為該路段的最優(yōu)巡檢模式，亦即最應(yīng)該選取的巡檢模式。當(dāng)給定線路的各個(gè)路段均采用最優(yōu)巡檢模式時(shí)，該線路的總效益值取得最大值，此時(shí)，由這些最優(yōu)巡檢模式組成的巡檢方案即為該線路的最優(yōu)巡檢方案。

采用已建立的協(xié)同巡檢效益評(píng)估算法模型，對(duì)處于典型地形氣象環(huán)境條件下的線路進(jìn)行了協(xié)同巡檢綜合效益評(píng)估分析，可言得到整條線路或線路分區(qū)段的協(xié)同巡檢推薦計(jì)劃。結(jié)合典型線路協(xié)同巡檢計(jì)劃決策結(jié)果，可給出不同線路設(shè)備、不同地形環(huán)境、不同氣象條件下架空輸電線路協(xié)同巡檢配合模式。下一步亟需收集整理大量典型線路的地形特征、氣象環(huán)境特征、線路運(yùn)維成本、實(shí)際巡檢方式等歷史運(yùn)維數(shù)據(jù)，采用該協(xié)同巡檢算法模型，進(jìn)行協(xié)同巡檢綜合效益評(píng)估和巡檢費(fèi)用估算，對(duì)推薦的協(xié)同巡檢計(jì)劃進(jìn)行人工審核確認(rèn)，驗(yàn)證直升機(jī)、無(wú)人機(jī)和人工相協(xié)同巡檢的方式、內(nèi)容和周期等，驗(yàn)證模型的合理性和實(shí)用性，不斷優(yōu)化調(diào)整模型的評(píng)估系數(shù)和指標(biāo)權(quán)重，進(jìn)一步優(yōu)化完善算法模型的參數(shù)配置，推動(dòng)協(xié)同巡檢效益評(píng)估和輔助決策算法模型實(shí)用化，為輸電線路全年巡檢計(jì)劃制定提供技術(shù)依據(jù)，優(yōu)化巡檢計(jì)劃，降低運(yùn)維成本。

4 結(jié)論

本文在現(xiàn)有評(píng)估分析方法調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，提出了直升機(jī)、無(wú)人機(jī)和人工協(xié)同巡檢綜合效益評(píng)估模型的技術(shù)路線。同完成了協(xié)同巡檢效益評(píng)估指標(biāo)的設(shè)定和量化，對(duì)各評(píng)估指標(biāo)的內(nèi)涵進(jìn)行了界定。本文所構(gòu)建的評(píng)估模型不僅能應(yīng)對(duì)各種工況，包括地形、天氣、海拔、桿塔對(duì)象、巡檢任務(wù)等，并且協(xié)同巡檢效益評(píng)估結(jié)果的有效性和適用性也得到了驗(yàn)證，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。