超特高壓輸電線路無(wú)人機(jī)全程自主巡檢系統(tǒng)

耿亞含 馮俊杰 河南送變電建設(shè)有限公司

近幾年，伴隨著我國(guó)社會(huì)對(duì)電力能源需求量的不斷增長(zhǎng)，電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和長(zhǎng)度都實(shí)現(xiàn)了成倍增加，在這種情況下，依然沿用人工對(duì)輸電線路進(jìn)行檢查的方式必然會(huì)逐漸被淘汰。基于超特高壓輸電線路的無(wú)人機(jī)全程自主巡檢云臺(tái)系統(tǒng)，采用深度學(xué)習(xí)目標(biāo)識(shí)別以及視覺(jué)和慣性測(cè)量單元結(jié)合的導(dǎo)航技術(shù)，運(yùn)用無(wú)人機(jī)自動(dòng)飛到線路周邊然后對(duì)線路進(jìn)行拍攝，能夠?qū)崿F(xiàn)線路的自動(dòng)巡檢以及監(jiān)控，這不但能夠提升電力企業(yè)對(duì)特高壓輸電線路運(yùn)行的監(jiān)控能力，同時(shí)還有助于降低線路巡檢成本，提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

一、電力無(wú)人機(jī)概述

根據(jù)無(wú)人機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)，通?？蓪o(wú)人機(jī)分為無(wú)人直升機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)三類。目前在電力巡檢中都有應(yīng)用，但由于三種無(wú)人機(jī)的性能特點(diǎn)存在較大差異，其所承擔(dān)的巡檢任務(wù)也有所側(cè)重。

無(wú)人直升機(jī)與傳統(tǒng)直升機(jī)類似，但由操控人員在地面站進(jìn)行操控，是早期電網(wǎng)無(wú)人機(jī)巡檢試驗(yàn)方案之一。由于無(wú)人直升機(jī)體積較大，操控難度較高，存在與電力設(shè)施碰撞產(chǎn)生嚴(yán)重后果的潛在風(fēng)險(xiǎn)，且成本較高，目前已較少應(yīng)用在電力巡檢領(lǐng)域。

多旋翼無(wú)人機(jī)由多個(gè)旋翼產(chǎn)生升力，通過(guò)改變各個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速控制飛行器的姿態(tài)，具有小巧靈活、垂直起降、精準(zhǔn)懸停的優(yōu)點(diǎn)，但機(jī)動(dòng)性和飛行高度較低，負(fù)載較小，續(xù)航時(shí)間短。因此，在架空線路巡檢中，多旋翼無(wú)人機(jī)通常負(fù)責(zé)小范圍精細(xì)作業(yè)，或桿塔精細(xì)化建模等任務(wù)。

固定翼無(wú)人機(jī)依靠螺旋槳或渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)提供前進(jìn)動(dòng)力，由機(jī)翼與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生升力，其巡航速度快，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，但起降需要跑道，且無(wú)法懸停。在架空線路巡檢中，固定翼通常負(fù)責(zé)大范圍、有較高航程要求的任務(wù)。

除此之外，還有結(jié)合固定翼與多旋翼的復(fù)合翼無(wú)人機(jī)，兼具垂直起降、精準(zhǔn)懸停與巡航速度快的優(yōu)點(diǎn)，在災(zāi)后應(yīng)急等惡劣復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用場(chǎng)景中極具潛力，但在電力巡檢領(lǐng)域尚未有大范圍落地應(yīng)用。

二、輸電線路無(wú)人機(jī)智能巡檢現(xiàn)狀

無(wú)人機(jī)智能巡檢技術(shù)是一種由飛手遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)，通過(guò)機(jī)載傳感設(shè)備對(duì)架空高壓輸電線路進(jìn)行巡查和檢修的技術(shù)。根據(jù)無(wú)人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的不同，可將無(wú)人機(jī)分為無(wú)人直升機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)、固定翼無(wú)人機(jī)和復(fù)合翼無(wú)人機(jī)。其中，無(wú)人直升機(jī)體積較大，控制難度和使用成本較高，已很少應(yīng)用于輸電線路巡檢中；多旋翼無(wú)人機(jī)小巧靈活，可垂直起降、精準(zhǔn)懸停，但它可承受的負(fù)載較小，機(jī)動(dòng)性和飛行高度較低，且續(xù)航時(shí)間較短；固定翼無(wú)人機(jī)巡航速度較快，且續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，但需要跑道起降，也無(wú)法懸停；結(jié)合了多旋翼和固定翼的復(fù)合翼無(wú)人機(jī)兼具多旋翼和固定翼無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)，但其成本較高，尚未在高壓輸電線路巡檢中使用。

在輸電線路無(wú)人機(jī)巡檢中，無(wú)人機(jī)是承載監(jiān)測(cè)輸電線路運(yùn)行狀態(tài)遙感設(shè)備的平臺(tái)。常用的遙感檢測(cè)手段包括可見(jiàn)光成像、紫外成像、紅外熱成像、激光雷達(dá)電能等。其中，可見(jiàn)光遙感檢測(cè)利用相機(jī)等可見(jiàn)光采集設(shè)備，檢查肉見(jiàn)可見(jiàn)的輸電線路及其附屬電力設(shè)備的特性和性質(zhì)變化，已被廣泛應(yīng)用輸電線路無(wú)人機(jī)巡檢工作中；紫外遙感檢測(cè)主要利用紫外遙感設(shè)備，檢測(cè)輸電線路和電力設(shè)備是否發(fā)生電暈放電或局部閃絡(luò)的現(xiàn)象。由于成本較高，紫外遙感檢測(cè)尚未在輸電線路無(wú)人機(jī)巡檢中被廣泛使用；紅外遙感檢測(cè)主要利用紅外熱像儀等設(shè)備，檢測(cè)運(yùn)行中的電力設(shè)備是否出現(xiàn)過(guò)熱缺陷的現(xiàn)象；激光雷達(dá)檢測(cè)主要用于輸電線路的地理信息測(cè)繪和定位導(dǎo)航中。

無(wú)人機(jī)在巡檢輸電線路的過(guò)程中，會(huì)拍攝大量的輸電線路和附屬電力設(shè)備的圖片數(shù)據(jù)。由于這些圖片的智能處理還處于研究階段，后期還是需要人工處理。此外，現(xiàn)有輸電線路巡檢無(wú)人機(jī)還不能做到完全自主巡檢，巡檢質(zhì)量嚴(yán)重依賴的無(wú)人機(jī)巡檢人員專業(yè)水平。

三、系統(tǒng)主要功能

該云臺(tái)系統(tǒng)的目的是實(shí)現(xiàn)無(wú)人監(jiān)值的線路巡檢，所以應(yīng)具備根據(jù)坐標(biāo)飛往巡檢起點(diǎn)的功能。在起點(diǎn)的桿塔位置進(jìn)行桿塔的目標(biāo)識(shí)別確定桿塔的位置，進(jìn)而根據(jù)輸電線路的方向沿途尋找下一座桿塔。在每一座桿塔的位置檢測(cè)到后，利用視覺(jué)和慣性測(cè)量單元相結(jié)合的方案進(jìn)行相對(duì)坐標(biāo)的定位，在此過(guò)程中環(huán)繞桿塔進(jìn)行絕緣端以及其他感興趣目標(biāo)的檢測(cè)。檢測(cè)流程執(zhí)行完畢后，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)返回桿塔檢測(cè)開(kāi)始時(shí)的位置，進(jìn)行線路檢測(cè)并前往下一座桿塔。

該方案同時(shí)具備飛行過(guò)程中的安全控制系統(tǒng)，全程利用GPS 系統(tǒng)進(jìn)行絕對(duì)坐標(biāo)的約束，保證無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的安全并在系統(tǒng)異常時(shí)及時(shí)發(fā)出預(yù)警。

四、無(wú)人機(jī)在特高壓輸電線路巡檢中的具體應(yīng)用

（一）屏蔽技術(shù)

電磁波的屏蔽技術(shù)，主要是用絕緣材質(zhì)阻隔電磁波的干擾。屏蔽技術(shù)在實(shí)際使用中，只能通過(guò)吸收和反射，來(lái)稍微削減電磁波，并不能有效阻隔。常見(jiàn)的屏蔽技術(shù)，主要是通過(guò)以下兩個(gè)方面進(jìn)行電磁屏蔽防護(hù)。

1）將無(wú)人機(jī)所有的縫隙包裹嚴(yán)實(shí)。采用合適的絕緣材質(zhì)填充縫隙，防止電磁波進(jìn)入。常見(jiàn)的填充材質(zhì)包括金屬絲網(wǎng)墊、導(dǎo)電布?jí)|、軟金屬3 種。

在無(wú)人機(jī)的元器件附近，通過(guò)屏蔽層的包裹，將電磁波阻隔在外。常用的方法包括：在元器件附近，用錫箔紙進(jìn)行整體包裹；在信號(hào)回路處采用屏蔽雙絞線，保障不同的信號(hào)有單獨(dú)的傳輸線路，還可以避免短路現(xiàn)象的發(fā)生；在電源連接處包裹屏蔽層，使接收部位將電磁波有效阻隔。

2）優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)，避免關(guān)鍵設(shè)備受到電磁波的干擾，確保無(wú)人機(jī)安全。系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)，應(yīng)遵循以下兩個(gè)原則：一是在無(wú)人機(jī)干擾源附近避免裝設(shè)關(guān)鍵設(shè)備飛行控制系統(tǒng)、測(cè)量元件等設(shè)備都要遠(yuǎn)離元器件的接口或者縫隙處，從而弱化電磁波的干擾；二是通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)電源線路的改造使主要線路與其他線路保持一定的距離，在電源回路與信號(hào)回路交叉地方，應(yīng)當(dāng)將其夾角設(shè)置為90°。

（二）輔助檢修作業(yè)技術(shù)

傳統(tǒng)的檢修方法是檢修人員從桿塔底部攀爬到塔頂，再逐步移動(dòng)到線路檢修所在位置進(jìn)行作業(yè)，這種方法繁瑣、低效。

隨著以特高壓為骨干網(wǎng)架大電網(wǎng)的建成，無(wú)人機(jī)巡檢逐漸成為電網(wǎng)運(yùn)檢工作的核心，其對(duì)傳統(tǒng)檢修方法的輔助和補(bǔ)充，受到越來(lái)越多的關(guān)注。無(wú)人機(jī)輔助檢修作業(yè)主要包括無(wú)人機(jī)牽引架線、輔助傳遞工器具、清除導(dǎo)地線異物、無(wú)人機(jī)驗(yàn)電和復(fù)合絕緣子憎水性檢測(cè)等。

隨著無(wú)人機(jī)在電力行業(yè)的廣泛應(yīng)用，在無(wú)人機(jī)輔助檢修作業(yè)方面，還需積極探索相關(guān)新技術(shù)，包括開(kāi)展無(wú)人機(jī)帶電作業(yè)、帶電水沖洗、復(fù)合絕緣子憎水性檢測(cè)、絕緣子零值低值檢測(cè)、噴涂防污閃涂料、應(yīng)急照明、基于聲紋識(shí)別的設(shè)備異常檢測(cè)等，以進(jìn)一步拓展無(wú)人機(jī)在檢修作業(yè)中的應(yīng)用。

（三）濾波技術(shù)

濾波技術(shù)可以過(guò)濾電磁干擾的能量，從而保障無(wú)人機(jī)的元器件正常工作。針對(duì)進(jìn)入無(wú)人機(jī)的電磁波，可以在無(wú)人機(jī)縫隙處裝設(shè)濾波器，對(duì)接受的信號(hào)進(jìn)行分析過(guò)濾，將電磁波阻隔在外。針對(duì)沿著設(shè)備元器件產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)，可以通過(guò)電源濾波器的裝設(shè)，在電源處就將電磁波阻隔在外。

應(yīng)用較為廣泛的濾波器為鐵氧體磁環(huán)濾波器。鐵氧體磁環(huán)濾波器也可以看作成電阻，其電阻值會(huì)隨著電磁波的頻率而發(fā)生變化，具有非常強(qiáng)的阻隔性能。可以根據(jù)電磁波的頻率特點(diǎn)，來(lái)選定不同材質(zhì)的鐵氧還磁體。通過(guò)大量的實(shí)踐研究，發(fā)現(xiàn)鎳鋅鐵氧環(huán)的阻隔性能高于錳鋅鐵氧環(huán)。在實(shí)際應(yīng)用中，也可以在同一條線路上，通過(guò)鎳鋅鐵氧環(huán)和錳鋅鐵氧環(huán)的同時(shí)使用，來(lái)阻隔大范圍的電磁波。在磁環(huán)裝設(shè)時(shí)，必須環(huán)環(huán)相扣，將線路嚴(yán)密包裹，避免發(fā)生電磁波泄漏的情況。此外，磁環(huán)的安裝位置要盡量貼近干擾源或者無(wú)人機(jī)縫隙處，這樣才能取得較好的成效。

五、結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)家對(duì)于無(wú)人機(jī)的發(fā)展重點(diǎn)關(guān)注，重點(diǎn)發(fā)展。伴隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和科技的進(jìn)步，無(wú)人機(jī)巡檢輸電線路的技術(shù)水平也在不斷提升、完善。在人工巡檢過(guò)程中，由于觀察角度以及巡查人員的水平限制，效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于無(wú)人機(jī)巡檢的排查。無(wú)人機(jī)巡檢排查降低了成本，提升了效率。國(guó)家電網(wǎng)在無(wú)人機(jī)技術(shù)和人才培養(yǎng)方面著重進(jìn)行培養(yǎng)，恰恰說(shuō)明無(wú)人機(jī)將迎來(lái)新的發(fā)展應(yīng)用階段。