無人機(jī)在特高壓輸電線路巡檢中的應(yīng)用

卞紅偉

中國電建集團(tuán)吉林省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司 吉林 長(zhǎng)春 130022

1 無人機(jī)技術(shù)在特高壓輸電線路巡檢中的應(yīng)用現(xiàn)狀

電力關(guān)系著日常的生活生產(chǎn)，在現(xiàn)代化的進(jìn)程中，人們對(duì)于電力的需求也越來越大。所以輸電線路的分布也非常廣泛，除了城鎮(zhèn)地區(qū)，輸電線路也遍布于偏遠(yuǎn)山區(qū)和大小江河。傳統(tǒng)的輸電線路巡檢工作，都是采用人工操作，在地理或者天氣條件良好時(shí)還比較容易操作一些，而到了地形條件復(fù)雜的地區(qū)或者在江河上進(jìn)行人力操作，那么項(xiàng)目工程也是非常繁瑣的，不僅效率低下，也很容易發(fā)生安全事故[1]。在這樣的工程背景下，又隨著科技的全面進(jìn)步，載人直升機(jī)形式的巡檢也應(yīng)運(yùn)而生，相比較之下，這種形式的巡檢更有效率，可以更好地應(yīng)對(duì)外界的惡劣環(huán)境，而且安全性也更高。不過，基于政治軍事因素，我國對(duì)于空域的管制一直都非常嚴(yán)格，再加上載人直升機(jī)的使用和維護(hù)成本較高，所以在輸電線路的巡檢工作中，載人直升機(jī)也很少能夠得以頻繁的應(yīng)用，因此也沒有實(shí)現(xiàn)巡檢質(zhì)量和效率的實(shí)質(zhì)性突破。

2 無人機(jī)的構(gòu)成

無人機(jī)是飛機(jī)的一種類型，因?yàn)樗娘w行無需進(jìn)行人為駕駛，只需要通過無線電遙控設(shè)施就可以對(duì)其進(jìn)行操縱，所以又稱為無人機(jī)。從規(guī)模上看，無人機(jī)相對(duì)較小，在高空中進(jìn)行作業(yè)的過程中操縱起來也更加便捷。雖然無人機(jī)規(guī)模較小，但是功能卻非常齊全，用“麻雀雖小五臟俱全”則可以很好地詮釋現(xiàn)代無人機(jī)。這也是無人機(jī)技術(shù)可以在多個(gè)領(lǐng)域大放異彩的重要原因，如在軍事偵查領(lǐng)域、抗災(zāi)搶險(xiǎn)過程以及工程測(cè)繪之中，都有無人機(jī)的身影。而本文主要圍繞無人機(jī)在特高壓輸電線路巡檢領(lǐng)域進(jìn)行探討，通過分析無人機(jī)的構(gòu)成，來闡明無人機(jī)的工作原理。

2.1 飛行控制系統(tǒng)

無人機(jī)雖然規(guī)模不大，但是所涵蓋的系統(tǒng)眾多，而飛行控制系統(tǒng)則是最為關(guān)鍵的系統(tǒng)之一，也決定著無人機(jī)的整體運(yùn)行狀態(tài)。目前來看，無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)主要包括兩種形式，一種是自動(dòng)駕駛模式，另一種是手動(dòng)控制模式。飛行控制系統(tǒng)在無人機(jī)的運(yùn)行過程中，扮演著指令者的角色，無人機(jī)的路線選擇，也都是由飛行控制系統(tǒng)來決定。選擇不同的駕駛方式，也需要執(zhí)行不同的命令，比如由遙控接收機(jī)接收地面控制站所發(fā)出的指令時(shí)，這就是手動(dòng)控制模式；而由自動(dòng)駕駛儀來發(fā)布控制指令時(shí)，這就是自動(dòng)駕駛模式。

2.2 動(dòng)力系統(tǒng)

目前來看，無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)主要可分為兩種類型，分別是內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。通過對(duì)這兩種動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，前者的聲音更大，后者的聲音更??；前者穩(wěn)定性較差，后者穩(wěn)定性較強(qiáng)，而且后者的重量更輕。整體來看，還是電動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)更加明顯，其可以更好地融入到無人機(jī)之中，比如二者可以使用同一電源，而且也有更強(qiáng)的抗干擾性，無論是溫度還是高度的變化，電動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)都足夠穩(wěn)定。

2.3 能源系統(tǒng)

無人機(jī)之中各種系統(tǒng)的運(yùn)行，都需要能源系統(tǒng)提供電力，能源系統(tǒng)也是無人機(jī)的根基。結(jié)合當(dāng)前我國無人機(jī)的結(jié)構(gòu)來看，其中很多設(shè)備都是通過需要電力支持才能運(yùn)行的，比如電動(dòng)機(jī)，信號(hào)接收機(jī)，以及調(diào)速器等等。所以無人機(jī)的飛行也需要應(yīng)用到很多類型的電池，比如鋰電池、鎳鎘電池以及鋰聚合物電池等等。隨著無人機(jī)的日漸升級(jí)，現(xiàn)在對(duì)能源系統(tǒng)的放電能力也提出了更高的要求，系統(tǒng)的放電強(qiáng)度需保持在15C以上。

2.4 通訊系統(tǒng)

無人機(jī)之所以能夠具備監(jiān)測(cè)和巡檢的功能，主要就是依賴于輸送系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)和圖像信息傳遞給地面的控制站，其中通訊系統(tǒng)中的數(shù)傳電臺(tái)負(fù)責(zé)飛行數(shù)據(jù)的傳遞，其中包括高度、速度、線路以及姿態(tài)等全方位的內(nèi)容[2]。而通訊系統(tǒng)中的圖傳電臺(tái)主要負(fù)責(zé)無人機(jī)所拍攝到的圖像資料的傳遞，這樣無人機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)輸電線路的巡檢功能了。

2.5 荷載設(shè)備

無人機(jī)除了具備上述等多個(gè)系統(tǒng)之外，荷載設(shè)備也是不可忽視的環(huán)節(jié)。當(dāng)然，相比于復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)備，荷載設(shè)備的數(shù)量也相對(duì)較少，通常包括熱紅外儀、照相機(jī)以及云臺(tái)設(shè)備等，這也是無人機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能重點(diǎn)依賴的設(shè)備工具。

2.6 地面監(jiān)控站

雖然地面監(jiān)控站與無人機(jī)是割離存在的，但是二者之間也具有千絲萬縷的聯(lián)系，無人機(jī)自身以及監(jiān)測(cè)到的所有信息也都會(huì)輸送到地面監(jiān)控站之中，而無人機(jī)的運(yùn)行過程也都是由操控人員在地面監(jiān)控站中進(jìn)行操作。比如無人機(jī)的飛行路線，升降落時(shí)間，飛行狀態(tài)的調(diào)整等多方面的內(nèi)容，都在監(jiān)控站操作人員的工作范疇之內(nèi)。此外，監(jiān)控人員還需要對(duì)無人機(jī)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)和圖像信息進(jìn)行記錄，尤其在高壓輸電線路的巡視工作中，必須要保證無人機(jī)和電力系統(tǒng)的安全性，操作人員也需要最大程度上發(fā)揮地面監(jiān)控站的作用。

3 特高壓輸電線路巡檢無人機(jī)的特點(diǎn)

當(dāng)前，我國巡線無人機(jī)的分類形式主要包括如下幾種：第一，根據(jù)動(dòng)力配置方式可以將無人機(jī)分為兩種，分別是電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力型無人機(jī)；第二，根據(jù)控制方式可以將無人機(jī)分為三種，包括全自動(dòng)型、遙控型和導(dǎo)航與遙控相結(jié)合型的無人機(jī)；第三，根據(jù)結(jié)構(gòu)類型可以將無人機(jī)分為四種，包括固定翼、單旋翼、四旋翼和六旋翼型的無人機(jī)。在本文的研究中，也重點(diǎn)選取幾種最為常用的無人機(jī)類型進(jìn)行介紹。

3.1 固定翼無人機(jī)

相比于其它類型的無人機(jī)，固定翼無人機(jī)的飛行速度也是最快的，正常情況下飛行速度也會(huì)保持在每小時(shí)100千米到200千米之內(nèi)，同時(shí)，這種機(jī)型的續(xù)航能力也更強(qiáng)。所以在特高壓輸電線路的巡檢工作中，通常都是在完成范圍較大的巡檢任務(wù)時(shí)，會(huì)應(yīng)用到固定翼無人機(jī)。而且這種機(jī)型不受控制方式的約束，可以根據(jù)需要選擇自動(dòng)或者手動(dòng)的飛行模式[3]。整體來看，這種無人機(jī)的操作難度較低，而且自動(dòng)化特征比較明顯，不僅拍攝的靈敏度高，而且無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性也非常強(qiáng)。除此之外，固定翼無人機(jī)的另一大優(yōu)勢(shì)就是具備較大的載重量，在巡檢工作中，可以同時(shí)搭載更多的設(shè)備。當(dāng)然，固定翼無人機(jī)也并非盡善盡美，比如不可懸停，只能進(jìn)行單向巡檢，這就需要在特高壓輸電線路的巡檢過程中，只能進(jìn)行俯視拍攝。

3.2 電動(dòng)多旋翼無人機(jī)

電動(dòng)多旋翼無人機(jī)使用旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力飛行，采用多支對(duì)稱的旋翼旋轉(zhuǎn)抵消旋翼的自旋扭力，通過調(diào)整每只旋翼的轉(zhuǎn)速可以控制電動(dòng)多旋翼無人機(jī)的飛行動(dòng)作，包括前進(jìn)動(dòng)作、后退動(dòng)作以及轉(zhuǎn)向動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)這種無人機(jī)飛行主要依賴于電力，相比于其它類型的無人機(jī)，電動(dòng)多旋翼無人機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)易，整體規(guī)模更小，而且重量也非常輕，所以操控這種無人機(jī)也更加便捷。與此同時(shí)，以電力作為驅(qū)動(dòng)力，也更有利于能源的節(jié)約。電動(dòng)多旋翼無人機(jī)的主要特點(diǎn)在于占據(jù)空間小，其旋翼可折疊安放，所有控制部件集中在無人機(jī)的中部，四周分布的主要是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，雖然在待機(jī)時(shí)，電動(dòng)多旋翼無人機(jī)的旋翼是折疊存放的，不過無人機(jī)的開機(jī)效率卻非?？?，從待機(jī)狀態(tài)到作業(yè)狀態(tài)，只需要5分鐘就可以實(shí)現(xiàn)旋翼的伸展。

3.3 無人直升機(jī)

無人直升機(jī)又稱為單旋翼帶尾槳式無人機(jī)，此類無人直升機(jī)主要通過主旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力帶動(dòng)主機(jī)實(shí)現(xiàn)飛行作業(yè)，而尾翼的旋轉(zhuǎn)能夠幫助無人直升機(jī)改變飛行方向并抵消旋翼的自旋扭力。不同于電力驅(qū)動(dòng)的無人機(jī)，無人直升機(jī)的驅(qū)動(dòng)力主要來源于汽油驅(qū)動(dòng)。從某種程度上講，相比于電力驅(qū)動(dòng)模式，汽油驅(qū)動(dòng)模式可以有效地增加續(xù)航時(shí)間，而且載重量也會(huì)隨之提高。不過，這也意味著無人直升機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，重量也會(huì)比其它形式的無人機(jī)大出很多。需要注意的是，在輸電線路巡檢工作中應(yīng)用無人直升機(jī)，要特別注意尾翼和主旋翼之間的安全距離，因?yàn)槠渲餍頃?huì)達(dá)到兩米左右的長(zhǎng)度，所以在行駛中兩翼也經(jīng)常會(huì)互相干擾，從而產(chǎn)生飛行事故。所以為了保證兩翼之間的距離足夠，無人直升機(jī)的整體規(guī)模也較大。從控制部件的分布上看，主要集中于無人機(jī)的前部位置，在這點(diǎn)上無人直升機(jī)與電動(dòng)多旋翼無人機(jī)相近，不過二者的差異在于，前者的機(jī)體可以進(jìn)行折疊，而后者則不可以，所以后者的機(jī)體也會(huì)占據(jù)較大的空間。因此，無人直升機(jī)的優(yōu)劣也非常明顯，優(yōu)勢(shì)在于續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，能夠適用于遠(yuǎn)端的巡檢作業(yè)，而且載重非常大。劣勢(shì)在于操作起來相對(duì)復(fù)雜，對(duì)于操控人員的專業(yè)能力提出了更高的要求，而且相比于電力驅(qū)動(dòng)，汽油驅(qū)動(dòng)的成本也更高，經(jīng)濟(jì)效益較差。

4 無人機(jī)輸電線路巡檢技術(shù)流程

為了進(jìn)一步探索無人機(jī)技術(shù)在特高壓輸電線路巡檢工作中的應(yīng)用程序，本文也結(jié)合酒泉—湖南±800 kV特高壓直流輸電工程這個(gè)案例，從而探討其中的技術(shù)流程。

4.1 精細(xì)巡檢

在工程特高壓輸電線路巡檢工作中，首先進(jìn)行了精細(xì)巡檢，其中精細(xì)巡檢的內(nèi)容主要包括如下等多個(gè)方面：如桿塔本體和基礎(chǔ)、接地裝置、絕緣子、導(dǎo)線線路金具以及附屬設(shè)施。在這次巡檢中，無人機(jī)先對(duì)巡檢線路的路徑信息予以收集，并錄入到飛行控制系統(tǒng)之中，再對(duì)無人機(jī)進(jìn)行操縱，實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的采集。為了更好地保障工程電網(wǎng)安全，以及減少定位誤差的影響，在本次巡檢工作中既獲得了自動(dòng)控制系統(tǒng)的支持，同時(shí)也有人工操控的參與。具體的操作流程如下：無人機(jī)飛控程序控制旋翼無人機(jī)到達(dá)已知線路路徑信息的目標(biāo)桿塔上方15 m的位置，再切換到人工控制旋翼無人機(jī)進(jìn)一步靠近目標(biāo)桿塔并調(diào)整云臺(tái)角度，并根據(jù)具體的巡檢任務(wù)獲取相關(guān)影像。采用這種半自動(dòng)的精細(xì)巡檢方式能極大程度上提高無人機(jī)巡檢效率，保障巡檢線路安全，減輕了巡檢人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

4.2 通道巡視

在工程特高壓輸電線路巡檢工作中進(jìn)行通道巡視，主要是為了對(duì)線路走廊安全距離范圍內(nèi)的不符合規(guī)范的工程進(jìn)行影像和數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，比如違規(guī)施工行為，道橋坍塌損壞，違章的建筑物，以及防澇設(shè)施等等。在通道巡視的過程中，僅僅通過無人機(jī)進(jìn)行原始影像的采集，不足以滿足對(duì)線路出現(xiàn)的危險(xiǎn)源進(jìn)行準(zhǔn)確的位置判斷，所以也需要應(yīng)用到數(shù)據(jù)航飛技術(shù)，以正射影像的形式將線路內(nèi)的隱患進(jìn)行清晰的呈現(xiàn)，這樣也更有利于提升巡檢效率和質(zhì)量，將安全隱患扼殺于萌芽之中，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本、減少糾紛的目的[4]。

4.3 故障巡檢和特殊巡檢

所謂故障巡檢，就是指特高壓輸電線路出現(xiàn)故障時(shí)，進(jìn)行故障的巡檢和排查，從而獲取到故障信息，再予以解決。而特殊巡檢則是應(yīng)對(duì)于特殊的巡檢需求而開展的巡檢工作，這兩項(xiàng)巡檢工作更有針對(duì)性。在案例工程之中，進(jìn)行這兩項(xiàng)巡檢任務(wù)的過程中，也主要應(yīng)用到了半自動(dòng)化的精細(xì)巡檢模式，排查出了線路具有釘銷缺陷的問題，并通過高清正射影像的生成，將線路現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)圖片信息予以收集，再加上現(xiàn)場(chǎng)視頻從而完成診斷和處理，最終完成了故障巡檢和特殊巡檢任務(wù)。

4.4 無人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)的管理和應(yīng)用

在特高壓輸電線路的巡檢工作中，完成數(shù)據(jù)的管理和應(yīng)用，主要是通過無人機(jī)的影像采集和地理信息系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。結(jié)合工程實(shí)踐可知，無人機(jī)所采集到的影像資料非常清晰，同時(shí)也可以對(duì)采集到的影響資料進(jìn)行高效地處理，最后生成了更好的影像成果并在地理信息系統(tǒng)綜合管理平臺(tái)中予以管理和使用，從而整理出工程輸電線路現(xiàn)場(chǎng)存在的問題，比如輸電線路與通道隱患之間的安全距離和位置關(guān)系，再如桿塔缺陷隱患類型以及所在的行政區(qū)域等等，這些巡檢的數(shù)據(jù)和影像信息最后都能以報(bào)表的形式得以輸出。在地理信息系統(tǒng)綜合管理平臺(tái)的支持下，無人機(jī)所采集到的線路影像和數(shù)據(jù)信息也能夠得到更好的管理，處理起來更加高效，讓信息呈現(xiàn)出了更大的利用價(jià)值。

5 結(jié)束語

隨著科技的不斷進(jìn)步，無人機(jī)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中都得到了更加廣泛的應(yīng)用。其中，鑒于特高壓輸電線路巡檢工作的難度較大，而且危險(xiǎn)性也較高，所以無人機(jī)技術(shù)也為該領(lǐng)域巡檢工作提供了極大的便利。無人機(jī)主要由飛行控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、荷載設(shè)備和地面監(jiān)控站構(gòu)成，目前來看，在特高壓輸電線路巡檢工作中應(yīng)用較多的無人機(jī)類型主要包括固定翼無人機(jī)，電動(dòng)多旋翼無人機(jī)和無人直升機(jī)，其中小型電動(dòng)多旋翼無人機(jī)的優(yōu)勢(shì)最為明顯，深受業(yè)界青睞。本文結(jié)合酒泉—湖南±800 kV特高壓直流輸電工程案例，指出了無人機(jī)的技術(shù)流程，主要包括精細(xì)巡檢、通道巡檢、故障巡檢和特殊巡檢，以及無人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)的管理和應(yīng)用。