無人機在10kV配電線路智能巡檢中的應(yīng)用

楊鑫　周攀　李斌　秦碩　高爽　張派

摘要：配電網(wǎng)運維面臨巡視人員數(shù)量少、運維資產(chǎn)體量大、設(shè)備及通道環(huán)境復(fù)雜等客觀局面。本文以提質(zhì)增效為目的，探索無人機在10kV配電架空線路的新應(yīng)用，大力發(fā)展可視化監(jiān)拍和紅外熱成像等無人機前沿技術(shù)，旨在提升配電網(wǎng)精細化巡檢水平，解放人力和時間成本，將核心人員用于核心業(yè)務(wù)，實現(xiàn)配電專業(yè)管理模式的轉(zhuǎn)型提升和人員作業(yè)模式的高質(zhì)高效。本文總結(jié)了無人機智能巡檢發(fā)展現(xiàn)狀，提出配電線路無人機巡檢的應(yīng)用場景，詳細描述了無人機智能綜合管控系統(tǒng)，對未來無人機配電網(wǎng)智能巡檢模式的發(fā)展進行展望。

關(guān)鍵詞： 配電網(wǎng);無人機;精細化巡檢;智能巡檢模式;提質(zhì)增效

Application of UAVs in Intelligent Inspection of 10KV Distribution Line

YANG Xin ZHOU Pan* LI Bin QIN Shuo GAO Shuang ZHANG Pai

（State Grid Beijing Changping Electric Power Co.， Ltd.， Beijing， 102200 China）

Abstract： The operation and maintenance of distribution network is faced with objective situations such as a small number of inspectors， a large volume of electrical equipment assets， and complicated surroundings. Based on the quality and effectiveness improvement as the goal， this paper explores the new application of unmanned aerial vehicles （UAVs） in 10kV distribution line， and vigorously develops UAVs cutting-edge technologies such as visual monitoring and infrared thermal imaging， aiming to enhance the level of distribution network refinement checking， liberate the labor and time costs， apply the core staff to the core business， and realize the transformation and upgrading of professional management mode and the high quality and efficiency of personnel operation mode. This paper summarizes the development status of UAVs intelligent inspection， puts forward the application scenario of UAVs inspection using in distribution line， describes the UAVs intelligent integrated control system in detail， and looks forward to the development of UAVs intelligent inspection mode of distribution network in the future.

Key Words： Power distribution network; UAVs; Refinement checking; Intelligent inspection mode; Quality and effectiveness improvement

0 引言

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)與用戶直接相連的部分，為確保人民生活和企業(yè)生產(chǎn)用電的安全可靠性，提升客戶優(yōu)質(zhì)服務(wù)感知度，配電網(wǎng)運維管理壓力與日俱增。配電架空線路及設(shè)備架設(shè)于街道、河畔、山區(qū)、叢林等，運行環(huán)境復(fù)雜^[1-2]，目前仍采用人工逐級桿塔巡線的方式，過度依賴巡線人員自身素質(zhì)和工作經(jīng)驗，且部分山區(qū)線路受限于路徑崎嶇，巡視折返時間成本高，傳統(tǒng)人工巡視仰視視角存在盲區(qū)，對于設(shè)備正上方缺陷無法觀測，存在巡線周期長、巡視效率低、巡視不到位等現(xiàn)象^[3]。依托無人機自主巡檢等先進技術(shù)減員增效是未來的發(fā)展方向，特別是在山區(qū)線路日常巡視、地區(qū)災(zāi)后現(xiàn)場勘查、故障線路應(yīng)急搶修等方面需求迫切。

1 無人機發(fā)展現(xiàn)狀

我國在上世紀80年代開始進行載人直升機的巡檢工作，但是由于巡檢費用高、靈活機動性差、巡檢飛行安全系數(shù)低等諸多原因，此項工作未能得到很好的開展^[4]。近年來，隨著科技發(fā)展和空域申請條件放寬，無人機在輸電線路智能巡檢方面得到廣泛應(yīng)用。

在管理方面，2015年7月國家電網(wǎng)公司針對架空輸電線路無人機巡檢系統(tǒng)配置導(dǎo)則、固定翼無人機巡檢系統(tǒng)、無人直升機巡檢系統(tǒng)、固定翼無人機巡檢技術(shù)規(guī)程、直升機巡檢作業(yè)規(guī)范等發(fā)布企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2019年6月國家電網(wǎng)公司設(shè)備管理部編制《架空輸電線路多旋翼無人機巡檢影像拍攝指導(dǎo)手冊（試行）》，規(guī)范多旋翼無人機巡檢的安全要求、技術(shù)要求、作業(yè)流程、巡檢路徑、拍攝規(guī)則和巡檢資料歸檔等，旨在提升無人機巡檢的質(zhì)量和效率，同時為缺陷智能識別技術(shù)提供標(biāo)準(zhǔn)化樣本數(shù)據(jù)，加快缺陷智能識別技術(shù)研究進度。近年來，我國初步建立無人機管理體系，規(guī)范無人機日常使用、保養(yǎng)維修、代維服務(wù)等業(yè)務(wù)流程，發(fā)展多地?zé)o人機培訓(xùn)學(xué)校，組織開展無人機培訓(xùn)取證，實現(xiàn)人才儲備。

在應(yīng)用方面，實現(xiàn)無人機自主巡檢，采用“無人機飛行+人工圖像篩查”的方式完成可見光精細化巡檢;通過機載激光雷達對重要輸電走廊和設(shè)備本體進行掃描，實現(xiàn)無人機自主巡檢航線規(guī)劃，以點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對通道內(nèi)危險源進行精準(zhǔn)建賬;通過固定翼無人機開展通道可見光巡檢，單日巡視通道可達70公里;通過多旋翼無人機搭載雙光相機對耐張線夾、引流管等進行溫度測量，與手持式測溫儀相比，無人機測溫誤差在5攝氏度左右;通過傾斜攝影對危險點三維重構(gòu)與實景還原，樹線凈空距離測量誤差在0.5米內(nèi);實現(xiàn)復(fù)雜通道環(huán)境360全景感知，經(jīng)處理后隱患點圖像可360度任意旋轉(zhuǎn)。通過無人機采集、提取專業(yè)數(shù)據(jù)，處理還原現(xiàn)場實際情況，實現(xiàn)輸電線路本體的精細化巡檢、輸電線路通道的可視化監(jiān)控，確保隱患全量閉環(huán)、精準(zhǔn)管控。

目前，輸電線路專業(yè)對無人機的應(yīng)用已取得階段性成果，但10kV配電線路專業(yè)對于無人機巡檢的工作開展仍處于前期摸索階段。國家電網(wǎng)公司尚未編制配電線路無人機巡檢影像拍攝指導(dǎo)手冊等相關(guān)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)，配電線路無人機巡檢作業(yè)體系尚未建設(shè)。

2 配電無人機典型應(yīng)用場景

通過借鑒無人機在高電壓等級輸電線路應(yīng)用的成功經(jīng)驗，以“機巡替代”提高專業(yè)生產(chǎn)力，彌補配電線路傳統(tǒng)運維模式的短板。與輸電線路相比，配電架空線路長度較短、桿塔較低，線路電磁輻射較小，對無人機抗干擾能力和糾偏能力要求較低^[5]，配電桿塔上電氣設(shè)備距離較近，無人機拍攝一張照片可直接覆蓋三相，且拍攝精度和拍攝數(shù)量要求遠低于輸電線路，但是配電線路走廊情況復(fù)雜，存在交叉跨越、高空障礙等情況，部分線路處于人口密集區(qū)，起飛條件差。配電無人機典型應(yīng)用場景多樣化，主要有以下幾類：

2.1 故障查線

對于避雷器、絕緣子上方雷擊受損，線路開關(guān)本體上方炸裂等隱蔽性故障點，巡視人員自地面仰視角度無法觀測，需停電逐級登桿檢查才能發(fā)現(xiàn)。無人機可通過俯視或平視視角，快速發(fā)現(xiàn)故障點，彌補傳統(tǒng)人工巡視的視覺盲區(qū)，全方位無死角高清還原現(xiàn)場實際情況。

Fig. 1 UAVs inspection found hidden defects of arrestor breakdown

2.2 線路巡視

對于部分跨河流、跨山峰等人工接近難度較大的山區(qū)線路，無人機航線規(guī)劃可化曲為直，巡視不受地形和路徑限制，降低人工巡線時間成本，提高巡視效率。

Fig. 2 UAVs inspection turns path curve into straight

2.3 災(zāi)情勘察

對于山體滑坡、林區(qū)山火、洪水地震等對搶修人員人身安全造成極大威脅的嚴重自然災(zāi)害，利用無人機進行現(xiàn)場勘查，實時傳回圖像和數(shù)據(jù)信息，使搶修人員第一時間獲悉現(xiàn)場情況，便于后續(xù)進行高效決策部署，籌備搶修物資，分配人員力量，安全有序把控搶修全過程。

2.4 狀態(tài)檢測

對于肘型頭變壓器、導(dǎo)線接頭等宜采用紅外測溫儀和超聲波檢測儀等狀態(tài)檢測設(shè)備排查配電架空線路設(shè)備的過熱缺陷和局放缺陷，但狀態(tài)檢測結(jié)果受測量距離影響信號衰減較大，檢測精度難以保障，無人機搭載的狀態(tài)檢測設(shè)備可縮短狀態(tài)檢測距離，使得狀態(tài)檢測結(jié)果更加精確^[6-7]。

2.5 特殊巡視

對于施工作業(yè)、鳥害、異物搭掛等缺陷隱患開展特殊巡視時，通過無人機可對線路情況進行快速篩查，相較于人工巡視更加便捷高效。

2.6 線路評估

對于故障高發(fā)線路、“煤改電”線路、重過載線路、短時接地信號頻發(fā)線路等重點線路進行巡視檢查，通過無人機全面分析線路缺陷隱患，為線路整體情況的評估提供數(shù)據(jù)支撐。

2.7 工程驗收

配網(wǎng)工程建設(shè)周期短，多數(shù)工程均為當(dāng)日停電施工當(dāng)日恢復(fù)送電，充分利用無人機空中懸停拍照并實時傳回的特點，4k高清圖像真實還原現(xiàn)場情況，高效發(fā)現(xiàn)“銷釘級”缺陷，突破傳統(tǒng)人工驗收效率低，驗收存在盲區(qū)的瓶頸^[8]。

Fig. 3 UAVs acceptance makes up for the blind spot of manual acceptance

3 配電無人機智能綜合管控系統(tǒng)

針對無人機巡檢業(yè)務(wù)流程各個環(huán)節(jié)，建設(shè)配電無人機智能綜合管控系統(tǒng)，采用國家電網(wǎng)公司、省公司、地市公司三級架構(gòu)，不同的用戶具有不同的操作權(quán)限和管理權(quán)限。開通無人機飛行空域申請網(wǎng)上審批渠道，可實時更新空域申報數(shù)據(jù)和審批流程狀態(tài)，同時接入無人機巡檢實時數(shù)據(jù)，展示巡檢全過程和空域預(yù)警信息，實現(xiàn)無人機作業(yè)全天候監(jiān)控、作業(yè)管理與現(xiàn)場無縫連接、巡檢數(shù)據(jù)智能化分析、巡檢資源集約化管控和科學(xué)調(diào)配等功能。

3.1 航線規(guī)劃系統(tǒng)

配電桿塔距離地面位置較低，與線路通道環(huán)境融合度較高，采用傳統(tǒng)激光雷達掃描定位的方式難以區(qū)分配電桿塔與現(xiàn)場環(huán)境，定位效果較差，目前采用“示教飛行”的模式完成航線規(guī)劃，定位效率較低。配電無人機智能綜合管控系統(tǒng)深度融合地理位置信息與配電網(wǎng)電力線路拓撲關(guān)系，采用自動優(yōu)化的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)精確采樣地理位置信息，優(yōu)化航線規(guī)劃;實時更新配電網(wǎng)電力線路拓撲并增減采樣點，動態(tài)調(diào)整無人機自主巡視航線規(guī)劃。

3.2 通信鏈路系統(tǒng)

無線通信因山峰阻擋等存在信號盲區(qū)，開發(fā)地面中繼點和空中中繼模式相結(jié)合的復(fù)合通信數(shù)據(jù)鏈，滿足無人機超視距條件下的巡線需求^[9-10]，通過移動航母車載中繼器實現(xiàn)通信鏈路，或采用移動背包等便攜式移動中繼器，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號遠距離傳輸，高效完成復(fù)雜地形區(qū)域的巡線任務(wù)。

3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

現(xiàn)階段無人機可以實現(xiàn)一鍵起飛自主巡檢，進行圖像采集并實時回傳。通過優(yōu)化后的航線規(guī)劃可圍繞配電桿塔電氣設(shè)備進行批量圖像采集，回傳至系統(tǒng)后自動處理生成360度智慧全景實時感知空間，真實還原現(xiàn)場情況;進行設(shè)備溫度采集，清除背景熱源對設(shè)備熱點的干擾，回傳至系統(tǒng)進行分析處理。

3.4 AI智能缺陷識別系統(tǒng)

目前缺陷數(shù)據(jù)的分析比對和定級研判主要依靠人工完成。通過分析多種常見設(shè)備的外形特征和熱故障特征形成缺陷類型數(shù)據(jù)庫，作為判斷設(shè)備缺陷的重要輔助依據(jù)，區(qū)分常見的電力設(shè)備輪廓并進行取樣分析，實現(xiàn)缺陷識別和定級定性。設(shè)置溫度閾值，結(jié)合設(shè)備歷史測溫數(shù)據(jù)初步篩選溫度異常點位，增設(shè)預(yù)警提示。

3.5 科學(xué)調(diào)配系統(tǒng)

結(jié)合變電站、供電所等場所，建設(shè)分布式無人機機巢及調(diào)撥平臺，根據(jù)巡檢任務(wù)優(yōu)化無人機派出機制，實現(xiàn)無人機就地調(diào)撥。建立通用的配電架空線路和電力設(shè)備空間數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)與無人機通訊連接，實時顯示無人機巡檢狀態(tài)、巡檢方位和安全距離;增加遇險安全設(shè)計，關(guān)聯(lián)氣象預(yù)報預(yù)警，如遇不滿足飛行條件的惡劣天氣，提前進行自主研判，就近機巢降落，確保飛行安全。

3.6 設(shè)備管理系統(tǒng)

設(shè)置分布式無人機和電池管理倉，主要功能包括庫存管理、預(yù)約管理、出入庫管理、飛行記錄、電池充電管理等。設(shè)備管理系統(tǒng)可直接查詢各管理倉內(nèi)無人機情況和電池使用情況，優(yōu)化無人機電池充電模式，提升無人機續(xù)航能力，實現(xiàn)對設(shè)備的全壽命周期管理。

3.7 VR模擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

完善無人機培訓(xùn)和考核標(biāo)準(zhǔn)，立足電網(wǎng)巡檢需要，深化無人機崗位技能培訓(xùn)工作，推動無人機在電力行業(yè)規(guī)范應(yīng)用、規(guī)模發(fā)展。VR模擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)可以進行培訓(xùn)人員現(xiàn)場實操訓(xùn)練，提高運維人員的綜合素質(zhì)，確保發(fā)生突發(fā)情況時及時進行人員干預(yù)，有效進行應(yīng)急處置。

Fig. 4 Simulate practical training through the VR simulation training system

4 總結(jié)與展望

配電無人機智能綜合管控系統(tǒng)通過深度融合物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，可以實現(xiàn)電力設(shè)備的綜合評價、智能診斷、預(yù)測預(yù)警、輔助決策和智慧指揮。推動無人機管理體系不斷完善，通過配電線路無人機自主巡檢，解放核心生產(chǎn)力，可以實現(xiàn)傳統(tǒng)運維模式的轉(zhuǎn)型提升，為電力行業(yè)發(fā)展帶來新的機遇。

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