多旋翼無(wú)人機(jī)在電網(wǎng)建設(shè)工程的應(yīng)用分析

周啟平，何 偉，賈 蕾

（1.安徽繼遠(yuǎn)軟件有限公司，合肥 230088；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068；3.四創(chuàng)電子股份有限公司，合肥 230011）

0 引言

隨著智能變電站模塊化施工、輸電線(xiàn)路機(jī)械化施工等新技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)電網(wǎng)建設(shè)工程的安全質(zhì)量過(guò)程控制要求越來(lái)越高。大多數(shù)輸電線(xiàn)路工程需要經(jīng)過(guò)高山、密林、荒漠等地區(qū)，具有距離遠(yuǎn)、河道窄、施工環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)。特別是當(dāng)輸電線(xiàn)路建設(shè)需要穿越一些涉及公共安全和網(wǎng)絡(luò)安全的重要設(shè)施時(shí)，如鐵路、公路等重要線(xiàn)路，安全質(zhì)量監(jiān)控的風(fēng)險(xiǎn)和難度迅速增加[1]。因此，有必要采用新技術(shù)輔助安全質(zhì)量監(jiān)測(cè)。將小型化多旋翼無(wú)人機(jī)引入輸變電工程的安全質(zhì)量監(jiān)測(cè)工作，可有效保障電網(wǎng)的安全建設(shè)[2]。

1 多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)原理

1.1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成

按照不同平臺(tái)構(gòu)型來(lái)分，無(wú)人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）主要包括固定翼無(wú)人機(jī)、無(wú)人直升機(jī)和多旋翼無(wú)人機(jī)。綜合考慮山區(qū)起降場(chǎng)地的局限性和基礎(chǔ)設(shè)施安全質(zhì)量精細(xì)控制的需要，經(jīng)比較，采用小型多旋翼無(wú)人機(jī)最為適合。多旋翼無(wú)人機(jī)由飛行控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、無(wú)刷電動(dòng)機(jī)、攝像設(shè)備負(fù)載、地面監(jiān)控站和地空數(shù)據(jù)鏈路等部分組成[3]，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

1.2 飛行控制系統(tǒng)

飛行控制系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)的核心，負(fù)責(zé)控制所有的工作狀態(tài)和控制響應(yīng)，包括慣性測(cè)量單元（Iner?tial Measurement Unit，IMU）、磁羅盤(pán)模塊、高精度定位模塊、氣動(dòng)測(cè)量模塊、超聲波測(cè)距模塊、視頻識(shí)別模塊等[4-5]。飛行控制系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 飛行控制系統(tǒng)示意圖Fig.2 Diagram of flight control system

1.3 系統(tǒng)建模

在多旋翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)建模中，首先建立了大地慣性坐標(biāo)E（OEXEYEZE）和機(jī)體坐標(biāo)系B（OBXBYBZB）兩個(gè)坐標(biāo)系[6-9]?？紤]到多旋翼無(wú)人機(jī)的特性和可實(shí)現(xiàn)性，本文為簡(jiǎn)化處理，選取了四旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行分析，通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析建立相應(yīng)運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：φ、θ、ψ—滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角；

Ω—機(jī)體坐標(biāo)系下的角速度向量，Ω=[p,q,r]T，其中，p、q、r分別為滾轉(zhuǎn)角速度、俯仰角速度和偏航角速度；

p&、q&和r&—滾轉(zhuǎn)角加速度、俯仰角加速度和偏航角加速度；

X&、Y&和Z&—大地坐標(biāo)系下OX、OY和OZ三軸的加速度向量；

Jx、Jy和Jz—四旋翼無(wú)人機(jī)相對(duì)于OX、OY和OZ三軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

m—無(wú)人機(jī)質(zhì)量；

Q1、Q2、Q3、Q4—無(wú)人機(jī)4個(gè)旋翼對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速；

U1、U2、U3、U4—無(wú)人機(jī)4個(gè)控制通道的控制輸入；

Ω1、Ω2、Ω3、Ω4—無(wú)人機(jī)4個(gè)旋翼對(duì)應(yīng)的角速度向量；

G—重力；

l—四旋翼無(wú)人機(jī)的臂長(zhǎng)；

b—旋翼的拉力系數(shù)。

2 無(wú)人機(jī)巡檢工作流程

2.1 檢查內(nèi)容

無(wú)人機(jī)專(zhuān)項(xiàng)檢查的內(nèi)容根據(jù)不同對(duì)象（包括輸電線(xiàn)路和變電站工程）和工程的不同檢查階段確定[8]。主要包括三方面內(nèi)容：

（1）重點(diǎn)檢查道口區(qū)域內(nèi)道口平面布置、高處安全防護(hù)措施和附近帶電體作業(yè)情況及附近帶電設(shè)備情況；

（2）檢查變電站鋼結(jié)構(gòu)廠房施工、重型設(shè)備吊裝等高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)布置和安全措施；

（3）針對(duì)架空輸電線(xiàn)路成塔階段、架線(xiàn)階段及運(yùn)行前的驗(yàn)收情況，對(duì)無(wú)塔材、螺母、防松墊圈、鎖銷(xiāo)等進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)檢查。

2.2 檢查程序

（1）考慮到無(wú)人機(jī)的信號(hào)范圍和續(xù)航極限，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況設(shè)置無(wú)人機(jī)的飛行軌跡；

（2）按照設(shè)定的航線(xiàn)進(jìn)行飛行操作；

（3）使用無(wú)人機(jī)采集的音頻和視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查監(jiān)控施工現(xiàn)場(chǎng)。

（4）根據(jù)違規(guī)性質(zhì)或缺陷等級(jí)，及時(shí)向責(zé)任單位發(fā)出整改通知單進(jìn)行整改。對(duì)于需要放大確認(rèn)的信息，存入數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行后期分析鑒定，之后要求責(zé)任單位整改并閉環(huán)管理[10]。安全質(zhì)量監(jiān)測(cè)流程如圖3所示。

圖3 UAV安全質(zhì)量監(jiān)測(cè)流程圖Fig.3 UAV safety and quality monitoring process

2.3 應(yīng)用效益評(píng)價(jià)

無(wú)人機(jī)巡檢作為人工協(xié)同巡檢的一種技術(shù)手段，常在地形復(fù)雜、全景有限的山區(qū)，以及高海拔人眼難以巡查等區(qū)域進(jìn)行，主要涉及安全文明施工、交叉施工安全監(jiān)控、架空線(xiàn)路質(zhì)量檢查驗(yàn)收等電網(wǎng)建設(shè)工程內(nèi)容。電網(wǎng)施工監(jiān)管給企業(yè)帶來(lái)的直接效益一般不易量化，一旦發(fā)生安全質(zhì)量事故，將會(huì)造成嚴(yán)重的后果。對(duì)此可以通過(guò)以下兩方面對(duì)電網(wǎng)建設(shè)工程應(yīng)用效益進(jìn)行評(píng)價(jià)：

（1）通過(guò)衡量避免施工安全質(zhì)量事故所造成的損失來(lái)量化施工管理給企業(yè)帶來(lái)的間接效益；

（2）通過(guò)比較人工巡檢和無(wú)人機(jī)巡檢所需的人員、時(shí)間和成本來(lái)評(píng)價(jià)無(wú)人機(jī)巡檢的效率。

3 無(wú)人機(jī)應(yīng)用性能分析

以某220 kV變電站架空輸電線(xiàn)路工程為例，根據(jù)架空輸電線(xiàn)路驗(yàn)收評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，竣工驗(yàn)收項(xiàng)目包括需要高空作業(yè)的45項(xiàng)，其中38項(xiàng)可由無(wú)人機(jī)替代驗(yàn)收，占比84.4%。與人工巡檢相比，使用無(wú)人機(jī)巡檢方式具備以下優(yōu)勢(shì)：

（1）無(wú)人機(jī)起降條件低、準(zhǔn)備周期短、巡檢效率高、成本低；

（2）無(wú)人機(jī)受氣象、地理?xiàng)l件的影響較小，生存能力強(qiáng)，機(jī)動(dòng)性能好，便于操作；

（3）無(wú)人機(jī)不僅是一種巡檢平臺(tái)，同時(shí)作為一種高效的電力線(xiàn)路資產(chǎn)數(shù)據(jù)獲取與建模手段，有助于提高電網(wǎng)運(yùn)行管理的信息化水平。

本文主要從兩方面對(duì)無(wú)人機(jī)巡檢性能進(jìn)行分析。

3.1 避免安全事故損失

高空作業(yè)、穿越作業(yè)和相鄰帶電線(xiàn)路等高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)容易出現(xiàn)施工安全風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)以往的工程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)列出基本事件概率，根據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)降低計(jì)算間接收益。

其中，S為安全收益；ΔPEi為事件Ei降低的安全風(fēng)險(xiǎn)概率；QEi為事件Ei的每日綜合損失，TEi為事件Ei對(duì)應(yīng)的連續(xù)損失時(shí)間。

一旦出現(xiàn)安全問(wèn)題，可能導(dǎo)致人員傷亡。除造成工程進(jìn)度損失外，全線(xiàn)整改檢查，對(duì)人員傷亡進(jìn)行賠償，追究相關(guān)人員責(zé)任，對(duì)經(jīng)營(yíng)單位給予經(jīng)濟(jì)處罰；線(xiàn)路時(shí)間窗口重新申請(qǐng)周期較長(zhǎng)，整個(gè)過(guò)程將對(duì)項(xiàng)目進(jìn)度造成不可挽回的延誤損失。

3.2 節(jié)省檢驗(yàn)時(shí)間和成本

如果采用傳統(tǒng)的人力驗(yàn)收方式完成上述38個(gè)高空驗(yàn)收工程，需要16人4天，而無(wú)人機(jī)巡檢驗(yàn)收僅需4人2天，大大降低了人力資源消耗和檢驗(yàn)成本，驗(yàn)收效率得到了有效提升。成本對(duì)比如表1所示。

表1 人工驗(yàn)收和UAV驗(yàn)收成本對(duì)比Tab.1 Cost comparison of manual acceptance and UAV acceptance

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合多旋翼無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)在電網(wǎng)工程安全質(zhì)量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，闡述了多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)的組成、無(wú)人機(jī)巡檢評(píng)價(jià)方案和電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目情況。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用效果，從巡檢時(shí)間、成本、安全風(fēng)險(xiǎn)等方面衡量了無(wú)人機(jī)巡檢效率。實(shí)踐證明多旋翼無(wú)人機(jī)巡檢在擴(kuò)大控制范圍、提高工作效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度等方面可發(fā)揮顯著作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。