基于5G技術的特高壓密集輸電通道無人機自主巡檢系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

張鵬 張云峰 周政 許大令 李浩言

【摘要】? ? 隨著科技的快速發(fā)展，人民生活的提高，促使我國對電力的需求也越來越大，但是在地域上我國的能源資源與符合中心有很大的互逆，所以建設特高壓密集輸電網(wǎng)絡就成為解決這一矛盾的必然途徑。特高壓密集輸電通道中的巡檢非常困難，所以隨著人工智能、云計算、網(wǎng)絡通信等技術的發(fā)展，通過無人機技術進行輸電通道的巡檢就可以安全高效地解決這高壓輸電通道的運維需求。在迅速到來的5G時代中，5G技術帶來了網(wǎng)絡的延時低、帶寬大、數(shù)據(jù)傳輸效率高等優(yōu)勢。因此，基于5G技術與無人機自主巡檢系統(tǒng)在特高壓密集輸電通道上自動巡線為了現(xiàn)實，也是電力系統(tǒng)發(fā)展的必然需求。

【關鍵詞】? ? 5G技術? ? 高壓密集輸電? ? 無人機? ? 自主巡檢

引言：

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人民生活生產(chǎn)對于電力的需求加大，我國電網(wǎng)也得到了快速的發(fā)展。我國的輸電方式也隨著技術的發(fā)展，從以前的區(qū)域自發(fā)電發(fā)展成為現(xiàn)在的超高壓輸電，高壓配電，現(xiàn)在，又面臨著超高壓輸電到特高壓輸電的轉變。傳統(tǒng)的輸電通道巡檢大多以人工為主，效率低下，在輸電網(wǎng)絡大力發(fā)展的今天，人工巡檢很難進行全方位的巡檢，同時在特高壓輸電通道中進行人工巡檢，安全性也不高。[1]隨著人工智能的發(fā)展，將無人機應用于電網(wǎng)巡檢中就成為現(xiàn)實，其既可以避免地形地域對電路巡檢的限制，且巡檢的費用低，效率也得到很大的提升。[2]

一、5G無人機自動巡檢技術

無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）顧名思義就是一種不需要人直接駕駛的飛行機器，人可以通過遠程設備或者設定的控制程序進行飛行或者執(zhí)行人給予它的行為策略。隨著無人機的快速發(fā)展，已經(jīng)應用于人們生活的很多方面，同時，許多行業(yè)都對無人機進行了充分的應用，使得經(jīng)濟效益得到充分的提高，例如在安防，農(nóng)林植保等領域。[3]得益于移動通信技術的快速發(fā)展，信息傳遞的效率越來越高，深度學習技術使得機器的智能性越來越強，智能控制技術使得控制的效率和精度越來越高。

隨著5G時代的到來，我國率先踏步進入5G行列。5G通信的出現(xiàn)，使得數(shù)據(jù)的流量和設備鏈接不斷擴大，同時，將5G接入無線網(wǎng)絡的過程中啟用了大規(guī)模天線技術、波束賦形、小型密集網(wǎng)絡及可移動基站等新功能。[4]

傳統(tǒng)的輸電通道巡檢主要是采用人力巡檢的方式進行的，但是這種巡檢方式的效率低下，人員在地形復雜的地方工作難度大、風險高，當遇到惡劣的天氣時，巡檢人員的工作風險會更大，甚至會威脅到工作人員的生命安全。所以將無人機技術應用于輸電通道巡檢中，成為巡檢的主要方式。之前，受限于4G技術傳輸速度慢等缺陷，會嚴重影響工作效率。在5G技術出現(xiàn)以后，實現(xiàn)了電力巡檢工作方式的巨大轉變。無人巡檢系統(tǒng)結構如圖1所示。

隨著輸電網(wǎng)絡向特高壓輸電轉變之后，采用無人機進行輸電通道的巡檢就成為電路巡檢最可靠的方式之一。借助5G技術的發(fā)展，5G無人機也應運而生，同時，采用5G無人機進行輸電通道的巡檢成為電網(wǎng)巡檢中最為先進的技術。其主要技術是5G無人機技術，即采用5G無人機達到特高壓輸電通道自動巡檢的目的。該技術不受地域的限制，適應能力強，巡檢成本低廉，安全性高，同時，5G無人機具有數(shù)據(jù)傳輸速度快，延時低，智能性高等優(yōu)點，所以使用5G無人機進行特高壓密集輸電通道的巡檢是輸電通道巡檢的發(fā)展趨勢。

二、5G無人機在輸電通道巡檢中的應用

對于輸電通道巡檢來說，偏遠山區(qū)的巡檢難度最大，傳統(tǒng)的人力巡檢成本高昂、工作效率低下，尤其是在山區(qū)的特高壓輸電通道巡檢中，巡檢人員的安全得不到保證。借助5G無人機進行自主巡檢就可以很好地解決這些問題。巡檢工作人員只需要通過操控無人機，通過無人機傳輸回來的圖像、數(shù)據(jù)等信息進行分析，就可以得到問題所在，并制定相應的解決方案，從而大幅提高工作人員的工作效率。對于人力巡檢來說的安全問題，采用5G無人機代替工作人員巡檢可以很好地避免問題的發(fā)生。工作人員只需要在地面上對無人機進行操縱，按照預定的航線進行巡航，并將拍攝到的照片以及采集到的信息傳回控制臺，即可對輸電通道的故障進行分析，既保證了工作人員的安全，又提高了輸電通道巡檢的效率。

采用5G無人機進行輸電通道巡檢過程中，由于特高壓電路周圍的磁場復雜，會隨著周圍的環(huán)境及天氣進行變化，所以就會導致無人機在飛行過程中飛行安全得不到保障，甚至會出現(xiàn)失控、墜機等情況的發(fā)生，同時，由于國內(nèi)的無人機飛行監(jiān)管措施的因素也會導致無人機的飛行安全風險。在有些情況比較復雜的區(qū)域進行飛行的時候，會因為各種突發(fā)狀況導致無人機無法被召回，甚至發(fā)生飛行路線發(fā)生偏移等突發(fā)狀況。

三、5G無人機巡檢方案

在采用5G無人機進行輸電通道巡檢中，通過工作人員與無人機的協(xié)同工作領域實現(xiàn)輸電通道的自主巡檢工作，在巡檢過程中，通過攝像頭對無人機的工作進行實時監(jiān)控，可以達到巡檢流程實時管控的目的;實現(xiàn)無人機的自動起降、巡檢以及資料的回傳。[5]無人機可以將巡檢的結果通過5G網(wǎng)絡以高清視頻的方式傳送回控制平臺，巡檢人員可以通過遠程控制的方式指導無人機完成巡檢人員的指令，代替巡檢人員完成相應的動作?？刂破脚_對無人機傳送回來的數(shù)據(jù)信息進行自動分析，之后生成巡檢結果報告并實現(xiàn)預警功能。

無人機自主巡檢過程主要包括地圖的構建以及飛行航線的規(guī)劃。在進行輸電通道的巡檢中，首先要進行地圖的構建。由于在復雜的環(huán)境中，二維地圖并不能夠進行精準定位，所以就需要獲取三維立體地圖。通過無人機上搭載的雷達來獲取點云數(shù)據(jù)，并進行校準，之后將校準之后的數(shù)據(jù)發(fā)布出去，進行后續(xù)的精準定位操作。借助三維地圖來進行飛行線路的規(guī)劃更加安全、準確。

飛行線路的規(guī)劃對于輸電通道的無人機巡檢至關重要，其關系著巡檢的成敗。飛行線路的規(guī)劃包含著航點、飛行器以及看著他信息。當無人機飛行到航點時，按照預定的動作實施，并對巡檢對象進行精準拍照。

對于正常的氣象環(huán)境來說，通過規(guī)劃好的航線，進行無人機的自啟動并執(zhí)行電路通道的巡檢任務。無人機在巡航的過程中，如果出現(xiàn)低電量的情況時，會通過電量監(jiān)管模塊檢測到，并自動尋找到距離最近的機場進行自動整備，之后再次起飛進行巡航，并記錄到巡檢的相關數(shù)據(jù)，控制人員可以根據(jù)巡檢的狀況對飛行路線進行臨時修改，來提高巡檢的精度和巡檢效果。無人機巡檢作業(yè)輔助軟件結構如圖2所示。

四、5G無人機的巡檢實現(xiàn)策略

（一）完善5G無人機對于輸電通道故障檢測技術

對電力傳輸?shù)妮d體特高壓輸電通道的巡檢和維護工作，是供電系統(tǒng)安全工作的必要保障，在環(huán)境復雜的地區(qū)進行輸電通道巡檢的工作中，采用5G無人機進行巡檢是保障巡檢人員安全的重要措施。在無人機巡檢的過程中，輸電通道的故障檢測是巡檢的重要組成部分，故障檢測最普遍、應用最廣泛的技術是機器視覺技術，屬于圖像識別方面。

故障檢測終端采用TMS320DM8127 Davinci數(shù)字媒體處理器，其中的成像子系統(tǒng)與圖像傳感器相連接，可以對圖像進行濾波、空間轉換等操作，并且可以對視頻的編解碼進行加速。在故障檢測中，其圖像處理流程如圖3所示。

故障檢測流程圖如圖4所示。

通過無人機上搭載的攝像機完成圖像的采集，在采集圖像的同時進行GPS數(shù)據(jù)的采集，以便建立地圖與圖像之間的關聯(lián)關系;對采集到的圖像進行預處理，預處理操作包括圖像灰度化、去噪等操作，預處理之后的圖像的背景差異相對大一些，圖像邊緣也得到了增強;目標識別主要包含輸電線等的識別;故障診斷是特高壓輸電通道巡檢的核心問題，以圖像識別為基礎，通過模式識別等方法檢測輸電線工作狀態(tài)并進行故障識別，輸電通道故障包括異物懸掛、輸電線斷股等故障。無人機進行輸電通道巡檢程序流程圖如圖5所示。

（二）完善5G無人機的自動安全巡檢技術

5G無人機進行巡檢時，定位準確是安全自主巡檢的基礎，所以要提高無人機定位系統(tǒng)的定位精度。在面對復雜多變的地形時，高精度的定位導航系統(tǒng)為5G無人機的長時間超低空、超視距的飛行安全提供保障。采用差分定位系統(tǒng)可以對觀測誤差進行實時修正，提供高精度的差分結果，這樣可以將定位誤差進行縮小，為5G無人機的飛行安全提供保障。

5G無人機的自主、安全巡檢還需要確保飛行時的通信正常和避障系統(tǒng)的可靠，同時制定的巡檢航線也必須科學合理。只有定位、通信、避障等系統(tǒng)能夠準確無誤的工作，巡檢線路科學合理，才能夠確保無人機的安全、自主巡檢，避免意外的發(fā)生。

五、 結束語

輸電通道的智能化巡檢是我國電力行業(yè)發(fā)展的方向，同時5G時代的到來也為智能化巡檢提供了更好的條件。本文通過對5G無人機在輸電通道的巡檢進行了詳細的描述，并對無人機巡檢的實現(xiàn)策略進行總結?；?G技術無人機的輸電通道的巡檢工作是實現(xiàn)電網(wǎng)運維智能化的具體體現(xiàn)，極大地提高了特高壓輸電通道的巡檢效率，對電力設備運維方式的改革具有極其重大的意義。

參? 考? 文? 獻

[1]趙彥平，段星輝，王建偉，馬陽軻.電力巡檢無人機通信中繼系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力，2016，（03）：62-64.

[2]陳景尚.對無人機電力線路安全巡檢系統(tǒng)及關鍵技術的探討[J].科技創(chuàng)新與應用，2019，（02）：158-159.

[3]A. Watts， V. Ambrosia， and E. Hinkley. Unmanned aircraft systems in remote sensing and scientific research： Classification and considerations of use[J]. Remote Sensing，2012，（4）： 1671-1692.

[4] L. Bao， V. Lau， E. Jorswieck， N.Dao， A. Haghighat， D. I. Kim， and T. Le Ngoc. Enabling 5G mobile wireless technologies[J]. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking，2015： 218.

[5]王毅磊. 面向電塔空間結構的飛行巡檢航跡規(guī)劃方法研究[D].華北電力大學（北京），2017.