無人機(jī)在輸電線路巡檢中的應(yīng)用

馬新惠 劉豪 張世海 楊芳林 張英

摘 要：針對目前巡線方法存在的效率低、成本高以及直升機(jī)電力巡檢技術(shù)煩瑣和可操作性不強(qiáng)等問題，對無人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，同時結(jié)合無人機(jī)在線路運(yùn)維管理中的應(yīng)用，詳細(xì)介紹了無人機(jī)巡檢的流程，并重點(diǎn)圍繞輸電線路巡檢中路徑規(guī)劃、線路故障的探測及線路的評估預(yù)測進(jìn)行探討，分析得出以下結(jié)論：無人機(jī)巡檢可有效提高輸電線路巡視與檢修效率，推動輸電線路智慧運(yùn)維的進(jìn)程。

關(guān)鍵詞：輸電線路;無人機(jī);巡檢;智能識別;風(fēng)險評估

中圖分類號：TM726.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）08-0012-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.08.004

0? ? 引言

社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展離不開電網(wǎng)規(guī)模的迅速擴(kuò)大。大規(guī)模復(fù)雜的輸電線路需要更多的人力、物力進(jìn)行巡檢，由于分布存在差異，輸電線路的缺陷隱患也各不相同。傳統(tǒng)的以人工為主的輸電線路巡檢方法存在巡檢精度低、盲區(qū)多、運(yùn)維范圍小等缺點(diǎn)，不能滿足線路巡檢的要求，傳統(tǒng)巡檢方法存在的這些不足促進(jìn)了無人機(jī)巡檢技術(shù)的發(fā)展。

1? ? 輸電線路巡檢現(xiàn)狀

目前輸電線路的巡檢方法主要有人工巡檢、機(jī)器人巡檢、直升機(jī)巡檢和無人機(jī)巡檢。其中，人工巡檢只適合小規(guī)模、小范圍的輸電線路巡檢，針對大面積、大范圍、復(fù)雜的山區(qū)和水域等輸電線路的巡檢，人工巡檢需要花費(fèi)大量人力、物力，且存在巡檢盲區(qū)。直升機(jī)巡檢效率高，但是需要投入大量的資金，同時直升機(jī)技術(shù)比較復(fù)雜，推廣使用比較困難。機(jī)器人巡檢距離比較短，效率低，而且只限于桿塔之間。而無人機(jī)由于飛機(jī)體積小、成本低、使用方便，技術(shù)比較簡單成熟，在電力巡檢中逐漸被認(rèn)可，其能夠克服直升機(jī)、機(jī)器人以及人工巡檢的缺點(diǎn)，因而在輸電線路運(yùn)維工作中扮演的角色日益重要起來。

無人機(jī)是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛行器，無人機(jī)可以搭載各種監(jiān)測設(shè)備，如紅外、激光雷達(dá)、圖像采集設(shè)備等。通過無人機(jī)，運(yùn)維人員可以方便地借助監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行人工無法實(shí)現(xiàn)的、危險的以及重復(fù)性的輸電線路運(yùn)維工作。

2? ? 無人機(jī)輸電線路巡檢

無人機(jī)輸電線路的巡檢通常情況下是無人機(jī)搭載相機(jī)、激光雷達(dá)、紅外設(shè)備等工具對輸電線路進(jìn)行巡檢、數(shù)據(jù)采集。采集的原始數(shù)據(jù)通過通信設(shè)備傳輸至地面終端的工作站，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理人員利用專業(yè)的軟件打開采集的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析得到輸電線路中存在的缺陷隱患，然后根據(jù)制訂的運(yùn)維檢修策略，安排運(yùn)維人員進(jìn)行排查消缺。

無人機(jī)的巡檢可以通過圖像數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)等對輸電線路的斷股、鳥窩、溫度異常、絕緣子掉串、金具銹蝕、樹障等進(jìn)行監(jiān)測分析。

2.1? ? 無人機(jī)巡檢系統(tǒng)

無人機(jī)系統(tǒng)包含飛行平臺、機(jī)載設(shè)備、通信設(shè)備、地面站。其中，飛行平臺自身可搭載許多先進(jìn)的數(shù)據(jù)獲取儀器，還有自助預(yù)警設(shè)備和相關(guān)的輔助設(shè)備，其作用為保持飛行平臺在空中穩(wěn)定飛行。機(jī)載設(shè)備作為巡檢工具搭載在飛行平臺上，機(jī)載設(shè)備的參數(shù)根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置。通信設(shè)備可將采集的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心。地面站的主要作用是運(yùn)維人員可以無線操控?zé)o人機(jī)，并提供位置信息[1]。

2.2? ? 無人機(jī)巡檢過程

輸電線路的巡檢包括多項(xiàng)工作，為使輸電線路的巡檢更加規(guī)范，同時提高巡檢效率，需要在巡檢前根據(jù)規(guī)范、實(shí)際項(xiàng)目的需要、現(xiàn)場實(shí)際情況等制訂巡檢流程。無人機(jī)巡檢作業(yè)流程如圖1所示。

（1）巡檢策略。輸電線路的運(yùn)維管理單位根據(jù)管轄區(qū)域內(nèi)輸電線路上一年的巡檢結(jié)果及上級單位的任務(wù)安排，綜合制訂符合單位需求的運(yùn)檢策略，并細(xì)化到每季度的巡檢策略。

（2）制訂巡檢計劃。根據(jù)運(yùn)維策略并結(jié)合線路巡檢的情況（缺陷、隱患），制訂合理的巡檢計劃。

（3）巡檢前期準(zhǔn)備。根據(jù)之前人工巡檢踏勘的線路地形地貌和周圍的環(huán)境，準(zhǔn)備線路、桿塔的臺賬信息，以備后續(xù)使用。

（4）現(xiàn)場線路巡檢，數(shù)據(jù)處理、分析?，F(xiàn)場線路巡檢主要包括無人機(jī)飛行前的準(zhǔn)備和線路巡檢。無人機(jī)飛行前需要對無人機(jī)進(jìn)行檢查、試飛，包括確定飛行路線;線路巡檢是無人機(jī)搭載機(jī)載設(shè)備按照設(shè)定的飛行路線對線路重要部位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)處理、分析主要是對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、預(yù)處理、分析。

（5）線路巡檢結(jié)果。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，總結(jié)巡檢的結(jié)果，以備線路狀態(tài)評估使用。

（6）線路排查、消缺。根據(jù)線路巡檢結(jié)果，對出現(xiàn)缺陷或隱患的線路重要部位進(jìn)行現(xiàn)場排查，并進(jìn)行消缺處理，對于存在隱患的部分進(jìn)行線路的狀態(tài)評價。

2.3? ? 巡檢路徑規(guī)劃

在使用無人機(jī)巡檢時，最為重要的是輸電線路的巡檢路徑要明確。傳統(tǒng)的巡檢路徑規(guī)劃方法是人工采集線路的重要點(diǎn)位，然后將重要點(diǎn)位導(dǎo)入無人機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)中，這種方法需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠嬎?，否則會出現(xiàn)無人機(jī)飛行安全問題[2]。

為方便運(yùn)維人員更加有效地規(guī)劃線路巡檢路徑，可使用遺傳算法進(jìn)行路徑規(guī)劃。輸電線路巡檢路徑主要包含巡檢線路的起點(diǎn)、終點(diǎn)、拐點(diǎn)以及線路中重要目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)信息，同時路徑規(guī)劃也與無人機(jī)自身的參數(shù)以及實(shí)際巡檢任務(wù)的要求有關(guān)，如無人機(jī)電池容量、最低巡檢高程、最大拐角等。路徑規(guī)劃的最優(yōu)選擇是在滿足巡檢要求的前提下找到符合約束條件的線路，同時消耗較少的人力、物力[3]。

在實(shí)際巡檢中，懲罰函數(shù)的表達(dá)式如下：

h=ax1+bx2+cx3+…+z? ? ? ? ? （1）

式中：a、b、c、z為常數(shù);xi表示不同的約束條件。

實(shí)際的運(yùn)維巡檢中，可以根據(jù)兩個相鄰的路徑節(jié)點(diǎn)，計算整個線路節(jié)點(diǎn)總的路徑長度，假設(shè)一條線路有n+1個目標(biāo)點(diǎn)，目標(biāo)函數(shù)可以表示為：

f（x）=mi+h? ? ? ? ? ? （2）

式中：mi表示第i段線路的長度;h表示懲罰函數(shù)。

根據(jù)式（1）（2），路徑規(guī)劃的函數(shù)可以表示為：

FIT=? ? ? ? ? ? ?（3）

這種規(guī)劃方法是根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)的最小解得到最佳巡檢路徑，約束條件的選擇及常數(shù)需要根據(jù)實(shí)際巡檢任務(wù)具體分析。

2.4? ? 線路故障的探測

輸電線路故障的探測根據(jù)故障的類型主要分為3個方面：

（1）根據(jù)無人機(jī)搭載的攝像頭對線路周圍進(jìn)行拍照，運(yùn)維人員根據(jù)照片判斷分析故障類型及故障的嚴(yán)重程度。人工逐個進(jìn)行分辨存在效率低、人為干擾過多等缺點(diǎn)，因此需采用智能深度學(xué)習(xí)的方法對輸電線路圖片進(jìn)行批量識別，目前廣泛使用深度學(xué)習(xí)方法識別故障，對故障進(jìn)行分類。使用較為廣泛的主要是基于RetinaNet模型的深度學(xué)習(xí)方法，此方法選取以分類損失函數(shù)為核心特征的金字塔網(wǎng)絡(luò)為骨干網(wǎng)絡(luò)用于圖像目標(biāo)的自動檢測。相比傳統(tǒng)的一階目標(biāo)檢測和二階目標(biāo)檢測模型，此方法在精度和準(zhǔn)確度上都較高[4]。

（2）無人機(jī)搭載紅外線和紫外線監(jiān)測設(shè)備，利用紅外線獨(dú)有的優(yōu)勢監(jiān)測輸電線路的溫度異常，確定線路的故障點(diǎn)位置;利用紫外線監(jiān)測輸電線路放電后產(chǎn)生的信號，以此檢測線路放電缺陷點(diǎn)故障。

（3）無人機(jī)搭載激光雷達(dá)設(shè)備對輸電線路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)測區(qū)已有的控制點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)計算，求得點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)點(diǎn)位置。對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類，形成彩色點(diǎn)云，分類分別為高植被、低植被、電力線、桿塔、地面等多類。根據(jù)已有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量測樹木、建筑物至輸電線路的距離，并依據(jù)電網(wǎng)樹障判斷標(biāo)準(zhǔn)分類出輸電線路的危險點(diǎn)。同時，可以根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)模擬出大風(fēng)、高溫、覆冰情況下的輸電線路，為樹障砍伐、輸電線路改造提供依據(jù)，從而為電力線路的檢修運(yùn)維和建設(shè)工作提供方便[5]。

2.5? ? 輸電線路的評估預(yù)測

根據(jù)巡檢數(shù)據(jù)分析結(jié)果，線路的隱患目標(biāo)點(diǎn)會對輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)造成安全風(fēng)險，因此需要對巡檢后的線路做風(fēng)險評估預(yù)測。輸電線路風(fēng)險評估，主要涉及設(shè)備的健康度、交叉跨越類型、微氣象因子等。設(shè)備健康度直接引用設(shè)備狀態(tài)評價結(jié)果（巡檢數(shù)據(jù)的分析），分為正常、注意、異常和嚴(yán)重4種狀態(tài);微氣象因子包括氣溫、降水量、風(fēng)速、相對濕度、大氣壓強(qiáng)等。建立風(fēng)險評估模型，技術(shù)路線如圖2所示。

根據(jù)設(shè)備健康度和交叉跨越重要性，確定風(fēng)險評估管控級別——Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級，根據(jù)不同的管控級別制訂不同的管控措施，可以有力保障輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行。缺陷隱患整治應(yīng)做到及時發(fā)現(xiàn)、準(zhǔn)確定級、立即消缺、閉環(huán)管控，原則上，應(yīng)在規(guī)定時限內(nèi)完成整治處理，或采取必要的措施將隱患影響盡可能降至最低。

3? ? 結(jié)語

無人機(jī)因其輕量便捷、成本低的優(yōu)勢，在輸電線路巡檢中發(fā)揮著越來越大的作用，有著廣闊的發(fā)展前景。無人機(jī)搭載機(jī)載設(shè)備進(jìn)行巡檢很大程度上節(jié)約了人力、物力，同時可以應(yīng)用于人工無法進(jìn)行巡檢的線路以及危險線路，避免了線路巡檢的盲點(diǎn)，為線路的運(yùn)維管理提供了強(qiáng)有力的輔助工具，推動了輸電線路運(yùn)維的智能化進(jìn)程。無人機(jī)搭載設(shè)備監(jiān)測的多源海量數(shù)據(jù)為輸電線路的智能分析提供了數(shù)據(jù)支撐，促進(jìn)了深度學(xué)習(xí)、人工智能方法在輸電線路運(yùn)維中的應(yīng)用。

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收稿日期：2022-01-12

作者簡介：馬新惠（1983—），女，安徽人，副教授，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。