吳宇鑫,金 哲,李小來(lái),王偉東,高北晨,楊世強(qiáng),孔 韜,袁銥晨,張學(xué)鋒
(國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司,湖北 武漢 430050)
三峽地區(qū)超高壓輸電線路特別是跨區(qū)輸電線路所經(jīng)過(guò)的地理?xiàng)l件較為復(fù)雜,所處自然環(huán)境相對(duì)比較惡劣,加大了輸電線路運(yùn)維工作[1-2]的勞動(dòng)強(qiáng)度和巡視難度。輸電線路桿塔經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生一些隱患和缺陷[3-6],會(huì)給輸電線路運(yùn)行帶來(lái)一定的危害,輕則影響線路運(yùn)行,重則造成設(shè)備損壞、線路停運(yùn)。線路巡視是運(yùn)維人員工作重點(diǎn)。
隨著輸電線路投運(yùn)的數(shù)量越來(lái)越多,為提高輸電線路運(yùn)維精益化管理水平[7-12]和規(guī)范巡視模式,相關(guān)學(xué)者開(kāi)始探索研究新的輸電線路運(yùn)維模式[13-18]。無(wú)人機(jī)技術(shù)[19-23]作為一種新興技術(shù),越來(lái)越多的應(yīng)用于輸電線路巡視工作中,文獻(xiàn)[24]研究四旋翼無(wú)人機(jī)在輸電線路巡視作業(yè)中的優(yōu)勢(shì),文獻(xiàn)[25]研究高海拔地區(qū)無(wú)人機(jī)巡檢所需技術(shù)條件,文獻(xiàn)[26]研究氣象環(huán)境對(duì)無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)的影響并給出了防傾覆策略,文獻(xiàn)[27]研究小型無(wú)人機(jī)在輸電線路故障點(diǎn)查找方面的應(yīng)用,文獻(xiàn)[28]研究無(wú)人機(jī)在輸電線路除冰方面的應(yīng)用。為了提高無(wú)人機(jī)定位精度和巡檢質(zhì)量,相關(guān)學(xué)者研究了無(wú)人機(jī)自主巡檢技術(shù)在輸電線路巡檢工作方面的應(yīng)用[29-39]。對(duì)于新型運(yùn)維模式的研究,有研究一種基于直升機(jī)、無(wú)人機(jī)及地面人工巡視的全新互補(bǔ)工作機(jī)制。也有研究人員針對(duì)人工和無(wú)人機(jī)聯(lián)合巡視工作深入開(kāi)展提出了對(duì)策和建議。目前沒(méi)有文獻(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)自主巡檢在桿塔基礎(chǔ)缺陷發(fā)現(xiàn)方面存在的劣勢(shì)進(jìn)行深入分析,所以提出的人工和無(wú)人機(jī)組合巡視模式缺乏一定的數(shù)據(jù)支撐。
500 kV盤宜一、二回,重慶九盤變電站至宜昌換流站的兩條平行線路,盤宜一回共338 基桿塔,全長(zhǎng)161.457 km;盤宜二回共325基桿塔,全長(zhǎng)158.720 km,線路走向圖,如圖1所示。
圖1 500 kV盤宜一、二回線路走向圖Fig.1 500 kV Jiupan-Yichang primary circuit and second circuit route map
1.1.1 線路所處地形條件
盤宜一回所處高山占67%,長(zhǎng)度約108.18 km,丘陵占31%,長(zhǎng)度約50.05 km,平原占2%,長(zhǎng)度約3.23 km,其中無(wú)人區(qū)、交通困難地區(qū)和交通不便區(qū)線路長(zhǎng)度達(dá)67.81 km,占比約42%;盤宜二回所處山地占64%,長(zhǎng)度約為101.58 km,丘陵占28%,長(zhǎng)度約為44.44 km,平原8%,長(zhǎng)度約12.70 km。
1.1.2 線路所處氣候條件
除開(kāi)微地形微氣象區(qū),盤宜一、二回所處巴東、秭歸、夷陵均以亞熱帶疾風(fēng)氣候?yàn)橹?,常年風(fēng)速為6 m/s~20 m/s,極端天氣達(dá)到過(guò)27 m/s~29 m/s。
1.1.3 線路所處特殊區(qū)段
經(jīng)過(guò)調(diào)查近3 年運(yùn)維數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),盤宜一回所處樹(shù)竹速長(zhǎng)區(qū)達(dá)53.28 km,占線路總長(zhǎng)33%;所處易覆冰區(qū)達(dá)41.98 km,占比約26%;所處雷電多發(fā)區(qū)59.74 km,占比約37%;地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)區(qū)29.06 km,占比約18%;山火易發(fā)區(qū)56.51 km,占比約35%,其中有一個(gè)微地形微氣象區(qū),位于荒口坪,長(zhǎng)度2.91 km,占比約1.8%。
結(jié)論:500 kV 盤宜一、二回線路路徑較長(zhǎng),所處地形條件復(fù)雜多變,且以大山峻嶺為主,交通條件極為艱苦,線路所處特殊區(qū)段較多包括微地形區(qū)、微氣象區(qū)、雷電多發(fā)區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害區(qū)、山火易發(fā)區(qū)、易覆冰區(qū)等。
無(wú)人機(jī)自主精細(xì)化巡檢技術(shù)簡(jiǎn)稱“無(wú)人機(jī)自主巡檢”,是基于高精度RTK定位(厘米級(jí))技術(shù),通過(guò)激光點(diǎn)云航線規(guī)劃方式,讓無(wú)人機(jī)具有自主巡視功能。無(wú)人機(jī)自主巡檢設(shè)備組成與信號(hào)傳輸示意圖如圖2所示。
圖2 無(wú)人機(jī)自主巡檢設(shè)備構(gòu)成及信號(hào)傳輸示意圖Fig.2 Composition of UAV autonomous inspection equipment and diagram of signal transmission
本文調(diào)查2021年4月至2021年6月人工巡視及無(wú)人機(jī)自主巡檢缺陷報(bào)表進(jìn)行對(duì)比分析,無(wú)人機(jī)自主巡檢發(fā)現(xiàn)的500 kV 盤宜一、二回不同種類的缺陷條數(shù),如表1所示。
表1 無(wú)人機(jī)巡檢缺陷表Table 1 Defects of UAV routing inspection
輸電運(yùn)維人員通過(guò)人工巡視發(fā)現(xiàn)不同缺陷種類及條數(shù),如表2所示。
表2 人工巡視缺陷表Table 2 Defects of manual inspection
將表1和表2中的數(shù)據(jù)繪制柱狀圖,如圖3所示。
圖3 人工巡視和無(wú)人機(jī)巡檢發(fā)現(xiàn)缺陷數(shù)量柱狀圖Fig.3 Histogram of defects found in human inspection and UAV routing inspection
由圖3 可以看出,在導(dǎo)地線類、附屬設(shè)施類、桿塔本體類、金具類無(wú)人機(jī)自主巡檢比人工巡視發(fā)現(xiàn)數(shù)量大得多,絕緣子類自主巡檢與人工巡視發(fā)現(xiàn)數(shù)量接近,在基礎(chǔ)類和接地裝置類人工巡視具有優(yōu)勢(shì)。
以圖4為例說(shuō)明無(wú)人機(jī)和人工巡視發(fā)現(xiàn)缺陷條數(shù)的從屬關(guān)系,其中A圓表示人工發(fā)現(xiàn)的缺陷條數(shù),B圓表示無(wú)人機(jī)發(fā)現(xiàn)缺陷條數(shù),圓A與圓B相交部分為人工與無(wú)人機(jī)共同發(fā)現(xiàn)缺陷條數(shù),①代表人工巡視發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)未發(fā)現(xiàn)缺陷條數(shù),②代表人工與無(wú)人機(jī)共同發(fā)現(xiàn)缺陷條數(shù),③代表無(wú)人機(jī)發(fā)現(xiàn)人工巡視未發(fā)現(xiàn)缺陷條數(shù)。
圖4 人工與無(wú)人機(jī)巡視缺陷條數(shù)從屬關(guān)系示意圖Fig.4 Diagram of subordinate relationship between manual and UAV inspection defect number
不同類型缺陷數(shù)量如圖5-圖11所示。
圖5 導(dǎo)地線類缺陷數(shù)量Fig.5 Defect number of grounding wire class
圖6 附屬設(shè)施類缺陷數(shù)量Fig.6 Defect number of ancillary facilities class
圖7 桿塔本體類缺陷數(shù)量Fig.7 Defect number of tower body class
圖8 金具類缺陷數(shù)量Fig.8 Defect number of fittings class
圖9 絕緣子類缺陷數(shù)量Fig.9 Defect number of insulator class
圖10 基礎(chǔ)類缺陷發(fā)現(xiàn)情況Fig.10 Defect number of tower foundation class
圖11 接地裝置類缺陷發(fā)現(xiàn)情況Fig.11 Defect number of tower grounding device class
按不同缺陷類型將人工巡視與無(wú)人機(jī)巡視發(fā)現(xiàn)缺陷條數(shù)、缺陷發(fā)現(xiàn)率的情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如表3所示。
由表3可知,從缺陷發(fā)現(xiàn)條數(shù)和缺陷發(fā)現(xiàn)率來(lái)看,無(wú)人機(jī)自主巡檢在導(dǎo)地線類、附屬設(shè)施類、桿塔本體類、金具類等桿塔瓶口及以上桿塔部分的缺陷發(fā)現(xiàn)方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),但在基礎(chǔ)類和接地裝置類缺陷及瓶口以下桿塔部分缺陷發(fā)現(xiàn)方面存在不足,而人工巡視在基礎(chǔ)類、接地裝置類缺陷發(fā)現(xiàn)方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。
表3 無(wú)人機(jī)巡檢與人工巡視發(fā)現(xiàn)缺陷情況統(tǒng)計(jì)表Table 3 Defects of UAV routing inspection and manual inspection
下面將對(duì)無(wú)人機(jī)在基礎(chǔ)缺陷方面存在的劣勢(shì)進(jìn)行進(jìn)一步分析。
將人工巡視盤宜一、二回16條基礎(chǔ)類缺陷進(jìn)行剖析,發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)類缺陷可以分為危石類、擋土墻或堡坎出現(xiàn)損傷、附近山體滑坡或垮塌?;A(chǔ)類缺陷類型占比如圖12所示。
圖12 基礎(chǔ)類缺陷各類型占比Fig.12 Proportion of different foundation defects
基礎(chǔ)附近存在危石缺陷占比最大為50%,因?yàn)闊o(wú)人機(jī)航線設(shè)置的拍攝角度和范圍與桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)置使得無(wú)人機(jī)存在視野盲區(qū),故無(wú)法發(fā)現(xiàn)。
進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)類缺陷由于有遮擋物、方位差、視角差、云臺(tái)參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤、云臺(tái)高度過(guò)低等原因,導(dǎo)致所拍攝的照片中基礎(chǔ)信息不全,對(duì)查找缺陷帶來(lái)一定困難,具體的桿塔數(shù)量如表4所示。遮擋物遮擋、云臺(tái)參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤、云臺(tái)高度過(guò)低占絕大多數(shù),進(jìn)一步分析原因。
表4 無(wú)人機(jī)未發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)類缺陷的桿塔數(shù)Table 4 Number of towers with basic defects that UAV failed to detect
桿塔基礎(chǔ)附近有雜樹(shù)、雜草、農(nóng)作物、雜物等會(huì)造成照片中桿塔基礎(chǔ)被覆蓋,缺陷信息無(wú)法判定,因雜樹(shù)、雜草、農(nóng)作物、雜物堆砌導(dǎo)致自主巡檢桿塔基礎(chǔ)被遮擋的桿塔數(shù)量如表5所示。
表5 基礎(chǔ)有遮擋物的桿塔數(shù)Table 5 Number of towers with shelter on the foundation
塔腳被雜樹(shù)和雜草遮擋的桿塔以秭歸荒口、九山坪、曉峰河段為主,因?yàn)樵摱蔚匦螐?fù)雜通常桿塔較高,基礎(chǔ)附近存在不影響運(yùn)行的雜樹(shù)、雜草。塔腳被農(nóng)作物遮擋以秭歸郭家壩、沙鎮(zhèn)溪段為主,該段農(nóng)戶大量種植柑橘樹(shù)等經(jīng)濟(jì)作物。雜物堆砌較少,主要集中在巴東跨江、龍泉進(jìn)站段,因?yàn)樵摱螚U塔附近土壤肥沃,農(nóng)戶在塔基附近開(kāi)墾種植,就近將一些鋤地后的雜草堆砌在塔腳處。由于桿塔所占征地面積以外的土地并未進(jìn)行征收,所以經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行,桿塔征地范圍外的雜樹(shù)、雜草生長(zhǎng)至一定高度后,對(duì)桿塔基礎(chǔ)形成了遮擋,由于生長(zhǎng)速度和生長(zhǎng)方向的不同,桿塔被遮擋的基礎(chǔ)情況也不盡相同。
云臺(tái)參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤,導(dǎo)致云臺(tái)拍照時(shí)所處角度錯(cuò)誤,導(dǎo)致桿塔基礎(chǔ)并不在云臺(tái)所拍攝范圍內(nèi),所以照片獲取不到所想要的桿塔基礎(chǔ),如圖13-圖14所示。
圖13 無(wú)人機(jī)云臺(tái)角度示意圖Fig.13 Diagram of setting UAV PTZ angle
圖14 云臺(tái)角度過(guò)小的桿塔照片F(xiàn)ig.14 Image of tower with too small PTZ angle
將盤宜一、二回云臺(tái)拍攝角度錯(cuò)誤的桿塔進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如表6所示。從表6分析可知,盤宜一、二回多種塔型均出現(xiàn)過(guò)因云臺(tái)角度過(guò)小導(dǎo)致照片獲取不到桿塔基礎(chǔ)的現(xiàn)象,所以云臺(tái)角度設(shè)置錯(cuò)誤與桿塔形式無(wú)關(guān),而出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)楹骄€編輯過(guò)程中云臺(tái)角度設(shè)置過(guò)小,且航線編輯完成并發(fā)現(xiàn)相應(yīng)參數(shù)設(shè)置問(wèn)題。
表6 無(wú)人機(jī)云臺(tái)角度設(shè)置錯(cuò)誤的桿塔及其參數(shù)Table 6 Towers and their parameters with wrong PTZ angle setting of UAV
不同桿塔根開(kāi)是不同的,原本根開(kāi)更大的桿塔應(yīng)該在更高的高度拍攝才能將桿塔基礎(chǔ)全部加載至云臺(tái)的拍攝框內(nèi),而桿塔航線是根據(jù)航線模板批量生成的,無(wú)人機(jī)沒(méi)有到達(dá)相應(yīng)的高度就進(jìn)行了拍照,導(dǎo)致獲取桿塔基礎(chǔ)信息不全。
進(jìn)一步分析云臺(tái)在拍照時(shí)的動(dòng)作,云臺(tái)在正常高度下拍照時(shí)的側(cè)視圖及俯視圖如圖15所示,在云臺(tái)高度達(dá)到H時(shí),桿塔基礎(chǔ)均在云臺(tái)拍攝范圍內(nèi)。
圖15 正常高度下云臺(tái)拍攝桿塔基礎(chǔ)示意圖Fig.15 Schematic diagram of tower foundation with PTZ at a normal height
如果以此桿塔作為模板來(lái)繪制其他同類型桿塔航線時(shí),如果飛行高度是根據(jù)桿塔高度來(lái)進(jìn)行調(diào)整的,從H調(diào)整為H+ΔH,其中ΔH為桿塔呼高差,而不是根據(jù)桿塔基礎(chǔ)根開(kāi)大小來(lái)進(jìn)行調(diào)整,那么桿塔基礎(chǔ)則可能未在云臺(tái)拍攝范圍內(nèi),如圖16所示。
進(jìn)一步將照片中基礎(chǔ)信息不完整的桿塔型號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如表7所示。
表7 因云臺(tái)高度過(guò)小的桿塔及其參數(shù)Table 7 Parameters of too small PTZ height tower
由表7 分析可知,根開(kāi)過(guò)大的桿塔集中在ZB3 型呼高45 m及以上桿塔和ZB4型呼高39 m及以上桿塔,由于繪制過(guò)程中按照桿塔模板進(jìn)行目標(biāo)桿塔航線繪制,僅根據(jù)目標(biāo)桿塔高度增加無(wú)人機(jī)飛行高度,并沒(méi)有按照每基桿塔實(shí)際根開(kāi)大小進(jìn)行高度的調(diào)整,造成部分桿塔塔型基礎(chǔ)并沒(méi)有全部拍攝下來(lái)。但是因?yàn)榇嬖谙薷吆团臄z不清楚的問(wèn)題,云臺(tái)高度不能一味地加高,云臺(tái)高度需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際飛行經(jīng)驗(yàn)結(jié)合桿塔形式和參數(shù)來(lái)確定。
由以上分析可知,人工和無(wú)人機(jī)巡視各有優(yōu)缺點(diǎn),在不同巡視任務(wù)或不同巡視方式下人工與無(wú)人機(jī)占比不同。在日常巡視下,應(yīng)以無(wú)人機(jī)巡視為主,人工巡視輔助,無(wú)人機(jī)可以比較好地發(fā)現(xiàn)桿塔本體所具有的缺陷,而對(duì)塔基及以下的缺陷卻比較難以發(fā)現(xiàn),人工巡視可以發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)及地網(wǎng)類缺陷;特殊巡視,包括紅外測(cè)溫、登桿檢查、三跨檢查,應(yīng)以無(wú)人機(jī)巡視為主對(duì)重點(diǎn)檢查部位進(jìn)行精細(xì)化巡檢;故障巡視下,應(yīng)以無(wú)人機(jī)巡視為主,可以縮短每基桿塔故障查找時(shí)間,待確定故障點(diǎn)后人員登桿檢查,采集照片資料;災(zāi)害巡視時(shí),應(yīng)以地面人工巡視為主,無(wú)人機(jī)巡視為輔,待無(wú)人機(jī)確定災(zāi)害發(fā)生位置和巡視道路安全狀況之后,再由人工前往災(zāi)害發(fā)生位置確認(rèn)情況。
根據(jù)以上分析可知,無(wú)人機(jī)在桿塔本體缺陷發(fā)現(xiàn)方面具有較大優(yōu)勢(shì),人工巡視在基礎(chǔ)類、接地裝置類、地面附屬設(shè)施類具有優(yōu)勢(shì),所以利用無(wú)人機(jī)重點(diǎn)查找桿塔本體缺陷,而桿塔下方缺陷如基礎(chǔ)、地網(wǎng)、桿號(hào)牌、附屬設(shè)施則由人工重點(diǎn)進(jìn)行檢查,通道環(huán)境類缺陷如山火、異物、外破等則由固定翼無(wú)人機(jī)“云巡”方式進(jìn)行重點(diǎn)檢查,通道環(huán)境內(nèi)的樹(shù)障則由無(wú)人機(jī)激光掃描為主,人工巡視為輔。運(yùn)行工況的檢查紅外測(cè)溫由無(wú)人機(jī)進(jìn)行重點(diǎn)檢查,弧垂觀測(cè)、覆冰觀測(cè)、風(fēng)偏觀測(cè)則由人工巡視重點(diǎn)檢查。
5.3.1 平原地形交通易到達(dá)地區(qū)
平原地形下,基礎(chǔ)類和樹(shù)障類缺陷相對(duì)較少,居民活動(dòng)頻數(shù)較多,建議無(wú)人機(jī)精細(xì)化巡視周期為半年,人工巡視周期為3 個(gè)月,并適當(dāng)增加群眾護(hù)線員巡視頻次,確保巡視能夠不間斷。
5.3.2 山區(qū)地形交通較難到達(dá)地區(qū)
山區(qū)地形下,基礎(chǔ)類缺陷和樹(shù)障類缺陷相對(duì)較多,居民活動(dòng)頻次較少,建議無(wú)人機(jī)精細(xì)化巡視周期為1 a,人工巡視周期為半年,保證停電檢修作業(yè)開(kāi)展前無(wú)人機(jī)自主精細(xì)化巡檢全覆蓋。
5.3.3 無(wú)人區(qū)和大跨越交通條件極為不便地區(qū)
無(wú)人區(qū)和大跨越地形條件下,考慮安全和人員勞動(dòng)強(qiáng)度因素,建議無(wú)人機(jī)精細(xì)化巡視周期為1 a,人工巡視周期為1 a,可結(jié)合停電檢修、故障巡視、帶電作業(yè)等方式進(jìn)行登桿檢查。
5.3.4 微氣象區(qū)易覆冰區(qū)
由于車輛人員難以到達(dá),考慮車輛及人員安全因素,建議覆冰期到來(lái)之前進(jìn)行一次無(wú)人機(jī)精細(xì)化巡視和人工巡視,以確保輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行;當(dāng)覆冰期到來(lái)之時(shí)建議當(dāng)?shù)刈o(hù)線員在有條件情況下進(jìn)行人工巡視;當(dāng)覆冰期過(guò)后,建議進(jìn)行一次無(wú)人機(jī)巡視以檢查設(shè)備運(yùn)行情況。
5.3.5 山火易發(fā)區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)、鳥(niǎo)害多發(fā)區(qū)
由于線路走向比較長(zhǎng),往往難以同時(shí)對(duì)多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行管控,建議結(jié)合季節(jié)特點(diǎn)進(jìn)行無(wú)人機(jī)通道1 周1次,確保特殊時(shí)期巡視全覆蓋。
5.3.6 外破點(diǎn)和居民活動(dòng)密集區(qū)
外破點(diǎn)和居民活動(dòng)密集區(qū),為防止線路因外破、異物、垂釣等情況造成外力破壞事故,從而影響線路運(yùn)行,并適當(dāng)增加人工巡視頻次,確保1周3次。
本文以500 kV 盤宜一、二回為例,分析了超高壓輸電線路運(yùn)維工作重點(diǎn)與難點(diǎn)所在,對(duì)無(wú)人機(jī)自主巡檢工作體系進(jìn)行了介紹,重點(diǎn)分析了無(wú)人機(jī)巡視和人工巡視在桿塔各部位的缺陷發(fā)現(xiàn)方面所具有的優(yōu)劣勢(shì)。經(jīng)過(guò)分析找到了無(wú)人機(jī)難以發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)類缺陷的深層次原因,并在此基礎(chǔ)上提出了一種人工和無(wú)人機(jī)組合巡視的新模式。