高壓輸變電塔架及通道巡檢技術(shù)綜述

馬曉峰, 任秉診, 趙 錦, 鐘敏勇, 陳乃超

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司隴南供電公司, 甘肅 隴南 742500; 2.上海電力大學(xué), 上海 201306)

電網(wǎng)輸電線路在長期運(yùn)行過程中會遭受各類天氣侵蝕以及周圍環(huán)境的影響,導(dǎo)致?lián)p傷失效和故障隱患,嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定,因此高壓輸變電塔架及通道巡檢在保障電力輸送中具有十分重要的作用。輸變電線路一般跨度較大,建設(shè)的輸電線路要跨越高山和峽谷,輸變電塔架搭設(shè)位置地理?xiàng)l件復(fù)雜,容易受到當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境的影響,顯著加大了輸電線路出現(xiàn)故障的可能性[1]。同時(shí),位于平原地區(qū)的輸電線路容易出現(xiàn)修路、修房等人為引發(fā)的故障[2-3]。此外,雷電也是影響輸電線路運(yùn)行安全的重要因素,在我國雷電高發(fā)區(qū)域,由雷電引發(fā)的高頻率跳閘對電氣設(shè)備的破壞性較大[4]。嚴(yán)重的覆冰災(zāi)害也降低了輸電線路的可靠性,覆冰增加了輸電導(dǎo)線荷載,容易造成電力線纜和塔架的毀壞。除了自然災(zāi)害外,嚴(yán)重劣化的絕緣子在潮濕的環(huán)境中容易引發(fā)跳閘和閃絡(luò)[5]。因此,為了提高配電網(wǎng)可靠性和供電質(zhì)量,避免上述問題的發(fā)生,確保輸變電塔架線路安全,電力行業(yè)需要定期對輸變電塔架線路進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng),傳統(tǒng)的檢測方法已經(jīng)不能保障電網(wǎng)的高質(zhì)量和可靠性[6-7]。因此,電網(wǎng)自動(dòng)檢測技術(shù)逐漸成為研究的熱點(diǎn)之一。

本文基于輸變電線路運(yùn)行安全的需要,針對輸變電塔架的運(yùn)行維護(hù),綜述了目前輸變電塔架和通道巡檢的主要方式,分析了各類巡檢方式的技術(shù)特點(diǎn),為高壓輸變電塔架和通道巡檢提供技術(shù)支撐。重點(diǎn)分析了無人機(jī)巡檢存在的技術(shù)問題,描述了實(shí)際應(yīng)用中面臨的問題及未來的發(fā)展趨勢。

1 高壓輸變電塔架和通道巡檢的主要方式

目前,高壓輸變電塔架巡檢方式主要包括人工巡檢、直升機(jī)巡檢、機(jī)器人巡檢和無人機(jī)巡檢4種方式[8]。隨著現(xiàn)代化電網(wǎng)的運(yùn)營與發(fā)展,效率較低且危險(xiǎn)程度較高的人工巡檢方式難以滿足大規(guī)模電網(wǎng)建設(shè)要求[9]。直升機(jī)與機(jī)器人巡檢雖然具有較高的精度,但投資成本較高,巡檢耗時(shí)較長,使得這兩種巡檢方式難以大規(guī)模推廣[10]。隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟,在電力系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測、工程測量等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[11]。裝配有高清攝像機(jī)、激光雷達(dá)和定位系統(tǒng)的無人機(jī),可以對輸電線路進(jìn)行定位,實(shí)現(xiàn)自主巡航,極大地提高了輸變電塔架的巡檢效率和準(zhǔn)確率。

1.1 人工巡檢

人工巡檢主要依靠人工為主,通過電力工人的現(xiàn)場勘查,對輸電線路中的電塔、輸電線、絕緣子等高壓電力器件進(jìn)行檢測和維護(hù),能夠快速直接處理和反饋現(xiàn)場存在的設(shè)備缺陷和隱患。在高山峽谷或雨雪等環(huán)境惡劣的情況下,大多通過巡檢人員攜帶專業(yè)設(shè)備進(jìn)行巡視檢查。在偏遠(yuǎn)山區(qū)執(zhí)行巡檢任務(wù)時(shí),山區(qū)視野有限,巡檢工人只能通過望遠(yuǎn)鏡在遠(yuǎn)處觀察或者攀爬上桿塔進(jìn)行檢查[12]。受人員經(jīng)驗(yàn)和地形的限制,人工巡檢方式效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性差,并且難以檢測視野盲區(qū)。人工巡檢主要存在以下幾個(gè)問題:一是輸變電塔架巡檢范圍區(qū)域廣,工作量大,巡檢效率低;二是遇到地震、山體滑坡等自然災(zāi)害及不良天氣時(shí),人工巡檢難度大;三是工作人員在巡檢桿塔時(shí)需要攜帶許多專業(yè)設(shè)備,容易引起鐵桿打滑、人工蹬桿觸電等安全問題,安全性無法得到保障。

1.2 直升機(jī)巡檢

我國從20世紀(jì)80年代開始嘗試直升機(jī)電力航檢作業(yè),利用直升機(jī)運(yùn)載工作人員和監(jiān)測設(shè)備,航檢員通過操作特殊望遠(yuǎn)鏡對輸變電塔架線路進(jìn)行巡視,能夠發(fā)現(xiàn)人工巡檢難以發(fā)現(xiàn)的故障。常用的檢查設(shè)備包括可見光檢測儀和紅外熱成像儀,利用數(shù)碼攝像機(jī)或可見光錄像機(jī)記錄故障點(diǎn)。對輸電線路進(jìn)行巡線的主要內(nèi)容包括導(dǎo)線、復(fù)合絕緣子芯棒、地線及絕緣子等設(shè)施,塔材銹蝕,基礎(chǔ)破損等[13]。這種巡檢方式能夠減輕巡檢人員的工作量,大幅提高巡檢效率,突破了高壓輸變電塔架范圍區(qū)域廣、困難地域巡視難的限制,避免錯(cuò)檢和漏檢,具有快速便捷、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[14]。但存在以下幾個(gè)問題:一是前期一次性投資較大,巡檢成本高昂,而且成立巡檢公司手續(xù)繁瑣,飛行需要民航機(jī)場的協(xié)助,我國對空域和航線管制比較嚴(yán)格,管制空域又不對民用開放,對起降場地要求高;二是為保障安全飛行,飛機(jī)無法適應(yīng)山區(qū)突變的地理高度差;三是缺少直升機(jī)電力巡檢作業(yè)的飛行及相關(guān)工作人員,且人員培養(yǎng)成本高、時(shí)間長;四是無法近距離觀察故障點(diǎn),巡檢路線需要嚴(yán)格規(guī)劃,巡檢結(jié)果需要等待數(shù)天等。

1.3 機(jī)器人巡檢

高壓輸變電塔架高度通常有幾十米高,塔上風(fēng)力大,冬天時(shí)鐵塔溫度低甚至覆冰,爬塔工作人員安全性難以保障,多有人員墜落事故發(fā)生,因此引入機(jī)器人代替人工進(jìn)行作業(yè)具有重要意義。目前,機(jī)器人巡檢主要采用攀爬式機(jī)器人搭載專業(yè)檢測設(shè)備,對塔架進(jìn)行近距離巡檢,巡檢工作效率較高,設(shè)備安全可靠性較高,運(yùn)維工作量大幅減少[15]。機(jī)器人一般包含行走、夾緊和俯仰3個(gè)功能。主體控制由機(jī)器人平臺、中樞控制器、驅(qū)動(dòng)器、處理器、傳感器等構(gòu)成。中樞控制器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的采集和處理,對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。機(jī)器人巡檢利用激光雷達(dá)和相機(jī)獲取數(shù)據(jù),通過解析來獲取實(shí)時(shí)的位置和場景;依靠傳感器判斷行進(jìn)方向和感知障礙物,并進(jìn)行巡檢作業(yè)運(yùn)動(dòng)。其主要特點(diǎn)是:可以快速讀取和檢查多個(gè)設(shè)備檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)信息;設(shè)備適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高,能夠?qū)崟r(shí)地將故障信息傳輸至巡檢中心。這種巡檢方式雖然保障了人員的安全性,但容易受外部環(huán)境影響,導(dǎo)致效率較低。

1.4 無人機(jī)巡檢

無人機(jī)輕便靈活,可靈活起降,適應(yīng)能力強(qiáng),可廣泛應(yīng)用于森林防火、通信維護(hù)、氣象監(jiān)測等領(lǐng)域。隨著無人機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,從20世紀(jì)90年代起無人機(jī)開始應(yīng)用于電力巡檢領(lǐng)域,定期對輸變電塔架進(jìn)行巡檢、應(yīng)急巡視,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn),有效降低了重大事故的發(fā)生率,保障了電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行[16]。為了研究障礙物對輸變電塔架和通道的影響,采用無人機(jī)搭載可見光攝像頭獲得動(dòng)態(tài)圖像,利用機(jī)器視覺技術(shù),可以識別附近障礙物。針對輸電線路通道,利用無人機(jī)獲得的數(shù)據(jù)建立三維可視化實(shí)景模型,可以形象直觀地反映出桿塔和線路的空間位置、尺度信息,從而形成智能化運(yùn)維,以實(shí)現(xiàn)對輸電塔架和線路的視覺導(dǎo)航和電力線路的可視化巡檢。通過定期巡視,更新和重構(gòu)三維實(shí)景,可以減輕巡檢強(qiáng)度和地面巡檢的局限性,提高巡檢效率[17]。加拿大Avcan公司科研團(tuán)隊(duì)通過改裝英國EA公司的無人機(jī),對高壓輸電線路進(jìn)行巡檢作業(yè),可以檢測出輸電線路存在的安全隱患。為了探測輸電線路與附近的建筑物和植被的距離,澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO)通信技術(shù)中心研發(fā)了小型無人機(jī)T21,裝備了嵌入式控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)感知障礙物和避障功能,能在25 m范圍內(nèi)繪制出分辨率為0.5 m的三維環(huán)境地圖[18]。

我國的無人機(jī)電力巡檢研究也取得了豐碩成果。湖南電力科學(xué)研究院的研究人員在極寒環(huán)境條件下,利用無人機(jī)對電力線路的覆冰情況進(jìn)行巡檢。同時(shí),針對巡檢過程中遇到的問題,設(shè)計(jì)出多種巡檢方法,提高了無人機(jī)的巡檢能力[19]。根據(jù)國家電網(wǎng)公司公布的數(shù)據(jù),截止2019年底,無人機(jī)對輸電線路進(jìn)行巡檢的長度累計(jì)達(dá)到3 000 km,輸變電桿塔超過40萬基,單日覆蓋塔架30～50基,無人機(jī)巡檢的效率是人工巡檢的8～10倍。南方電網(wǎng)公司也在2016年初開始采用人機(jī)配合的電力線路巡檢方式,截至2019年底,其無人機(jī)巡檢輸電線路累計(jì)50萬km[20]。由此可見,無人機(jī)巡檢技術(shù)將成為未來電網(wǎng)巡檢作業(yè)的主要手段。

上述幾類巡檢方式的優(yōu)缺點(diǎn)對比如表1所示。

表1 不同巡檢方式比較

2 無人機(jī)巡檢的關(guān)鍵問題

隨著無人機(jī)巡檢技術(shù)的不斷發(fā)展,“無人機(jī)+電力”的巡檢模式在高壓輸電線路巡線和故障診斷中得到了更廣泛的應(yīng)用[21],高壓輸變電塔架以及線路的巡檢模式和精細(xì)化程度都有較大的改變。但是無人機(jī)巡檢也面臨著一些技術(shù)問題[22-23],主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 飛行姿態(tài)控制

由于高壓輸變電塔架周圍存在電磁場,無人機(jī)在近塔區(qū)域巡檢作業(yè)時(shí),容易出現(xiàn)機(jī)身抖動(dòng)、定位失效以及通信干擾等問題,嚴(yán)重影響巡檢安全。加上塔架上各種電氣設(shè)備密集,各電壓等級設(shè)備都有一定的安全距離,所以無人機(jī)巡檢需要精度極高的導(dǎo)航定位系統(tǒng),幫助無人機(jī)規(guī)避風(fēng)險(xiǎn),以防止無人機(jī)與塔架的懸浮安全距離不足導(dǎo)致設(shè)備間擊穿短路,造成設(shè)備損毀等安全事故。此外,我國氣候條件復(fù)雜、風(fēng)向多變,導(dǎo)致無人機(jī)在輸變電塔架巡線作業(yè)中與地面失聯(lián)的情況時(shí)常發(fā)生[24]。因此,要求巡檢人員對無人機(jī)的飛行姿態(tài)進(jìn)行控制,需要事先規(guī)劃好巡檢距離和路線。

2.2 避障系統(tǒng)航跡路線規(guī)劃

在無人機(jī)巡檢過程中,經(jīng)常會遇到飛鳥、樹木、交跨線路等因素影響正常飛行巡檢路線,因此需要無人機(jī)具備障礙感知功能,能夠及時(shí)修訂巡檢路線,避讓障礙物?，F(xiàn)有的無人機(jī)利用超聲波來感知距離,實(shí)現(xiàn)避障。超聲波技術(shù)可以避免光線、煙霧的干擾,但如果障礙物表面反射超聲波能力不足,就無法精確感知距離[25]。此外,利用相機(jī)和算法計(jì)算障礙物距離的技術(shù)具有便捷性高和能耗低的優(yōu)點(diǎn),但其對計(jì)算能力要求較高,在辨識度低的昏暗或光線變化復(fù)雜的情況下成像質(zhì)量較差,準(zhǔn)確度較難保證[26]。雖然上述主流避障方式可以做到精確、高效,但在實(shí)際應(yīng)用過程中相應(yīng)技術(shù)還不成熟。當(dāng)前,輸電線路無人機(jī)巡檢系統(tǒng)仍然存在過度依賴專業(yè)人員操作、巡檢精度易受環(huán)境影響、遠(yuǎn)距離遙控可靠性較低等問題。因此,開發(fā)了基于航線自學(xué)習(xí)技術(shù)的無人機(jī)自主巡檢技術(shù),通過融合卡爾曼濾波、路點(diǎn)信息的篩選流程和垂距法提高融合線路與原始線路間的相似度[27],可以避免大量無效路點(diǎn)信息的采集,提升巡檢效率,但缺點(diǎn)是這樣的算法較為復(fù)雜。

2.3 視覺探測數(shù)據(jù)建模

在巡檢過程中,無人機(jī)搭載攝像機(jī)拍攝輸變電塔架和通道,獲取圖像數(shù)據(jù),進(jìn)而進(jìn)行缺陷診斷[28]。但無人機(jī)無法根據(jù)周圍光線亮度自動(dòng)調(diào)整拍攝角度、拉近距離,而且無人機(jī)的飛行速度和方向都會對數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響,導(dǎo)致自動(dòng)巡檢獲取的輸變電桿塔數(shù)據(jù)質(zhì)量較差,難以滿足實(shí)際巡檢要求[29]。同時(shí),獲取輸變電塔架及線路的圖像點(diǎn)云數(shù)據(jù)后,需要處理海量圖像和視頻數(shù)據(jù),即使借助計(jì)算機(jī)處理也需要耗費(fèi)大量時(shí)間。因此,需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)圖像點(diǎn)云數(shù)據(jù),準(zhǔn)確生成三維結(jié)構(gòu)的方法以及缺陷分析算法。此外,高壓輸變電塔架上小設(shè)備的檢測偶爾會被忽略掉,造成檢測效率遠(yuǎn)低于大目標(biāo)設(shè)備的檢測[30]。

2.4 通信問題

無人機(jī)對高壓輸變電塔架和線路進(jìn)行巡檢時(shí),搭載了很多專業(yè)化設(shè)備,巡檢會產(chǎn)生海量數(shù)據(jù),回傳到基站對無線通信系統(tǒng)的壓力較大,傳輸易受到復(fù)雜自然環(huán)境和外部的干擾,導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失和亂碼等問題[31]。同時(shí),無人機(jī)需要與基站保持通信,對無人機(jī)飛行姿態(tài)和路線進(jìn)行控制或干預(yù),防止無人機(jī)和輸變電塔架的誤撞[32]。通信問題限制了無人機(jī)每次的巡檢范圍,導(dǎo)致巡檢效率降低。

2.5 缺陷識別技術(shù)

巡檢人員利用無人機(jī)搭載的攝像設(shè)備對輸變電塔架通道和線路局部進(jìn)行拍攝，人工對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而獲得塔架和通道的情況，進(jìn)而確定缺陷的位置和類型等。該方式需要依賴人工進(jìn)行識別分析處理，在人員不穩(wěn)定的情況下判斷的準(zhǔn)確性也會受到影響。同時(shí),由于圖像清晰度和光線等問題，也會影響缺陷識別的準(zhǔn)確性。目前，缺陷識別算法的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性還不高，容易受到相似類型的影響，如絕緣子缺陷識別可以根據(jù)絕緣子上污跡的位置特征來進(jìn)行判斷，但是附近設(shè)備的污跡也可能被識別成絕緣子的污跡。

3 無人機(jī)巡檢發(fā)展趨勢

3.1 融合新技術(shù)

無人機(jī)技術(shù)在高壓輸變電塔架巡檢領(lǐng)域中具有很好的應(yīng)用前景。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展,將巡檢工作與最新的數(shù)字化、大數(shù)據(jù)技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合,更新巡檢內(nèi)容和作業(yè)模式,讓無人機(jī)系統(tǒng)具備自主判斷問題的能力,實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)、智能化的高壓輸變電塔架和線路運(yùn)維,以保障電力系統(tǒng)運(yùn)行安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)。

此外,通過無人機(jī)獲取整個(gè)高壓輸變電塔架和線路的圖像數(shù)據(jù),形成三維可視化圖像,是較為理想的模型建立方法。但是目前設(shè)備多為圖片,僅能部分顯示設(shè)備狀態(tài),其背面情況也無法獲得。同時(shí),高壓輸變電塔架上零部件尺度不同,對于過小的電氣設(shè)備需要更加精細(xì)化的處理。因此,更新相關(guān)算法處理圖像數(shù)據(jù),克服噪聲和障礙物的影響,還原出更加精確、完整度高的輸變電塔架和線路三維可視化模型的研究十分迫切。

3.2 培養(yǎng)電力專業(yè)技術(shù)人才

若要充分發(fā)揮無人機(jī)技術(shù)在高壓輸變電塔架和通道巡檢過程中的優(yōu)勢,還需加快培養(yǎng)具備無人機(jī)操作技術(shù)的復(fù)合型人才:能對巡檢過程中發(fā)生的各種問題進(jìn)行精準(zhǔn)識別和處理,監(jiān)測輸變電線路故障點(diǎn),實(shí)時(shí)向地面巡檢中心傳送數(shù)據(jù);能夠識別故障點(diǎn),分析破壞類型和程度,及時(shí)維修或者替換故障設(shè)備,在最短時(shí)間內(nèi)保障設(shè)備正常運(yùn)行。因此,需要國家和相關(guān)部門推進(jìn)無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)培訓(xùn),立足電力巡檢需求,培養(yǎng)具有專業(yè)技術(shù)的電力巡檢團(tuán)隊(duì),確保輸變電塔架能夠及時(shí)得到技術(shù)維護(hù)。

3.3 完善無人機(jī)測距系統(tǒng)

為了獲得精準(zhǔn)的桿塔信息,需要無人機(jī)靠近飛行,但是無人機(jī)會受到電磁干擾,機(jī)身不穩(wěn)定導(dǎo)致失控。同時(shí),飛控信號也將受到干擾,影響傳輸穩(wěn)定性,因此需要完善無人機(jī)測距系統(tǒng)。常用的超聲和紅外都只能獲得單個(gè)方向上的距離,而視覺測距和激光技術(shù)都可以獲得精確的多點(diǎn)距離,且體積小、能耗低,所以采用激光和視覺相結(jié)合,是提高無人機(jī)航線安全、保障無人機(jī)巡檢作業(yè)安全的有效測距方法。

3.4 提高無人機(jī)續(xù)航能力

眾所周知,續(xù)航能力是保障無人機(jī)作業(yè)的先決條件。目前無人機(jī)續(xù)航能力普遍在3 h左右,但巡檢作業(yè)中地域和環(huán)境復(fù)雜,要求續(xù)航能力更高。當(dāng)前很多國家在無人機(jī)上搭載鋰電池和太陽能電池,利用太陽能為無人機(jī)供能,鋰電池備用供能。我國在2020年出臺了無人機(jī)氫燃料電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),為無人機(jī)續(xù)航提供了更好的動(dòng)力選擇,實(shí)驗(yàn)也證明氫燃料電池續(xù)航能力是鋰電池的2倍以上,可以提升無人機(jī)的續(xù)航能力。此外,在保證安全穩(wěn)定的情況下,可以考慮減輕無人機(jī)的質(zhì)量,也能延長飛行距離和續(xù)航時(shí)間,進(jìn)一步提升續(xù)航能力。

4 結(jié) 語

本文對高壓輸變電塔架及通道的4種巡檢方式進(jìn)行了比較,分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。其中,無人機(jī)高壓輸變電塔架巡檢技術(shù)可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)巡檢短板,滿足新時(shí)期電力設(shè)備巡檢的要求,可以明顯減輕作業(yè)人員負(fù)擔(dān),降低環(huán)境影響,提高巡檢效率和精度。但是,在高壓輸變電塔架及通道巡檢過程中,無人機(jī)在飛行姿態(tài)控制、避障系統(tǒng)航跡路線規(guī)劃、視覺探測數(shù)據(jù)建模、通信等方面存在不少問題。因此,在融合新技術(shù)、培養(yǎng)電力專業(yè)技術(shù)人才、完善無人機(jī)測距系統(tǒng)和提高無人機(jī)續(xù)航能力等方面還需作進(jìn)一步的研究。