輸電線路智能巡檢系統(tǒng)的實用化研究

王澤武

（國網(wǎng)武威供電公司，甘肅 武威 733000）

盡管中國的輸電線路距離很長，但在線監(jiān)測和檢查的信息卻不全面、不可靠，而且變電站存在信息不對稱的問題，導(dǎo)致智能電網(wǎng)運行不平衡。當(dāng)前電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為傳輸線檢測技術(shù)提供了新的研究和應(yīng)用方向，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的輸電線智能檢測系統(tǒng)的基本框架，并根據(jù)系統(tǒng)配置和功能要求，分析了輸電線路能量技術(shù)、全自動無人機(jī)檢測技術(shù)、檢驗數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、檢驗圖像目標(biāo)檢測和智能故障識別技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，可以有效地集成輸電線路的智能檢驗系統(tǒng)，以增加經(jīng)濟(jì)和社會效益，對工程有非常重要的應(yīng)用價值。

1 輸電線路巡視內(nèi)容闡述

巡檢任務(wù)是對線路本身、輔助設(shè)施、電力設(shè)施以及設(shè)施所在的環(huán)境進(jìn)行檢查，清楚地掌握檢查范圍內(nèi)傳輸線的具體操作，并發(fā)現(xiàn)和檢查任何可能導(dǎo)致故障的原因，在傳輸線運行期間確保了線路的穩(wěn)定運行。目前傳輸線的檢查主要包括故障檢查、正常檢查和特殊檢查。過去，無論進(jìn)行哪種檢查，都是采用人工地面檢查，只有在突發(fā)特殊情況時，才會出現(xiàn)人員燈塔巡視的情況，這種巡檢模式的應(yīng)用無法發(fā)揮出最佳的巡檢作用和功能。

傳統(tǒng)的人工檢查方法的應(yīng)用無法滿足當(dāng)前階段根據(jù)不同線路的運行狀況而不同的檢查要求，從而影響了檢查工作的效率，電力公司很難準(zhǔn)確、及時地確定傳輸線具體的運行狀況和條件，這無助于線路保護(hù)，不僅造成人力資源的浪費，而且影響輸電線路的穩(wěn)定安全運行[1]。

2 智能巡檢系統(tǒng)的工作原理

該系統(tǒng)結(jié)合了全球定位系統(tǒng)（GPS）、手持計算機(jī)設(shè)備（PDA）和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的最新研發(fā)成果。無需在線路上安裝信息識別介質(zhì)，配備了便攜式照明設(shè)備、筆記本計算機(jī)和PDA。在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域中，工作人員可以完成線路檢查定和規(guī)范記錄?？梢圆捎脽o線網(wǎng)技術(shù)隨時隨地處理故障問題，缺陷處理和出勤率識別正逐漸標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化和信息化。數(shù)據(jù)服務(wù)器收集記錄客戶端計算機(jī)上的各種信息，完成數(shù)據(jù)信息的存儲、查詢、分析、匯總和報告輸出，有效地監(jiān)督從缺陷發(fā)現(xiàn)到缺陷處理的整個過程，并實現(xiàn)對缺陷的閉環(huán)控制。同時，實現(xiàn)了PDCA 的高效循環(huán)[1]。手持式計算機(jī)可以通過串行端口直接連接到裝有PDA同步程序的客戶端計算機(jī)，不僅可以下載編輯的工作說明，還可以在工作現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)多級組織垂直檢查運營管理模式，上級部門可以隨時查詢、分析和計算下級機(jī)構(gòu)的檢查數(shù)據(jù)。

3 智能檢測系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢

開發(fā)該系統(tǒng)時需考慮到該系統(tǒng)必須具有更強(qiáng)大的功能、新技術(shù)以及更長的生命周期，以便該系統(tǒng)能夠與計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢保持同步。因此，系統(tǒng)開發(fā)采用了更加先進(jìn)、流行、穩(wěn)定和成熟的技術(shù)。該系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，指明了技術(shù)發(fā)展的方向。B/S 體系結(jié)構(gòu)具有許多優(yōu)點，特別是當(dāng)軟件系統(tǒng)的改進(jìn)和升級變得更加頻繁時，B/S 體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品顯然會顯示出更加便捷的功能。無論有多少用戶，即使有多個分支機(jī)構(gòu)也不會增加維護(hù)和升級工作量，在服務(wù)器上就可以執(zhí)行此操作。如果位于遠(yuǎn)程位置，則只需要將服務(wù)器連接到互聯(lián)網(wǎng)，大量節(jié)省人力、時間和金錢，可以立即進(jìn)行維護(hù)和升級。因此，智能檢測系統(tǒng)采用基于Web 的企業(yè)計算機(jī)客戶端，整個系統(tǒng)運行在Windows98 或更高版本的操作系統(tǒng)上，在WindowsXP 操作系統(tǒng)上運行最佳，并且易于操作[2]。

4 電力巡線技術(shù)現(xiàn)狀

目前的輸電線路巡檢方式大致可以分為人工、機(jī)器人、直升機(jī)、無人機(jī)4 種。檢查時，使用電線桿等輔助設(shè)備完成電氣設(shè)備檢查。當(dāng)線路位于偏遠(yuǎn)地區(qū)時，大大增加了操作人員的巡檢難度，尤其是在惡劣的環(huán)境中。隨著電力建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，勞動量和運維強(qiáng)度也隨之增加，增加了操作人員的工作強(qiáng)度，但巡檢效率卻不盡如人意，傳統(tǒng)的檢驗方法非常浪費人力。同時，常規(guī)的檢查方式給工人帶來了很大的風(fēng)險，尤其是在懸崖、山地等惡劣地形，在雨、雪、冰凍等極端天氣下，往往對人身安全構(gòu)成威脅。輸電線路具有分布廣、地理環(huán)境惡劣、地形復(fù)雜，人工巡檢方式面臨時間長、風(fēng)險大、強(qiáng)度高、效率低等諸多問題。機(jī)器人巡檢具有巡檢距離短、巡檢速度慢、越障困難等缺點，應(yīng)用范圍有限；載人直升機(jī)航跡檢查法由于投資成本高、人力多、管理復(fù)雜、技術(shù)儲備繁雜等原因，并未得到廣泛應(yīng)用；而無人機(jī)巡檢方法以其小型化、低成本、質(zhì)量輕、操作方便等明顯優(yōu)勢越來越受到電力企業(yè)的歡迎，在輸電線路巡檢領(lǐng)域的重要性日益凸顯。無人機(jī)有助于解決交通不便的地區(qū)、林區(qū)、山區(qū)、河流、污染區(qū)、高架電報塔等難以維護(hù)和存在盲點的輸電線路段問題。提高了巡檢的質(zhì)量和效率，降低了輸電線路的運維成本，保護(hù)了巡檢人員的人身安全。但無人機(jī)巡檢方法也存在一些問題，需要探索和改進(jìn)。大部分無人機(jī)巡檢任務(wù)因缺乏配套機(jī)巢而無法移動，只能巡檢部分線路缺陷，無人機(jī)巡檢完成后仍需人工進(jìn)行圖像缺陷分析。經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前的無人機(jī)巡檢還存在誤檢率高、人工成本高、難度大、難以保證檢驗質(zhì)量等問題[3]。

5 輸電線路智能巡檢系統(tǒng)的設(shè)計要求

現(xiàn)有的檢驗方法是檢驗人員攜帶紙質(zhì)檢驗工作簿，對設(shè)備進(jìn)行檢驗，然后人工書寫檢驗結(jié)果，巡檢結(jié)束將巡檢記錄冊匯總到電網(wǎng)中心備案，并根據(jù)故障記錄采取必要的維修措施。這種使用紙質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)檢驗工作表的檢驗方法價格昂貴且攜帶不便。手工創(chuàng)建檢驗記錄容易出現(xiàn)遺漏、錯誤等人為錯誤，不適合信息統(tǒng)計分析和檢驗。

利用無人機(jī)實現(xiàn)輸電線路智能巡檢可以對各種輸入信息進(jìn)行整合處理，包括無人機(jī)姿態(tài)、飛行環(huán)境、指揮信息等，命令信息包括來自遙控器的控制命令。通過控制地面控制命令和控制系統(tǒng)設(shè)置的控制命令的集成，無人機(jī)可以自主飛行并收集有關(guān)輸電線路的信息，完成對輸電線路的智能巡檢。無人機(jī)在輸電線路智能巡檢過程中，既要實現(xiàn)起降、定軌導(dǎo)航等基本功能，又要實現(xiàn)定點數(shù)據(jù)采集和自動避障。在保障飛行安全的同時，實現(xiàn)輸電線路智能巡檢[4]。

6 輸電線路智能巡檢系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

6.1 輸變電前端巡檢系統(tǒng)

6.1.1 數(shù)據(jù)同步功能

服務(wù)器使用通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綑z查員的手持服務(wù)器，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。采用傳感器同步技術(shù)，可以按小時匯總信息，并且可以將分析信息傳輸?shù)矫總€終端，從而可以更快地檢查傳輸線和變電站。

6.1.2 信息查詢功能

傳輸和邊線檢查員使用手持終端查詢信息，確定線路故障和隱患的位置以及自己的位置，以便員工可以到達(dá)正確的檢查點，節(jié)省故障位置的時間并進(jìn)行傳輸，可以提高線路巡檢工作效率。

6.1.3 導(dǎo)航功能

檢查人員可以使用輸變電前端檢查系統(tǒng)進(jìn)行定位和導(dǎo)航。導(dǎo)航功能可以幫助員工快速到達(dá)工作場所，并可以幫助無人機(jī)制定最佳的檢查路線。無人機(jī)的巡邏路線被記錄并存儲在數(shù)據(jù)庫中，通過比較在后臺檢查路線的更改，并及時更新數(shù)據(jù)。

6.1.4 數(shù)據(jù)收集功能

前端檢查系統(tǒng)使用各種傳感器來協(xié)同工作以收集坐標(biāo)和圖像數(shù)據(jù)。傳輸線檢查器使用便攜式終端來設(shè)置需要數(shù)據(jù)收集的線的位置，獲取各種數(shù)據(jù)（例如目標(biāo)檢查點的坐標(biāo)），然后創(chuàng)建圖像或數(shù)字模型，并將其傳輸?shù)椒?wù)器進(jìn)行處理，在目的地點執(zhí)行傳輸和轉(zhuǎn)換線路條件的特定分析[4]。

6.2 可見光遙感

可見光遙感巡檢是使用圖像穩(wěn)定設(shè)備，照相機(jī)和其他可見光收集設(shè)備來檢查用肉眼可以看到的電氣設(shè)備的特性變化，設(shè)備要求簡單，故障檢測范圍較寬，廣泛用于無人機(jī)線路檢查。由于無人機(jī)性能特征的差異，在執(zhí)行可見光遙感時，旋轉(zhuǎn)翼無人機(jī)和固定翼無人機(jī)的工作模式和焦點存在明顯差異。旋翼無人機(jī)通常用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手動檢查方法。飛行員在檢查地點附近起飛，并使用機(jī)載可見光圖像采集設(shè)備進(jìn)行檢查。監(jiān)視的主要目標(biāo)是架空線，包括地線、絕緣子和配件，以及操作點附近的線路通道中的異常情況和隱藏的缺陷。固定翼無人機(jī)通常從固定的機(jī)場或臨時起飛點起飛，沿著架空線或既定路線飛行，并不斷拍攝這些線路的照片并將其連接起來，以形成全景視圖或視頻記錄。監(jiān)視的主要目標(biāo)是線路通道和周圍區(qū)域，沿線路的跨越環(huán)境以及其他宏觀條件，監(jiān)測了明顯的設(shè)備故障，例如桿塔倒伏和斷開連接。

6.3 電力巡檢安全監(jiān)督

智能電力檢查安全隱患監(jiān)控是通過3 步分析和評估來監(jiān)督每個運維檢查工作的過程，以確保運維工作的完成，并防止運維檢查過程中的隱患。首先，在執(zhí)行每個運維任務(wù)之前，將維護(hù)事件、時間和環(huán)境因素、運維人員與分析相關(guān)聯(lián)，以評估運維風(fēng)險和評估相應(yīng)監(jiān)控的當(dāng)前水平。根據(jù)風(fēng)險評估的結(jié)果進(jìn)行維護(hù)管理工作。其次，在運維工作的實施過程中，采用北斗定位技術(shù)和面部識別技術(shù)對運維人員的心理狀態(tài)、運維檢查軌跡、耗時等指標(biāo)進(jìn)行實時監(jiān)控，避免了檢查過程中不必要的錯誤，導(dǎo)致檢查失敗并帶來安全隱患。最后，結(jié)合運維前后的監(jiān)控情況，對運維工作進(jìn)行全面評估，根據(jù)評估結(jié)果評估維護(hù)人員的工作，并使用總體評估和人員評估結(jié)果作為監(jiān)督的重要指標(biāo)[5]。

6.4 設(shè)備缺陷管理

在現(xiàn)場檢查過程中收集的設(shè)備缺陷數(shù)據(jù)通過智能手機(jī)傳輸?shù)较到y(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫?，F(xiàn)場記錄包括缺陷記錄、維護(hù)記錄、設(shè)備帳戶、缺陷通知、設(shè)備文件、線路圖、技術(shù)問題和解答等。檢驗管理人員可以分析和查詢生產(chǎn)線上的特定條件，以對生產(chǎn)線的維護(hù)缺陷計劃進(jìn)行分類和確定。通過查詢查找生產(chǎn)線中的缺陷，計算生產(chǎn)線缺陷報告，對查詢的缺陷記錄進(jìn)行分類、管理和清除，發(fā)布清除任務(wù)、匯總和打印。智能手機(jī)由檢查員攜帶，對檢查員的管理也就是對智能手機(jī)的管理。通過實時讀取智能手機(jī)的GPS 數(shù)據(jù)，檢查速度是否到位，并自動生成巡邏軌跡圖，以監(jiān)控巡邏人員的位置和工作狀態(tài)，并可以隨時在現(xiàn)場了解錯誤信息，為現(xiàn)場人員提供遠(yuǎn)程技術(shù)支持。巡檢管理人員可以通過智能手機(jī)實時跟蹤在現(xiàn)場巡邏的人員，并根據(jù)巡邏人員發(fā)送的現(xiàn)場消息發(fā)送調(diào)度指令，協(xié)調(diào)檢查任務(wù)。

6.5 巡檢任務(wù)管理

檢查管理人員根據(jù)檢查工作的規(guī)定和實際情況，制定不同類型的檢查工作，以滿足各種輸電線路的檢查需要。用于此檢查的智能手機(jī)編號、線路號、檢查要求、檢查類型和強(qiáng)制檢查點，并且線路檢查可以使用多個智能設(shè)備。可以檢查同一條線或多條線，避免了由于同一桿或平行安裝而導(dǎo)致線檢查不一致的情況，可以精確控制檢查員的檢查路徑，提高檢查工作質(zhì)量。設(shè)置掃描作業(yè)后，檢查管理員將作業(yè)設(shè)置為已釋放狀態(tài)，檢查人員登錄系統(tǒng)以確認(rèn)檢查作業(yè)通過身份驗證并需要完成。巡邏作業(yè)信息包括要巡邏的線路（由起點和終點標(biāo)記），所需的檢查點，工作的截止日期和完成時間，工作狀態(tài)以及要檢查的每個點的狀態(tài)。巡檢員可以通過USB 接口將巡檢作業(yè)下載到智能手機(jī)，然后啟動線路巡檢作業(yè)[5]。

6.6 在線監(jiān)測智能技術(shù)

由于現(xiàn)代工業(yè)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，整個社會的經(jīng)濟(jì)也在快速增長，為了實現(xiàn)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，各行業(yè)必須對過去的工業(yè)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，以實現(xiàn)自身的飛躍，不斷前進(jìn)，獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。這一理念推動了整個社會的快速發(fā)展，中國的電力系統(tǒng)管理也不例外?？紤]到中國電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分布，在檢查高壓輸出線路時，具有廣泛易受各種地形環(huán)境影響的特點。因此，在輸電線路巡檢中可以利用在線監(jiān)測技術(shù)及時監(jiān)測全線運行情況，保障中國電力系統(tǒng)安全。例如，某電力單位想通過該項技術(shù)對±500 kV 輸電線路整個電力線路的運行情況進(jìn)行監(jiān)控。這也是在線稽查技術(shù)首次運行到高壓電輸出線路的巡查工作中，通過最后的巡查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這項技術(shù)在安裝運行中，需要通過前端監(jiān)測分機(jī)和監(jiān)控后臺這2 方面的組成方可對整個線路進(jìn)行全面的檢查，該裝置主要利用太陽能電池從能量采集中獲取能量，并依靠GPRS+3G/4G 雙通道通信方式檢測全線信息，這樣可以保證整線檢測的穩(wěn)定性。

6.7 自主檢查技術(shù)

與手動控制的無人機(jī)相比，無人機(jī)巡檢技術(shù)可以實現(xiàn)無人機(jī)的自動飛行、自動定位和精準(zhǔn)拍攝功能，減少人員參與，進(jìn)一步提高巡檢質(zhì)量和效率?，F(xiàn)有的技術(shù)路徑主要有建模與定位技術(shù)以及示教航線學(xué)習(xí)2種。其中，建模與定位技術(shù)是通過三維點云軌跡規(guī)劃，實現(xiàn)無人機(jī)自主巡檢。而示教航線學(xué)習(xí)是由熟悉輸電線路的巡檢員控制無人機(jī)對輸電線路進(jìn)行巡檢。在巡檢過程中，無人機(jī)會記錄準(zhǔn)確的航點位置信息，并將其存儲在任務(wù)列表中。當(dāng)下一次執(zhí)行巡檢時，無人機(jī)將根據(jù)存儲的信息自動完成巡檢任務(wù)。點云采集可通過激光雷達(dá)掃描或斜射實現(xiàn)，激光雷達(dá)掃描技術(shù)具有精度高、全天候、數(shù)據(jù)處理速度快、采集方式多樣等優(yōu)點。通過激光雷達(dá)掃描獲取高精度激光點云，構(gòu)建三維地圖模型，提取關(guān)鍵特征空間參數(shù)?；谌S地圖模型的深度學(xué)習(xí)算法用于路線規(guī)劃，可以自動選擇正確的航點進(jìn)行復(fù)雜的檢查。根據(jù)規(guī)劃軌跡，無人機(jī)可根據(jù)RTK 定位技術(shù)實現(xiàn)自主巡檢。此外，基于人工智能路徑預(yù)測和人工智能目標(biāo)識別的輸電線路全自主飛行技術(shù)正在研究和應(yīng)用中。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)搭載板載AⅠ邊緣計算模塊和集成5G 模塊，實現(xiàn)前端AⅠ目標(biāo)識別跟蹤、高清圖視頻實時傳輸、遠(yuǎn)程控制等功能。應(yīng)用開發(fā)無人機(jī)自主巡檢技術(shù)，采用人工訓(xùn)練、點云規(guī)劃等方法逐步構(gòu)建自主巡檢路線庫，逐步推進(jìn)路線自動創(chuàng)建和調(diào)用、“一鍵操作”和標(biāo)準(zhǔn)化巡檢拍攝，結(jié)合前端智能識別模塊、5G、邊緣計算等技術(shù)，實現(xiàn)無人機(jī)自動規(guī)劃路線，有效提高無人機(jī)作業(yè)質(zhì)量和效率。

7 結(jié)語

當(dāng)前，對檢查數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理是無人機(jī)的一項緊迫任務(wù)，也是對無人機(jī)進(jìn)行完全自主檢查的關(guān)鍵技術(shù)，例如通過機(jī)器視覺輔助定位，機(jī)器視覺或激光雷達(dá)集成來獲取檢查圖像。近年來，隨著人工智能技術(shù)的興起，例如多傳感器無人機(jī)的定位和導(dǎo)航，機(jī)器視覺尤其是圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，在用于無人機(jī)的圖像數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域取得了具體的研究成果，并且已經(jīng)通過多次技術(shù)驗證，具有廣泛的應(yīng)用范圍。