無人機在電網(wǎng)領(lǐng)域中的主要應用場景及關(guān)鍵技術(shù)研究綜述

摘" 要：無人機（UAV）技術(shù)的快速發(fā)展和市場擴大，已推動其在電網(wǎng)領(lǐng)域的應用從傳統(tǒng)的巡檢擴展至測繪、檢修等多個方面，促進關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新。該文采用CiteSpace知識圖譜和文獻綜述法，深入分析2014—2024年發(fā)表的470篇以“無人機”和“電網(wǎng)”為關(guān)鍵詞的中文文獻，明確無人機在電網(wǎng)領(lǐng)域的三大主要應用場景及其關(guān)鍵技術(shù)。研究不僅在理論上拓寬對無人機應用的認識，跳出以往局限于巡檢的綜述范疇，而且在實踐上為電網(wǎng)領(lǐng)域無人機技術(shù)的未來發(fā)展提供指導。

關(guān)鍵詞：無人機；電網(wǎng)領(lǐng)域；電力巡檢；關(guān)鍵技術(shù)；知識圖譜

中圖分類號：TM75" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）09-0094-06

Abstract： The rapid development and market expansion of unmanned aerial vehicle（UAV） technology have promoted its application in the power grid field to expand from traditional inspection to surveying， mapping， maintenance and other aspects， promoting the innovation of key technologies. This paper uses the CiteSpace knowledge map and literature review method to conduct an in-depth analysis of 470 Chinese documents from 2014 to 2024 with the keywords of \"UAV\" and \"power grid\"， and clarifies the three main application scenarios and key technologies of unmanned air vehicles in the power grid field. The research not only theoretically broadens the understanding of UAV applications and breaks out of the previous review scope limited to inspections， but also provides guidance for the future development of UAV technology in the power grid field in practice.

Keywords： Unmanned Air Vehicle （UAV）; power grid field; power inspection; key technology; knowledge map

隨著科技的不斷進步，無人機技術(shù)在電網(wǎng)領(lǐng)域的應用日益廣泛，其應用場景已從傳統(tǒng)的巡檢領(lǐng)域[1]擴展至測繪[2]、檢修、應急響應及災害救援[3]等多個方面。無人機技術(shù)在電網(wǎng)領(lǐng)域的廣泛應用得益于其機型的多樣性[4]和機載設(shè)備的先進性：無人直升機、多旋翼無人機和固定翼無人機，根據(jù)其性能特點，分別在電網(wǎng)運維的不同方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[5]。盡管無人機技術(shù)在電網(wǎng)運維領(lǐng)域取得了顯著成就，有效提升了電網(wǎng)的安全性與可靠性，現(xiàn)有文獻綜述卻多聚焦于輸電線路巡檢技術(shù)的發(fā)展[6]，對于無人機在其他電網(wǎng)應用場景的深入探討則顯得不足。鑒于此，本文旨在綜合評述無人機在電網(wǎng)領(lǐng)域的多樣化應用場景，并深入討論各個場景中的關(guān)鍵技術(shù)。

為了全面了解無人機技術(shù)在電網(wǎng)領(lǐng)域的應用和發(fā)展，本文采用了Citespace知識圖譜軟件進行可視化分析，以期對研究現(xiàn)狀進行宏觀把握。通過文獻研究法，本文對2014年至2024年間的相關(guān)文獻進行了檢索、整理和分析。本文首先在中國知網(wǎng)進行高級檢索，以“無人機”和“電網(wǎng)”為關(guān)鍵詞，共篩選出470篇文獻，并利用CiteSpace進行節(jié)點類型和文獻精簡方法的設(shè)置，生成了關(guān)鍵詞聚類圖、關(guān)鍵詞突現(xiàn)圖、機構(gòu)共線圖和年份發(fā)表量圖，以期揭示無人機在電網(wǎng)領(lǐng)域的主要應用場景。隨后，本文進一步通過中國知網(wǎng)和Web of Science 2個文獻平臺，對“無人機”與“電力巡檢”“輸電線路勘測”“電路檢修”等關(guān)鍵詞組合進行深入研究，以探索無人機技術(shù)的發(fā)展歷程及其關(guān)鍵技術(shù)點。

1" 文獻發(fā)表情況分析

圖1清晰地描繪了2014—2023年無人機在電網(wǎng)應用領(lǐng)域的研究文獻發(fā)表量及其增長軌跡。這10年的學術(shù)文獻增長揭示了該研究領(lǐng)域的持續(xù)升溫。分析可劃分為3個主要階段：2014—2017年的初期發(fā)展期，年均發(fā)表量約20篇，標志著領(lǐng)域的興起；2017—2020年的快速增長期，年發(fā)表量激增并在2020年達到65篇的峰值，突顯了學者們對無人機技術(shù)在電網(wǎng)應用中的研究熱情；2020—2023年的穩(wěn)定發(fā)展期，年均發(fā)表量保持在60篇左右，顯示研究已步入成熟階段。

深入分析基于中國知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)庫的檢索結(jié)果，表1 展示了發(fā)文量排名前10的機構(gòu)。機構(gòu)類型顯示高校和電網(wǎng)公司在該領(lǐng)域的研究貢獻旗鼓相當，各有5家機構(gòu)位列榜單。華北電力大學（北京）以6篇文獻發(fā)表量領(lǐng)先，緊隨其后的是華北電力大學和華南理工大學，均有5篇文獻發(fā)表。高校累計發(fā)表22篇，電網(wǎng)公司發(fā)表18篇，反映了學術(shù)界與工業(yè)界在該領(lǐng)域的平衡參與。特別地，所有電網(wǎng)公司的研究機構(gòu)均位于南方地區(qū)，這可能關(guān)聯(lián)到該地區(qū)電網(wǎng)建設(shè)的快速進展和對技術(shù)創(chuàng)新的重視。

2" 無人機在電網(wǎng)領(lǐng)域的應用場景

2.1" 應用場景概述

圖2通過CiteSpace生成的關(guān)鍵詞聚類圖揭示了無人機在電網(wǎng)領(lǐng)域研究的細分子領(lǐng)域及其關(guān)注度。圖中關(guān)鍵詞前的數(shù)字越小，表明該研究子領(lǐng)域的關(guān)注度越高。在圖2中，#2電力巡檢、#4輸電線路勘測、#6電路檢修3個關(guān)鍵詞分別代表了無人機技術(shù)在電網(wǎng)領(lǐng)域的3種主要應用場景。其中，電力巡檢作為關(guān)注度最高的研究子領(lǐng)域，反映了其在電網(wǎng)安全運營中的核心作用。輸電線路勘測的關(guān)注度緊隨其后，顯示出電網(wǎng)建設(shè)與維護對精確勘測技術(shù)的迫切需求。電路檢修的關(guān)注度相對較低，可能與其技術(shù)實施的復雜性或研究資源的分配不均有關(guān)。

2.2" 電力巡檢

電力巡檢，又稱“電網(wǎng)巡檢”“電力巡線”，根據(jù)圖2關(guān)鍵詞聚類圖及分析可以得出，電力巡檢相比其他2種應用場景（輸電線路勘測、電路檢修）而言，研究關(guān)注度更高。自21世紀10年代起，無人機電力巡檢作為處理電力線路日常維護和應急處置的高效手段，已逐步取代傳統(tǒng)的巡檢方式而被廣泛應用[7]。無人機電網(wǎng)巡檢相比傳統(tǒng)人工巡檢，具有設(shè)備簡單、成本低廉、激動靈活和安全高效等多項優(yōu)點。

國內(nèi)研究顯示（圖3），2014—2018年間，無人機電力巡檢技術(shù)框架初步形成，涵蓋圖像采集和預處理[8]、飛行姿態(tài)控制[9]、多傳感器高精度時間同步[10]、地面數(shù)據(jù)處理[9]、無人機自主定位[11]、巡檢路徑規(guī)劃[12]、安全距離診斷與自主避障系統(tǒng)等多個系統(tǒng)[13]。2019年后，研究進入快速發(fā)展期，文獻數(shù)量激增，尤其在2021年達到高峰。研究深入細化。例如，針對無人機電力巡檢在復雜地區(qū)或無公網(wǎng)地區(qū)無法高精度定位服務(wù)的問題，白天陽等[14]提出基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的精密單點定位-實時動態(tài)定位（PPP-RTK）技術(shù)；針對人工路徑規(guī)劃效果差、巡航效率低的問題，常安等[1]提出無人機電力巡檢航線智能規(guī)劃及自主巡檢研究方法；各類深度學習算法、博弈論廣泛應用于無人機電力巡檢卸載策略[10，15]；值得注意的是，近年來隨著人工智能大模型的爆發(fā)，其與無人機電力巡檢結(jié)合的相關(guān)研究也逐漸興起，結(jié)合路徑為人工智能大模型作用于圖像采集和預處理，從技術(shù)層面助力無人機電網(wǎng)巡檢[16]。

2.3" 輸電線路勘測

輸電線路勘測是電力設(shè)備架設(shè)前的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，涵蓋地形、水文、氣象等環(huán)境因素的詳細調(diào)查[17]。無人機技術(shù)在此領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，特別是在地形勘測方面，相較于傳統(tǒng)人工測量，無人機勘測以高效率和精確度著稱。這一技術(shù)進步同時對無人機和測繪科學技術(shù)提出了更高的標準。中南電力設(shè)計院自2009年3月起，便開始利用無人機低空攝影測量技術(shù)進行大比例尺地圖制作實驗。2010年，該院進一步開展了“無人機低空攝影測量在電力工程中的應用研究”項目，深入研究了無人機低空攝影測量的工作流程和測量精度[18]。這些研究不僅推動了無人機技術(shù)在電力工程勘測中的應用，也為提升勘測質(zhì)量和效率奠定了基礎(chǔ)。

2.4nbsp; 電路檢修

電路檢修是指在電路出現(xiàn)故障或為預防故障出現(xiàn)時，而進行的檢查和維修工作。目前無人機主要在2種電網(wǎng)場景中發(fā)揮檢修作用，分別是輸電線路除冰和接觸網(wǎng)停電檢修。在輸電線路除冰方面，通用辦法是無人機搭載激光設(shè)備或噴火設(shè)備，激光器發(fā)射的激光通過穿透冰塊來除冰，噴火設(shè)備則通過加熱冰塊來除冰，這2種除冰裝置都是由無人機、任務(wù)設(shè)備、地面控制模塊和綜合保障模塊組成[19]。值得關(guān)注的是，大多數(shù)除冰作業(yè)發(fā)生在低溫嚴寒地區(qū)，而無人機在低溫嚴寒條件下的續(xù)航能力會受到影響，因此，關(guān)于除冰的相關(guān)技術(shù)研究應同時注意無人機電池續(xù)航問題[20]。在接觸網(wǎng)停電檢修方面，無人機可代替人工完成掛接地線操作，提升作業(yè)質(zhì)量，節(jié)省作業(yè)時間；然而，無論是接觸網(wǎng)停電檢修還是其他項目停電檢修，暫停供電會對生產(chǎn)生活造成不良影響，所以未來應當加強對不停電檢修技術(shù)的研究[21]。

3" 無人機在電網(wǎng)領(lǐng)域應用的關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1" 關(guān)鍵技術(shù)概述

圖4通過CiteSpace軟件分析呈現(xiàn)了2014—2024年電網(wǎng)領(lǐng)域無人機應用研究的關(guān)鍵詞突現(xiàn)，反映了關(guān)鍵詞的引用頻次變化。2014—2020年間，研究集中于“電力巡線”“遠程監(jiān)控”和“地形測繪”，顯示出對無人機應用場景的探索。這一時期，圖像技術(shù)如“圖像處理”“圖像分類”雖受關(guān)注，但其他技術(shù)研究尚不突出。自2021年起，“圖像分析”“圖像識別”持續(xù)成為研究焦點，同時“路徑規(guī)劃”“深度學習”的引用頻次增加，凸顯這些技術(shù)問題的研究重要性。結(jié)合第三部分的應用場景描述，傳感器、激光雷達、電池續(xù)航等技術(shù)也是電網(wǎng)領(lǐng)域無人機應用的研究重點。綜合分析，圖像采集與處理、路徑規(guī)劃與避障、電池續(xù)航技術(shù)是無人機在電網(wǎng)領(lǐng)域深入應用的三大核心研究領(lǐng)域。

3.2" 圖像采集與處理技術(shù)

無人機技術(shù)在電網(wǎng)領(lǐng)域的應用已成為提升運維效率和保障電網(wǎng)安全的重要工具。通過搭載高清攝像頭和紅外熱像儀等設(shè)備，無人機能夠高效采集輸電線路和變電站等關(guān)鍵設(shè)施的高分辨率圖像，有效解決了傳統(tǒng)人工巡檢的局限，并提高了巡檢的安全性與效率。圖像處理技術(shù)，包括計算機視覺、機器學習及大數(shù)據(jù)分析，進一步優(yōu)化了圖像質(zhì)量，實現(xiàn)了對電網(wǎng)設(shè)施的智能分析與預警。針對無人機圖像采集在惡劣天氣下的影響，李海龍等[22]提出了一種基于無人機的圖像采集方法，通過調(diào)整航拍參數(shù)以獲得最佳效果。王坤等[23]則通過現(xiàn)場可編程門陣列加密模塊和嵌入式安全芯片，實現(xiàn)了航拍圖像的實時在線加解密，有效預防了數(shù)據(jù)丟失和無人機被攻擊的風險。深度學習技術(shù)的應用，使得無人機定期巡檢收集的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)對故障預測的準確性有顯著提升。集成信息平臺的建立，整合了無人機數(shù)據(jù)與其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)，促進了信息流通和決策優(yōu)化。劉傳洋等[16]的研究綜述了近10年無人機航拍圖像中電力線檢測方法的進展，特別強調(diào)了基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的語義分割方法在智能識別與分析電力線目標中的關(guān)鍵作用，并指出了當前研究的挑戰(zhàn)與未來方向。這些研究不僅提高了電網(wǎng)運維的智能化水平，也為電網(wǎng)安全管理提供了強有力的技術(shù)支持。

3.3" 路徑規(guī)劃與避障技術(shù)

在電網(wǎng)巡檢領(lǐng)域，無人機技術(shù)的應用正不斷優(yōu)化路徑規(guī)劃與避障策略。王峰等[17]針對輸電線路無（弱）信號區(qū)域的實時數(shù)據(jù)傳輸問題，提出了一種結(jié)合5G和北斗衛(wèi)星通信的智能車載移動作業(yè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過雙通信方式實現(xiàn)1+1容災備份，顯著提升了無人機巡檢作業(yè)車的通信可靠性與安全性。袁林峰[24]則專注于避障技術(shù)，提出了一種基于正交激光雷達的自主避障系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效檢測垂直和水平方向的障礙物，并提出了適用于電力巡檢的垂直避障策略。實驗驗證了該避障策略和控制算法的有效性，證明了無人機在電力巡檢中的自主避障能力。楊磊等[25]進一步研究了多旋翼無人機在輸電線路巡檢中的傳感器融合與障礙物信息處理。他們通過搭載毫米波雷達、雙目視覺傳感器和差分GPS，采用多傳感器融合方法進行障礙物檢測，并利用虛擬力場法進行航跡重規(guī)劃。實際飛行測試結(jié)果表明，該方法在桿塔避障方面表現(xiàn)出色。這些研究成果不僅提高了無人機在電網(wǎng)巡檢中的作業(yè)效率，也增強了其在復雜環(huán)境下的適應性和安全性，為電網(wǎng)的智能化運維提供了有力的技術(shù)支持。

3.4" 電池續(xù)航技術(shù)

無人機續(xù)航能力的提升對于執(zhí)行長時間和遠距離任務(wù)至關(guān)重要。隨著電池技術(shù)的不斷進步，尤其是鋰聚合物電池和氫燃料電池的應用，無人機續(xù)航時間已顯著延長。唐霜華[26]構(gòu)建了以氫燃料電池為動力源的多旋翼無人機動力系統(tǒng)數(shù)學模型，分析了續(xù)航的關(guān)鍵因素，并通過實際案例驗證了模型的有效性。熊典等[27]針對輸電線路無人機巡檢中續(xù)航時間難以精確控制的問題，提出了一種考慮溫度補償系數(shù)和加權(quán)系數(shù)的鋰電池荷電狀態(tài)計算方法，并結(jié)合無人機實時狀態(tài)，提供了剩余續(xù)航時間的預測方法和計算模型，有效提高了巡檢的安全性和效率。鄭玉浩等[28]針對地面輸電夜間探照燈存在的問題，提出了一種利用高空虛擬電池技術(shù)、交直流變流原理和高亮COB照明技術(shù)的長續(xù)航無人機照明裝置。該裝置從高空為輸電檢修提供照明，解決了夜間搶修作業(yè)的安全風險，并實現(xiàn)了長續(xù)航高空照明效果。這些研究不僅提高了無人機在電網(wǎng)巡檢中的續(xù)航能力，也為夜間作業(yè)提供了創(chuàng)新的照明解決方案，進一步優(yōu)化了電網(wǎng)運維的智能化和安全性。

4" 總結(jié)與展望

無人機技術(shù)正在引領(lǐng)電網(wǎng)巡檢、勘察與維修的革命性進步，其三大技術(shù)支柱——圖像采集與處理、路徑規(guī)劃與避障、電池續(xù)航為電網(wǎng)環(huán)境提供了卓越性能。本文通過可視化分析與文獻研究，明確了無人機在電力巡檢、輸電線路勘測和電路檢修的關(guān)鍵應用場景。電力巡檢尤為重要，而其他2項雖關(guān)注度低卻同樣關(guān)鍵。圖像采集技術(shù)的提升，尤其是深度學習的應用，顯著增強了巡檢的效率與準確性。路徑規(guī)劃與避障技術(shù)的智能化確保了無人機的安全飛行。電池技術(shù)的發(fā)展為無人機續(xù)航提供了提升空間。隨著技術(shù)成熟與推廣，無人機在電網(wǎng)領(lǐng)域的應用將持續(xù)成為研究熱點，未來研究需進一步探索技術(shù)創(chuàng)新與系統(tǒng)集成，推動其深入應用與發(fā)展。

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