陈柳宁 庄严 薛宇 张汶卓 马建波 向峰
国网南阳供电公司
摘要：现阶段我国输电线路巡检主要依靠人工巡检为主，一方面随着输电线路大规模增加（预计2020年我国电力线路总里程将超过200万公里），运维的工作量和强度增大，且巡线效率低下；另一方面人工巡检存在较大风险，尤其是在山地、悬崖等地形下，在冰冻、雨雪等恶劣天气下，危险事故时有发生。而采用融合了机器视觉、航空领域及通信技术等先进技术的无人机进行输电线路巡检，具有灵活高效、不需要人力进行爬塔检测、运营成本低等优势，已经成为目前我国输电线路巡检的新方向，故本文将对此展开探讨。
关键词：输电线路；巡检；无人机
用无人机代替人工实施输电线路巡检能大大克服地形和天气的限制，切实提高巡检效率，但现阶段对输电线路各部分运行情况的判断上，还主要是工作人员 通过肉眼对图像资源进行判别得到，因此期望能自动对输电线路中各部件的运行状况进行判断，并将故障信息传回到云端，为后续的故障实时诊断奠定坚实基础。
1. 无人机在输电线路巡检作业中的应用现状
伴随着当前日益增加的输电线路，且部分电网线路所处天气环境恶劣、地形情况复杂，输电线路和塔架长时间暴晒或者风霜侵蚀，造成了断线、腐蚀、绝缘子损坏、塔基倾斜等不良现象，如果不加以维修或者更换往往会导致严重用电事故，并将会逐步威胁到电力系统的正常供电以及安全。现阶段输电线路的检查和维护主要依赖人工方式进行检查，采用直升机进行补充，但是这些方法的局限性很大，长期进行人工检查，人工成本上升是人工检查中必须面对的主要问题，并且望远镜的使用受到角度、天气遮挡等条件的限制；对于直升机检查，检查的技术限制条件较高，需要安排专门的飞行员和巡检人员，由于空中管制审批程序繁琐而时间成本很高，飞行过程费用也很高，很难在输电线路巡检上广泛使用。因此，技术创新在输电线路巡检作业中起着重要作用，也势在必行。
在此背景下，无人机在输电线路巡检作业中的应用项目日益增多，如无人机搭载可见光设备对线路各部位进行全方位拍照和摄像、搭载红外检测设备对线路发热点进行检测、搭载紫外检测设备进行异常放电检测、搭载喷火设备对线路上的异物进行清除、搭载灭火弹来远距离实施火灾扑灭作业等。
现阶段无人机在输电线路巡检作业中的应用还存在一些问题，具体体现在：仅依靠巡检人员参考现有输电线路人工巡检管理方式结合无人机巡检特点来实施巡检管理，存在诸多不合理之处；依靠无人机操控手手动操控无人机，将无人机飞行至设备拍摄位置后，悬停稳定无人机，再操控无人机云台和数据采集设备对设备进行数据采集，作业流程自动化程度较低；巡检结果与巡检操控手的操控状态和不同巡检操控人员的技能水平直接相关，巡检结果数据的有效性和稳定性无法得到保障；无人机巡检飞行完毕后，巡检人员将存储于无人机数据存储卡中的数据导入到电脑端，再根据输电线路缺陷隐患评判标准来对数据进行逐项对照判定，缺陷评定所需处理的数据量极大、缺陷判定极为耗时。
2. 基于无人机的输电线路巡检信息系统的设计
2.1 系统的总体架构
基于无人机的输电线路巡检信息系统主要由三大部分组成，分别为无人机携带的摄像设备、无线通信链路、地面的巡检系统平台。无人机携带摄像设备主要负责将飞行范围内的图像采集记录下来并由存储，同时将图像交给图传模块，图传模块会将采集到的图像信息继续传递给无线模块，无线模块会通过无线电波将信息发送出去，经过无线网络的传输，地面的无线接收模块会接收图像，地面的巡检系统平台会开始工作，通过集成的图像处理技术，系统完成输电
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2.2 系统的详细设计
无人机搭载的设备包括GPS模块、图传、三轴云台、IOSD、高清数码相机、飞巡控制模块接收器以及各类传感器，还可以根据巡视的要求更换或加载更多的巡视设备，此模块在系统中主要负责原始图像的采集工作。
具体而言：GPS模块主要提供无人机的位置信息，地面站的指令与GPS模块配合可以使无人机能够按照预定路线飞行并安全返航；测距传感器主要用于确定无人机与输电线的相对距离，使其保持一定的距离飞行，保证拍摄图像的清晰度；摄像设备是系统的重要前端装置，摄像机的拍摄效果直接关系到终端软件图像处理分析算法的难易和计算结果的准确率，因此摄像机的选取对于系统至关重要；SD卡作为存储设备，主要对采集的图像进行存储，采集到图像后一方面会通过传输模块对图像进行一定程度的压缩来进行图像回传，SD卡的存储则作为备份方便后期进行处理查看；图传主要负责将无人机搭载的摄像设各采集到的实时图像，并通过5.8GHz无载波线通信技术传回到地面的处理中心；地面的图像处理模块主要负责在接收到回传的图像后，利用图像处理技术对图像进行处理并检测输出所拍图像是否存在问题，并向监控中心进行及时反馈，从而实现对输电线路的故障判断；地面站是控制无人机飞行的重要组成部分，无人机的启动、飞行路线、返航都是通过地面站来获取指令，根据不同天气、地形等工作人员需通过地面站将相关信息输入至地面站，然后发送给无人机，并且地面站在无人机遇到紧急情况时，可以直接对无人机的飞行姿态、飞行路线进行控制；飞行控制模块主要是对无人机的状态控制，该模块受地面站的控制，在接收到地面站的指令后，立刻对无人机的状态按指令要求进行调整，同时无人机的其他传感器会对无人机的状态及参数进行实时监控，并回馈给飞控，从而保证无人机的安全稳定飞行；云台可以进行水平、俯仰、滚转三个方向的180°转动，进行多视角调整；IOSD读取主控里面的各种传感器信息并和视频叠加，通过图传回传地面监视器，供操控手判断飞行器当前的方向和速度，实现辅助导航。
2.3 无人机的选型
在输电选了巡检作业中，需要选用稳定、易于悬停的无人机，因此综合分析对比多类无人机和多种型号的无人机，系统选用大疆的M600Pro六旋翼无人机，内置大疆A3 pro飞行控制器模型，其中有三套INIU和GNSS导航模块，通过软件分析实现6路冗余导航，实现定位的备份。内置GPS、陀螺仪、速度表、气压计、磁罗盘等传感器，集成自稳定模式，悬停模式，自动路线模式等多种飞行模式。悬浮精度在垂直O.Sma的水平方向上为1.5米，可以承受每秒八米的最大风速。高精度D.RTK的GNSS(格洛纳斯导航定位系统)的应用，能够进一步提升飞行精度，能够对抗电磁干扰，并实现高精度定位。
2.4多传感器数据采集装置的设计
多传感器数据采集装置，用于采集空中数据，包括光学相机、红外图像设备，紫外图像设备、激光雷达设备等，以及根据空中不同功能和目的在数据采集系统上的数据。其中光学图像设备，主要是通过数据总线进行数据采集，观察输电线路上的系统缺失、附件和其它常见设备的故障、引脚腐蚀等安全危险的缺陷现象；红外加热主要用于获取均衡的电源状态图，采集热图像，主面向设备是传输线绝缘体、电力电缆、金等环形线；紫外图像设备主要用于收集紫外线成像信息，用于传输线缆的紫外成像；激光雷达主要是生成点云数据，对环境特征进行获取，电力线路周边环境，地面障碍和电力线通道走廊信息，还包括传输线、配件等设备，都可以生成点云数据，然后基于输电线路通道走廊的三维模型可以检测异常放电，通过数据分析和软件模拟获得电力线下垂状态，完成电线距离建筑的安全距离的监控和计算，其自带的云台能够结合相机或者激光雷达，完成飞机俯仰角的控制，同时能够提升飞机平台的稳定性，减小振动，提升飞机获取数据的质量。
3. 结语
随着我国电力基础设施建设规模剧增，电缆长度和电网覆盖广度的增长速度位居世界首位，但当前输电线路巡检工作主要依赖人工方式，线缆维护的工作量大、巡线周期长、效率低，并且在复杂的地形和恶劣环境中，人工难以进行巡线覆盖。而基于无人机开展输电线路的巡检具有操作灵活、巡线成本低、效率高、速度快等优势，当前在电网得到了一定认可，逐渐成为输电线路巡检的新方向。
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作者简介：
陈柳宁（1981.06.02-），男，本科，河南南阳人，工程师，研究方向为输电运检.