固定翼无人机在输电线路通道巡检中的应用

贵州电网有限责任公司输电运行检修分公司 谢皓凌 谢春

1 现状概述

电力线路和设备是电力网络的重要组成部分，由于长期运行和自然暴露，不仅受到正常的机械负载和电气负载的影响，还经常受到各种外部因素的影响，如雷击和强风等。因此，为避免线路故障，保证电力系统的安全稳定，巡检工作的主要目标是快速发现并消除造成线路和设备中元器件老化、疲劳、氧化以及腐蚀的因素。

无人机技术可以在监控电力设备运行中发挥重要作用，从而减少人们电气作业的工作量[1]。借助无人机可以清楚地观察到关键部件是否损坏，确保输电线路安全，保证居民用电。除了常规巡检和专项巡检外，无人机还可以应用在电网灾后故障巡检。当灾害导致道路受阻，工作人员无法巡查时，无人机可以发挥替代作用，对输电线路进行巡查，准确定位铁塔和线路故障，视角更广，能够避免“盲区”。无人机巡检提高了电力检修的速度和效率，使许多工作能够在完全带电的情况下迅速完成，比人工巡检效率高几十倍[2]。

近年来，固定翼无人机在输电线路巡检中得到广泛应用。与传统电力巡检无人机相比，固定翼无人机电力巡检解决方案具有以下优势。

一是传统输电线路通道巡检需人工现场就地巡视。如果遇到冰雪天气、洪水、地震、山体滑坡等自然灾害，将无法进行巡查。而固定翼无人机不仅可以应用于上述困难环境，还能够精准判断线路故障点及安全隐患[3]。据有关数据得出固定翼无人机在输电线路通道巡检中的应用比人工巡线效率高出数十倍。

二是一些险要地势或者区域宽阔的地形，人工是难以完成线路的巡检工作，而无人机可以利用空中优势对线路进行大规模、精细化的巡查，填补人工巡检的不足。

三是固定翼无人机具有巡航时间长、飞行平稳、飞行高度高等特点，可以用于输电线路的大规模快速巡检、线路通道走廊巡检、灾后电网的巡视等[4]。

2 固定翼无人机巡线系统

2.1 固定翼无人机巡视系统组成

本文研究的固定翼无人机电力巡线系统主要由五部分组成。

一是该方案的无人机系统组成包括无人机动力系统、无人机定位系统、机载任务系统、飞行控制系统、空中通信设备，其中机载任务系统主要包括图像信息采集模块、云平台及控制模块、空地通信模块、机载供电模块等。

二是全光谱红外、可见光至紫外光实时遥感系统。

三是微气象数据采集平台。记录输电线路的气象数据、可见光图像、红外图像、紫外图像、数字图像和输电线路的方位坐标。

四是陀螺稳定平台。

五是信息处理系统。信息处理系统主要由飞行控制系统、任务创建系统、信息传输系统、数据采集系统、数据分析系统和数据库组成。

2.2 固定翼无人机巡线路通道的主要性能要求

2.2.1 飞控距离

当前，很多高压输电线路基建于一些偏远山区或一些地势险要的地方，为此要求无人机的操控距离能够超过10km，这样有利于对山区输电线路进行大面积的巡检工作。此外，在远程控制中，中控系统能够通过数据链实现无人机的遥控，并发送拍摄信息、天气情况和相关设备视频信息[5]。

2.2.2 起飞和降落

起降时，无论风速超过设计值（10～15m/s），风向角度超过30°，温度在-35～+55°C范围内均能够起飞。固定翼无人机起飞采用弹射方式，降落采用伞回收方式，可以适应于任何环境，同时便于人工操作。

2.2.3 飞行高度

一般飞行高度超出输电线路100m左右。

2.2.4 飞行导航

根据载入的输电线路及区域情况，无人机搭载GPS 自主线路导航控制功能，确保所巡视的每条线路的时间控制在设计的时间内（一般为1h）。

2.2.5 机体飞行控制

固定翼无人机在飞行过程中较为平稳，为此会配备一些较为先进安防摄像头和光学器件，同时配备彩色摄像机、红外热像仪、紫外成像仪等自控摄像设备，这样可以方便地拍摄地面线塔的高分辨率航拍照片。

2.2.6 自动驱动系统

一般情况下，固定翼无人机飞行模式选择自动巡航模式。同时地面基站能够实时接收到空中飞行无人机相关信息并下达飞控，这样可以实时掌握无人机飞行情况并控制无人机。

2.2.7 铁塔成像技术的自动跟踪和快速对焦

基于铁塔的自动跟踪识别设备和高速拍摄技术，可以对地面、线路、绝缘体、金具、树障等进行高能见度和红外成像。

2.3 固定翼无人机巡视对象及内容

固定翼无人机对输电线路通道及线路本体巡视对象如表1所示。

表1 固定翼无人机对输电线路通道及线路本体巡检对象

3 应用案例

本文选用斜摄法对某电网输电公司管辖的500kV 交流输电线路通道进行巡检，进行三维重建，其中所选取的线路总通道宽为800m。

3.1 设备的选择

无人机是固定翼垂直起降无人机，Ap101 自动驾驶仪选中型电动固定翼飞机专用飞控，摄像相机是36.4 兆像素的可见光相机，该系统选择厘米级定位精度PPK后处理差分系统。

3.2 工作流程图

其主要工作流程如图1所示。

图1 工作流程图

3.3 内业处理流程

文中选择采用的树障安全隐患分析软件为例，对某地区线路通道保护区内的树障隐患、交通安全距离进行分析，并从中依据不同线路等级的安全距离规范区分不同的缺陷类别及等级，并准确识别缺陷的位置，一键自动生成树障缺陷报告。

一是基于图像密集点云匹配和立体映射测图技术，对输电线路通道导线弧垂建模、树障安全距离分析、交叉跨越距离测量，图像密集点云匹配和立体测图如图2所示。

图2 图像密集点云匹配和立体测图

二是支持多旋翼、固定翼及线上机器人等采集的多样化数据。

三是融合温度工况模拟功能（不同温度下电力的浮垂差可能会达到1m以上）。

四是兼容激光点云与可见光点云，可以实现三维激光点云呈现。

根据航拍数据的空间信息，系统自动请求配对关联相关区域。同时利用人眼双筒望远镜的原理，在两侧照片中选择导线上同名的点进行智能匹配，得到三种以上不同位置的空间信息，通过内置悬链线公式自动拟合生成导线拟合如图3所示，或直接从比较完整的电缆中选取原始点云快速生成电力线。

图3 导线拟合

系统可快速开展点云分类，结合导线安全距离标准缺陷参数，自动以不同颜色标识不同的缺陷等级的地物点云，并开展自动计算，生成缺陷列表。

3.4 应用成果

经过20多天的飞行和内外业的合作，比计划提前10d 完成任务，成果达到甲方要求。任务期间飞行里程合计678km，完成17条线路通道三维建模工作，为输电线路安全运行提供有力的数据支持。

4 结语

相比旋翼无人机，固定翼无人机作业可以显著提高电力维护和维修的速度和效率，使许多任务能够在不需要停电的环境下快速完成，可以解决险要地势的巡检作业的需求。固定翼无人机在输电线路通道巡检中的应用表明，固定翼无人机巡线具有可靠、安全、快速、有效、高效等优势，值得同行业用于输电线线路通道巡检工作。