基于小型多旋翼无人机在输电线路精细化运维方面的应用

张锦鹏

陕西省地方电力（集团）有限公司宝鸡供电分公司 721000

摘　要

如今，我国社会经济日新月异飞速发展，电网也加快了建设和发展的步伐，目前，传统的输电线路检测已难以满足要求，根据当前线路运行维护现状和存在的问题，采用无人机代替人工巡视。经具体实践可知，与传统的巡视相比，无人机具有时间短、范围广、安全性高等显著特点，不但弥补了人工巡视的缺点和不足，同时也将巡视效率进行了有效的提升，最终也使运维人员的工作量获得了有效减少，其发展前景十分广阔。

关键词：无人机；人工巡检；精细化巡视

1 绪论

1.1选题背景及意义

最近一些年来，随着电网的不断发展，其安全性深受各界广泛重视，而在线路安全运行中，一项较为关键的工作就是线路运维，在不断发展的新形势下，传统的方式已经无法对业务需求进行满足，而在输电线路巡视方面，人工巡视点多且面积广阔，基本都在山林沟壑中，恶劣的地理环境一直是运维人员的一个难题，然而，在技术飞速发展的今天，在我们的视野中逐渐诞生了无人机，这样，我们便能够用无人机去替代传统的人工巡视，与传统的人工巡检相比，无人机具有效率高、强安全性且高机动性特点。

当前时期，在巡视输电线路缺陷时，普遍应用的还是人工为主，直升机为辅助的方式，然而这样两类方式都会受特定条件限制。人工巡视以及故障检查中，条件艰苦工作量大，山区、大跨越江河输电线路巡视中，或地震、滑坡等灾害发生后线路故障的检查，需要耗费大量的人力与时间，且十分困难。除此之外，有些巡检项目无法用常规方法去完成，例如，在日常检查中，塔下望远镜观察，因视角限制，底线、杆塔硬件缺陷很难发现。而一般会应用经缔仪检查测量线路下树桩的隐患、施工穿越处导线净空数，因线路走廊内成片树木等遮挡，难获得数据，即使得到了数据也缺乏精准性。高压线路持续运行中，超过50米的高塔巡视已经无法用传统红外仪、望远镜等观测方法 进行巡视。直升机巡线技术有很高的标准要求，且成本高，巡视率低、空管审批流程复杂，为此，需配备专业的机械师和巡检员，从而使得培训阶段就会投入大量的人力与财力。

而无人机有着轻便且小巧的特点，也不用考虑人的安全问题，运行费用低，能够多次在封闭院墙、水塘、崇山峻岭等巡视人员无法达到的地方进行巡视，利用搭载红外测温仪与高清摄像机，能够对输电线路设备的影像资料进行全方位的获取，切实达到了“无死角”的巡视输电线路，应用超声波测距模块的搭载，交叉跨越处导线净空距离可精准测量，方便巡检者参考，也可节约物力、人力。无人机在查找故障中，可迅速确定故障点，进而使下一步工作拥有更充足的时间。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内无人机巡检技术现状

无人机突出特点就是不载人，应用无线点设备与自备程序实施操控，可反复进行多次使用。在军事领域中多应用无人机，最近一些年在社会经济不断发展中，无人机也相继参与了搜救、监控与测绘等，如今，也被广泛的应用在民用上。在输电线路巡视工作中，广泛的应用着无人机，特别是我国部分超高压供电公司，如，山东电力、山西大同供电公司和北京电力公司等均应用了无人机大体人工参与高危以及环境恶劣下的输电线路巡视。在电力方面使用无人机能够使伤亡风险有效降低，并更好的节约成本。同时，无人机也有良好的机动性能，且方便实用，据估测5-10年内，，民用无人机将会得到更加飞速的发展。

1.2.2国外无人机巡检技术现状

美欧等国家在上个世纪中期，已经逐步研究用直升机对输电线路开展巡视作业，它已成为高压输电线路检查的典范，而俄罗斯也使用直升机巡视自己的超高压输电线路。直升机巡检尽管不考虑地形地貌，可高效、快速完成输电线路巡视任务，但飞行成本极高，加之直升机维修、驾驶员招募和培训的费用始终都非常昂贵，所以开发了一种低成本且巡检质量高无人机新模式。20世纪初，一些发达国家输电线路巡检就开始应用无人机，包括日常检查、现场维护。西班牙马德里理工大学对无人机巡检导航技术进行了研究，通过卫星、图像数据处理技术，完成无人机检测系统巡检。日本电力公司、千叶大学研究了具备三维图像监测技术和故障自检技术的输电线路无人机巡检系统。

1.3论文的主要工作内容

人工巡视：

1.城郊、平原地区主网线路通道内极易有违建和外破事件发生。

2.边远山区林木生长使输电线路安全受影响。

3.偏远山区、林区输电线路无法人工检查，也是影响输电线路安全的一个因素。

4.山区特殊地段的杆塔在雨季存在塔基滑坡的风险，由于山路泥泞湿滑，无法开展雨季特巡，不能实时掌握线路运行状况。

无人机巡视：

矿区、河流、山区等地区的输电线路巡视较为适用无人机巡线，通过对无人机具有的空检角度优势，能够从多个角度获取全面且完整的巡检数据与图像。

2 各类无人机的特点和在输电线路巡视中应用的优势

2.1各类巡线无人机特点

2.1.1固定翼无人机

固定翼无人机飞行快，可达100-200ｋｍ/h，在长距离、大范围、大面积的巡检中比较适用，有较长的持续巡航时间。巡线时，间隅拍照，速度快，且有较强的机动性，无需人为干预手动或全自动飞行。但此机无法悬停，可沿线路进行单方向巡检，一般情况下，它在直线正上方停留，并俯角拍摄。按照需要调整检查速度与高度，实现沿线低空慢检。此外，固定翼无人机负载大，可以搭载多种检测设备。

2.1.2电动多旋翼机

多旋翼无人机是用电力驱动的，且采用多个对称的正、反向旋翼产生动力，可相互抵消自选阻力，通过调整每个旋翼的转速，可以控制无人机前进、后退和转弯，其内部结构简单，有较大的自重，方便运输，且同输电线路及其环境相比，更安全、环保。

多旋翼型无人机操作系统简单易学，此无人机适合应用输电线路巡视。中心为主要部件集中处，电力系统被周围环绕，能折叠储存，5分钟内可运行。此无人机是由碳纤维或蜂窝结构等复合材料制作，有高强度、材料轻等特点，它还可以保护重要部件，能承受高频高强度的运行飞行。

图２-１四旋翼无人机 图２-２六旋翼无人机

2.1.3无人直升机

带尾桨的单旋翼直升机机体通过主旋翼旋转产生的动力驱动启动。尾旋用于调整飞行方向，抵消旋转力矩。单旋翼型无人机想实现长时间续航以及大的载重量，通常会应用汽油进行驱动，从而导致这类机械有较为复杂的结构，加之发动机功率大，也使得自重也恨到。此外，在运行中，无人机尾翼需同旋翼保持一定的安全距离，且约2米的主旋翼使得机体有很大的尺寸。机身前部集中了大部分部件，机身不可折叠收纳，任务载荷在下方挂载，外壳由塑料包裹。此无人机虽可长距离巡视，然而因其有十分复杂的结构，所以导致有很高的学习门槛，短时间内非专业技术人员无法熟练操作。同时，油动无人机不但自身成本高，且后期保养与油耗均需要大量资金支持。

图２-３无人直升机

2.2无人机在输电线路巡视应用的优势

最近一些年来，我国科技迅猛发展与进步，无人机也飞速发展，在输电线路巡视中得到了广泛的应用。因无人机技术操作简单、体积小，所以在输电线路特别是高空塔架巡视中应用效果显著。无人机巡视输电线路可降低成本，且一台无人机能有效巡视一定范围内多条线路，不但巡视效率高，人力资源成本也获得了降低。且在巡视工作中应用无人机，避免了人员高空作业，并且借助无人机能够对高空线路的运行质量和潜在隐患进行及时发现，在很大程度上有效提升了巡视工作的安全性与精准性。并且无人机有机动性强、操作简单、体积小的优势特点，可适用于部分狭小和隐蔽空间的输电线路的巡视，并且发挥着非常良好的巡视检查效果，进一步提高了巡视工作的完整性与全面性。在输电线路巡视中无人机具有的优势还有：（1）可长时间、远距离巡视。传统的人工巡视，长时间巡视工作，人员易视觉疲劳，严重影响到后续的巡视效果。且人工巡视中人的视力会限制巡视距离，那些距离远且极小的故障不能被及时的发现。然而，应用无人技术就可以更好的代替人工作业，并利用自有飞行和自主悬停的方式，可对输电线路中的故障及时发现并有效进行处理，其巡视范围远超越人工巡视范围。（2）可巡视效率进行有效提升。由于无人机可随时进行起飞，巡视中可更好的规避为输电线路带来的影响，从而让巡视工作更为方便和简单，最终使输电线路的巡视效率进行有效提升。（3）无人机有较强的机械化和智能化水平，且能够在较为复杂的气候环境中适用，可使巡视工作更加高效和简便。

3小型多旋翼无人机在输电线路巡视中应用的关键技术

3.1网络RTK

使用无人机可提升巡检人员工作效率，但新的工作方式也会使其面临全新的挑战。无人机巡检需长期控制飞行，就对基层班组人员无人机操作技能有了更高的标准与要求。随着机巡范围的持续增大撞塔、撞导线、低空飞行被树枝刮到炸机、超视距飞行环节中断等事故也在不断增加。安全飞行的基础上，一个线路上新手与老手操控飞机飞行后，会得出不同的巡视结论，因此，需要有一种更可控、更智能、更安全的检查方法，降低无人机运行的门槛，减少人员经验对检查工作的影响，更好地提高工作效率，是行业技术与时俱进发展的趋势。

RTK定位技术了解前，先要对卫星定位技术进行了解（GNSS），通过测量已知卫星与用户接收机间距，结合多颗卫星的数据，算出接收机具体位置，由于三维位置和偏差的计算，使用的卫星数量不应少于四颗。GNSS技术优势：观测时间短、成本低、功能多、操作简单、全天候工作等。我国目前北斗卫星导航系统GNSS定位误差达米，甚至高于10米，误差存在让GNSS系统不适合应用在高定位精度行业、高场景要求中。基于GNSS定位技术特点，诞生了RTK定位技术，即实时动态亦为载波相位差分技术。

RTK技术可使GNSS系统定位精度提升，将GNSS系统定位误差缩至厘米，然而也有不足存在GNSS技术中，由于各类原因，可能会出现定位误差，基准站围绕RTK工作模式，观测值和坐标信息通过数据链路传输到流动台。流动站可通过数据链路接收基站的数据，还要采集GNSS观测数据。该系统实时分割和处理观测值，需时小于1秒。基于流动站和基准站间距限制，常规的RTK无法实现精准定位，简言之，RTK即为高速、离你级精度的GNSS系统，也为此产生了网络RTK，可通过多个基准站组成一个基准站网络，从而得到精度高的定位结果。

将网络定位木块搭载在机顶，可让无人机由之前的GNSS升级到RTK网络定位，且比GNSS有更精准的定位，GNSS定位误差为米级，RTK移动网络定位误差为厘米级,与传统的GNSS在D电杆塔上的定位相比，由于受带电设备的电磁干扰，无人机的信号会丢失，将RTK应用在电力巡检中，能让无人精准定位能力、机抗干扰力更强，即使在特高压输电线路等磁场强的区域，它还可以在短距离内巡视电力设施，提供准确的航向信息，精确定位，降低飞行风险，提高电子罗盘干扰后的运行效率。然而其一定要依靠移动网络去定位，若我们巡视的山区很多地方无移动信号或网络，那么我们就需要应用便携式移动基站连接移动网络，因便携式移动基站有小的容积且安装简单，只要插入SIM卡就能让附近基站产生网络与信号，这样带有RTK的无人机便可在山区顺利起飞。

无人机自主飞行、学习、网络化起降、“边缘计算硬件”等新技术均依靠RTK，高精度RTK定位技术是以载波相位观测为中心的实时动态定位技术。可在指定坐标系下提供测量点的实时三维定位结果，无人机自动检测可以通过RTK进行高精度定位导航。最后，无人机可根据规划的输电线路路径对塔身进行精检。

3.2精细化巡视

无人机自主检测技术中，两次应用了深度学习。第一次在激光点云自主路径规划中，应用深度学习算法，实现了对塔身进行精确检测的摄影点的自动准确选择；

第二次是将塔身各部分照片收集到数据库，通过深度学习算法训练模型，可精准识别隐藏缺陷图像、缺陷部位。为了建立厘米级精度的三维点云地图，提出了一种新的RTK技术模型。也就是说，走廊高精度三维点云是基于激光雷达的三维地图，并通过人工智能算法对既有关键特征的空间参数进行自动识别和提取，最后与电网资产数据库中的台账记录自动关联。

以三维地图为基础实施的复杂路径规划，通过深度学习算法，它能自动、准确地选择塔身的精密检测摄影点，最终形成与各摄影点相连的飞行轨迹，上传到无人机飞行控制系统。无人机按规划好的飞行路径，可在RTK厘米级精确定位信号下自主飞行，复杂作业，利用激光雷达可自主避障与导航。

电网无人机自巡检通过激光雷达技术、实时动态高精度定位RTK技术和深度学习算法，完全自主飞行，实现电网的精细检测，而不是依靠机组的无人机控制技术和经验。

在前期利用无人机开展人工建模绘制塔架三维模型后，可应用无人机对线路开展精细检测，利用搭载的热红外或可见光，无人驾驶下，可自动监测单塔各部分的精细检测、对绝缘子、线夹等高温点，然后将采集到的数据向后台传送后实施人工分拣，也可应用零整比软件开展自动分拣。

树障巡视：它也是以网络RTK技术为基础开发的一种新模型，就像精细化巡视一样，利用雷达点云对航线进行学习，自主学习将使用可见光或激光雷达等传感器将收集到的塔台通道收集到数据库中，在无人干扰自驾下，巡查外部隐患、摄影测量树障距。树障隐患测量精度达分米级，并向后台传送数据，应用专业分析软件自动生成输电线路树形块报告，也能够生成输电线路通道的三维模型，精确定位线下越限树障位置。

详见下图：（3—1）(3—2)

(3-1)

(
3-2)

4 输电线路巡视中对无人机的应用

4.1人工巡视

传统上巡视输电线路视，工作人员会亲赴现场巡视，塔头、杆塔全景、绝缘子、塔基、导线、附属金具等为主要巡视对象，同时在记录本上详细记录好巡视情况，再经人工录入计算机。人为因素会影响巡检效果，危险地区会让巡线人员面临危险，且人工巡视数据录入量庞大，很多时候也可能导致录入记录出错。且也需要有效管理工作人员是否巡检单位，且也保证不了巡视质量，在无法保证线路安全情况下，埋下了巨大的安全隐患。人工巡检有巡视环境复杂、范围广等特点，导致效率低且投入成本大，在边远山区，输电线路的安全会受到树木的高生长和压线影响。偏远山区，林区线路无法人工巡视也是输电线路安全受影响的一个因素，山区特殊地段在雨季有发生塔基滑坡的危险，因山路泥泞湿滑，为此雨季无法有效进行巡视，进而对线路运行情况也不能及时掌握。详见下图（4-1）

(4-1)

4.2无人机巡视

无人机电力检测系统利用可见光摄影、远红外热成像、绝缘子检测等对测线进行检测，能实施：路通道堵塞，线路接头松动、丢失、磨损，绝缘子破损、脏污，元件安装错误，间隔棒松动、损坏，导线连接点过热等。使用无人机进行线路检查，从而弥补了人工巡视困难的问题，在充分保证人身安全的同时也实现了工作效率的提升。

最近一些年，无人机被广泛的应用在输电线路的巡视中，基于无人机自身具有人员伤亡小、巡视效率高、成本低、机动性好、可实现物力、人力和才力节约等诸多优势，在现阶段的输电线路中有效应用无人机，可弥补其空中巡视的不足，进而实现合理优化输电线路的目的。

且通过建模让无人机实现精细化线路巡检，精细化线路巡检比人工巡检更加高效，在
减少人身风险的同时，也能更好的的节约人力、物力、财力，之前人工巡线必须要超过7人，而现在无人机巡线则可应用两人即可完成一条线路的巡检，且每级塔耗时4-5分钟。如下图（4—2）所示。

（
4—2）

4.3小型多旋翼无人机在日常输电线路巡视中的具体应用

4.3.1输电线路巡视立体化应用

巡视效率100%提升；降低劳动成本、降低人员风险；无人机应用技术先进，可根据需要选择配置。杆塔、导线、绝缘子、金具、基础、附属设施等的异常及隐患可利用无人机搭载的高清照相机检查。我们还可以通过挂载热成像镜头进行红外热成像检查导线接续金具及绝缘子等发热设备的异常情况，达到对输电线路的立体化巡视的效果。

4.3.2对输电线路故障查线的应用

输电线路的鸟害和雷害大多发生在杆塔绝缘子上方，人员在地面无法通过望远镜观察到，且登塔巡视也因为观察角度的问题制约了故障点的发现，利用无人机拍摄可以360゜无死角的观测到杆塔的各个部位，从而快速准确的判断故障点。验收线路杆塔上的设备、导线、绝缘子等用无人机高清摄像机检查，为保留缺陷部位图像，减少人员验收时攀登杆塔带来的风险，关键部位实施悬停拍照。

4.3.3协助输电线路检修作业的应用

协助检修人员对检修线路前期现场勘查和方案的制定提供帮助，如诊断输电线路导地线损伤情况，为缺陷处理方式的选择提供依据。

4.3.4输电设备严重自然灾害中的应用

通过应用无人机，能够最快的速度做出应急反应，在自然灾害预警巡查飞行以及事故应急飞行中有良好的效果，并通过飞快的大范围巡查，能够对事故隐患位置进行第一时间精准掌握，从而为抢修争取到充足的准备时间。

4.3.5实现在影像和图片采集

在无人机吊舱内设置固定的小型摄像机，可清晰的拍摄导线、绝缘子串，只需要人工去操控无人机，其便可对制定部位的影像信息进行拍摄，通过数字转化后更好的将其进行储存，以便于后期工作人员能够更好的分析与判断线路情况，从而使决策拥有更精准的参考依据。

4.3.6实现数据的采集和传输

无人机巡视输电线路，将信号通过红外线热像技术传输到地面检测屏幕，使技术人员能够观察到实时图片和影响信息加以分析和处理，通过这些信息可以准确地确定输电线路出现问题的部位，由地面工作人员有针对性地进行维护与修复，可使人员工作更为精确、有效。通过采集与传输数据，还能够为数据库提供更准确的信息，可将其当做后期智能化发展的参考数据，以实现未来电力智能化管理更好的发展。

4.3.7实现卫星导航控制

无人机还可以配备卫星导航控制系统，结合地面的具体情况可私下自动调整，以实现对线路、杆塔的自动飞行巡线，通过卫星确定出现问题的设备与线路，这样能够为技术团队精准搜索提供以及，进而达到后期更好的维护与养护，极大的确保了输电线路的运行安全性。

4.4小型多旋翼无人机巡视输电线路中视屏传输的实现

在输电线路中应用的无人机，基本是借助自身懈怠的程序进行的控制，无线遥控装置起到了一定的辅助控制作用，在每一次对输电线路进行巡视前，无人机要将飞行的轨迹提前设定好，然后结合飞行的高度、速度以及角度合理进行调整。此外，巡视线路时，要以便排查故障一边巡视隐患，从而实现对信息不同角度的收集，最终达到提高整个巡视质量的目的。随着如今随着数据通信技术的飞快发展，详细在不久的将来，无人机挂载设备会迈向食品传送方向，无人既巡视输电线路中一经实现了视频传输，则就可以彻底取代传统的人工巡视，所以说其前景一片大好。

5 结论与展望

5.1结论

供电企业通常巡视输电线路，往往人力、财力投入过大，随着以后智能电网的不断壮大，如果依旧使用传统的输电线路巡视，往往会增加人员的身心疲惫，可能会造成输电线路的质量不达标，但是我们还是必须重视无人机在输电线路方面的应用，并且有科学和计划的制定规章制度，促进输电线路的巡视并提高，这样才会使输电线路故障降低并有效的保障输电线路的安全稳定运行。

5.2展望

随着时间的流逝，人工巡检已成为过去，新时代的到来将刷新现有的老旧观念，新思维不断驱动变革，技术的迭代更加迅猛，无人机巡检将迎来更多应用，让人力、物力、时间、效率降到最低，这只是不遥远未来的一瞥这是新时代最伟大的驱动力，创新成就可能，相信在未来我们会发展的更好，走的更远，为时代的进步和发展提供助力。

致 谢

时间飞逝，岁月如梭，转眼间已经毕业，在学习的这段时间中，首先我非常感谢我的指导老师王启文老师，从选题、定题开始历时将近三个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中我遇到了无数的困难和障碍，是您的耐心、细致、乐此不疲的指导和帮助帮我度过了难关，是您不厌其烦的帮助我进行论文的修改和改进，正有您的帮助和支持才使我克服困难直至本文的结束，感谢王老师，谢谢。

其次，我要感谢我遇见的所有同学，谢谢你们为我提供的帮助，有你们是我的幸运。

最后我要感谢我的父母，是你们在背后始终默默的支持，才让我走完今天的路，你们放心，在我来我会更加努力，不骄不躁，认真做好我生命中的每一件事。

再一次感谢我生命中出现的你们，望你们在未来都能够幸福安康，一切顺利！

参考文献

[1]宋海龙.关于无人机在输电线路巡视方面的应用探讨[J].华东科技：学术版，2015（6）：302.

[2]文立钢,史广宾.浅谈无人机在输电线路巡视方面的应用[J].电子世界,2016,09:170+172.

[3]袁恬.浅议无人机在输电线路巡视方面的应用[J].低碳世界,2017,04:53-54.

[4]邓志远.无人机在高压输电线路巡视中的应用研究[D].2015.

[5]董明.浅析无人机在输电线路巡视中的应用[J].中国战略新兴产业，2017（40）：151.

[6]文立钢，史广宾.浅谈无人机在输电线路巡视方面的应用[J].电子世界，2016（9）：170.

[7]常虹.无人机线路巡视应用项目质量控制研究[D].

[8]袁恬.浅议无人机在输电线路巡视方面的应用[J].低碳世界，2017（4）：53-54.

[9]姚亮.无人机在输电线路全工况监测系统中的应用[J].电力信息化,2011(05).

[10]郭昕阳,李卫国,郑建刚,朱英哲,周磊,李艳美,曹飞.一种轻型电动无人机在输电线路巡视中的应用技术[J].华北电力技术,2013(04).

[11]张捷,严维欣.配电线路采用无人机巡线的应用分析[J].电力与能源,2013(04).

[12] 刘大伟 . 浅析固定翼无人机在输电线路巡视中的应用[J].中国新技术新产品 ,2017(19):23-24.

[13] 王淼,杜毅,张忠瑞等.无人机辅助巡视及绝缘子缺陷图像识别研究[J].电子测量与仪器学报,2015(12):1862-1869.