输电线路无人机自主巡检系统的设计与实现

输电线路无人机自主巡检系统的设计 与实现

谭芳雄、 王建英、李成龙、吕明

国网甘肃省电力公司酒泉供电公司 甘肃 酒泉 735000

摘要：随着科学技术的发展，我国的无人机的应用越来越广泛。为了提高输电线路巡检无人机群的动态调度能力，提出基于通信连通性的输电线路巡检无人机群动态调度方法。融合输电线路巡检无人机调度参数，构建通信信道均衡模型，采用网格分块区域规划方法进行无人机动态调度的参数寻优与路径规划。本文首先分析了无人机输电线路巡检中的应用现状，其次探讨了输电线路无人机自主巡检总体设计，最后就输电线路无人机自主巡检的实施方案与关键技术进行研究，以供参考。

关键词：输电线路；无人机；自主巡检；自主降落

引言

近年来，国家电网有限公司不断开展新型巡检技术研究，构建新型智能运检模式，无人机、巡线机器人等先进设备和巡检技术已成为输电线路重要巡检手段。无人机巡检具有受地形限制小、塔头巡检效果好、成本低等优势，在巡检内容和频次上可对人工巡检进行有效协同。2013年以来，国家电网有限公司积极推进构建直升机、无人机和人工协同巡检工作模式，大力推广无人机巡检应用，运检效益明显提升，架空输电线路运维已由传统人工巡检发展为“机巡＋人巡”的协同巡检模式。

1无人机输电线路巡检中的应用现状

目前，无人机在架空输电线路巡检中的应用已经较为广泛，利用无人机搭载可见光巡视架空输电设备的技术逐渐成熟，从无人机巡视拍摄定位点及拍摄的角度等都已形成相对固定的流程，对拍摄的图片进行缺陷自动识别，识别率达80%以上，极大地提高了架空输电线路巡视的效率和质量。无人机巡线时具备独特视野，搭载的红外测温仪、可见光照相机等先进检测设备，能够清晰地拍摄杆塔、导地线、绝缘子金具上存在的销钉级缺陷，减少了人员登塔巡视。同时，巡视人员不用到塔位，可操控无人机进行杆塔巡检，具有快速便捷、效率高、巡视安全风险低、缺陷发现率高的优点。其他应用方面，喷火无人机应用于架空输电线路导地线异物消缺，采用无人机携带检测设备对输电线路线夹进行带电X光检测，并克服了电磁干扰对无人机的影响。利用固定翼无人机对架空输电线路的通道进行巡检，对违章建筑或树木，以及跨江河、高山等巡检难度大的线路进行巡检。山区架空输电线路存在地形复杂、自然环境恶劣，传统的人工巡检具有危险性高、效率低下等特点，现有文献分析了无人机在山区巡检工作的影响因素，提出了无人机在山区巡检的应用策略以及巡检工作中的注意事项，主要从提高巡检质量和巡检安全性方面开展了研究，对于高山、树木等障碍物阻隔无人机通信信号，研究了借助信号中继无人机通信链路的策略。现有文献未综合分析山区架空输电线路无人巡检的现状、存在的主要问题及改进措施建议，未结合未来架空输电线路的发展趋势分析无人机在巡检工作中的重要性。

2输电线路无人机自主巡检总体设计

输电线路无人机自主巡检系统包含3大部分：无人机及机载计算平台、无人机机场和无人机运维管控系统（简称“管控系统”）。无人机机载计算平台基于ＧＰＵ的高性能前端计算分析在作业过程中实时识别对象。无人机机场内置多组电池，可进行充电或自动更换电池，可以实现对无人机自动回收、野外存放、能源补给。管控系统对巡检任务、机场、无人机飞行作业进行实时监视和管控，实现巡检数据闭环化管理。

3输电线路无人机自主巡检的实施方案与关键技术

3.1全面深入应用无人机智慧巡检

熟练使用无人机开展线路本体和通道巡视，无人机调用已规划的航线，输电线路自主巡检，广泛应用于无人机开展线路红外侧测温、本体精细巡检和通道巡视。实现无人机自主巡检常态化、规模化应用。全面结合点云模型及无人机学习模式，规划自主巡检航线，不断优化拍摄位置与角度，确保拍摄部位准确、清楚，缺陷、隐患能够清晰识别。建立标准化电铁线路自主巡检航线库，便于后期航线调用、执行以及缺陷、隐患对比分析，实现无人机巡检自主作业、数据智能分析、业务线上管控。利用无人机搭载激光扫描设备获取剩余输电线路点云数据，构建点云模型，规划自主巡检航线。建立输电线路三维智能化巡检平台，实现工作计划编制、巡检航线规划、作业任务派发、飞行状态监控、采集图像回传、实时自动识别缺陷等功能。现场作业人员负责按照定位拍摄规范开展标准化图像拍摄并上传至互联网大区无人机样本归集中心，完成初步标注后同步至管理信息大区，同时配合研发单位进行算法现场验证及应用效果提升。利用现有技术、设备优化、更新各输电线路三维模型，提升航线精确度。

3.2图像识别处理

图像的信息识别是各行各业开展无人工作的研究重点，识别信息的准确性直接决定了所采集信息是否能够被使用。该文基于四旋翼无人机的高性能电力综合巡检平台，采用卷积神经网络作为图像识别的方法。该方法结合梯度下降算法进行训练，且需要收集大量的原始数据进行训练、提取特征和分类。收集数据输入至卷积神经网络的系统中，最终形成合格的图形识别流程和模式，并对大量数据进行智能训练分析。

3.3飞行试验

利用四旋翼无人机样机进行了实际飞行试验。设置了预定路径点，使四旋翼飞行器能够在输电线路上方飞行。为了评估样机的性能，选择了单根传输线的场景。首先，将四旋翼无人机手动操作到靠近一条电源线的位置，然后无人机开始跟随检测到的传输线飞行，将收集到的数据被送往地面站。可以看出，原型系统能够正常工作，成功地检测到了输电线路并跟踪了它。

4无人机自主巡检技术应用

无人机自主巡检系统已在国家电网有限公司输电线路试点运行，配置无人机、无人机固定机场和无人机运维管控系统，实现了无人机一键自主巡检、精准起降、精细化巡检、远程监控等电力巡检任务。系统投运至今已多次执行常规化巡检任务，自动完成数据分类存储和生成巡检报告，实现了巡检的全过程管控，推进了巡检数据分析应用的精细化和精益化管理水平，提升了无人化作业能力，具备一键启动巡检任务，实现对巡检过程的远程视频直播、实时监控以及巡检数据的自动分析处理。使用计算机技术进行图像分析与自动归档，通过实际工程应用对比，可以发现该功能极大的提升了线路巡检工作效率，降低了运维成本。随着输电线路规模的不断增长，单台无人机及机场作业范围有限。因此下一步的研究计划是进一步研究多机场、多无人机协同巡检方案，研究多机场多无人机并行作业，适用例行常规化巡检和各种突发状况巡检，扩大无人机连续自主巡检范围。同时，不断改进图像识别算法，提升无人机巡检图像人工智能识别实用化水平，全力保障电网安全可靠运行。

结语

综上所述，目前智能电网的发展较为迅速，研究者结合泛在电力物联网的概念，对电力设备的无人机自动巡检系统进行了大量的探索。作为实现智能化巡检的载体，对无人机高性能电力综合巡检平台的研究尤为重要。结合无人机精确控制算法，使无人机能够自主捕捉观测关键点。结果表明，文中所建立的无人机高性能电力综合巡检系统平台能够对电力设备进行准确、高效的检测，且不存在安全风险。

参考文献

[1]武传宝.基于供需调整的区域能源系统优化管理研究[D].北京:华北电力大学,2017.

[2]邢博宇,符传福,姚冬,等.输电线路运行状态预警和安全评估系统设计[J].电子设计工程,2019,27(24):75-78,83.

[3]张峰,郭锐,卢士彬,等.高压输电线路巡检机器人障碍物识别与定位[J].中国电力,2019,52(4):111-118.

[4]杨杰,邵帅,王凯,等.多旋翼无人机在输电线路巡检中的应用局限及发展前景[J].电力与能源,2018,39(2):173-176.