多旋翼无人机在电网中的运用及进展

多旋翼无人机在电网中的运用及进展

钱永涛

（河南牧业经济学院 河南郑州 450011）

摘要：随着无人机软硬件技术的迅速发展，多旋翼无人机性能日趋成熟，在电网中的运用愈益广泛。本文介绍了多旋翼无人机的系统及功能，对无人机智能巡检技术进行简要说明，探讨其今后发展趋势。

关键词：多旋翼无人机；智能巡检

引言

输电线路是电力系统运行的重要组成环节和基础。按空间结构形式，输电线路分为架空输电线路和地下电缆。其中，架空输电线路由杆塔、导线、绝缘子等构成，架设在地面之上，是目前输电线路采用的主要形式。架空输电线路距离长、分布广，且设备长期暴露在自然环境中，频繁面临大风、雨雪、冰冻、污秽、雷击等各种恶劣环境和树木倾倒、鸟兽撞击等外力破坏的侵袭，架空输电线路可能因此出现故障。为了及时发现线塔的缺陷和危及线路安全运行的因素，保证安全稳定输电，架空输电线路需要频繁进行巡检。在无人机巡检技术出现之前，输电线路巡线完全依靠人工。巡线人员需要逐一排查每个可能出现故障的巡查点。一方面，由于输电线路距离长、分布广，巡线人员需要在野外恶劣的环境中长时间工作，并进行危险的爬塔，甚至走线操作，巡线人员的人身安全无法得到保障；另一方面，人工巡检效率低下且准确率低，难以发现细微的故障指征，可能造成故障误判，埋下重大故障隐患。而伴随着无人机巡检技术的发展成熟，这一现状开始发生显著改变。本文首先简要介绍了多旋翼无人机的系统功能，结合电力生产的实际，简述了无人机智能巡检技术在电网中的运用，展望其今后的发展趋势。

1多旋翼无人机系统功能介绍

1.1多旋翼无人机的构造

多轴飞行器，是一种具有三个及以上旋翼轴的特殊直升机，通过每个轴上的电动机转动，带动旋翼转动，从而产生升力和推力。一般地，如果一台多轴飞行器平台具有四个独立的旋翼轴，则称之为四旋翼无人机。

1.2多旋翼无人机各系统及功能

现今，多旋翼无人机性能日趋成熟，电力巡检用无人机，主要具备飞行控制系统、导航系统、巡检通信系统、避障系统、检测系统等。飞行控制系统主要由机载传感器、飞控系统和机载控制模块、地面站控制模块组成，功能是根据无人机的实时飞行状态，将地面站发出的飞行任务解算成为控制指令，并驱动执行机构以控制无人机。导航系统主要包括惯性导航、卫星导航、多普勒导航、视觉导航、地形辅助导航以及地磁导航等。这些导航功能都有其相应的适用范围和使用条件，因而，需综合考虑现有导航技术的特点和无人机担负的不同任务选择适合该型无人机的导航系统。巡检通信系统是无人机与地面系统联系的纽带，主要包括数据传输系统和图像传输系统。目前无人机通信采用的调制模式包括2FSK、BPSK、OFDM技术、直接扩频技术等。用无人机进行电力巡线时，为避免无人机与输电线路或其他障碍物发生碰撞，大部分巡检用无人机都具备避障功能。

2.无人机精细化巡检

无人机精细化巡检分为可见光巡检和红外巡检。可见光巡检可以发现小金具部位缺陷，如螺栓缺失、销钉缺失、销钉锈蚀以及一些细微极难发现的缺陷，如瓷质绝缘子钢帽上的微裂纹等。按照规定的巡检拍摄顺序（顺序为面向线路大小号侧的左中右相或上中下相，杆塔部分、通道部分、基础部分）、拍摄流程，对输电线塔进行精细化巡检，所拍摄的缺陷照片大致分为9大类，基本囊括精细化巡检中发现的问题，具有条目清晰、归纳合理的特点。缺陷大类分为杆塔、大尺寸金具、小尺寸金具、导地线、绝缘子、基础、附属设施、接地装置、通道环境。杆塔类缺陷分为：锈蚀、缺螺栓、塔身裂纹、缺塔材、塔材变形、横担倾斜和其他杆塔类缺陷；绝缘子类缺陷分为：瓷质绝缘子釉表面灼伤、瓷质绝缘子破损、复合绝缘子伞裙破损、钢脚钢帽锈蚀、均压环损坏、均压环移位、均压环反装、均压环灼伤、均压环锈蚀、均压环脱落和其他绝缘子类缺陷；其他7类缺陷则按照大类进行划分，也可以根据实际情况进一步细分。多旋翼无人机搭载有红外测温设备，可以实时测量绝缘子附件、线夹等金具与导线接触点温度。红外巡检主要检查内容为：导线接续管、耐张管、跳线线夹及绝缘子等相关发热异常情况。

3.无人机三维建模方法

输电线路三维建模采用的技术手段主要有倾斜摄影技术和激光雷达技术。

3.1倾斜摄影三维建模方法在可见光情况下，当前倾斜摄影信息的获取一般利用五镜头相机完成，一台垂直摄影相机采集正片（垂直影像），四台倾斜摄影相机采集斜片（倾斜影像）。五相机由飞行平台搭载，飞行平台同时搭载GPS定位装置、高精度的IMU及姿态定位系统。

3.2激光雷达三维建模方法

搭载有激光雷达的多旋翼无人机能适应复杂电工材料地形，可以对输电线路及其走廊三维重建，实现输电线路及其走廊三维可视化。技术较为成熟的输电线路激光雷达扫描，在有RTK高精度定位技术的支持下，三维模型重建解算出来的点云精度达到了厘米级。激光雷达点云方法结合输电线路悬链方程，配合专业软件可完成架空线路与下方树木、房屋、地面等物体的交叉跨越距离计算与分析，线路弧垂点观测、线下外破因素分析，电力运维部门亦可根据计算结果处理危急树障点，从而预防树障跳闸事故发生。目前，常用的搭载激光雷达设备的多旋翼无人机采用垂直起降方式，其体积小、可靠性高、携带方便灵活、适合线路走廊测绘与建模，并且搭载的激光雷达设备，能够实时获取激光雷达点云和影像数据，满足电力部门勘测规划初步设计、施工图设计、线路三维模型数据提取运用等需求。基于激光雷达技术的线路三维建模效率高，建现细微的故障指征，如风偏舞动跳闸、小电流雷击跳闸有时会产生很小的放电痕迹。以往通过登杆检查很难发现，且安全系数低，若通过无人机几十倍高清变焦镜头拍摄照片来排查缺陷，可以更客观清晰地分析故障原因，制定更加精准安全的抢修方案。

4.多旋翼无人机排查

故障缺陷对于鸟粪在绝缘子表面泄放造成的鸟害跳闸，矿山、水泥厂等重污秽地区造成的绝缘子污闪，吊车等施工车辆对线距离不够造成的短接放电，雨雪冰冻天气线路覆冰舞动造成的短路跳闸，雷雨天气线塔遭遇的雷击跳闸，通过多旋翼无人机对线路故障区段、故障点详细排查、拍照，然后进行缺陷照片分析，能够获得最直观有效的判据。跳闸事故发生后，通过电力运维和调控部门反馈的数据及初步故障点锁定，查找线路具体跳闸原因。利用旋翼无人机在现场实地拍摄照片，可以发离线绘制自主飞行航线，已成为业界无人机自主巡检的主攻方向。无人机自动巡航+信息采集的同时，还需实现稳定回巢充电、上传数据等功能，以及较高的动态监测，对整套系统稳定性提出了极高要求。

随着多旋翼无人机技术的升级迭代，自动化、智能化已成为目前无人机的发展趋势。无人机行业不断探索解题之道，其中“无人智能化作业”探索近年来引人瞩目，其覆盖人力难以抵达的区域、降低综合运维成本、提升巡检效率和准确率等优势，成为电力系统巡检智能化发展路径上不可忽视的落地方向。

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基金项目：河南省科技厅科技攻关项目(152102210320)（请勿删除）