解析无人机巡检输电线路技术的应用

解析无人机巡检输电线路技术的应用

赵沛梁飞

（国网河北省电力公司衡水供电分公司053000）

摘要：近年来，电网规模迅速扩大，电力设备不断增加，在满足电力市场需求的同时，对输电线路的运行方式也提出了更高要求。做好线路巡检工作，对输电线路的运行状态进行实时监测，是确保电力系统安全稳定运行的关键，在输电线路巡视中，引入无人机巡检技术，能够有效提升巡检效率和巡检质量，减轻电力工作人员的负担，应该得到足够的重视。

关键词：无人机；巡检；输电线路；技术；应用

1无人机全自动巡检技术概述

随着无人机技术的不断发展，其在电力系统内的各种应用也逐渐受到多方面的重视。依据无人机机身特点，可以分为固定翼和旋翼机，依据动力系统，又可分为燃油动力和电动力，可以根据输电线路的远近距离自由的飞行和巡检的跟踪，不仅能够应对很多复杂的地理环境和地势形态，还能够提高对架空输电线路的设备所存在的问题的检测能力。能够保证110～750kV的输电线路的安全巡检，飞行时间也可以达到1个多小时，每小时的巡检路线达到20km。出动4台无人机可以抵得上20个巡检人员一天的工作量了，同时无人机不会受到地形险峻的影响，可最大程度消除安全隐患，提高了输电线路的的检查水平，提高了输电线路的检查效率，降低了巡检人员的工作难度并保证了人员的安全。

2无人机检测作业模式

2.1多传感器集成同步与检校

为解决目前无人机巡检中传感器单一、数据间关联度不大且后处理多为人工方式的弊端，研究采用了多传感器集成方式。通过牢固可靠的物理连接，将多种传感器的光轴进行统一，通过时间同步技术实现多传感器数据的时间坐标对准，通过位置姿态系统数据解算得到外方位元素，将各传感器数据在空间上对准，实现多传感器集成传感器载荷安装框架设计以“系统质心尽量靠近旋转轴线”为方针，在安装框架中集成安装了长短焦相机、红外热像仪、紫外成像仪、激光扫描仪以及惯性测量单元。

为实现多传感器数据在空间上的准确配准，提高无人机电力巡检准确高效的数据获取能力，对多传感器系统进行了集成检校，主要检校参数包括：GPS天线相位中心与IMU几何中心之间的偏心分量、长焦相机与IMU本体坐标系之间的线元素偏心分量及角元素偏移值、红外相机与IMU本体坐标系之间的线元素偏心分量及角元素偏移值、激光扫描仪与IMU本体坐标系之间的线元素偏心分量及角元素偏移值。通过地面检校和飞行检校，较为准确确定了上述各项参数，为实际线路飞行巡检工作打下了基础。

2.2高精度位姿实时测量

高精度POS系统为无人机吊舱提供高精度位姿基准，并为惯性稳定平台提供精确指向。为减少IMU部分的体积和质量，设计IMU时只完成陀螺仪和加速度计等传感器的数据采集，并以数字信号形式将数据采集结果发送给POS导航计算机。其中POS导航计算机负责系统数据的时间同步、融合计算、存储及对外交互。

2.3光电吊舱自动跟踪

为使无人机吊舱载荷系统在运动状态下对巡检目标进行准确拍照和成像，必须解决以下两个实际问题：如何在运动状态下使吊舱载荷控制系统实时掌握目标及载荷传感器在三维空间中的精确坐标：②如何保证在运动及振动状态下相机、视频摄像机能始终精确指向目标。针对上述问题，采用双闭环控制策略实现吊舱自动跟踪。吊舱自动跟踪的基本原理基于双闭环动态控制策略，利用获得的目标及载荷精确三维坐标，实时计算吊舱载荷调整的方位角和仰俯角。其中，外环采用距离控制策略，使载荷足够接近任务点后才启动瞄准和跟踪，确保任务执行时获取足够的图像分辨率。内环采用姿态控制策略，利用从POS得到的实时坐标及待跟踪目标坐标，实时计算出稳定平台需要调整的俯仰角及方位角。驱动稳定平台方位和俯仰电机分别执行水平、垂直旋转动作，从而实现目标指向和自动跟踪。

2.4任务规划和任务控制

大型无人机多传感器电力线路自动巡检需要按照事先制定的任务规划，将设计的任务计划导入任务控制系统，实现全自动执行设备检测任务基于此需求，研究开发了任务规划和任务控制软件。该软件系统可以使无人直升机在飞行过程中自动执行传感器检测动作，无需人工干预。电力线路巡检任务中的相机曝光点在巡检航迹基础上布设，以保证无人机沿巡检航迹飞行时相机能够获取电力线设施具有指定重叠度的影像数据。布设完成相机曝光点之后，稳定平台姿态计算根据各个曝光点设计相应的平台姿态，以保证传感器获取目标对象的完整数据稳定平台姿态计算的具体步骤如下：①首先获得各个传感器的视场角。②计算曝光点上对地相机到任务点扫描带宽两侧之间的夹角，并结合相机当前姿态，计算平台可摆动的角度范围；结合各传感器扫描视角，计算各传感器对应平台的可摆动范围。③搜索所有传感器对应平台对应的可摆动范围的正向和负向最小值的绝对值，计算其中间角度作为平台的预期姿态。④将稳定平台现有姿态与预期姿态相比较，当大于某一阈值时，调整平台姿态，小于阈值时不需调整。无人机巡检任务控制软件的机上部分无操作界面，地面部分支持用户对多传感器系统进行控制、查看任务执行状态及传感器工作状态等。该系统软件能载入并显示栅格及矢量数据，加栽相关任务文件，控制系统及传感器，实时显示任务执行状况、无人机飞行坐标、稳定平台实时姿态以及各传感器数据状态，并支持地面人工操作，以在必要时调整稳定平台角度、速度以及锁定等功能。

3无人机巡检输电线路技术的应用案例

3.1雷击故障点查找

一般来说，悬垂绝缘子串雷击放电后，横担侧与导线侧绝缘子烧伤最为严重，且横担侧挂点金具之间的连接点会有烧伤痕迹，悬垂线夹与或导线有明显的放电痕迹，若安装有均压环。则均压环上有明显的烧伤痕迹。耐张杆塔若无跳线串，一般直线烧伤横担侧若干绝缘子后对跳线放电，若跳线弧垂过大也可能沿绝缘子串放电。而这些部位受视角的限制，人工很难在地面通过高倍望远镜巡视发现。即便是人工登检，也只能对杆塔侧绝缘予串或金具进行有效检查，对剩余部位依旧存在盲区。以下是使用多旋翼无人机对220kV线路雷击故障查找实例。2015年，某电力公司220kV花丛甲线故障跳闸，运维单位组织无人机进行故障巡视。经故障巡视，发现塔头端合成绝缘子伞裙及导线端均压环上有明显烧伤痕迹。71号塔为呼高23m的直线塔，绝缘子配置为单联V串复合绝缘子串加玻璃绝缘子，杆塔位于海拔199.7m的山顶位置，周围为灌木丛，不能通过肉眼及手持望远镜查找故障点，由于视角限制，也不能通过高倍望远镜查找故障点。无人机操手在山脚距杆塔约260m位置选取空地进行故障查找工作，经过1个架次约10min的查找工作，准确清晰地拍到放电点。

3.2地线断股等细微缺陷确认

2015年5月某电力公司通过“无人机机巡+人巡”模式开展线路隐患排查。人巡通过高倍望远镜发现220kV第9—10个间隔棒上方地线（光缆断股，该档距1123m，由于档距大，光缆距离地面较远，不能准确判定断股数目。考虑到无人机快速、灵活的特点，随后组织无人机开展断股确认。在机型选择方面，考虑到便携以及拍照效果因素。

为便于操作，操作手将起降点选择在边导线外侧约50m处的空地上，随后按照作业流程到达缺陷位置，利用无人机搭载高清相机，拍摄断股位置图片，实时传输到地面基站，地面操作人员根据实时图像调整相机角度，对断股点进行拍摄。通过图片核实，本处断股3股。同时利用无人机航拍了前后两基塔的地形地貌，为后续制定消缺方案提供技术支撑。

结语

无人机在输电线路巡检中能有效快速发现故障点、确定故障情况，为事故分析及处理提供有力的技术支持，同时有效减少登塔作业及带电作业频率。通过携带高清相机及红外等装置，可以多角度实现高空巡检，便于快速开展状态检修。

参考文献：

[1]羊英琦.浅谈输电线路巡视中无人机的应用[J].科技创新与应用，2014.

[2]郭昕阳，李卫国，郑建刚.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.

作者简介：

赵沛（1987.08-），男，河北衡水人，华北电力大学农业电气化与自动化专业，本科，学士学位，助理工程师，单位：国网河北省电力公司衡水供电分公司

梁飞（1988.11-），男，河北衡水人，河北工程大学电气工程学院电气工程及其自动化专业，本科生，学士学位，助理工程师，单位：国网河北省电力公司衡水供电分公司