摘要：近些年来，电力建设规模快速发展，作业人员老龄化日益严重，居民对用电需求有了更好的体验需求，传统巡检作业业务已不能满足日益发展的电力建设需求。无人机技术的不断发展，给巡视工作提供了新的平台与视角，无人机的引入帮助电力巡检人员适当解放劳动力，提高巡检效率，可实现输电线路安全巡检工作的高效和自动化开展。本文针对目前无人机输电巡检的现状和存在的弊端，积极开展技术革新，利用单线激光雷达设备开展无人机输电线路一键巡航智能巡检作业。
关键词：输电线路；无人机；激光雷达；智能巡检
（Research and implementation of intelligent inspection project for transmission line）
Abstract：In recent years，with the speed of power grid construction，the traditional inspection mode has been unable to meet the power development needs.The continuous development of drone technology provides a new platform and perspective for the inspection work，which can realize the efficient and automated development of transmission line safety inspection work.This paper combines examples to carry out new technological innovations in the application field of UAV inspection transmission line technology，and uses single-line laser radar equipment to carry out one-button cruise intelligent inspection of UAV transmission lines.
Key words：UAV；lidar；intelligent；inspection
一、输电线路无人机巡检现状分析
1、研究背景及意义
随着经济发展的需要，电网规模不断扩大，截止到2018年底，110kV及以上电压等级的输电线路回路长度每年都以稳定的速度增长。电力设备长期暴露在自然环境中，受到雷击、冰冻、风沙、雨雪和鸟兽等外界侵害，容易产生疲劳、腐蚀、老化等损坏。不及时发现与排除就会造成电力系统与经济生产的巨大损失。输电线路巡检就是及时到位地掌握输电线路的运行状况及其周围环境的变化，发现设备潜在的故障因素和危及线路安全的隐患并及时消除。以确保输电线路和相关电力设备安全可靠运行。[1]
国家电网公司为提高服务质量打造世界一流、卓越服务的电力营商环境，以新时代中国特色社会主义思想为指导，深入学习贯彻党的十九大精神，落实中央经济工作会议、全国两会和党中央、国务院关于深化“放管服”改革、优化营商环境工作部署，全力服务优化我国营商环境，积极打造以客户为中心的现代服务体系。自2018年起，在公司系统全面开展业扩报装接电提质提效行动，创新服务方式，变革服务模式，以优质服务提升客户满意度和获得感。为进一步深化营商环境，加快建设绿色、安全、高效、可靠的智能电网，保障电力的持续安全供应，满足用户差异化、互动化服务需求，提升用户供电服务质量，要求运检技术和管理更精益化和智能化。
随着公司规模的不断发展，输电线路的快速增长与运检人员数量非协同性增长所致的矛盾日益突显，传统的人工运检作业方式已难以满足现代供电系统的广泛需求，为主动适应坚强智能电网的建设需求，全面支撑“三型两网、世界一流”发展战略目标，迫切需要由传统人工作业方式向智能运检方式转变，积极探索无人机场景应用及数据应用，推动运检管理体系转型，提高运检效率效益和安全管理水平势在必行。
丽水位于浙江浙西南地区，地处高山大岭，具有“九山半水半分田”的典型地域特征。截止2019年6月，丽水公司共运维110kV及以上输电线路3291.837公里，其中90%输电线路位于山区丘陵中，给线路运维带来很大困难，同时带来的还有线树距离不足的突出问题。丽水供电公司检修分公司（输电）致力于智能运检技术革新使用无人机智能运检系统基于电网要素的融合连接，靶向式开展差异化运维检修和精益化管理，属地化进行无人机输电线路智能运检技术革新，提高输电运检智能化水平实现“提质增效”的目的。
2、输电线路巡检技术发展历程
人工巡检作为丽水公司传统输电线路巡检方式也是目前主要巡检方式，由于丽水特殊的地理环境，线路覆盖地形复杂大部分沿线区域几乎没有巡视道路，人力巡检当时工作量巨大、劳动强度大、工作条件艰苦，输电线路的运行情况得不到及时反馈。
2015年以来丽水公司吸取经验改革创新，引入无人机系统辅助巡检作业进行，逐渐开展无人机单兵巡检作业，采用无人机激光点云三维建模技术应用于输电线路通道化巡检作业，然而随着无人机巡检业务的不断开展，作业人员发现其存在操作难度高、处理时间长、落地成本高等弊端，部分区域难以落实，丽水公司认为想要实现“机巡为主，人巡为辅”的协同巡检作业模式需要提高无人机巡检智能化、降低无人机作业载荷成本、提高后台数据处理效率。
二、输电线路无人机一键巡航智能巡检的研究和实施
1、输电线路无人机一键巡航智能巡检系统设计
1.1无人机系统介绍
丽水公司为提高无人机巡检作业效率，降低成本，综合分析无人机激光点云运用在输电线路通道巡检的应用环境以及需求，将原有的多线激光雷达系统改为单线激光雷达并结合无人机自带的避障系统进行开发，提高运行效率，降低无人机负载、降低处理数据量的同时保障无人机巡检作业的安全。系统具体架构流程如下所示：
图 1 系统硬件架构
1.2多源传感集成同步和检校
多源传感集成同步和检校是该系统保障安全作业、提高数据可靠性的技术关键，是移动测量的关键技术之一，控制无人机移动测量、作业的多源传感按照一定的“节拍”同步采集数据，使各传感器数据在时间上对齐，可以为数据处理提高高精度的多传感器原始同步数据、减小数据配准误差、提高移动测量的精度、保证无人机飞行作业安全。
丽水公司输电线路无人机一键巡航智能巡检系统无人机相关除无人机本体外，传感器硬件部分主要包含惯性导航系统（INS）、GPS、单线激光、可见光相机、中心控制单元以及操作控制终端：
（1）姿态测量装置INS。
INS由惯性测量单元（IMU）和导航电脑组成，每个惯导系统包括3个单轴的加速度计和3个单轴的陀螺。加速度计监测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺监测载体相对于导航坐标系的角速度信号。这些信号传输至导航电脑进行系统误差补偿后计算相关姿态矩阵、重力改正、加速度积分及速度积分，输出载体在导航坐标系统中3个位置、3个速度以及3个姿态的定位与导航信息。[2]
（2）定位测量装置GPS。
GPS是机载激光扫描系统主要的定位数据来源。GPS在机载激光扫描系统中的作用：提供传感器在空中的三维位置，为后续的INS和GPS集成提供数据来源；为姿态测量装置INS提供数据，消除INS中陀螺系统的漂移并参与陀螺系统的修正计算；为导航显示器提供导航数据。GPS和INS是机载定位和定姿的主要数据来源。
（3）单线激光系统。
单线激光系统是对线路、树障定位的重要数据来源。单线激光雷达实际上是一个高同频脉冲激光测距仪，加上一个一维旋转扫描。扫描转镜平面在电机的带动下旋转，同时，编码器随着转镜同步转动，给出同步触发脉冲送到激光器控制器和激光探测器等电学系统。当转镜平面朝向线路某一视场范围内时，激光器在控制器的触发下输出激光脉冲。发射激光经转折棱镜和平面转镜的导向射向线路。线路的后向散射回波经平面转镜被望远镜主镜收集，再由望远镜次镜汇聚到回波探测器上，从而检测到回波脉冲信号。激光发射光路上设有一块分色片，将绝大部分光束波脉冲与回波脉冲一起送到距离计数器，得到扫描方向的线路采样点的斜距数据，实现扫描测距。[3]
（4）可见光相机。
无人机搭载的主要遥感传感器为面阵CCD数码相机，一般市面上的小型专业级数字相机不能达到要求。为使获取的遥感影像能够满足大比例尺测图的精度要求，相机在使用前需根据相机的几何成像模型，进行专业检测、检校工作，得到相机的内外参数，测定每个像元的畸变量。大面阵CCD数字相机由于获取的影像数据量较大，需配置专用的数据传输和存储系统。[3]
为实现系统传感同步研发团队主要通过建立高精度时间基准、同步控制时间传递及多传感器控制、分析传感器自身延时误差以及建立动态测量模型进行验证，内容框架如下所示：
图 2 同步检校框架及内容简介
经算法优化同步数据如下所示：
表 1 数据对比结果
图 3 GPS周数据对比折线图
上图表所示，控制器输出时间与模型输出时间最大误差为-0.916ms，最小误差为-0.007ms，平均误差为-0.357ms，其中产生误差的原因在于主控单片机的截断误差为ms，如果将亚毫秒的数据输出，实际的控制器输出可以达到的精度高于1ms，根据上述图表可以体现系统高精度的时间同步性能，对于无人机输电线路巡检应用提供了快速响应、控制保障，保障自动作业的安全性。
1.3一键巡航智能巡检算法介绍
该系统一键巡航智能巡检算法主要依赖于单线激光进行线路引导、测距，通过视觉避障冗余保障飞行安全。
该系统研究总结了电力线在激光雷达数据中的特性，设计了一种基于角度，距离的点云滤波方法以及电力线点提取方法，相比于市面上利用可见光建模进行树障分析的相关技术无人机挂载单线激光能够实现快速的在线处理，实现自动导航，减少了地面端重新处理数据的环境大大提高作业效率。线路咬合、避障、作业等关键环节如下图所示：
图 4 巡检算法流程图
本项目通过聚类处理、滤波算法得到激光雷达对与线路、树障等的相对位置信息为无人机自动导航提供的依据，在数据可靠性得到保障的情况下进行无人机飞行过程中的线路咬合实现无人机沿着输电线路自动巡检作业，下述内容将阐述线路咬合过程中的线路咬合滤波处理。由于单线激光雷达具有一定的扫描范围，在对其视野范围内的目标进行跟踪时，需要考虑以下问题：
（1）线路进入视野，如何进行初次咬合；
（2）目前线路在视野内，如何保证无人机的运动不影响其咬合状态即无人机向前巡检作业时始终保持与线路横截面内相对位置相同；
（3）线路超出扫描范围内时如何取消对其跟踪。
本项目结合上述问题对传统的卡尔曼滤波和粒子滤波算法进行升级借鉴卡尔曼滤波的思想以卡尔曼滤波为底层算法进行针对性优化。本文滤波算法由预测和更新两部分组成，在预测阶段，利用上一状态的估计，作出对当前位置状态的估计；在更新阶段，利用对当前位置状态的观测值优化在预测阶段获得的预测值从而得到一个更精确的对当前状态的估计值。[4]
经建模分析与实际运动状态进行对比在实际运动过程相对位置数据上加上随机噪声，作为其测量值，经滤波处理后得到以下位置变化曲线：
图 5 相对位置及滤波位置对比
由上图可以看出，虽然测量相对位置在实际相对位置的周围有跳动情况，但经过算法滤波之后相对位置有了明显的调整。
1.4弧垂树障等数据误差分析
该项目正式投入应用前，为保证项目的实际可靠性，丽水公司随机选取单条线路进行数据测量验证该系统对于树障、弧垂等分析的准确度。
以下为反馈的弧垂数据报告：
图 6 导线弧垂记录图
对比无人机测量数据与全站仪实测数据，该线路档距中心点测量数据误差为2.5cm，测站端导线悬挂点至基础面的距离误差为3.3cm，视点端导线悬挂点至基础面的距离为9.2cm，而业界对测量精度的典型要求一般为误差在20 cm以内，其误差范围符合作业要求。
以下为反馈的地形树障距离数据报告：
图 7 树障距离曲线图
为验证上述数据精确度，丽水公司采用可见光建模的形式对线路环境进行三维建模并以三维建模的方式对该数据进行对比验证，经对比该数据完全符合地形特征，符合树障分析判别要求。
2、输电线路无人机一键巡航智能巡检系统及性能介绍
2.1整体作业系统功能介绍
丽水公司为提高巡检效率，开展输电线路无人机一键巡航智能巡检项目，基于上文所述算法集成无人机自主巡航技术与激光雷达扫描测距技术为一体应用于线路巡检，系统功能如下：
（1）远距离精准测量
采用15米以上测量距离、精度小于5厘米的二维激光雷达，采用脉冲式测距技术，有效抗太阳光干扰。其测量距离是市面上同类激光雷达两倍多，适用于户外测量，且大大增加了巡航的检测范围。
（2）跟随导线自主巡航
无人机飞行锁定导线启动巡航模式，巡航模式开启之后无人机即与导线保持固定距离沿导线巡航飞行，巡航过程中无人机将根据线路走向、弧垂高低自主调整飞行姿态，无需人工干预。[5]
（3）可视化参数显示及调整
系统配备可视化操作界面，飞行参数实时显示，具备飞行任务灵活配置功能，配置内容包括但不限于飞行器与导线的水平距离、飞行器与导线的垂直距离、飞行巡航速度、“树障距离”阈值、安全策略，且应有参数设置界面。
（4）全覆盖拍照及自动重命名
无人机在巡航过程中以固定间隔（如每隔4米）对导线自主拍摄，确保整档线路全覆盖。巡航结束通过对应的系统软件模块对拍摄的图片重命名，命名的方式是根据相片拍摄地点与小号杆塔距离完成，如距小号塔198m.JPG。线路运维人员可根据缺陷点图片确定缺陷点的具体位置。
（5）杆塔坐标采集
具备杆塔坐标采集功能，并且能够把采集到的杆塔坐标自动记录到相应的表格中；根据杆塔坐标自动生成自主巡航航线功能，并且能够使机头垂直对准导线 进行正射拍照；
（6）便携的人机交互操作
具备全自动起飞及降落功能；信号发送装置和接收装置结合，一台移动设备即可同时对无人机进行指令操作和数据观测，根据参数调整控制方案，使飞行操控更加精确，便捷。
操作流程如下图所示：
图 8 作业流程图
操作人员按照该流程操作完成后系统会自动出具分析报告，报告如下所示：
图 9 作业报告
检测报告直观显示巡检线路的弧垂状态、沿线树木地形与线路的垂直距离，以及树障照片。
2.2系统参数性能分析
为提高飞行效率，提高续航时长，丽水公司针对该项目不仅投入软件研发还在硬件设备选型上加大了人力投入，团队成员对无人机平台系统、链路性能、单线激光吊舱重量、电池kV值等各影响飞行性能的参数进行严格把关，选择相对合适的参数配置用于提高续航。具体性能如下所示：
表 2 系统性能表
三、成效分析
1、改变作业方式提高作业效率
丽水供电公司检修分公司（输电）开展输电线路无人机一键巡航智能巡检项目以来，改变传统运检模式并对无人机智能巡检进行属地化智能革新，在管理与效率上有了明显的提升。一是改变原有巡检作业方式，调整巡检人员组织结构，提高巡检效率；二是减轻运检人员日常巡视的强度和工作压力，释放更多人员力量向日常管理和检修工作转移；三是减缓电力巡线人员翻山越岭、登杆爬塔的任务量，有效避免了巡检过程中人员中暑、受伤、山区蛇虫侵扰等隐患，保障任务安全开展。
2、保障线路稳定提高供电可靠率
在线路巡检智能管控措施与输电线路无人机智能巡检模式的配合下，丽水供电公司检修分公司（输电）下辖区域内线路通道隐患等各项指标均取得了重大的进展。以下数据为项目开展前后成效对比，可以明显看到应用该项目之后树障故障点发现数量得到了明显的提高，进而直接降低了非计划停电回路数，减少了人工数量降低了临时开设运道费用。
表 3 作业前后数据对比
四、结语
丽水公司将继续开展技术研发，开展无人机巡检作业的同时投入研发对无人机数据的挖掘开展基于无人机作业数据的人工智能大数据技术的研发，提高智能研判和主动预警精确度和前瞻度，逐步完成从“被动抢修”到“主动服务”，从“事后抢修”到“事前检修”的转变，开展不停电主动检修，提升供电可靠性，丽水公司将依托“大云物移智”和新一代云平台、数据挖掘等新技术，全面支撑输电线路巡检资源优化整合，实现对线路巡检的实时感知、在线监测、科学预警、智能诊断，提升线路设备智能化水平和运维业务智能化管控能力。
参考文献：
[1]《输电线路智能巡检技术探讨与研究》作者：朱春涛 庞吉年 作者单位：镇江供电公司 镇江市电力路182号 212001；东南大学电气工程学院 南京210096
[2]《无人机多传感器的集成与同步控制》作者：吴泳 作者单位：广东瑞图万方科技股份有限公司
[3]《高性能时间间隔测量装置及其在激光成像中的应用》作者：张立 陈育伟 胡以华 作者单位：中国科学院上海技术物理所，上海，200083
[4]《基于MPEG-7边缘直方图和卡尔曼滤波的绝缘子目标识别与跟踪》作者：王世坤 李卫国 黄锋 吴松 作者单位：华北电力大学；厦门电业局
[5]《基于高压架空线路激光测距的无人机锁定导线巡航研究》作者：葛优 史延昭 作者单位：国网冀北电力有限公司张家口供电公司，河北张家口，075000
作者简介：
朱飞飞（1990-05），男，汉族，籍贯：江苏省如皋市，当前职务：专责，当前职称：中级，学历：本科，研究方向：输电线路巡检新技术
张超（1989-09），男，汉族，籍贯：江苏省连云港，当前职务：专责，当前职称：中级，学历：本科，研究方向：输电线路巡检技术
叶炆煇（1985-07），男，汉族，籍贯：浙江省丽水市，当前职务：班组成员，当前职称：中级，学历：本科，研究方向：输电线路巡检技术
论文作者:朱飞飞1,张超2,叶炆煇3
论文发表刊物:《电力设备》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/9
标签：无人机论文; 线路论文; 作业论文; 丽水论文; 数据论文; 系统论文; 激光论文; 《电力设备》2019年第16期论文;