（1.南昌工程学院 江西南昌 330029；2.国网济宁供电公司 山东济宁 272000）
摘要：输电线路作为电力系统的重要组成部分，线路巡检工作的效率和质量将直接关系到输电系统的安全可靠运行。本文对目前国内外存在的巡线技术进行分析比较，指出各自的优缺点，对无人机巡线技术、机器人巡检技术及视频监控技术进行详细地探讨与研究，扬长避短，最后提出一种无人机巡检技术、线路机器人巡检技术与监控装置融为一体的综合巡线方式的设想方案，从而实现输电线路巡检“全天候、全方位、全数据、全自动化”的目标。
关键词：输电线路；智能巡检；直升机巡线；无人机巡线；机器人巡线；视频监控
0 引言
随着国内经济的快速发展，电能的需求越来越大。供电的可靠性对整个社会的和谐稳定，人民的正常生活，经济的持续发展起着至关重要的作用。而输电线路的安全运行是保证整个供电系统正常运行的基础。因此，切实落实好输电线路的巡检工作，提高工作效率和质量，维护输电线路的稳定运行具有重大的意义，也是国家电网公司的一项重大的责任。
通过输电线路巡视检查能及时准确的掌握线路运行情况以及周围环境的变化情况，发现电力设备缺陷以及危及线路安全的隐患，提出具体的修改意见，及时消除缺陷，预防事故的发生，从而有效的保证了输电线路的安全，达到电力系统“安全、经济、多供、少损”的运行目标[1]。目前国内外的线路巡检方法主要分为三大类：1、传统的人工巡检；2、半自动化的巡检模式；3、全自动化的巡检模式。本文的第一部分将现在的几种巡线方式进行比较；第二部分详细介绍目前国内外全自动化巡检方式的发展状况；第三部分提出几种全自动化巡检方式相结合的巡检模式。
1 线路巡检方式的优缺点
1.1 传统的人工巡检
传统的人工巡检主要包括特殊标记法、条形识别法、信息钮采集法、射频卡采集法。这些方法多以地面巡线为主。人工巡检最大的优点就是操作简单，观察直接。但存在着以下方面的缺点：
1巡线困难 随着电力系统的快速发展，输电线路和输电设备不断增多，高电压，远距离，大功率的输电线路的出现，输电线路越来越远离城市和主要交通道路，穿越的地理环境也更加复杂，这给传统的人工巡线工作带来许多困难，人工巡线的工作量也在与日剧增。
2维护费用高 这几种巡线方式都需要在每个巡视点安装额外的监测设备（如特殊标示、条形码、信息钮等）以达到巡检到位和对野外工作人员工作考核的目的。但由于现在输电线路的大力发展，巡视点的大量增多，导致所需安装的检测设备也在同倍增多，且这些检测设备大多安装在户外，容易遭到自然和人为破坏，需要大量的后续维修保养费用。
3巡检资料以纸质方式保存, 存在统计和查询困难。每次巡检后都会产生大量的巡检记录, 要对这些记录的数据进行收集、汇总、分析和统计, 工作量相当大[2][3]。
4 巡检质量低 高压架空线路往往架构在离地面较高的位置，线路和杆塔上细微的损坏不能及时发现，留下隐患，威胁电力系统的安全运行。由于架空线路和电力设备等都是安装在户外，线路和设备上一些细小的隐患经过风吹日晒雨淋将会很快发展成影响电力线路安全运行的重大问题。此外，巡线过程中可能存在伪造数据的现象，巡线人员的素质对巡线的质量具有比较大的影响。
总而言之，在传统的人工巡检模式中，巡检受到过多人为因素的影响。
1.2半自动化的巡检模式
半自动化的巡检模式主要有GPS+GIS智能巡线模式和直升机巡检模式。
1.2.1 GPS+GIS智能巡线模式
目前GPS（Global Positioning System，全球卫星定位系统）和GIS (Geographical Information System，地理信息系统）技术日益成熟，微处理器技术飞速发展，3G无线通讯技术日新月异[4],基于掌上电脑（PDA）、GPS和GIS相结合的智能巡检方式正处于广泛的研究与应用中。利用掌上电脑（PDA ）进行数据接收和存储。实现了线路巡检的无纸化办公，现场发现的缺陷，所做的工作记录可以方便地在系统中填写，现场即可在PDA上执行作业指导书。同时利用无线网络可以实时的将巡检信息反馈回控制中心，避免了数据的丢失。GPS主要是用来进行目标定位，它能提供卫星指路，保证巡检人员到位。而GIS主要是用来实现数据的收集和传输，能够为巡检人员提供线路信息、周边环境信息、杆塔信息、巡视项目信息等服务，有利于提高线路的巡检质量。其次，基于GPS+GIS的智能巡线模式还非常的经济。卫星资源是免费的，且多个巡检人员可以共享一台手持机，不存在工程安装费和后续维修费用。但这种方法不适合用于地势险峻的输电线路和电压等级较高的输电线路，对人的依赖性仍然非常高，杜绝不了数据造假的弊端。此外，当出现极端的天气时，巡线工作将无法展开。例如：2016年6月受台风影响，山东多地区连日强降暴雨并伴有大风，无法正常开展输电线路巡视工作，不能及时发现线路隐患，导致山东多地区大面积停电，恶劣天气同时影响故障发现和排除的进度，影响人民生活和社会稳定。
1.2.2 直升机巡检作业方式
直升机巡检方式中作业人员利用远红外热成像仪器和可见光摄像机等先进设备对输电设备进行多角度的俯视、侧视检测，并配合GPS准确定位，笔记本电脑进行相关任务查询、设备属性查询、图像处理和缺陷记录等，可以提供真实全面的现场资料[5]。直升机对输电线路巡检具有灵活机动高效，不受地形地貌限制的独特优势。然而目前，直升机输电巡检存在几大明显的缺点：
1直升机巡检作业中必须要有巡检人员的参与，这就避免不了各种人为因素对于巡检质量的影响。且由于直升机离输电线路较远、飞行速度较快，可见光摄像机和远红外热像仪的分辨率还不足以记录下线路设备中每一处部位的缺陷和故障，使得巡检质量有所降低。
2维护困难，费用高，且需要专门的维护人员和飞行员。一个飞行员的培养费用可达到生产一个无人机费用的5倍以上。
3 国内的空域管制并没有完全对直升机开放，直升机巡检路线会产生一定的限制。同时，直升机巡检时，存在很大的危险系数，无法全面保障工作人员的人身安全。
两种半自动化的巡检模式都不能达到全数据、全天候和全自动化预期目标。随着国家对坚强智能电网的大力建设，对输电设备进行全方位、全天候和全自动化监测的要求日益迫切。因此，现在国内外各研究机构正对全自动化的巡检方式进行深入研究。
1.3全自动化的巡检方式
全自动化的巡检方式主要有：a) 无人机巡检方式；b) 机器人巡线方式；c) 安装监控设备方式。
全自动化的巡检方式最大程度地降低了人为因素对于巡检效率和质量的影响，并且不受到地形地貌，天气条件的影响，可实现对架空线路进行全天候，全方位的巡检；通过无线网络和GPS定位系统可以及时将巡检结果发送回地面上的监控中心，及时发现问题解决问题，时效性和目的性大大增强，有效保证输电线路的可靠运行；全自动化设备大大减少了人力资源的投入，工作人员无需再进行野外作业，保障了工作人员的人身安全。虽然现在这种全自动化巡检技术还不是非常的成熟，仍然处于研究状态中，但由于这类巡检技术的各种优点，在未来的发展中，它必能被广泛的应用到输电线路的巡视检测中，本文将对这类巡检技术进行详细地探讨。
2 全自动巡检技术的发展现状和基本原理
2.1 无人机巡检方式
无人机（Unmanned Aerial Vehicle 无人驾驶飞机）是一种以无线电遥控或由自身程序控制为主的不载人飞机。无人机在军事领域的研究较早，但在很长一段时间内，在民用领域基本没有任何发展。随着无人技术的日臻成熟，以及其独特的优点，许多国家开始重视无人机民间用途的开发研究。最早利用无人机巡线的是英国的威尔士大学和EA电力咨询公司，使用的机型为无人直升机。其后日本关西电力公司联合千叶大学共同开发了一套无人直升机输电线路巡线系统[6]。文献[7]中指出，英国哥伦比亚输电公司（BCTC）开始对无人机巡线技术进行深入研究。2012年7月，山东电力科学研究院研制的无人直升机智能巡检系统成功对220千伏寿海线输电线路进行了智能巡线，这标志着山东电网在全国率先实现无人机智能巡线常态化应用。近期，重庆市送变电公司采用无人机“八爪鱼”对500kv输电线路的重要区段进行巡视，大大提高了线路巡视的效率和质量。国内各电力研究院、企事业单位、知名大学亦开始对无人机巡线技术开展广泛而深入的研究。
无人机巡检技术采用GPS自动导航技术，利用机载远红外热成像仪和可见光摄像机全程拍摄输电线路设备情况和周边环境情况，通过无线通讯技术将拍摄图像传递到地面站系统进行分析检测，及时发现各类线路设备缺陷，以及线路附近可能对线路造成威胁的各类危险源点。文献[8]中指出三种无人机飞行模式：1）带PCM遥控的无人机飞行模式。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆地面人员可以操控无人机对突发状况（如大风，雷电等）的应对且能够利用无人机的悬停特点对某线路设备上的缺陷处进行针对性的检测。这种模式适用于故障巡视和特殊巡视工作。2）由地面站给无人机发送信号指导无人机的巡视操作。此种模式适用于特殊巡视工作。3）事先在无人机的飞行控制系统和拍摄控制系统中预置飞行路线和巡检任务模式，它适用于正常巡视工作。在这种模式中，无人机的操作控制系统须具有扩展性，方便以后对系统程序的增加和修改。无人机的飞行高度离输电线路相对比较近，为了避免无人机在巡线过程中因遇到突出状况（如大风、预期外障碍物、强电磁干扰、导航系统出错等）而造成无人机与输电线路或是障碍物发生碰撞，开发一套无人机自主避障系统非常有必要。文献[9]中利用电磁场感应传感器、视觉传感器和雷达测距传感器设计了一套紧急避障模块，负责对环境信息进行分析计算并判断是否要进行避障行为，同时计算出合理的避让路线随后将控制信号发送给动力系统实现避让动作。
随着无人机关键技术（电力线路视觉跟踪技术、位置控制技术、电子无线通迅技术和线路故障探测技术等）快速发展，以及国家对低空空域管制的逐步开放，无人机巡线技术具有广阔的发展空间。
2.2机器人巡线方式
机器人巡检方式在国外研究的较早也较广泛。日本的东京电力公司在1991年就已开发出一种巡检线路的机器人[10]。随后，巴西的南里奥格兰德联邦大学、葡萄牙里斯本的电气与计算机工程高级研究院、加拿大魁北克研究中心的机器人与土木工程部等也相继对机器人巡线工作展开深入研究[11]-[13]。而国内，机器人线路巡检方式的研究还处于起步阶段，应用方面仍处于空白区。
机器人巡线的基本原理为：带自我驱动系统的机器人，悬挂并沿着输电线路移动，通过高清摄像机和红外线摄像仪全程拍摄输电线路设备及周边环境情况，最后利用3G无线网络将图像传输回地面控制中心或存储在自身携带的存储器中，返回后录入电脑内。此外，这种机器人还可以简单地清除导线上的一些异物，如：导线上的灰尘、积雪、飘着的彩带、布条等。目前机器人巡线方式按悬挂线路的不同分为两大类：一、在地线上进行操作[10]，这类机器人需自带电能设备，巡线过程中不可以进行充电，续航能力较差。此外并非所有的电压等级的线路都是全程安装地线的，所以这种巡线方式不适用于所有的线路；二、在三相线上进行操作。这种方式中机器人能将线路周围分布的磁能转化为电能，给自身提供能量，续航能力强[11][13][14]。
机器人巡线技术中最关键的技术为障碍物跨越和杆塔跨越技术，目前主流的解决方案是机器人自带导轨装置。文献[15]中基于导线的三种分类（单导线、双分裂导线、三分裂导线），运用运动学规律，提出了两种机器人运动模型。根据动力控制装置和导轨装置的相互配合，顺利通过线路上障碍物和跨越杆塔。同时为了使这种巡线方式减少对输电线路的损坏，机器人的重量必须要小，控制系统能够抗强电磁干扰。
机器人巡检方式安全，经济可靠，且能够在极端天气下工作等这些优点，使得它具有大范围应用的可行性。
2.3安装监控设备方式
为了能够全天候地观测到输电线路和设备运行环境，及时而准确的发现隐患、消除隐患，近年来国内外先后研制开发出了多种输电线路远程监测装置，根据图像和数据发现问题，并及时发出报警。文献[16]中提出了一种视频监控装置和微气象监测装置相互配合使用的方式。这种方式仍是通过无线系统将所采集到的数据和图像画面传输到地面控制中心。利用这种方式，可以做到24小时，全方位，高精度的对架空线路进行监测。
3 无人机+线路机器人+监控装置的巡线方式
根据上述分析中，结合无人机可全面观测到输电线路和设备及周边环境，而观测精度不高且往往不能在恶劣天气下工作的特点，线路机器人工作时可能对线路造成轻微磨损但能够在恶劣环境下正常工作且可以对架空线路上的异物做简单清理的特点以及监控装置能全天候、全自动、全方位、高精度监测架空线路微气象和设备信息但需要额外安装监控设备且需要后续维护的特点，本文提出一种无人机+线路机器人+监控装置的巡线作业方式的设想方案。无人机可作为一般天气下的常规巡检和故障巡检，同时在线路中的关键点配以监控装置。而当遇到恶劣的天气及周边环境污染较为严重的地区应使用线路机器人巡检方式作为特殊巡检和故障巡检。这种综合巡检方式中克服了他们各自的缺点，充分利用三种方式中优点，扬长避短。随着他们各自技术的发展，这种综合方式具有良好的发展前景和大范围应用前景。
4 结束语
输电线路巡检技术的不断创新研究，提高了巡检工作的效率和质量，大大降低了传输线路的故障发生率，有效保证了输电系统的安全可靠运行。本文通过总结评价目前存在的各巡检方式的优缺点，着重介绍新型的输电线路巡检方式，提出了无人机+线路机器人+监控装置综合巡线方式的设想方案。同时，如何具体实现无人机自主规避障碍技术，如何加强无人机的续航能力，如何令线路机器人更有效地跨越障碍、清除线路上的异物，如何更准确及时的捕捉到线路上的故障和隐患等已经成为一个人们关心的话题。随着智能化的发展需求，解决这些问题已经刻不容缓，笔者也会对此继续进行深入地探讨与研究。
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作者简介：
刘书辉（1996-），女，学校：南昌工程学院，专业：电气工程及自动化，专业方向：发输变电技术。
刘西营（1967—），男，高级工程师，从事高压输电线路带电作业、运维检修工作。
论文作者:刘书辉,刘西营
论文发表刊物:《电力设备》2016年第22期
论文发表时间:2017/1/17
标签：线路论文; 无人机论文; 方式论文; 机器人论文; 技术论文; 直升机论文; 模式论文; 《电力设备》2016年第22期论文;