摘要：架空电力线路覆盖区域广、环境复杂。目前主流的巡线方法是用望远镜进行人工巡线，效率低，耗时长，受地形限制大。而多旋翼无人机技术的发展，为电力巡线提供了新的研究方向。目前国内外电力领域对于无人机应用于电力巡线的研究，主要有采用固定翼无人机进行线路设计前的勘查工作以及进行线路通道状态的巡视工作。各网省公司近年来针对电力巡线也推出了一些无人机项目，大多是与无人机厂商达成合作，租用或者选购其无人机成品进行线路巡视，积累了宝贵的经验。
关键词：多旋翼无人机；电力巡线；应用
一、无人机简介
无人驾驶飞机简称无人机，英文简写为“UAV”。无人机具有小巧便携，造价不高，操控性好和受地形影响小等优点，使其能适用于线路的巡视工作，由于无人机的应用，在日常工作中大大地提高了线路巡视工作的效率和故障查找的效率。无人机还可以携带普通可见光摄像头、高倍数摄像头、红外热成像仪、激光雷达或喷火机等设备，由操作人员进行相应的操作，完成相应工作。
二、应用优势
第一，同人工巡线方式相比，其不会受到地形方面的限制，能够以近距离、多角度的方式对金具、绝缘子以及导地线等设备进行观察，以此实现巡线效率的有效提升。同时，也能够有效的实现巡检信息的异地分析，在对人工劳动强度进行减少的基础上有效降低作业风险；第二，在实际巡检当中，不容易气候条件以及地理环境因素的限制。对于部分人员难以抵达的区段、或者可能受到自然灾害影响的区段，通过无人机的应用则能够有效的进行故障以及日常巡检工作，具有较高的机动性以及安全性。
三、小型多旋翼无人机应用到输电线路巡检中的模块配置
（一）高速成像模块
高速成像模块主要是无人机在飞行的过程中能够实现对输电线路图像的采集，通过具有较高分辨率的可见光相机能够拍摄一些可见光图像。这样就能够观测到架空输电线路中存在的一些绝缘子雷击、断股以及导线毛刺等情况。为了提高无人机巡检的质量，对可见光传感器也提出了更多的技术要求，包括：能够有自动对焦功能、拍摄的速度要高于25帧/s，并且具有4倍的光学变焦功能，其能够连续的可调，有效的像素数要高于1000万。
（二）红外、紫外传感器模块
对于输电线路出现的导线接头、线夹等部位的发热故障，可以通过红外成像传感模块进行检测。因此，使用无人机对架空输电线路进行巡检的时候，可以搭载红外成像传感模块。同时还需要遵循一定的要求，包括：具有自动对焦功能；有效像素数要高于30万；能够得出热图数据并且能够导出，能够对影响中温度最高点的数值以及位置进行实时显示。
对于输电线路以及电气设备出现的电晕放电情况，可以通过紫外成像传感模块进行监测。将紫外成像传感模块搭载到小型多旋翼无人机上，需要遵循一些技术标准，包括：体积较小；质量要低于1.5KG；具有较高的探测灵敏度；能够获取到光子技术信息；能够兼顾可见光模块的功能，巡检一些比较常见的故障。
（三）激光雷达测量技术模块
机载激光雷达测量作业生产环境主要包括航摄设计、航摄数据采集、数据预处理、激光数据分类、安全距离分析、数字高程模型、三维模型制作等。
基于无人机平台的激光雷达输电通道巡检技术实现了线路本体和廊道地形地物高精度激光点云、光学影响数据的同步采集、半自动处理、故障诊断和预警，可实现通道环境安全监测。通过将激光雷达电力巡检和电力线路设计有机结合，可实现输电通道高精度还原和三维仿真分析，有效提高输电线路信息化管理水平。
四、多旋翼无人机在电力巡线中的典型应用
（一）准备阶段
多旋翼无人机受环境因素影响，所以多旋翼无人机在工作之前，对所需要巡检的输电线路所在地区的地理环境进行充分了解，主要包括风速，空气质量以及天气状况，在对这些因素进行充分了解之后，获取巡检输电线路杆塔坐标和高度，对多旋翼无人机的巡航范围以及巡航路线进行明确规定，保证多旋翼无人机的安全飞行，还有就是安全管控方案和应急方案的制定，这一点是非常重要的，在现在多旋翼无人机输电线路巡检中有很大一部分事故的出现就是由于准备不充分，没有一个较为完全的安全管控方案和应急方案造成的，所以在以后多旋翼无人机对输电线路的巡检过程中一定要主义对应变方案和安全管控方案的制定，保证能够及时的解决多旋翼无人机在输电线路的巡检过程中出现的问题，保证巡检过程的顺利进行。
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（二）实施阶段
在多旋翼无人机的巡检准备工作完成之后，紧接着进入实施阶段，这一阶段是非常重要的，在多旋翼无人机对输电线路的巡检过程中，包括操控手，程控手以及任务手，在实施过程中所有参与多旋翼无人机巡线的工作人员都应该进行提前的技术培训，而且在实际操作过程中应该严格按照作业流程展开工作，还有就是各个职位的工作人员之间的相互配合，这一点也是非常重要的，在巡线过程中，工作人员之间一定要进行交流沟通，加强之间的相互配合度，提高多旋翼无人机的飞行稳定性和安全性。
（三）巡线数据的处理
在多旋翼无人机巡线完成之后就是对所采集数据的处理，在现在的巡线处理工作中一般采用的方式还是人工处理，工作人员对巡线全程进行实施监控，对多旋翼无人机收集的输电线路图片数据进行分析，通过分析找出输电线路中存在的问题，由于多旋翼无人机的飞行巡线工作受天气环境因素很大，一旦遇上大雾，大风天气对收集的结果会造成很大的影响，为了解决这个问题，我们对多旋翼无人机安装雷达系统，提高多旋翼无人机的工作效果，保证所收集数据的完整性，使多旋翼无人机在大风大雾天气下也能够正常进行巡线作业。像我国的浙江电力公司已经将带有雷达的多旋翼无人机投入使用，还有南京某电力公司采用三周陀螺技术稳定云台，保证多旋翼无人机巡航稳定性，这些技术的应用都取得了实质性的效果。
（四）输电线路智能巡检系统的关键技术
路径规划与轨迹跟踪控制问题。UMR的自主飞行模式与输电线路及其环境要素密切相关。与常规航拍目标（如建筑物）不同，输电线路的地理位置虽然固定，但分布广、形态起伏、环境复杂。巡检中重点观察的兴趣点（如绝缘子、导线、地线、金具等部件）的数量与位置是塔形、电压等级、地理环境等因素的复杂函数，其尺度（含直径）远小于线路杆塔。此外，在输电线路上，导线与地线的自然弧垂随负荷和季节而变化，如何使UMR自动循着有弧度的导线或地线匀速飞行，而在杆塔处又能相对兴趣点进行悬停凝视，其路径规划与轨迹控制策略是亟需研究的一个重要课题。
UMR的故障诊断和容错控制问题。巡检用多旋翼飞行器的体量一般定位于中小型，机载资源相对紧凑；同时，执行机构（旋翼组件）的数量较多，当其置身未建模环境条件时，由于环境的不确定性以及人类的不可干预性，使其故障发生的机率明显增大。为了避免由于飞行器故障引起的坠机造成对输电线路的再次破坏，飞行器必须具备故障诊断和高可靠性的容错控制飞行能力，将坠机的概率降到最低。针对巡检载体安全保护的需求，需进一步研究UMR执行机构（电机、旋翼、驱动等部件）失效情况下的故障诊断算法，设计故障情况下的容错控制模型、飞行控制算法和高效的可执行代码。
UMR碰撞线路预警与自动避障控制。线路防碰撞本质上属于飞行器避障问题。为防止碰撞线路，目前基于飞行器的输电线路巡检主要采用远距离航拍，所采集图像中的高清晰有效信息不足，易造成目标遗漏。为在满足电网规程要求的最小安全距离的前提下贴近线路飞行，必须针对飞行器线路防碰撞预警与自动避障控制开展深入研究，这不仅关系到飞行器的安全，更是杜绝飞行器引发电网次生安全事故的重要保证。特别对于超/特高压输电线路，飞行器即使不与线路本体发生碰撞，当误入相间相地（塔）空气间隙时，也可能产生电场畸变，引起间隙严重放电甚至是闪络。因此，无人飞行器搭载任务设备执行输电线路巡检任务时的防碰撞，是一个非常关键性的基础问题，直接关系到巡检质量与电网安全。其解决方案涉及两个层面：其一，碰撞线路预警，即以单目视觉图像处理为基础，生成导线位置的三维概略，实时计算无人飞行器与线路（导线、铁塔）之间的精确位置关系，形成预警信息；其二，将预警信息引入飞行控制系统，实施闭环自主避障控制。
应用机器视觉进行基于航拍图像序列的输电线路巡检。未来需要在以下几个方面取得突破：其一，有效剔除背景和噪声而不破坏有效信息；其二，建立所有线路部件及其缺陷的图像特征，从航拍图像中快速提取缺陷部件；其三，线路部件在不同的成像距离、成像角度和重叠情况下呈现出极其复杂的几何图像特征，如何降低其复杂性；其四，图像处理与识别算法如何在计算速度与精度方面平衡。
（五）试验验证
作者所在团队经过多年的研究和实践积累，已经逐步完成了输电线路巡检系统的理论研究和试验验证。团队研制的采用四旋翼无人飞行器作为UMRS载体，携带高清相机，配合GSS，在野外成功进行了输电线路巡检试验，取得了良好的试验效果，显示了很好的应用前景和经济效益，并且已见诸人民日报官方网站报道。
五、结论
无人机技术的发展，为电力巡检工作的开展带来了更多新的可能。在实际电力巡检工作当中，需要能够对多旋翼无人机的特点以及应用要点做好把握，通过巡检流程以及方法的科学制定与实施不断提升电力巡检工作效果。
参考文献：
[1]陈诚.浅析多旋翼无人机在配电线路日常巡视中的应用[J].企业技术开发，2018，37（05）：67-69.
[2]李翔.多旋翼无人机在输配电线路巡检中的任务管理[J].科技创新导报，2017，12（32）：28-29.
论文作者:赵鹏
论文发表刊物:《电力设备》2018年第33期
论文发表时间:2019/5/16
标签：无人机论文; 线路论文; 旋翼论文; 飞行器论文; 电力论文; 工作论文; 导线论文; 《电力设备》2018年第33期论文;