摘要：随着我国生产力和生活水平的提高，我国生产、生活用电量需求不断增加，如何加速电网建设工程，同时保障电力系统稳定运行，是当下电网建设运维人员所急需解决的一大难题。为了满足目前生产、生活用电量的需求，电力输配主要采取的是高压和超高压架空线路远距离输电。随着电压等级升高和输电线路长度、覆盖面积的增加，对高压架空输电线路的稳定性和可靠性等级要求也越严格。但是，架空高压输电线路是架设在不同地形的户外环境之中，易受到周围环境和自然气候的影响。严重时会造成大面积停电，可能导致经济损失和人员伤亡。
目前，主要采取人工爬塔拆除的处理方式，该方式存在作业风险高、效率低等弊端。因此，研究出一种基于单线激光测距的架空高压输电线路智能巡检系统，能够有效避免人员高空作业风险及线路停电所带来的影响，安全、快速地处理高压线路，保证设备安全稳定运行。
引言：近年来，随着社会经济的发展，电能的使用需求日益增加，对供电可靠性的要求也越来越高。 高压架空输电线路作为输送电能的重要纽带，其运行状态时刻影响着电力系统的稳定性和可靠性。目前对高压输电线故障的处理方式主要是人工巡检和手动操作旋翼无人机，巡检人员对指定输电线路进行巡视，发现并记录设备可能存在的故障，然后通知检修人员对故障设备进行检修。但是这样巡查工作存在“盲区”，且巡查人员的安全也得不到保障。输电线路人工巡检作业必须依耐相关专业人员。
电力巡视多旋翼无人机作为便携式巡检工具，与人工巡检相结合，主要应用于架空输电线路日常巡视等小范围通道检查。随着电网的不断发展，输电线路不断增加，线路运行维护的工作压力也在增加。利用无人机实现杆塔、通道环境、树障的智能巡视及快速分析与定位，以及覆冰线路的杆塔资产管理，从而更有效的保障电网安全运行。
1.基于单线激光测距的架空高压输电线路智能巡检系统的研究意义
目前，高压输电线路已成为电网的主干网，增强了我国电力传输能力，改善电网建设落后问题。随着电网建设加快，输电线路结构变得复杂，线路分布范 围也越来越广，线路经过的区域多是环境恶劣的地区，这给电网安全稳定运行带来很大影响。输电线路杆塔和输电线长期暴露在空气中，不仅要承受电力负荷带来压力，还长期受雷击闪络、污秽腐蚀、风吹雨打等外力破坏，造成输电线路绝缘子磨损缺失、导线断股、防震锤缺失等隐患，这些故障隐患问题若不能及时被发现，会严重威胁电能传输、电网安全运行。所以对输电线路及周边情况进行定期巡查，尽早发现可能存在的隐患并及时通知有关部门进行检修，确保输电线路供电安全。
2.基于单线激光测距的架空高压输电线路智能巡检系统所带来的经济效益
每年电力部门需要在输电线路故障上投入巨大的人力物力，发现故障和清除故障工作费时费力。通过本项目的研究，将基于单线激光测距的架空高压输电线路智能巡检系统运用在各电力部门线路故障排除上，能够在一定程度上避免因高压输电线路问题导致停电带来的巨大经济损失。它通过通信模块将高压线路的实时情况传回远方电网运维监控中心。而监控中心发现问题之后，可以第一时间知道故障发生地点以及相关情况，从而在最短的时间内做出应对措施，挽救电网的直接经济利益。
3.基于单线激光测距的架空高压输电线路智能巡检系统机械结构
针对人工处理飘移物存在的短板，为了避免人员高空作业和触电风险，减少线路停电次数，安全、快速地处理线路故障， 通过收集架空线路常出现的故障类型、位置资料，同时对无人机机身各部件构造进行分析，经最优计算和仿真，最终设计出了基于多旋翼无人机的架空高压输电线路智能瞄准清障装置。其特征在于效率高、精度合适、系统结构简单、成本低等优点，非常适合于制造现场的在线、非接触产品检测和质量控制，包括：巡检无人机本体、单项激光测距模块、摄像头视觉识别模块、数据处理通信模块、信息存储系统、地面控制器。
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4.基于单线激光测距的架空高压输电线路智能巡检的实现
4.1无人机上搭载高精度激光雷达智能系统搭建
通过在无人机上搭载高精度激光雷达，用高性能单片机对激光雷达的数据进行解析后，通过算法识别出高压线的距离再通过处理得到机器人跟高压线的距离，然后把处理结果通过无线传输发送回主处理器做进一步的处理。当雷达扫描到不同角度、不同距离的物体时，控制器会根据角度与距离通过三角函数推算出各物体间的距离，通过一些逻辑算法可分辨出架空导线以及前方杆塔的准确距离，然后通过通信模块将数据传回地面监控端。
4.2巡检无人机与架空导线自适应距离智能调节
巡检无人机通过无人机搭载的激光雷达，可以得到与无人机为中心，导线截面点相对于无人机的距离以及角度，从而根据三角函数公式可以计算得到无人机与高压线导线之间水平距离与设定距离的偏移量 e1 ;无人机与高压线导线之间垂直距离与设定距离的偏移量 e2 ,微控制器应用 PID控制算法对无人机的備仰与偏航进行闭环控制,保证无人机精准的控制在与架空高压线保持固定垂直距离以及水平距离,拍摄得到稳定完整的架空高压线影像信息。对无人机垂直以及水平方向控制采用增量式PID控制器，其设计增量式PID算法的输出量为:
u=Kp*[e(k)-e(k-1)]+(T/Ti)*e(k)+(Td/T)*[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
无人机位置调整，依据参数获取到高压导线与无人机的相对位置，判断是否超过事先的设定范围，控制器应用 PID控制算法对无人机的俯仰与偏航进行闭环控制,保证无人机精准的控制在与架空高压线保持固定相对位置范围内。
4.3巡检无人机多方位，多角度智能避障
由于无人机搭载的是360°全向式激光雷达，所以激光雷达能够实现对无人机的前方、下方、后方进行障碍物距离探测，并且强大的扫描分辨率能够识别诸如导线等细微物体。该巡检无人机具备全自主避障功能：通过设定前方的避障距离，能够有效识别导线以及杆塔与巡检无人机的距离，有效保障作业设备的安全。利用智能操控终端的飞行轨迹学习功能，终端会记录飞手在杆塔精细化巡检过程中的每个轨迹位置方便后期的系统应用开发。结合激光雷达的巡检数据以及杆塔台账数据，对杆塔开展自主精细化巡检，提高巡检效率、降低操控风险，同时也提升故障查找速度。
结语：
输电线路的安全运维关乎着整个电力系统运行的稳定性和可靠性，确保架空高压输电线路安全运行，是运维人员核心工作内容之一。由于输电线路一般都经过山川、树林、湖泊，传统的人工作业方式无法对这些区域进行巡查，这样巡查工作存在“盲区”，且巡查人员的安全得不到保障。随着无人机技术的发展，无人机搭载避障模块作业也逐渐在各个省市地区推广。但是目前可见无人机避障装置智能化水平较低，购置成本较高，仍需停电作业。无人机操控难度大，人工判别存在视觉盲区，控制信号易受导线周围磁场干扰都将是未来避障无人机智能化发展需要解决的关键问题。基于单线激光测距的架空高压输电线路智能巡检系统的研究，通过将如今较为成熟激光雷达测距技术和计算机视觉识别技术相结合，大幅度提升无人机避障行业应用智能化水平，有效解决当下无人机避障存在的问题。
参考文献：
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论文作者:李虎,李铁军
论文发表刊物:《电力设备》2018年第25期
论文发表时间:2019/1/17
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