基于多旋翼无人机的输电线路自动巡检方法.pdf

照明电气 2023 年 第 3 期 总第 178 期 光源与照明224基于多旋翼无人机的输电线路自动巡检方法王淦彪，杨 睿广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞 523000摘要：电网安全关系到公共安全和国计民生，受台风、雷击和人为破坏，输电线路容易老化。输电线路巡检任务重、强度大、难度大。近年来，随着无人机飞行控制、云台、视觉等关键技术的逐渐成熟，无人机在电力巡检中发挥着越来越重要的作用，电力巡检正朝着无人机巡检代替人工巡检的方向发展。代表性的是多旋翼无人机，其具有飞行精度高、智能化程度高、操作方便、系统性能稳定可靠、不需要任何辅助设备、不需要专用机场和跑道、对工作环境要求极低、作业范围广等特点。因此，文章基于多旋翼无人机的特点，阐述了应用多旋翼无人机的输电线路自动巡检方法。关键词：多旋翼无人机；输电线路；自动巡检；激光雷达分类号：TM750 引言电力线路和设备是电网的重要组成部分，由于长期运行在室外，不仅要承受正常的机械力和电力负荷，还经常受到外界因素的影响，如人为破坏和雷击、强风。因此，为避免线路故障、保证电力系统的安全稳定运行，开展线路巡检工作显得尤为重要，能及时发现并消除引起线路和设备元件的一些安全隐患和缺陷1。输电线路点多面广2，传统巡检方式需要人工跋山涉水、登塔走线巡检，巡检频率为一月一次，据统计省级电网公司平均每年线路巡检长度超百万千米。随着社会经济高速发展，电网输、配、变资产不断增加，传统的依靠人工的巡检方式已经不能适应现代化电网的高质量发展要求3。随着无人机在电力行业的应用越来越广，巡检模式也逐渐由“人工巡检为主，无人机巡检为辅”向“无人机巡检为主，人工巡检补充”转变。无人机自动巡检方法以其简单便捷、安全高效的特点已逐步发展成为电力巡检的主要手段4。为此，文章针对多旋翼无人机自动巡检方法作了详细的阐述，以供多旋翼无人机电力巡检人员参考。1 多旋翼无人机巡检的特点近年来，无人机被广泛应用到电力工程领域。多旋翼无人机电力巡检相对传统的电力巡检有以下优点。（1）传统电力巡检工作主要依靠工作人员现场巡检，在遇到冰冻、洪水、地震、山体滑坡等自然灾害时，线路的巡检工作就无法进行。应用多旋翼无人机巡检不仅能快速发现输电线路缺陷和通道隐患，还能在各种复杂地形、恶劣天气和灾害天气下，及时、准确、高效地获取现场信息。此外，多旋翼无人机自动巡检提高了电力维护检修的速度和效率，使很多操作在完全带电的情况下也能快速完成，效率比人工巡检高出数倍5。（2）多旋翼无人机的起飞或者降落不需要任何辅助装置、专用机场和跑道，对工作环境要求极低，可以在野外任何地方进行起降飞行工作6。（3）多旋翼无人机具备飞行精度高，可以长时间悬停、前飞、后飞、侧飞等特点。此外多旋翼无人机可以绕着平原、湖泊、山地等不同地形飞行，利用高空优势全方位、高精度地巡检输电线路运行情况，可以弥补人工巡检的不足7。（4）多旋翼无人机调速范围大，智能化程度高，可实现程控自主飞行、自动返航等多种先进功能；无人机操作方式方便友好、容错性强，系统性能稳定可靠、灵活性强、运行成本低8-9。2 多旋翼无人机的巡检内容采用多旋翼无人机对输电线路通道和线路本体进行巡检，巡检对象、拍摄内容等如表 1 所示。3 自动巡检实施方法3.1 巡检设备选取激光雷达多旋翼无人机为巡检设备阐述自作者简介：王淦彪，男，本科，高级技师，研究方向为电气工程。文章编号：2096-9317（2023）03-0224-03光源与照明 总第 178 期 2023 年 3 月 照明电气225动巡检方法。激光雷达多旋翼电力无人机以碳纤维材料为主体，外形如图 1 所示，飞行平台在负载的情况下拥有较长的续航，稳定的操控系统让飞行更加安全可靠。图 1 激光雷达多旋翼电力无人机激光雷达多旋翼电力无人机的技术参数如表 2所示。表 2 激光雷达多旋翼电力无人机技术参数项目数值飞行载重/g6 000悬停精度/m垂直：0.5；水平：1.5旋转角速度/（）s-1俯仰轴：300；航向轴：150最大上升速度/（ms-1）5最大下降速度/（ms-1）3最大水平飞行速度/（mh-1）65最大飞行海拔高度/m2 500飞行时间（6 块 TB47S 电池）/min无负载：32；负载（5.5 kg）：16悬停时间（6 块 TB47S 电池）/min无负载：38；负载（5.5 kg）：18机载激光雷达测量系统主要包括机载激光扫描仪、数字单反相机、嵌入式控制器和定向定位系统 POS（包括全球定位系统 GPS 和惯性测量单位 IMU）四大部件。其中激光头和惯性测量单元 IMU 的外观如图 2所示。图 2 激光头和惯性测量单元 IMU3.2 巡检作业流程激光雷达多旋翼无人机的作业流程如图 3 所示。作业计划结束空域申请批复点云数据解算及质量检查pos 数据解算及质量检查架设基准站规划航线及采集数据原始数据下载图 3 无人机作业流程图（1）作业计划。开工前制定详细的内外业任务明细表，明确人员分工，合理分配设备，作业时间节点落实到个人，做到科学高效地安排人员和设备，同时做好安全教育工作。（2）架设基准站。外业人员抵达作业现场后，挑选空旷高地放置基准站，开机，待基准站锁定搜星并且各状态正常后结束基准站架设工作。（3）规划航线及采集数据。自主航线规划包括以下步骤。第一步：通过无人机挂载激光雷达采集输电线路的高精度三维点云作为基础三维地图，随后使用 AI 算法自动识别提取关键特征（杆塔、导线、绝缘子等）的空间参数，最后自动关联输电线路杆塔坐标信息，自动剪切出独立杆塔。第二步：基于三维地图进行复杂航迹规划。借助深度学习算法自动生成杆塔精细化巡检的拍照点，并形成连接各拍照点的平滑飞行航迹。第三步：将规划好的飞行航迹上传至无人机飞控表 1 多旋翼无人机输电线路巡检明细表巡检对象拍摄内容常见缺陷/巡检内容杆塔本体杆塔塔身整体锈蚀、鸟巢、异物、灾害（倒塌）杆塔基面基面及塔腿全貌地线脱落或断裂，排水沟渠、地质塌方及滑坡隐患，基础附近 200 m范围内有无无取土、打桩、钻探、开挖等施工操作和洪水淹没、冲刷等情况交叉跨越导线下方设备及交通情况导线下方或上方的导线等级、交叉跨越、重点跨越的交通道路、设施、建构筑物、施工情况塔身内外塔身内及周边环境塔身内外有无明显异物，杆塔拉线之间有无施工线路通道（植被）线路通道下方植被通道内植被、农田灌溉情况、初步判定疑似速生林线路保护区线路通道周边有无进入或穿越保护区的超高机械，在线路附近有无放风筝、施工爆破、开山采石、塑料薄膜、彩钢瓦等情况 照明电气 2023 年 第 3 期 总第 178 期 光源与照明226系统，启动 RTK 无人机按照飞行航迹在 RTK 厘米级精度定位信号下进行自主飞行并拍照。数据采集要求：在飞行任务前，飞手需要手动规划无人机自主飞行采集数据的航线，并做好飞前检查，开机查看设备状态，明确航线中的杆塔方位，针对某些档距较大、弧垂幅度较大的区域须降低高度纪录航点，并降速飞行。验证中做到全方位查看，验证过程保持链路内，禁止超链路飞行。在飞行任务前准备地面站计算机连接电台，取下扫描仪保护盖，检查镜头是否清洁无尘，设置激光雷达参数然后静置雷达等待同步，确认各连接件已正确安装，确认基站数据开始记录，确认数据存储空间足够，确认激光雷达已同步并有激光数据，检查航线高度和速度设置，显示点云出现，确认无误后执行任务。执行任务过程中密切关注地面站实时传回的点云数据，预检查点云质量和密度是否符合要求。（4）原始数据下载。无人机降落任务结束，激光雷达静置，按“STAR/STOP”按键结束记录传感器数据并保存，拷贝原始数据到计算机中分类整理。（5）数据解算及质量检查。将 IMU 文件上传至千寻服务器校准核验后下载，利用原始数据中的引导文件关联点云文件与校准核验后的 IMU 数据进行联合解算，检查成果报告中点云密度是否满足 50 点/m2的要求，坐标精度是否满足 10 cm 要求，以及设备部件是否完全可见，导出解算后的真彩点云为 las 格式文件。4 结束语利用多旋翼无人机进行巡检作业，能在各种复杂地形、恶劣气候、灾害天气下获取现场信息，检查输电线路运行情况，能够弥补人工巡检的不足。同时，多旋翼无人机具有准备时间短、飞行速度快、固定机巢提供可持续动力等特点，能进行输电线路快速巡检、线路走廊巡检、灾后电网评估等。可以提高巡检人员工作的安全性和线路事故的应急处置能力，确保高压线路的安全稳定运行。参考文献1 陶金龙,王学峰,余子彬,等.配电线路无人机巡检技术的应用研究J.光源与照明,2022(9):148-150.2 麻卫峰.机载激光点云输电线路巡检关键技术研究D.昆明:云南师范大学,2021.3 胡洋.电力巡线无人机航迹规划研究D.阜新:辽宁工程技术大学,2021.4 隋宇,宁平凡,牛萍娟,等.面向架空输电线路的挂载无人机电力巡检技术研究综述J.电网技术,2021,45(9):3636-3648.5 缪希仁,刘志颖,鄢齐晨.无人机输电线路智能巡检技术综述J.福州大学学报(自然科学版),2020,48(2):198-209.6 邵瑰玮,刘壮,付晶,等.架空输电线路无人机巡检技术研究进展J.高电压技术,2020,46(1):14-22.7 王海波.无人机技术在架空输电线路通道巡检中的应用J.光源与照明,2021(4):141-142.8 王俊平,徐刚.电力多旋翼无人机巡检控制系统的设计与实现J.机械设计与制造,2022(10):75-80.9 杨杰,邵帅,王凯,等.多旋翼无人机在输电线路巡检中的应用局限及发展前景J.电力与能源,2018,39(2):173-176.（上接第 151 页）AES 初始向量为 0 x00、0 x01、0 x02、0 x03、0 x04、0 x05、0 x06、0 x07、0 x08、0 x09、0 x0a、0 x0b、0 x0c、0 x0d、0 x0e、0 x0f。加密测试与解密测试的测试结果与设计一致，都做出了正确的反应。4 结束语文章设计的无线回传装置与现有装置相比具有显著的优点，具体体现在以下方面。（1）基于 LoRa 远距离无线通信技术设计，在配电通信站之间形成可信远距离无线回传链路，确保配网光缆故障时，可快速建立远距离无线可信连接，避免系统数据链路长时间中断，确保站点下挂的配网通信站业务不中断，提高了业务保障率。（2）将轻量级的安全接入认证与安全会话密钥管理方法部署在硬件资源受限的嵌入式系统中，以较低硬件开销获得较高安全性能。（3）与电力系统传统光缆通信方式相比，该可信无线回传装置可以建立分散在多地的多种新型电力系统终端数据无线回传的链路，提高了部署灵活性，降低了部署成本。参考文献1 张新.基于SX1278的矿用低速远程监控通信平台研究J.矿业安全与环保,2020,47(1):70-74.2 王阳,温向明,路兆铭,等.新兴物联网技术:LoRaJ.信息通信技术,2017,11(1):55-59,72.3 李强.分布式无线通信系统在智能电网中的应用分析J.光源与照明,2022(7):61-63.4 原家豪.基于LoRa的智能抄表系统设计D.哈尔滨:哈尔滨理工大学,2021.5 王永川,李念强.基于AES算法的网关数据传输加密设计J.工业控制计算机,2022,35(8):36-38.6 陈祥.基于GD32的步进电机伺服控制系统设计与实现D.西安:西京学院,2021.