基于无人机 3D建模对高压线路自主巡检的应用探究.pdf

48第 46 卷 第 9 期2023 年 9 月Vol.46No.9Sep.2023水 电 站 机 电 技 术Mechanical&ElectricalTechniqueofHydropowerStation1 引言山西万家寨引黄水务集团有限公司偏关分公司下辖五座大型泵站，主要承担着将万家寨水利枢纽大坝内的黄河水向省内太原、朔州、大同等地提供生活、生态和工业用水，同时担负着向首都永定河提供生态供水的重要任务。其中，总干线三座泵站的设计流量为 48 m3/s,年供水量 12 亿 m3；每座泵站安装 10 台立式单级单吸离心泵，8 工 2 备；单泵流量 6.45 m3/s，配套电机功率 12 MW，总装机容量为120 MW。为保证各泵站用电设备的安全、稳定、可靠运行，辖区内共设有 110 kV 主电源变电站 5 座、110 kV 外引电源变电站 2 座，共有 110 kV、10 kV 架空输电线路 347.89 km、杆塔 2004 座。如何确保我司辖区内高压输电线路的安全、稳定、高效运行，成为关系到我司供水事业的兴衰，更是关系到供水沿线各大城市的重大民生问题。而传统高压架空输电线路的巡检方式主要依靠人工巡检，不仅效率低下、漏检率高，而且还存在高处坠落和意外触电的危险，已无法满足架空线路运维发展的需要1。因此，如何应用更加高效、便捷、安全的巡检方式取代传统落后的人工巡检，成为我们每个水利和电力从业人员努力探索的重要课题。随着我国无人机技术日趋成熟和人工智能技术的突飞猛进发展，应用无人机对高压架空线路进行全方位、专业化、高效化巡检，已成为我司运维一体化改革创新研究的一大课题2。我司应用无人机自主巡检实现“不爬山、不登塔、3D 建模、自主巡查、隐患排查、远程可视化”巡检，从而极大地提高运维工作效率，并降低和消除巡检人员触电伤亡和高空坠落的风险3。2 无人机巡检的技术优势2.1 三维激光建模所谓三维（3D）激光建模，是指无人机搭载激光雷达通过对输电线路和杆塔进行激光扫描和惯导标定，生成高精度点云密度模型（图 1）；再经过大疆智图或 TOVOS Powerline 专业图形处理软件形成全方位、高精度、可视化的三维输电线路立体模型（图2）。图 1 实物与点云密度模型实时画面收稿日期：2023-06-20作者简介：韩建波（1987-），男，工程师，从事泵站生产运行与检修维护管理工作。基于无人机+3 D建模对高压线路自主巡检的应用探究韩建波（山西万家寨引黄水务集团有限公司偏关分公司，山西 偏关 036400）摘 要：高压架空输电线路因点多、线长、面广，且沿线地理环境复杂和交通不便等原因，导致传统人工巡检效率低、干扰多、准确性差。本文通过对无人机巡检技术的研究分析和我司的实际应用论证，展开对无人机巡检的发展前景进行探究，为相关行业开展和推广无人机巡检提供借鉴。关键词：无人机；三维激光建模；高压线路；自主巡检；应用前景中图分类号：TM755文献标识码：B文章编号：1672-5387（2023）09-0048-04D O I：10.13599/ki.11-5130.2023.09.01549第 9 期图 2 3D 立体模型图通过该 3D 立体模型可清晰、直观、详细的对输电线路走廊的地形地貌和输电设施，进行细致的分析、测距、规划。从而对电力线路的规划设计和运行维护提供高精度测量数据成果，并为后期输电线路的运行、维护和管理提供更快速、更高效和更科学的运维决策依据。2.2 自主巡检根据 3D 激光建模生成的高精度点云模型，在此基础上结合巡检工作任务，按先后顺序标注巡检任务点（图 3），并设置巡检动作（如拍照、测温、测距等）和航线后，无人机将自动生成飞行航线和航点动作进行自主巡检，可实现一次设置重复使用（图 4）。图 3 巡检点及航线标注 图 4 自主巡检随着无人机飞控技术的不断创新和日趋智能，无人机自主巡检过程中可实现智能避障、自动跟踪、自动变焦、智能返航和 RTK 厘米级高精度定位等功能。从而使自主巡检更加智能、高效和安全。2.3 传感技术无人机巡检可根据不同任务，搭载不同功能的传感器或集成度高的光学仪器。实现对输电线路和杆塔的全方位、数字化、可视化巡检。搭载红外线成像传感器，可对高压输电架空线路中的接线盒和接线夹发热现象进行测温和夜间巡检，发现异常高温点及时进行处置，可避免火灾和大面积停电事故的发生。搭载紫外线成像传感器，可对高压输电线路中的电晕放电故障进行早发现、早处置，避免故障扩大。搭载距离传感器，可精准测量架空线路与周围树障、导地线、绝缘子和金具的距离。3 无人机巡检的应用流程3.1 应用背景2023 年 5 月 17 日 18 时许，110 kV 方下线发生跳闸故障，经查询变电站内线路保护装置，发现 C相发生接地短路故障，距离保护 I 段动作，零序过电流 I 段动作，断路器三相跳闸。此时该地正处于雷雨天气，经初步研究判断该故障为雷击导致 110 kV C 相线缆的一处绝缘子放电，引发跳闸故障。经综合测算，该故障点大致位于变电站进线侧7.9 km处。图 5 系统接线示意图由于该故障点所处位置为山区密林，道路崎岖，交通极为不便。加之雷雨天气，禁止人工巡检。因此，使用无人机进行特殊巡检，可准确定位故障点，并第一时间掌握现场情况，可为后续的故障处理提供重要参考依据。3.2 应用流程本次巡检选用的无人机为大疆 MATRICE 300 RTK(简称 M300 RTK),搭载禅思 L1 激光雷达镜头，可实现对巡检线路自主巡检、红外测温、测距等功能。部分性能参数见表 1。本次应用无人机对 110 kV 架空线路及杆塔进行故障巡检的作业流程如图 6 所示。首先，根据变电站内的线路保护装置和故障滤波器的报警信息综合研判，初步判断故障点的方位和大概距离。然后选择相应的巡检设备和专业搭载器具。待 事故抢修单 批复后，飞控手根据故障点的大概位置，从前期建立的 3D 数据库中选择该故障点的航线地图，生成 KML 航线，并发送至 M300 RTK 的遥控器中执行自主巡检。通过确认作业周围环境安全后，现场组装无人机，并对飞控、通信、电池和光学等模块进行检查和确认。即可进行本次110 kV 线路 C 相故障点的巡检作业。其次，无人机起飞后沿既定的航线，以 20 m/s的速度向故障点的方向进行自主巡检。在接近故障韩建波：基于无人机+3D 建模对高压线路自主巡检的应用探究50第 46 卷水 电 站 机 电 技 术点约 15 m 处悬停，并观察确定故障点的位置和损伤范围。然后将无人机的自主巡检模式切换为手动控制，对故障点低速抵近检查，并对故障点进行多角度拍摄取证（图 7），为后期维修更换提供决策依据，可极大地提高运维工作效率和降低工作成本。最后，可按既定航线继续完成剩余巡检任务；也可使用“一键返航”功能，自动返回起飞点后降落。巡检人员将无人机及摄像机等关键设备，进行拆卸装箱。并取出摄像机的存储卡，插入计算机SD卡槽，对本次巡检拍摄的数据进行综合分析研判，确定故障类型和处理方案后，出具本次 故障巡检报告。及时对无人机进行保养和充电，为后续的巡检工作做好准备。图 7 故障点精准复飞多角度取证3.3 应用效果经对无人机拍摄的视频和照片资料，进行仔细研究分析，发现该故障点的 110 kV 高压杆塔 C 相绝缘子伞裙处有明显放电灼烧痕迹，绝缘子伞裙已出现裂纹，构成安全隐患无法继续使用，需停电后更换处理。此次故障巡检用时 12 min，是人工巡检效率的10 倍以上，而且还可弥补人工巡检时的各项弊端，从而验证了无人机巡检是一种不爬山、不登塔、不停电、更安全、更高效、更专业的巡检模式。4 无人机巡检的应用前景4.1 水利设施巡检我国水利设施的总体分布及规模特征是：南多北少、东小西大、区域发展不平衡。因此，如何对我国交通不便的中西部，以及地形复杂的西南部的水利设施进行减员增效和科学化、专业化巡检，具有重要意义。结合无人机航拍、多光谱视觉感知、视频智能分析、卫星遥感等技术，实现对我国江、河、湖、水库、大坝、灌区等地的水质检测、水毁预警、水量统计分析、汛期监测、洪峰预测、凌汛防控等方面进行可视化管理、预防和决策，可加快推进智慧水务建设和全面提升水利设施信息化管理水平。4.2 电力设施巡检可应用无人机对电网的输、配电网络和升降压变电站等一系列危险性高、专业性强的电力设施进行专业化、扫描式巡检，结合红外测温和热成像技术，可对关键电力设施进行红外测温和夜间巡检，对异常发热部件可及时发现，及时处理，避免因温度过高导致绝缘老化，造成击穿放电的停电事故。结合紫外线光学设备可对电网中潜在的电晕放电现象做表 1 无人机及激光雷达性能参数设备功能性能参数无人机(M300 RTK)尺寸（展开）810670430 mm（LWH）最大起飞重量9 kg最大载重2.7 kg悬停精度（无风或微风）垂直：0.1 m（视觉定位时）0.5 m（GPS 定位时）0.1 m（RTK 定位时）水平：0.3 m（视觉定位时）1.5 m（GPS 定位时）0.1 m（RTK 定位时）最大俯仰角度30（P 挡且前视时 25）最大速度6 m/s（上升）5 m/s（下降）23 m/s（水平）飞行有效距离15 km（无干扰、无遮挡）续航时间2.5 h（内置电池）激光雷达（DJI L1）尺寸152110169 mm（LWH）重量0.93 kg激光点云数据率单回波：最大 24 万点/s；多回波：最大 48 万点/s；实时点云上色模式反射率，高度，距离，真彩测距精度3 cm100 m辅助定位相机1 280960测绘相机2 000 万图 6 故障巡检作业流程图（下转第 5 8 页）58第 46 卷水 电 站 机 电 技 术图 9 机组有功功率与耗水率关系（61 m）图 10 原型实测效率与原型设计效率对比（61 m）4 结论综上所述，广东枫树坝水电站水轮机效率在水轮机出力 076.146 MW 间随着出力增大而增高，76.146 MW 时达到最高的 94.67%，而后随着出力增大而降低。机组耗水率随着水轮机出力的增大而降低，当前试验水头下，机组有功在 45.8 MW 以上运行时，机组耗水率低于 7 m3/（kW h），建议尽量使机组在高负荷区运行，减少发电耗水，从而提升发电效益5。参考文献：1周叶，潘罗平，曹登峰，等.基于流速仪法的水轮机绝对效率试验研究 J.大电机技术，2019（3）：48-52.2王邦旭，蔡家林，蒙淑平，等.基于流速仪法的柘林水电厂 A1 号机组效率试验 J.中国农村水利水电，2017（10）：136-139.3水轮机、蓄能泵和水泵水轮机水力性能现场验收试验规程：GB/T20043-2005S.北京：中国标准出版社，2005.4封闭管道中流量的测量在全部管道中和规则流量条件下使用流量计的速度面积法：ISO3354:2008S.5张瑞勋.枫树坝水电站机组经济运行分析 C/广东省水力发电工程学会论文集，2009.到早发现、早处理，将电力故障消除在萌芽状态。应用无人机对电力设施进行常态化巡检，将极大地降低巡检人员和电力行业的工作强度，实现减员增效和安全运营。4.3 农业病虫害巡检无人机巡检可广泛应用到大面积经济作物、药材、果蔬等作物的长势分析、病虫害监控、精准施药等，大幅度提高产量和效益，实现由传统农业向数字化、智能化农业转变。4.4 森林防火巡检无人机巡检可结合红外热成像技术、物联感知、烟感温感遥测和大数据分析等技术，广泛应用到森林防火、珍贵野生物保护、防盗、防虫害等方面；实现对森林资源的综合管理和全面防护。4.5 地质灾害防治我国地质灾害频发，应用无人机对地质灾害频发的区域，定期进行 3D 巡检扫描生成详细的地理信息，经大数据对比分析。可对滑坡、崩塌、危岩等地质灾害进行早期识别告警和治理，避免大范围的群死群伤的事故发生，可减少人民群众和国家社会的财产损失。5 结语随着我国无人机技术的不断进步，促使其他相关领域如飞控系统、航电系统、测绘技术、光学摄像、激光探测和 5G 通信技术等不断革新升级。无人机巡检将逐渐取代人工巡检，并将广泛应用于水利、电力、交通、治安、边防军事、应急救援、环境保护等领域。参考文献：1郑小英.高压输电线路中无人机电力巡检技术的应用 J.自动化应用，2022（12）：112-114.2薛峰.怎样分析电力系统故障录波图 M.北京：中国电力出版社.3彭向阳，易琳，钱金菊，等.大型无人直升机电力线路巡检系统实用化 J.高电压技术，2020，46（2）：384-396.（上接第 5 0 页）