固定翼无人机巡检输电线路探讨

陈西广，董 罡，王滨海，田 兵，乔耀华

（1.山东电力研究院 国家电网公司电力机器人技术实验室，山东 济南 250002；2.山东电力集团公司，山东 济南 250000；3.山东鲁能智能技术有限公司，山东 济南 250002；4.山东电力集团公司超高压公司，山东 济南 250002）

0 引言

近年来，我国国民经济的持续快速发展对我国电力工业提出了越来越高的要求。为了安全、可靠的供电，巡线维护自动化和现代化已日益显示出其迫切性。传统的人工巡检方法工作量大、条件艰苦，特别是对于山区和大江大河的输电线路巡检存在很大困难，甚至一些巡检项目靠常规方法是难以完成的。欧美各国在20世纪50年代开始研究并使用直升机完成巡线、带电作业和线路施工［1-3］，20世纪80年代开始，我国也开始研究利用直升机巡线的技术［4-7］，近年来，我国在有人直升机巡线和无人直升机巡线方面进行了较为广泛的研究，并取得了长足的进步。

截至2009年我国110 kV以上输电线路已达到55.3万km，500 kV线路已成为各大电力系统的骨架和跨省区的联络线，面对如此庞大的输电网络，要完成高效率的输电线路的巡检任务，需要航程大于100 km的无人驾驶智能巡检飞机进行电网系统全天候、全地貌巡检，可及时发现线路的隐患，并实时地将情况传回基地，同时与无人直升机短程局部重点巡检相结合，实现全网巡检与局部重点巡检（包括空中作业）有机结合，以便快速、正确判断及时排除线路故障，从而不断提高线路巡检的效率和精度。

无人直升机具有起降灵活，可自由悬停等诸多优点，但现阶段国内大载荷无人直升机技术还不成熟，国外成熟产品又处于对华禁售的状态，无人直升机要进行长航时、长航程的输电线路巡查还存在技术难度，而固定翼无人机可长时间滞空的特点能弥补这方面的不足，不但可以对线路、杆塔局部进行精细巡检，又可以对线路走廊全局进行快速普查，从而满足现阶段电网对无人机巡线的要求。

近年来江西电力、云南电力、广西电力、海南电力已开始采用固定翼无人机进行电力巡线的尝试，固定翼无人机巡线已开始引起人们的重视。

1 固定翼无人机巡检系统功能定位

固定翼无人机具有速度快、滞空时间长、飞行半径大等优势，可主要应用以下几个方面：

1）输电线路、杆塔机械故障、热缺陷和局部放电等故障检测；

2）基建线路选址，可替代人工实地查看，提高线路选址效率；

3）输电线路走廊的整体普查，及时发现线路走廊内违章建筑和高大树木；

4）灾后应急评估，可为救灾抢险提供第一手的现场资料，为决策部署提供事实依据。

明确固定翼无人机巡检系统的功能定位可与有人直升机和无人直升机形成功能互补，满足不同现场的功能应用，是输电领域智能化建设的集中体现。

2 固定翼无人机巡检系统整体架构

固定翼无人机巡检系统主要有固定翼无人机分系统、检测分系统、无线通讯分系统、数据智能管理分析分系统等四大部分。整体框架结构图如图1。

固定翼无人机分系统是固定翼无人机巡检系统的飞行载体，负责执行飞行巡检任务，机上搭载飞行控制系统，其主要由机载传感器、机载飞行控制计算机、驱动装置，功能是根据固定翼无人机的实时飞行状态将地面站发出的飞行任务解算成为控制指令，并驱动舵机以控制固定翼无人机。

图1 系统整体框架结构图

检测分系统包括光电吊舱、可见光检测设备、紫外检测设备、红外检测设备和三维激光扫描设备。增稳吊舱需根据飞机不同的姿态自动调整吊舱的方位和俯仰角度，要求重量轻，体积小，符合无人机携带和安装；可见光检测设备用来获取可见光视频和高清晰度可见光照片，发现线路、杆塔和线路走廊内的异常情况；紫外检测设备用来完成对电晕放电信息的采集，并通过紫外图像与可见光视频的融合，对缺陷部位进行定位；红外检测设备，能完成对设备的温度信息采集，在红外图像上能直观地发现高温设备区域；三维激光扫描设备可对输电线路相间距离，交跨线间距离、导线与建筑物、导线与地面植被间的距离进行测量，安全快速，数据精确可靠，避免了传统人工上线作业的危险性和人为因素对测量结果的影响，数据成果更加客观、真实，从而为输电线路可靠运行提供决策支持。

通讯分系统包括数传模块和图传模块，负责进行地面控制部分与空中飞行平台的控制指令与图像信号的传输。

数据智能管理分析分系统采用机器视觉、数据库、实时数据管理、数据模型管理等技术实现对后台巡检数据的智能化管理和输电线路实时跟踪。

3 固定翼无人机巡线系统组成

3.1 固定翼无人机分系统

固定翼无人机分系统主要包括固定翼飞行器平台、发动机、电气和导航飞控4个子系统，组成框图如图2。

无人机的气动外形采用常规气动布局。发动机安装位置在无人机的中后部，为后推式，与前拉式布置相比，可有效防止油渍污染检测设备。在机翼上设有副翼，控制无人机的横侧向运动；尾翼采用双尾撑双尾翼形式，在水平尾翼上设有升降舵，用于控制无人机的纵向运动，在尾翼上设有方向舵，控制无人机的横向运行。固定翼无人机外形如图3。

图2 固定翼无人机分系统组成框图

图3 固定翼无人机外形图

为适应实际巡线的需要，固定翼无人机飞行平台需具备一键式自主滑跑起飞和降落，具备前飞、爬升、俯冲和盘旋等功能，能按照事先规划的路线进行三维全自主飞行，主要参数如表1。

表1 固定翼无人机主要性能参数

为保证无人机按照一定的姿态角机动飞行和按照预定设计的航路实施程控飞行，导航飞控系统需具备以下功能：

1）在复杂的气流扰动中保持飞机姿态稳定；

2）保持飞机按给定的高度平稳飞行；

3）保持飞机按给定的航向角平稳飞行；

4）自动控制飞机飞向预定的目的地；

5）按给定的姿态角进行爬升、俯冲和左右盘旋等机动动作；

6）采集飞机的飞行姿态参数以及空间位置信息，并通过遥测系统发送至地面显示；

7）实时地发出控制指令，控制飞机做出相应的动作；

8）具有应急处理功能，保证飞机的飞行安全；

9）具有自主地按预设航路起飞、空中飞行和滑行降落功能；

10）根据地面人员控制指令，控制任务设备。

3.2 检测分系统

检测分系统包括机载部分和地面站两部分，机载部分可搭载于固定翼无人机飞行平台，用于检测110～1 000 kV输电线路、杆塔故障，主要有机载光电吊舱、可见光检测设备、紫外检测设备、红外检测设备、三维激光扫描设备等组成；地面站部分可对机载检测部分获得的信息进行处理，实现决策系统的智能化，系统结构如图4所示。

图4 检测分系统结构图

3.2.1 机载检测部分

无人机载巡线专用光电吊舱通过配备高精度陀螺稳定平台使得成像传感器（可见光、红外、紫外）瞄准线在机载高振动环境下保持高精度稳定，并利用视频跟踪原理，使瞄准线自动跟踪地面目标，完成对输电线路、杆塔等设备的搜索、观察和拍摄等工作任务。

可见光检测主要包括检测杆塔的损坏、变形、被盗、异物悬挂、线路走廊巡查、灾后线路走廊普查。

紫外检测需在不受太阳光影响下对劣化绝缘子（陶瓷、复合、玻璃绝缘子）的表面放电以及运行中复合绝缘子及其护套电蚀进行检测；对线路运行过程中外部损伤、断股、散股等原因产生的电晕放电进行检测。

红外检测由于导线断股、绝缘子破损、压接管连接不良等原因引起的局部热点等缺陷。

三维激光扫描设备需检测输电线路相间距离，交跨线间距离、导线与建筑物、导线与地面植被间的距离进行三维测量。

3.2.2 地面站检测部分

地面检测部分是一套基于图像识别技术的电网状态诊断与评估系统，为电网状态维修决策提供有效支持。此套系统是通过分析、处理和识别飞行器机载图像获取设备 （可见光相机、红外热像仪、紫外成像仪、三维激光扫描仪）所获得的不同光源图像，自动诊断架空输电线路设备故障。可见光图像、红外图像和紫外视频可通过图像传输系统实时传输到地面，系统在获取实时图像的同时，对获得的图像进行预处理和分析，提取图像特征，并根据图像特征来判断设备是否出现异常。主要判断的故障包括：铁塔变形和破损、绝缘子破损、防震锤脱落或移位、导线断裂或断股设备结点过热、电晕放电等。

由于激光扫描设备获得的数据点云数据量巨大，无法实时传回地面，需在飞机落地后将采集到的数据转移到专用数据处理服务器上进行处理，经建模匹配后得到线路走廊的三维图像，从而可以得到精确的线路走廊中输电线路相间距离，交跨线间距离、导线与建筑物、导线与地面植被间的距离。

3.3 无线通讯分系统

无线通讯系统包含数据传输系统和图像传输系统，数据传输系统主要完成固定翼无人机飞行状态数据的下行传输，以及地面控制站控制指令的上行传输，从而保证地面站对固定翼无人机的实时控制；图像传输系统主要完成可见光视频、红外视频、紫外视频的下行传输，以及云台控制指令及状态数据的上、下行传输，从而保证各检测设备图像的实时传输及地面站操作人员对云台的实时操控。

为满足固定翼无人机100 km的有效控制半径，无线通讯分系统需架设中继子系统。中继子系统是接收固定翼无人机（地面站）无线发射设备的无线信号，并根据接收到的信号进行解调和处理，最后生成自身发射信号的装置。它可以完成差错控制、功率调整、信道测量、干扰协调等功能。

无线通讯分系统需具备如下特点：

1）稳定的数据传输能力。在移动的环境中，实现无人机和地面站之间稳定可靠的无线通讯。

2）较强的绕射和穿透能力。在城区、城郊、建筑物内等非通视和有阻挡的环境中应用，无线通讯系统要能表现出卓越的绕射和穿透能力。

3）较强的抗干扰能力。无人机进行电力巡线时，其对高压线及高压设备产生的电磁干扰要有很强的抗干扰能力。

4）实时性要好，以便后台操控人员及时观察电力巡线的现场情况。

5）误码率低，提高地面站接收图像的质量，减少图像中马赛克出现的几率。

数据/图像传输系统可采用最新的编码正交频分复用技术，利用其较强的抗电磁干扰和绕障能力，地面站与固定翼无人机之间通过中继子系统建立无线通讯链路，中继子系统可架设于无人机、飞艇或山坡上，尽可能与地面站、无人机保持通视状态，最大程度延长通讯距离。数据/图像传输系统物理连接框图如图5所示。

3.4 据智能管理分析分系统

数据智能管理分析分系统主要有三部分组成，分别是图像与杆塔自动匹配模块、缺陷自动识别模块和图像自动拼接模块。

图5 无线数据传输系统物理连接框图

数据智能管理分析分系统主要功能是在离线状况下，先由图像导入子模块将机载检测设备中的图像导入到数据库中，通过图像中时间、GPS信息与数据库已有数据进行比照，从而将图像与杆塔一一进行匹对，从而确定图像与杆塔的对应关系，再由图像分析子模块对图像进行智能分析，发现缺陷并生成缺陷报告。将拍摄图片根据杆塔模型自动进行拼接，最终生成整个线路走廊的高清晰图像。通过以上3个模块可有效的提高后台检测的效率，提高检测精度，有利于对故障缺陷的集中管理和查询。

4 固定翼无人机巡线系统关键技术研究

4.1 适合巡线飞行模式的研究

制定针对不同的巡检要求，制定不同的巡检模式，如巡线模式、巡塔模式、线路走廊巡视模式。以有利的巡航高度、速度和有利的航线飞抵任务区域上空，对所要巡检的线路、塔等实施长距离、连续巡检。

4.2 平飞高度稳定性的研究

平飞高度稳定性是影响巡线质量的关键问题之一，在无人飞行器巡线过程中希望无人飞行器离输电线路的距离维持在一个相对稳定的水平上，既可以减少飞行器进行不必要的机动动作，也可以有效提高检测系统的检测效果，也可以提高机体和机载设备的安全性。

4.3 检测系统巡线清晰度的研究

固定翼无人机飞行速度一般都大于100 km/h，且无法进行悬停，在高速运动的情况下如何保证动态图像和静态图像的清晰是需要解决的问题。在不能降低飞行速度的情况下，需寻找适合高度运动状态下进行工作的摄像机和照相机，以便能拍摄出清晰的图像，方便后续的图像处理和故障识别，提高故障诊断的精度。

4.4 固定翼无人机巡线系统保障问题的研究

人员保障也是无人机巡线系统保障问题需要重点考虑的问题，固定翼无人机巡线系统需要专业人员来进行操作和维护，建设一支技术过硬的无人机保障队伍，是能够高效、安全完成巡线任务的关键所在。

固定翼无人机起飞方式主要有火箭助推、弹射和滑跑起飞三种方式。降落则主要有伞降和滑跑降落两种方式。可根据实际需求选择不同起降方式的无人机实现电力线路巡检功能，但设定几个固定的起飞场地，对固定翼无人机系统的安全应用有着重要保障的作用。

对于安全保障措施主要包括人员安全措施、线路安全措施、飞行安全措施、防火安全措施和紧急状况预案等。

5 结束语

本文阐述了一种用于的输电线路巡视的固定翼无人机系统，包括固定翼无人机分系统、检测分系统、无线通讯分系统、数据智能管理分析分系统等四大部分，并分别对各分系统组成、功能等方面进行了技术探讨。同时，还对固定翼无人机巡线系统的几个关键技术进行了梳理，这为固定翼无人机巡线系统在电力行业的应用提供了应用指导。

固定翼无人机在输电线路巡检中的应用也将会为固定翼无人机在电力行业的其他领域应用做打下一个良好的基础。