高压输变电塔架及通道巡检技术综述

马晓峰, 任秉诊, 赵 锦, 钟敏勇, 陈乃超

(1.国网甘肃省电力公司陇南供电公司, 甘肃 陇南 742500; 2.上海电力大学, 上海 201306)

电网输电线路在长期运行过程中会遭受各类天气侵蚀以及周围环境的影响,导致损伤失效和故障隐患,严重威胁电网的安全与稳定,因此高压输变电塔架及通道巡检在保障电力输送中具有十分重要的作用。输变电线路一般跨度较大,建设的输电线路要跨越高山和峡谷,输变电塔架搭设位置地理条件复杂,容易受到当地自然环境的影响,显著加大了输电线路出现故障的可能性[1]。同时,位于平原地区的输电线路容易出现修路、修房等人为引发的故障[2-3]。此外,雷电也是影响输电线路运行安全的重要因素,在我国雷电高发区域,由雷电引发的高频率跳闸对电气设备的破坏性较大[4]。严重的覆冰灾害也降低了输电线路的可靠性,覆冰增加了输电导线荷载,容易造成电力线缆和塔架的毁坏。除了自然灾害外,严重劣化的绝缘子在潮湿的环境中容易引发跳闸和闪络[5]。因此,为了提高配电网可靠性和供电质量,避免上述问题的发生,确保输变电塔架线路安全,电力行业需要定期对输变电塔架线路进行维护和保养,传统的检测方法已经不能保障电网的高质量和可靠性[6-7]。因此,电网自动检测技术逐渐成为研究的热点之一。

本文基于输变电线路运行安全的需要,针对输变电塔架的运行维护,综述了目前输变电塔架和通道巡检的主要方式,分析了各类巡检方式的技术特点,为高压输变电塔架和通道巡检提供技术支撑。重点分析了无人机巡检存在的技术问题,描述了实际应用中面临的问题及未来的发展趋势。

1 高压输变电塔架和通道巡检的主要方式

目前,高压输变电塔架巡检方式主要包括人工巡检、直升机巡检、机器人巡检和无人机巡检4种方式[8]。随着现代化电网的运营与发展,效率较低且危险程度较高的人工巡检方式难以满足大规模电网建设要求[9]。直升机与机器人巡检虽然具有较高的精度,但投资成本较高,巡检耗时较长,使得这两种巡检方式难以大规模推广[10]。随着无人机技术的不断发展和成熟,在电力系统、环境监测、工程测量等领域得到了广泛应用[11]。装配有高清摄像机、激光雷达和定位系统的无人机,可以对输电线路进行定位,实现自主巡航,极大地提高了输变电塔架的巡检效率和准确率。

1.1 人工巡检

人工巡检主要依靠人工为主,通过电力工人的现场勘查,对输电线路中的电塔、输电线、绝缘子等高压电力器件进行检测和维护,能够快速直接处理和反馈现场存在的设备缺陷和隐患。在高山峡谷或雨雪等环境恶劣的情况下,大多通过巡检人员携带专业设备进行巡视检查。在偏远山区执行巡检任务时,山区视野有限,巡检工人只能通过望远镜在远处观察或者攀爬上杆塔进行检查[12]。受人员经验和地形的限制,人工巡检方式效率低、劳动强度大、安全性差,并且难以检测视野盲区。人工巡检主要存在以下几个问题:一是输变电塔架巡检范围区域广,工作量大,巡检效率低;二是遇到地震、山体滑坡等自然灾害及不良天气时,人工巡检难度大;三是工作人员在巡检杆塔时需要携带许多专业设备,容易引起铁杆打滑、人工蹬杆触电等安全问题,安全性无法得到保障。

1.2 直升机巡检

我国从20世纪80年代开始尝试直升机电力航检作业,利用直升机运载工作人员和监测设备,航检员通过操作特殊望远镜对输变电塔架线路进行巡视,能够发现人工巡检难以发现的故障。常用的检查设备包括可见光检测仪和红外热成像仪,利用数码摄像机或可见光录像机记录故障点。对输电线路进行巡线的主要内容包括导线、复合绝缘子芯棒、地线及绝缘子等设施,塔材锈蚀,基础破损等[13]。这种巡检方式能够减轻巡检人员的工作量,大幅提高巡检效率,突破了高压输变电塔架范围区域广、困难地域巡视难的限制,避免错检和漏检,具有快速便捷、可靠性高、适应性强等优点[14]。但存在以下几个问题:一是前期一次性投资较大,巡检成本高昂,而且成立巡检公司手续繁琐,飞行需要民航机场的协助,我国对空域和航线管制比较严格,管制空域又不对民用开放,对起降场地要求高;二是为保障安全飞行,飞机无法适应山区突变的地理高度差;三是缺少直升机电力巡检作业的飞行及相关工作人员,且人员培养成本高、时间长;四是无法近距离观察故障点,巡检路线需要严格规划,巡检结果需要等待数天等。

1.3 机器人巡检

高压输变电塔架高度通常有几十米高,塔上风力大,冬天时铁塔温度低甚至覆冰,爬塔工作人员安全性难以保障,多有人员坠落事故发生,因此引入机器人代替人工进行作业具有重要意义。目前,机器人巡检主要采用攀爬式机器人搭载专业检测设备,对塔架进行近距离巡检,巡检工作效率较高,设备安全可靠性较高,运维工作量大幅减少[15]。机器人一般包含行走、夹紧和俯仰3个功能。主体控制由机器人平台、中枢控制器、驱动器、处理器、传感器等构成。中枢控制器主要负责数据信息的采集和处理,对机器人的运动姿态进行实时监控。机器人巡检利用激光雷达和相机获取数据,通过解析来获取实时的位置和场景;依靠传感器判断行进方向和感知障碍物,并进行巡检作业运动。其主要特点是:可以快速读取和检查多个设备检查点数据信息;设备适应性强、可靠性高,能够实时地将故障信息传输至巡检中心。这种巡检方式虽然保障了人员的安全性,但容易受外部环境影响,导致效率较低。

1.4 无人机巡检

无人机轻便灵活,可灵活起降,适应能力强,可广泛应用于森林防火、通信维护、气象监测等领域。随着无人机技术的进步,从20世纪90年代起无人机开始应用于电力巡检领域,定期对输变电塔架进行巡检、应急巡视,可以及时发现故障点,有效降低了重大事故的发生率,保障了电网安全可靠运行[16]。为了研究障碍物对输变电塔架和通道的影响,采用无人机搭载可见光摄像头获得动态图像,利用机器视觉技术,可以识别附近障碍物。针对输电线路通道,利用无人机获得的数据建立三维可视化实景模型,可以形象直观地反映出杆塔和线路的空间位置、尺度信息,从而形成智能化运维,以实现对输电塔架和线路的视觉导航和电力线路的可视化巡检。通过定期巡视,更新和重构三维实景,可以减轻巡检强度和地面巡检的局限性,提高巡检效率[17]。加拿大Avcan公司科研团队通过改装英国EA公司的无人机,对高压输电线路进行巡检作业,可以检测出输电线路存在的安全隐患。为了探测输电线路与附近的建筑物和植被的距离,澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)通信技术中心研发了小型无人机T21,装备了嵌入式控制系统,实现了自动感知障碍物和避障功能,能在25 m范围内绘制出分辨率为0.5 m的三维环境地图[18]。

我国的无人机电力巡检研究也取得了丰硕成果。湖南电力科学研究院的研究人员在极寒环境条件下,利用无人机对电力线路的覆冰情况进行巡检。同时,针对巡检过程中遇到的问题,设计出多种巡检方法,提高了无人机的巡检能力[19]。根据国家电网公司公布的数据,截止2019年底,无人机对输电线路进行巡检的长度累计达到3 000 km,输变电杆塔超过40万基,单日覆盖塔架30～50基,无人机巡检的效率是人工巡检的8～10倍。南方电网公司也在2016年初开始采用人机配合的电力线路巡检方式,截至2019年底,其无人机巡检输电线路累计50万km[20]。由此可见,无人机巡检技术将成为未来电网巡检作业的主要手段。

上述几类巡检方式的优缺点对比如表1所示。

表1 不同巡检方式比较

2 无人机巡检的关键问题

随着无人机巡检技术的不断发展,“无人机+电力”的巡检模式在高压输电线路巡线和故障诊断中得到了更广泛的应用[21],高压输变电塔架以及线路的巡检模式和精细化程度都有较大的改变。但是无人机巡检也面临着一些技术问题[22-23],主要表现在以下几个方面。

2.1 飞行姿态控制

由于高压输变电塔架周围存在电磁场,无人机在近塔区域巡检作业时,容易出现机身抖动、定位失效以及通信干扰等问题,严重影响巡检安全。加上塔架上各种电气设备密集,各电压等级设备都有一定的安全距离,所以无人机巡检需要精度极高的导航定位系统,帮助无人机规避风险,以防止无人机与塔架的悬浮安全距离不足导致设备间击穿短路,造成设备损毁等安全事故。此外,我国气候条件复杂、风向多变,导致无人机在输变电塔架巡线作业中与地面失联的情况时常发生[24]。因此,要求巡检人员对无人机的飞行姿态进行控制,需要事先规划好巡检距离和路线。

2.2 避障系统航迹路线规划

在无人机巡检过程中,经常会遇到飞鸟、树木、交跨线路等因素影响正常飞行巡检路线,因此需要无人机具备障碍感知功能,能够及时修订巡检路线,避让障碍物。现有的无人机利用超声波来感知距离,实现避障。超声波技术可以避免光线、烟雾的干扰,但如果障碍物表面反射超声波能力不足,就无法精确感知距离[25]。此外,利用相机和算法计算障碍物距离的技术具有便捷性高和能耗低的优点,但其对计算能力要求较高,在辨识度低的昏暗或光线变化复杂的情况下成像质量较差,准确度较难保证[26]。虽然上述主流避障方式可以做到精确、高效,但在实际应用过程中相应技术还不成熟。当前,输电线路无人机巡检系统仍然存在过度依赖专业人员操作、巡检精度易受环境影响、远距离遥控可靠性较低等问题。因此,开发了基于航线自学习技术的无人机自主巡检技术,通过融合卡尔曼滤波、路点信息的筛选流程和垂距法提高融合线路与原始线路间的相似度[27],可以避免大量无效路点信息的采集,提升巡检效率,但缺点是这样的算法较为复杂。

2.3 视觉探测数据建模

在巡检过程中,无人机搭载摄像机拍摄输变电塔架和通道,获取图像数据,进而进行缺陷诊断[28]。但无人机无法根据周围光线亮度自动调整拍摄角度、拉近距离,而且无人机的飞行速度和方向都会对数据质量产生较大的影响,导致自动巡检获取的输变电杆塔数据质量较差,难以满足实际巡检要求[29]。同时,获取输变电塔架及线路的图像点云数据后,需要处理海量图像和视频数据,即使借助计算机处理也需要耗费大量时间。因此,需要进一步研究和改进图像点云数据,准确生成三维结构的方法以及缺陷分析算法。此外,高压输变电塔架上小设备的检测偶尔会被忽略掉,造成检测效率远低于大目标设备的检测[30]。

2.4 通信问题

无人机对高压输变电塔架和线路进行巡检时,搭载了很多专业化设备,巡检会产生海量数据,回传到基站对无线通信系统的压力较大,传输易受到复杂自然环境和外部的干扰,导致数据丢失和乱码等问题[31]。同时,无人机需要与基站保持通信,对无人机飞行姿态和路线进行控制或干预,防止无人机和输变电塔架的误撞[32]。通信问题限制了无人机每次的巡检范围,导致巡检效率降低。

2.5 缺陷识别技术

巡检人员利用无人机搭载的摄像设备对输变电塔架通道和线路局部进行拍摄，人工对数据进行分析处理，从而获得塔架和通道的情况，进而确定缺陷的位置和类型等。该方式需要依赖人工进行识别分析处理，在人员不稳定的情况下判断的准确性也会受到影响。同时,由于图像清晰度和光线等问题，也会影响缺陷识别的准确性。目前，缺陷识别算法的稳定性和准确性还不高，容易受到相似类型的影响，如绝缘子缺陷识别可以根据绝缘子上污迹的位置特征来进行判断，但是附近设备的污迹也可能被识别成绝缘子的污迹。

3 无人机巡检发展趋势

3.1 融合新技术

无人机技术在高压输变电塔架巡检领域中具有很好的应用前景。随着计算机网络的飞速发展,将巡检工作与最新的数字化、大数据技术、机器学习相结合,更新巡检内容和作业模式,让无人机系统具备自主判断问题的能力,实现全自动、智能化的高压输变电塔架和线路运维,以保障电力系统运行安全、稳定、经济。

此外,通过无人机获取整个高压输变电塔架和线路的图像数据,形成三维可视化图像,是较为理想的模型建立方法。但是目前设备多为图片,仅能部分显示设备状态,其背面情况也无法获得。同时,高压输变电塔架上零部件尺度不同,对于过小的电气设备需要更加精细化的处理。因此,更新相关算法处理图像数据,克服噪声和障碍物的影响,还原出更加精确、完整度高的输变电塔架和线路三维可视化模型的研究十分迫切。

3.2 培养电力专业技术人才

若要充分发挥无人机技术在高压输变电塔架和通道巡检过程中的优势,还需加快培养具备无人机操作技术的复合型人才:能对巡检过程中发生的各种问题进行精准识别和处理,监测输变电线路故障点,实时向地面巡检中心传送数据;能够识别故障点,分析破坏类型和程度,及时维修或者替换故障设备,在最短时间内保障设备正常运行。因此,需要国家和相关部门推进无人机应用技术培训,立足电力巡检需求,培养具有专业技术的电力巡检团队,确保输变电塔架能够及时得到技术维护。

3.3 完善无人机测距系统

为了获得精准的杆塔信息,需要无人机靠近飞行,但是无人机会受到电磁干扰,机身不稳定导致失控。同时,飞控信号也将受到干扰,影响传输稳定性,因此需要完善无人机测距系统。常用的超声和红外都只能获得单个方向上的距离,而视觉测距和激光技术都可以获得精确的多点距离,且体积小、能耗低,所以采用激光和视觉相结合,是提高无人机航线安全、保障无人机巡检作业安全的有效测距方法。

3.4 提高无人机续航能力

众所周知,续航能力是保障无人机作业的先决条件。目前无人机续航能力普遍在3 h左右,但巡检作业中地域和环境复杂,要求续航能力更高。当前很多国家在无人机上搭载锂电池和太阳能电池,利用太阳能为无人机供能,锂电池备用供能。我国在2020年出台了无人机氢燃料电池相关标准,为无人机续航提供了更好的动力选择,实验也证明氢燃料电池续航能力是锂电池的2倍以上,可以提升无人机的续航能力。此外,在保证安全稳定的情况下,可以考虑减轻无人机的质量,也能延长飞行距离和续航时间,进一步提升续航能力。

4 结 语

本文对高压输变电塔架及通道的4种巡检方式进行了比较,分析了各自的优缺点。其中,无人机高压输变电塔架巡检技术可以有效弥补传统巡检短板,满足新时期电力设备巡检的要求,可以明显减轻作业人员负担,降低环境影响,提高巡检效率和精度。但是,在高压输变电塔架及通道巡检过程中,无人机在飞行姿态控制、避障系统航迹路线规划、视觉探测数据建模、通信等方面存在不少问题。因此,在融合新技术、培养电力专业技术人才、完善无人机测距系统和提高无人机续航能力等方面还需作进一步的研究。