基于多无人机协同的输变配一体化巡检策略研究

张德帅 王泽跃 臧博琦

摘  要：为提高输变电设备智能化运维质效，充分利用架空输电线路“自主巡检”“机巢”建设成果，通过分析无人机自主巡检工作痛点、难点，提出了一种基于多无人机协同的输变配一体化智能巡检策略。此方案充分考虑输变配一体化巡检后设备体量的指数增长情况，从多无人机巡视任务与航线规划、同空域多无人机巡检安全性、现场设备变化后航线调整工作量及缺陷分析等角度出发探索解决方案。方案落地后，可以将一线人员从繁重的巡视工作中脱离出来，提高巡视作业智能化、自动化程度。同时可以大幅度提高巡检资源利用率，精细化管理输变配设备缺陷、隐患，极大程度助力输变配设备风险评估和状态评估工作，对提升智能化运检水平、提高主网运行可靠性具有十分重要的现实意义。

关键词：输变配一体化巡检  多无人机协同作业  “立体巡检”运维新模式  风险评估

中图分类号：TM755

Research on the Integrated Inspection Strategy of Transmission， Transformation and Distribution Based on Multi-UAV Collaboration

ZHANG Deshuai  WANG Zeyue  ZANG Boqi

（Chengxi Power Supply Branch， State Grid Tianjin Electric Power Company， Tianjin，  300113 China）

Abstract： In order to improve the quality and efficiency of the intelligent operation and maintenance of power transmission and transformation equipment， and make full use of the construction results of the "autonomous inspection" and "nest" of overhead transmission lines， this paper analyzes the pain points and difficulties of the autonomous inspection of UAVs， and proposes an integrated intelligent inspection strategy of transmission， transformation and distribution based on multi-UAV collaboration. The solution fully considers the exponential growth of equipment volume after the integrated inspection of transmission， transformation and distribution， and explores solutions from the perspectives of multi-UAV patrol tasks and route planning， multi-UAV inspection safety in the same airspace， and route adjustment workload and defect analysis after on-site equipment changes. After the solution is implemented， it can separate the front-line personnel from heavy inspection work， so as to improve the degree of the intelligence and automation of inspection operation， and it can also greatly improve the utilization rate of inspection resources and refine the management of the defects and hidden dangers of transmission， transformation and distribution equipment， so as to greatly help the risk assessment and status assessment of transmission， transformation and distribution equipment， which is of great practical significance for improving the intelligent operation and inspection level and improving the operational reliability of the main network.

Key Words： Integrated inspection of transmission， transformation and distribution; Multi-UAV collaborative operation; New operation and maintenance model of "three-dimensional inspection"; Risk assessment

1  研发背景

随着电网的快速发展，输变配设备的规模大幅度增长，电网设备的运行风险和压力与日俱增，一线运维人员承载力不足、设备运维智能化水平低的问题难以适应电网高速发展和安全运行要求。变电站多为无人值守变电站，运维人员管辖范围较大，且由于巡视手段、巡视精度局限，存在大量巡视盲区。输配电设备无人机自主巡检工作虽然已经在很多网省公司广泛应用，但是巡检数据管理粗放、资源和巡检数据未充分利用的问题日渐凸显。

浙江丽水供电公司南城无人机管控室通过将输变配一体化巡检指令下达至试点机巢，成功实现了输变配一体化巡检的试点应用[1]。潘德泰等人[2]为了解决电网复杂背景下误检率高的问题，并提高巡检效果，提出了基于计算机视觉的电网输变配环节配电线路巡检系统。卢峭峰等人[3]基于已成熟的车载机巢技术，运用的“巢-巢”巡检模式，提出了一种多无人机协同智能巡检车载机巢的设计方案。以上研究都存在一定的局限性，对输变配设备自主巡检工作未从技术层面展开反洗，同时未对智能化巡检策略的数据分析与数据应用提出建设性意见。

为充分利用“自主巡检”“机巢”成果，优化区域化输变配设备智能化巡检策略，充分挖掘巡检过程数据应用价值，本文提出了一种基于多无人机协同的输变配一体化巡检策略。该策略针对输变配专业运检痛点、难点，在点云扫描、三维建模、航线规划制定巡视航线的基础上，探索多无人机巡视任务与航线规划、同空域多无人机巡检安全性、现场设备变化后航线调整工作量及缺陷分析等关键问题，极大地提高了无人机巡检效率，提高了输变配设备安全性与可靠性。

2  一体化巡检策略在输变配设备中的应用研究

2.1  总体设计方案

本文提出一种多无人机协同的输变配一体化巡检策略，利用无人机智能巡检设备实现输配电线路和变电设备联合巡检，输配电设备以架空输电线路本体与通道巡视为主，变电设备以站内门架、室外变压器等设备为主，采用可见光+红外巡视模式[4]。输变配一体化巡检作业覆盖范围采用固定机巢或移动机巢为中心，以5 km为半径实施，多台无人机协同开展作业，作业后对现场数据进行分析，一体化巡检流程如图1所示。

2.2  巡检策略核心工作

2.2.1 点云数据采集、航线规划与微调

为获取输变配设备三维模型，首先使用大疆M300无人机搭载L1激光雷达对全部输变配待巡检设备开展激光点云扫描工作，对点云数据进行处理后获得三维模型如图2所示。三维模型的搭建以变电站为中心，辐射周边输电、配电线路。

当现场设备、环境出现变化时，在巡检可见光照片辅助下，直接对点云模型基础上的已有航线进行微调，避免大量的、重复的点云扫描与航线重规划工作。

2.2.2 多无人机任务分配及巡视路径规划

输变配巡检工作一体化开展后，设备体量与输电线路自主巡检相比将呈指数增长，以变电站为中心，为机巢内无人机进行巡视任务分配，巡视任务分配采用改进的匈牙利算法。分配结束后为每台无人机制定巡视航线，最优航线规划采用改进的深度优先搜索算法[5]。所规划航线要求无人机间任务分配合理、巡视路径最优，巡视轨迹与带电线路保持安全距离，关键点位数据无遗漏，巡视过程避开障碍物。

2.2.3 数据分析及报告批量生成

一体化巡检作业完成后，生成了大量可见光照片及红外照片。拍摄可见光、红外照片清晰可用，拍摄角度合、数据采集频率合理。针对可见光照片，通过设计模式识别算法并开发软件，可以批量分析照片中设备缺陷，并按照缺陷等级进行分类，辅助运维人员开展缺陷定级及检修计划安排。针对红外照片，可使用大疆制图软件进行批量分析及报告生成。运检人员可根据缺陷及报告中数据情况，合理安排检修计划开展消缺。考虑到现有模式识别算法在电力设备缺陷分析中的可靠性仍旧不强，大量现场照片依赖一线人员分析，软件中开发照片对比功能，当照片间对比重合率较高时进行筛除，减少缺陷照片分析工作量。

2.2.4 巡检过程无人机的安全性探讨

输变配一体化巡检策略应用后，统一空域无人机数量将大幅增加，巡视航线的规划必须考虑多无人机之间干扰导致炸机情况的出现。本策略研究无人机反制技术，对空域内非法入侵无人机进行驱离，通过规划无人机应急航线，避免任务中不同机巢无人机之间碰撞，提高无人机巡检安全性。

3 一体化巡检策略的应用效果

多无人机协同的输变配一体化巡检策略具有实用高效、智能安全等特点。依托自主巡检激光点云扫描、航线规划、自主巡检、数据分析主线，对协同巡检工作开展过程中痛点和难点进行分析，极大提高了一线巡视效率。实现智能替代的同时，将输变配设备有机结合，真正实现了运检专业无人机巡检工作的统一部署。该策略可以极大地提高输变配设备缺陷排查效率，为后续合理开展设备状态评价及风险分析提供原始数据。同时通过对海量点云数据进行数据挖掘，可以提高过程数据应用率，探索更多数据使用价值。一线运检人员承载力的大幅度降低，间接支撑了核心业务自主实施等其他重要工作，有利推动了主网的安全、稳定运行[6]。

4 结语

本文提出了一种多无人机协同的输变配一体化巡检策略，该研究主要完成了如下几点：

（1）使用可见光照片辅助开展巡视航线调整，在现场环境变化不大时，通过航线微调提高现场数据的可靠性；（2）对多无人机协同作业过程的巡视任务分配、航线规划进行分析，提高无人机巡视效率；开发多无人机巡视应急航线与非法无人机反制系统，确保巡检无人机安全性；（3）改进现有模式识别算法与巡视路径（任务）规划算法，提高设备缺陷识别率和运维效率，通过开发照片对比功能减少缺陷分析工作量。

无人机自主巡检在架空输电线路取得了良好的应用效果，极大提高了一线运维人员隐患、缺陷排查效率。随着相关技术日臻成熟，无人机巡检由输电向输变配一体化转变成为必然趋势。这一转化过程伴随着巡检设备密度、作业无人机数量和图像数据量的大幅度增加，本文对这些问题进行了深入讨论后提供了可靠的解决思路，为运检专业协同作业及资源有效利用做出了积极贡献。

参考文献

[1]洪瑜阳，王骏永.浙江丽水：成功应用无人机输变配一体化巡检[J].农电管理，2023（1）：7.

[2]潘德泰，李贵亮，何启远，等.基于计算机视觉的电网输变配环节配电线路巡检系统[J].电子设计工程，2023，31（17）：85-89.

[3]卢峭峰，陈昌岭，许周，等.一种输变电多无人机协同智能巡检机巢的设计[J].光源与照明，2022（11）：182-184.

[4]褚忠凯.输变电工程监管一体化管理模式应用研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2021.

[5]魏勇军，刘璇，齐锐，等.输变配一体化智能技术的视频监控云平台设计与应用[J].粘接，2023，50（11）：185-188.

[6]程曦，翟晓萌，仓敏，等.无人机低空遥感技术在输变电工程水土保持监测中的应用[J].中国水土保持，2023（2）：50-53.