無人機(jī)在輸電線路巡檢中的應(yīng)用

引言

社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展離不開電網(wǎng)規(guī)模的迅速擴(kuò)大。大規(guī)模復(fù)雜的輸電線路需要更多的人力、物力進(jìn)行巡檢,由于分布存在差異,輸電線路的缺陷隱患也各不相同。傳統(tǒng)的以人工為主的輸電線路巡檢方法存在巡檢精度低、盲區(qū)多、運(yùn)維范圍小等缺點(diǎn),不能滿足線路巡檢的要求,傳統(tǒng)巡檢方法存在的這些不足促進(jìn)了無人機(jī)巡檢技術(shù)的發(fā)展。

1輸電線路巡檢現(xiàn)狀

目前輸電線路的巡檢方法主要有人工巡檢、機(jī)器人巡檢、直升機(jī)巡檢和無人機(jī)巡檢。其中,人工巡檢只適合小規(guī)模、小范圍的輸電線路巡檢,針對大面積、大范圍、復(fù)雜的山區(qū)和水域等輸電線路的巡檢,人工巡檢需要花費(fèi)大量人力、物力,且存在巡檢盲區(qū)。直升機(jī)巡檢效率高,但是需要投入大量的資金,同時直升機(jī)技術(shù)比較復(fù)雜,推廣使用比較困難。機(jī)器人巡檢距離比較短,效率低,而且只限于桿塔之間。而無人機(jī)由于飛機(jī)體積小、成本低、使用方便,技術(shù)比較簡單成熟,在電力巡檢中逐漸被認(rèn)可,其能夠克服直升機(jī)、機(jī)器人以及人工巡檢的缺點(diǎn),因而在輸電線路運(yùn)維工作中扮演的角色日益重要起來。

無人機(jī)是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛行器,無人機(jī)可以搭載各種監(jiān)測設(shè)備,如紅外、激光雷達(dá)、圖像采集設(shè)備等。通過無人機(jī),運(yùn)維人員可以方便地借助監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行人工無法實(shí)現(xiàn)的、危險的以及重復(fù)性的輸電線路運(yùn)維工作。

2無人機(jī)輸電線路巡檢

無人機(jī)輸電線路的巡檢通常情況下是無人機(jī)搭載相機(jī)、激光雷達(dá)、紅外設(shè)備等工具對輸電線路進(jìn)行巡檢、數(shù)據(jù)采集。采集的原始數(shù)據(jù)通過通信設(shè)備傳輸至地面終端的工作站,內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理人員利用專業(yè)的軟件打開采集的數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,分析得到輸電線路中存在的缺陷隱患,然后根據(jù)制訂的運(yùn)維檢修策略,安排運(yùn)維人員進(jìn)行排查消缺。

無人機(jī)的巡檢可以通過圖像數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)等對輸電線路的斷股、鳥窩、溫度異常、絕緣子掉串、金具銹蝕、樹障等進(jìn)行監(jiān)測分析。

2.1無人機(jī)巡檢系統(tǒng)

無人機(jī)系統(tǒng)包含飛行平臺、機(jī)載設(shè)備、通信設(shè)備、地面站。其中,飛行平臺自身可搭載許多先進(jìn)的數(shù)據(jù)獲取儀器,還有自助預(yù)警設(shè)備和相關(guān)的輔助設(shè)備,其作用為保持飛行平臺在空中穩(wěn)定飛行。機(jī)載設(shè)備作為巡檢工具搭載在飛行平臺上,機(jī)載設(shè)備的參數(shù)根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置。通信設(shè)備可將采集的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心。地面站的主要作用是運(yùn)維人員可以無線操控?zé)o人機(jī),并提供位置信息。

2.2無人機(jī)巡檢過程

輸電線路的巡檢包括多項(xiàng)工作,為使輸電線路的巡檢更加規(guī)范,同時提高巡檢效率,需要在巡檢前根據(jù)規(guī)范、實(shí)際項(xiàng)目的需要、現(xiàn)場實(shí)際情況等制訂巡檢流程。無人機(jī)巡檢作業(yè)流程如圖1所示。

(1)巡檢策略。輸電線路的運(yùn)維管理單位根據(jù)管轄區(qū)域內(nèi)輸電線路上一年的巡檢結(jié)果及上級單位的任務(wù)安排,綜合制訂符合單位需求的運(yùn)檢策略,并細(xì)化到每季度的巡檢策略。

(2)制訂巡檢計(jì)劃。根據(jù)運(yùn)維策略并結(jié)合線路巡檢的情況(缺陷、隱患),制訂合理的巡檢計(jì)劃。

(3)巡檢前期準(zhǔn)備。根據(jù)之前人工巡檢踏勘的線路地形地貌和周圍的環(huán)境,準(zhǔn)備線路、桿塔的臺賬信息,以備后續(xù)使用。

(4)現(xiàn)場線路巡檢,數(shù)據(jù)處理、分析?，F(xiàn)場線路巡檢主要包括無人機(jī)飛行前的準(zhǔn)備和線路巡檢。無人機(jī)飛行前需要對無人機(jī)進(jìn)行檢查、試飛,包括確定飛行路線:線路巡檢是無人機(jī)搭載機(jī)載設(shè)備按照設(shè)定的飛行路線對線路重要部位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)處理、分析主要是對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、預(yù)處理、分析。

(5)線路巡檢結(jié)果。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果,總結(jié)巡檢的結(jié)果,以備線路狀態(tài)評估使用。

(6)線路排查、消缺。根據(jù)線路巡檢結(jié)果,對出現(xiàn)缺陷或隱患的線路重要部位進(jìn)行現(xiàn)場排查,并進(jìn)行消缺處理,對于存在隱患的部分進(jìn)行線路的狀態(tài)評價。

2.3巡檢路徑規(guī)劃

在使用無人機(jī)巡檢時,最為重要的是輸電線路的巡檢路徑要明確。傳統(tǒng)的巡檢路徑規(guī)劃方法是人工采集線路的重要點(diǎn)位,然后將重要點(diǎn)位導(dǎo)入無人機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)中,這種方法需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算,否則會出現(xiàn)無人機(jī)飛行安全問題。

為方便運(yùn)維人員更加有效地規(guī)劃線路巡檢路徑,可使用遺傳算法進(jìn)行路徑規(guī)劃。輸電線路巡檢路徑主要包含巡檢線路的起點(diǎn)、終點(diǎn)、拐點(diǎn)以及線路中重要目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)信息,同時路徑規(guī)劃也與無人機(jī)自身的參數(shù)以及實(shí)際巡檢任務(wù)的要求有關(guān),如無人機(jī)電池容量、最低巡檢高程、最大拐角等。路徑規(guī)劃的最優(yōu)選擇是在滿足巡檢要求的前提下找到符合約束條件的線路,同時消耗較少的人力、物力。

在實(shí)際巡檢中,懲罰函數(shù)的表達(dá)式如下:

式中:a、b、c、:為常數(shù):xi表示不同的約束條件。

實(shí)際的運(yùn)維巡檢中,可以根據(jù)兩個相鄰的路徑節(jié)點(diǎn),計(jì)算整個線路節(jié)點(diǎn)總的路徑長度,假設(shè)一條線路有n+1個目標(biāo)點(diǎn),目標(biāo)函數(shù)可以表示為:

式中:mi表示第i段線路的長度:h表示懲罰函數(shù)。

根據(jù)式(1)(2),路徑規(guī)劃的函數(shù)可以表示為:

這種規(guī)劃方法是根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)的最小解得到最佳巡檢路徑,約束條件的選擇及常數(shù)需要根據(jù)實(shí)際巡檢任務(wù)具體分析。

2.4線路故障的探測

輸電線路故障的探測根據(jù)故障的類型主要分為3個方面:

(1)根據(jù)無人機(jī)搭載的攝像頭對線路周圍進(jìn)行拍照,運(yùn)維人員根據(jù)照片判斷分析故障類型及故障的嚴(yán)重程度。人工逐個進(jìn)行分辨存在效率低、人為干擾過多等缺點(diǎn),因此需采用智能深度學(xué)習(xí)的方法對輸電線路圖片進(jìn)行批量識別,目前廣泛使用深度學(xué)習(xí)方法識別故障,對故障進(jìn)行分類。使用較為廣泛的主要是基于RetinaNet模型的深度學(xué)習(xí)方法,此方法選取以分類損失函數(shù)為核心特征的金字塔網(wǎng)絡(luò)為骨干網(wǎng)絡(luò)用于圖像目標(biāo)的自動檢測。相比傳統(tǒng)的一階目標(biāo)檢測和二階目標(biāo)檢測模型,此方法在精度和準(zhǔn)確度上都較高。

(2)無人機(jī)搭載紅外線和紫外線監(jiān)測設(shè)備,利用紅外線獨(dú)有的優(yōu)勢監(jiān)測輸電線路的溫度異常,確定線路的故障點(diǎn)位置:利用紫外線監(jiān)測輸電線路放電后產(chǎn)生的信號,以此檢測線路放電缺陷點(diǎn)故障。

(3)無人機(jī)搭載激光雷達(dá)設(shè)備對輸電線路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,根據(jù)測區(qū)已有的控制點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算,求得點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)點(diǎn)位置。對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類,形成彩色點(diǎn)云,分類分別為高植被、低植被、電力線、桿塔、地面等多類。根據(jù)已有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量測樹木、建筑物至輸電線路的距離,并依據(jù)電網(wǎng)樹障判斷標(biāo)準(zhǔn)分類出輸電線路的危險點(diǎn)。同時,可以根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)模擬出大風(fēng)、高溫、覆冰情況下的輸電線路,為樹障砍伐、輸電線路改造提供依據(jù),從而為電力線路的檢修運(yùn)維和建設(shè)工作提供方便。

2.5輸電線路的評估預(yù)測

根據(jù)巡檢數(shù)據(jù)分析結(jié)果,線路的隱患目標(biāo)點(diǎn)會對輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)造成安全風(fēng)險,因此需要對巡檢后的線路做風(fēng)險評估預(yù)測。輸電線路風(fēng)險評估,主要涉及設(shè)備的健康度、交叉跨越類型、微氣象因子等。設(shè)備健康度直接引用設(shè)備狀態(tài)評價結(jié)果(巡檢數(shù)據(jù)的分析),分為正常、注意、異常和嚴(yán)重4種狀態(tài):微氣象因子包括氣溫、降水量、風(fēng)速、相對濕度、大氣壓強(qiáng)等。建立風(fēng)險評估模型,技術(shù)路線如圖2所示。

根據(jù)設(shè)備健康度和交叉跨越重要性,確定風(fēng)險評估管控級別一1級、1級、Ⅲ級、V級,根據(jù)不同的管控級別制訂不同的管控措施,可以有力保障輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行。缺陷隱患整治應(yīng)做到及時發(fā)現(xiàn)、準(zhǔn)確定級、立即消缺、閉環(huán)管控,原則上,應(yīng)在規(guī)定時限內(nèi)完成整治處理,或采取必要的措施將隱患影響盡可能降至最低。

3結(jié)語

無人機(jī)因其輕量便捷、成本低的優(yōu)勢,在輸電線路巡檢中發(fā)揮著越來越大的作用,有著廣闊的發(fā)展前景。無人機(jī)搭載機(jī)載設(shè)備進(jìn)行巡檢很大程度上節(jié)約了人力、物力,同時可以應(yīng)用于人工無法進(jìn)行巡檢的線路以及危險線路,避免了線路巡檢的盲點(diǎn),為線路的運(yùn)維管理提供了強(qiáng)有力的輔助工具,推動了輸電線路運(yùn)維的智能化進(jìn)程。無人機(jī)搭載設(shè)備監(jiān)測的多源海量數(shù)據(jù)為輸電線路的智能分析提供了數(shù)據(jù)支撐,促進(jìn)了深度學(xué)習(xí)、人工智能方法在輸電線路運(yùn)維中的應(yīng)用。