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无人机技术在输电线路维修检测中的应用

2024-11-05 26 上传者：管理员

摘要：本文旨在探讨无人机技术在输电线路维修检测中的应用前景和关键技术。通过总结无人机在线路运维中的功能优势，分析了遥感检测与数据融合、安全飞行与防碰撞、智能化系统构建等关键技术，并介绍了无人机在故障巡检、构件精细检测、特殊环境巡检等场景中的具体应用实践。研究结果显示，无人机技术可实现对线路的高效遥感监测，提高缺陷识别精度；能够执行安全可靠的飞行作业，满足特殊环境需求；并可与人工智能等技术相结合，构建智能化的线路运维体系，大幅提升运维现代化水平。

关键词：
无人机技术
智能化系统
电力系统
输电线路运维
遥感监测
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随着电力系统日益发展，输电线路维护工作的重要性备受关注。传统的人工巡视检修方式不仅效率低下，而且存在一定的安全隐患[1]。近年来，无人机技术在电力领域的应用日趋广泛，为输电线路的运维检修工作带来了新的契机。无人机可有效提高输电线路巡检的及时性和准确性，实现对输电线路、电力杆塔及附属设施的全方位检测，及时发现安全隐患，为应急抢修提供准确的故障信息，缩短整体响应时间。总的来说，无人机技术在输电线路运维领域具有广阔的应用前景，是提升输电线路健康水平、确保电网安全稳定运行的有效手段。

1、无人机技术在输电线路运维中的功能与优势

无人机技术在输电线路运维领域展现出诸多突出的功能优势：（1）无人机可实现对输电线路及附属设施的高效遥感检测。通过搭载高分辨率视觉传感器、红外热像仪等先进设备，无人机能够对线路进行全天候、多角度的拍摄，获取影像、激光点云等高精度数据[2]。根据中国南方电网公司的统计数据，利用无人机巡检，每公里线路的检测时间可缩短60%以上，检测精度则比人工目视提高80%。这为及时发现线路缺陷、评估设施状态提供了可靠的数据支撑。（2）无人机可高效执行故障抢修和应急响应。通过遥感监测和数据采集，第一时间掌握故障性质和范围，为制定抢修方案提供准确依据。例如，在2021年的江西特大暴雨灾害中，无人机就成为了重要的应急通信和监测手段，协助完成了多条线路的巡查和评估[3]。（3）无人机可满足特殊环境下的巡检需求。对于复杂地形、高空作业等传统无法覆盖的场景，无人机可发挥其灵活机动的优势，通过精准控制实现高效覆盖，确保检修质量。（4）无人机技术与大数据、人工智能等技术相结合，可构建智能化的线路运维体系。通过数据融合算法处理多源遥感数据，并结合知识库，系统可自动识别多种线路缺陷，实现故障预警。这种智能化手段可大幅提升运维的自动化和智能化水平。

2、无人机在输电线路运维中的关键技术

2.1 遥感检测技术及数据融合算法

遥感检测技术及数据融合算法是无人机在输电线路运维中发挥作用的关键技术支撑。通过搭载多种遥感传感器，无人机可获取线路周边环境的高精度影像、激光点云、红外热数据等多源异构数据，为线路状态评估和缺陷识别提供宝贵信息。然而，单一数据源往往难以完整刻画复杂的线路环境，因此需要利用先进的数据融合算法有效整合多源数据，提高检测的精确性和可靠性。在实际应用中，视觉图像是无人机遥感检测的主要数据源之一。通过图像分析技术，如基于深度学习的目标检测、实例分割等算法，可自动识别线路、绝缘子等线路组件，并精确定位构件缺陷，如绝缘子串掉落、顶撑绝缘子开裂等，检测精度可达90%以上[4]。但是，图像数据对遮挡、光照等环境条件依赖较大，单独使用往往难以获取全面的线路信息，激光点云数据则可以有效弥补图像数据的不足。根据中国电力科学研究院的研究，基于激光点云的线路建模重构精度可达厘米级，可充分反映线路的几何形状和空间位置。结合智能点云处理算法，能够快速、精准获取线路头铁架空导线的绝缘子悬垂串数、绝缘子子串间距、导线挂移等参数，为检测线路缺陷提供精细化的数据支撑。此外，红外热成像技术可用于监测线路的温升状况和局部发热情况，发现潜在的线路过热缺陷，如绝缘子串发热、接地线发热等。通过与点云、图像数据相融合，可精确定位发热缺陷的位置和范围。

2.2 安全飞行策略与防碰撞技术

安全飞行策略与防碰撞技术是确保无人机在输电线路运维过程中安全高效作业的关键。在飞行策略方面，需要基于输电线路的空间位置信息、周边环境及气象条件等，对无人机的航路进行合理规划。通常采用的方法是首先建立三维输电线路模型，结合数字地形地貌数据构建出周边环境的三维场景模型。在此基础上，通过智能路径规划算法，如A*算法、随机树算法等，综合考虑航距、航时、电量消耗等约束条件，自动生成安全、高效的飞行路线。防撞技术则主要包括实时环境感知和智能避障两个方面。在环境感知方面，需要通过融合激光雷达、视觉传感器等多源传感数据，借助立体视觉重建、点云配准等算法，实时获取周边环境的三维结构信息，精准识别障碍物。在实际场景中，输电线路作为狭长形障碍物，其表面材料和特征曲率会影响激光雷达的测距精度，需要有针对性地优化数据处理算法。在避障方面，首先需要基于感知到的障碍物信息，利用贝叶斯决策等方法，对碰撞风险进行评估，判断是否需要规避。如有必要，则通过实时路径重规划，动态更新飞行轨迹，如采用基于几何代数方法的无碰撞轨迹生成算法：

其中，q为无人机的状态变量，f(q)和gi(q)分别表示漂移项和控制项，αi(q)为基于障碍物约束设计的切换函数，ui为控制输入。通过求解该方程，可生成无碰撞的飞行轨迹。

2.3 无人机巡检系统的构建

无人机巡检系统的构建是实现输电线路智能化运维的关键环节。该系统通过集成无人机硬件平台、遥感探测技术、数据处理算法、决策支持系统等多个模块，形成一个完整的数字化线路巡检体系，可高效执行线路状态监测、缺陷智能识别、运维决策支持等任务。无人机硬件平台是系统的基础，需要集成高精度导航与控制模块、多种遥感传感器等，确保飞行安全性和数据采集质量。例如，可搭载RTK/PPK差分定位系统，测量精度可达厘米级，为高精度三维重建奠定基础；通过融合激光雷达、高光谱相机等传感器，可获取全方位的线路遥感数据。遥感数据经过前期处理后，需输入到后续的数据处理模块。该模块通过集成深度学习、机器学习等算法，可实现对线路组件的自动识别和状态诊断。如基于点云分割、语义分类等技术，能够精准提取输电线路、杆塔等设施的几何信息，为缺陷识别提供可靠支撑；基于图像目标检测、实例分割等算法，可自动识别线路绝缘子、顶撑等重点部件的缺陷情况，检测准确率可达90%以上。在数据处理的同时，系统需建立输电线路设施的数字化三维模型，与遥感数据相结合，直观呈现线路全貌。通过时空数据融合技术，可追溯分析设施的运行历史，发现潜在的健康隐患。此外，基于大数据分析与知识库技术，系统可自动生成线路缺陷报告，为后续决策提供支持。最终，系统需提供可视化的决策支持界面，集成GIS技术、Web服务等，直观呈现线路全息图，辅助运维人员全面把握线路状况。

3、无人机在输电线路检修中的具体应用

3.1 故障巡检与应急响应机制

无人机在输电线路故障巡检与应急响应中发挥着重要作用。当线路发生故障时，无人机可迅速部署至现场，通过高效的遥感监测和数据采集，第一时间掌握故障性质和范围，为制定精准的抢修方案提供关键支撑。同时，无人机还可借助卫星遥感等手段，对大范围受灾区域进行快速巡查，为应急指挥提供全面灾情信息。以2021年7月的河南特大暴雨为例，该灾害造成河南多条输电线路中断，形成大面积停电[5]。当时，南阳、新乡、焦作等地的无人机应急分队迅速出动，在暴雨过程中对重点线路进行临时巡查。无人机搭载热红外相机、测绘相机等设备，能够穿透浓雾，有效识别故障点位置，并获取现场高清影像。仅南阳供电公司的无人机队伍，就在3天内完成了148km的重点线路巡查任务，为灾后的维修工作提供了关键支持。在故障巡查过程中，无人机通常首先依托先期规划的航线快速抵达现场，进行遥感监测。利用机载激光雷达和测绘相机，无人机可同步获取导线位置的三维点云数据和高分辨率正射影像，通过人工智能分析，系统可自动识别线路走形位移、絮状风蚀等故障情况，检测精度可达80%以上。对于难以靠近的故障点，无人机可开展近景遥感勘察，利用高光谱影像和红外热成像等手段，获取关键构件如绝缘子的温升情况，快速判断故障类型，如线夹发热或覆冰等。除故障现场监测外，无人机还可开展大范围的航线巡查，借助星载雷达等手段，对大面积受灾区域内的线路进行快速扫描，确定故障范围。如2018年9月的浙江台风灾害，通过无人机航线巡查和卫星遥感技术的相互配合，仅用了4天时间，就完成了2661km线路的检查工作，极大缩短了灾情评估时间。

3.2 杆塔本体及附属设施的精细化检测

无人机在输电线路杆塔及附属设施的精细化检测方面具有独特优势。由于杆塔结构复杂，且部分重要部件如绝缘子串、接地线等位置较高，施工人员难以近距离观测，传统的人工巡检往往无法做到全面彻底。而无人机可以在近距离环视杆塔全貌，搭载高精度传感器，获取关键部位的细节数据，为缺陷检测提供可靠支撑。以绝缘子串为例，它是杆塔上的重要绝缘部件，其完整性直接关系到线路的运行安全。无人机可通过机载高分辨率相机（>2000万像素）和测距激光雷达获取绝缘子串的三维数据，并基于深度学习的目标检测算法自动识别绝缘子串的位置和数量，检测精度可达98%以上。通过点云分割和缺陷识别技术，系统还可准确发现绝缘子串掉落、绝缘子单只开裂等隐患。此外，无人机可利用红外热成像技术检测构件存在的温升缺陷。以某线路为例，杆塔上的接地线由于老化腐蚀，出现局部过热现象。当时，无人机搭载高精度红外热像仪（温度分辨率<0.05℃）对杆塔进行扫描，并将热数据与三维模型相融合，精确定位了发热区域的位置，为后续更换接地线提供了指导。对于一些特殊构件，无人机还可采用专门的检测手段。如对绝缘子串进行紫外成像检测，可发现绝缘子串存在的潜在电晕放电隐患；对拉线进行等离子体诱导射线检测，可探测其内部腐蚀情况，分析剩余使用年限。这些精细化的无损检测技术，可有效发现肉眼难以觉察的隐患，从而及时消除安全隐患。

3.3 特殊环境下的巡检

在特殊环境下，传统的人工巡检方式往往力有未逮，而无人机由于其出色的机动性能和环境适应性，可有效克服这一挑战，如表1所示。

以复杂地形环境为例，无人机系统首先基于高程数字模型构建三维场景，并结合线路空间位置数据、气象数据等，通过A*算法和粒子群优化等方法生成最优飞行路线，确保飞行安全高效。在某750km的高海拔山区线路巡检中，该技术路线长度缩减20%，飞行效率提升35%。在低能见度环境下，无人机可集成红外热像仪、激光雷达等传感器，在无需可见光的情况下持续工作。以某次重雾区域200km线路巡检为例，系统通过激光雷达获取高精度点云数据，并基于SLAM算法自主建立三维环境模型，实现全程自主导航，避免了人工盲目飞行的风险。对于极端气候环境，无人机硬件平台需具备特殊设计，并配备强大的环境适应算法。例如在某寒区的-40℃低温巡检中，无人机采用了防冰、防凝露等技术，可长时间工作；同时系统集成了大风力飞控算法，适应≥8级风力，飞行速度达20m/s，确保线路全覆盖。此外，针对特殊场景，无人机还可配置专用识别算法。如在林区巡检时，基于深度学习目标检测技术可自动识别林火、树枝杂草等威胁，保障线路安全。

表1 无人机不同特殊环境下的巡检内容

4、结语

无人机技术在输电线路维修检测领域大显身手，通过集成先进的遥感探测、智能导航控制、人工智能等技术，可实现高效、安全、精准的线路检测和故障诊断，极大提升输电线路运维的现代化水平。未来，随着相关技术不断创新，无人机在该领域的作用将日趋凸显。可期待无人机系统实现高度自主化巡检作业，融合5G通信、云计算等新技术构建远程协同作业平台，并基于大数据和人工智能技术优化线路设施运行管理策略，实现输电线路高效智能运维。不难预见，无人机必将成为输电线路运维的重要力量，为构建安全可靠、智能绿色的现代电网注入新动力。

参考文献:

[1]刘向超.无人机技术在电力巡检信息化管理中的运用分析[J].中国管理信息化,2023,26(19):102-105.

[2]吴嘉琦,冉术兰.输电线路巡线中的无人机技术应用[J].电子技术,2023,52(09):242-243.

[3]刘德帅,李勇军,罗得表.基于无人机技术的输电线路检测和故障定位方法[J].无线电工程,2023,53(10):2431-2438.

[4]刘永勇,刘依伶,林植成.无人机技术在输电线路无损检测中的应用[J].集成电路应用,2022,39(09):302-303.

[5]李延龙,寸杰宏,杨尚玉等.无人机技术在输电线路电晕放电检测中的实际应用[J].电工技术,2019,(22):67-68+71.

文章来源:韩喜琴.无人机技术在输电线路维修检测中的应用[J].家电维修,2024,(11):101-103.