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无人机技术在电力行业中的应用研究

范文

杨莉周年荣黄星于辉唐标尹春林

摘? 要：随着我国电网建设的发展，布设线路的规模不断扩大，公里数持续增加，且由于这些线路绝大多数架设在野外，所处的地理环境复杂，周围气象条件多变，无疑给电力线路巡检、线路规划及线路架设作业带来了极大的挑战与不便，考虑利用无人机来替代人工巡线等工作，可以减少作业难度、较好的提高工作效率、从而减轻作业人员的工作量并降低工作危险系数，具有重要的现实意义和价值。本文结合实际业务的开展，基于云大物移技术重点研究介绍了无人机的关键技术以及无人机技术在电力行业中的应用探索。

关键词：无人机;电力线路巡检;云大物移;机巡数据中心

中图分类号： TP99? ? 文献标识码： B? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.027

本文著录格式：杨莉，周年荣，黄星，等. 无人机技术在电力行业中的应用研究[J]. 软件，2019，40（10）：121124+194

Research on the Application of UAV Technology in Electric Power Industry

YANG Li， ZHOU Nian-rong， HUANG Xing， YU Hui， TANG Biao， YIN Chun-lin

（Yunnan Electric Power Research Institute， Kunming 650217， China）

【Abstract】： With the development of China's power grid construction， the scale of laying out lines is expanding and the number of kilometers is increasing continuously. Because most of these lines are set up in the field， the geographical environment is complex， and the surrounding meteorological conditions are changeable， it undoubtedly brings great challenges and inconveniences to power line inspection， line planning and line erection. Considering the use of unmanned aerial vehicles to replace manual patrol lines， etc. Work can reduce the difficulty of work， improve work efficiency， reduce the workload of workers and reduce the work risk factor， which has important practical significance and value. In this paper， the key technologies of UAV and the application of UAV technology in electric power industry are introduced based on the research of CBIM Technology.

【Key words】： UAV; Power line inspection; CBIM; Machine patrol data center

0? 引言

随着经济发展速度的不断加快，无人机作为全球新一轮科技产业革命的核心与热点，将成为中国经济增长的新动力。我国加大对无人机的研究与应用，推动无人机产业走向了国际市场，并以产品的形式在市场上创造了新的奇迹，目前，我国绝大部分无人机厂商实现了从制造到创造的升级转型，自主创造的无人机也逐步应用于各行各业中。在电网方面，我国电网布设线路的规模不断扩大，架设线路的公里数持续增加，且由于这些线路绝大多数架设在野外，所处的地理环境复杂，周围气象条件多

变，铁塔、导线、绝缘子和避雷器等电力设备在各种环境、外力的长期作用下，不可避免地会出现损坏、腐蚀或断股等问题，较传统的方式是采用人工巡线模式，但这种方式应用于电网架空线比较危险，需要大量的人力和物力，且巡检工作质量和效率均相对较差[1]。因此，采用无人机技术开展对电网架空线更加高效准确的巡检应用具有重要的现实意义和价值。

1? 无人机技术研究现状

无人机是无人驾驶飞机的簡称（英文全称为Unmanned Aerial Vehicle，缩减为UAV），是一种由动力驱动、可操控、无人驾驶却能携带多设备、执行多任务，并可重复使用的无人驾驶航空飞行器[2]，也被称为“空中机器人”[3]。广义地看临近空间飞行器（从20公里至100公里空域）也属于无人机，如平流层飞艇、高空气球、太阳能无人机等。

1.1? 国外无人机技术研究现状

国外无人机的研究特别是美国无人机主要聚焦在军用领域，民用无人机相比于军用无人机发展较晚。随着现实需求的快速增长，美国始终坚持自主创新，掌控了无人机行业核心技术，始终处于全球无人机行业的龙头地位。

在无人机设计制造技术方面，以色列是全球范围最为先进的国家之一，主要是在中东战争的炮火催生下发展起来的，其军用无人机领域覆盖了通信技术、反辐射技术和侦察及干扰等多个方面，形成了长航时无人机发展到战术无人机再到攻击无人机的完整过渡体系。从无人机作战性能来说，部分以色列无人机甚至赶超美国。

另外，欧洲各大国在无人机的研制上主要采用联合研制方式，目前在航空技术领域方面处于领先的地位。

1.2? 国内无人机技术研究现状

为满足军用和民用的现实需求，近几年我国多措并举推进无人机领域研发，目前无人机领域的发展呈现出蓬勃之势。但由于起步晚，基础薄，经验少，在军用无人机领域我国尚未推出国家层面的战略规划，需进一步对军用无人机的需求方向、研制技术和发展规模进行探索研究与明确定位。在民用无人机领域，我国进步较快。随着无人机技术的快速发展和我国配套工业产业链的应用成熟，中国制造应运而生，并从纯生产加工制造转型为自主研发与创新，在民用无人机制造技术方面，我国目前已进入世界前列。

目前我国无人机主要应用于电力线路巡检、石油管道巡检、农林植物保护、国土地形测绘和航空遥感巡逻等诸多实用场景。引用宇辰网则的预计数据，我国民用无人机行业应用将继续保持快速发展态势，到2020年，我国民用无人机产品销售量将达到265亿元[3]。

进而分析国内无人机在电力系统方面的现状。为充分利用现有资源，解决电力线路巡檢和运维人员工作量大、工作难度大且人员严重不足等问题，近几年，无人机在电力系统的应用越来越广泛，为电力系统巡检和更好的保障电力系统的运行提供新技术支撑。在电网应用方面，国家电网公司于2009年开始试点应用无人机巡检，2016年在十个省份推广新兴巡检模式。南方电网公司于2011年也开始试点运用无人机代替人工巡线，2013年在整个南网全面推广输电线路机巡作业[4]。中国电力企业联合会标准化中心首次建立了电力行业无人机作业标准，于2015年7月对外发布了《架空输电线路无人机巡检作业技术导则》[5]，为无人机在电力行业的应用提供指导。

2? 无人机类型及分类

无人机分类方法多样，较常见的是按照技术特征分类，主要分为固定翼无人机、多旋翼无人机、无人直升机和复合翼无人机四类[6]。固定翼无人机顾名思义是机翼固定的一类无人机，其位于机翼外端处的后掠角可随速度变化自动或手动进行调整，擅长长距离航行且速度快，但是不能精准悬停。多旋翼无人机和无人直升机统称为旋翼无人机，具有垂直起降、精准悬停、巡航和快速转变航向等特性，但无法满足长航时远距离需求。其中，多旋翼无人机就是一种多轴无人飞行器，具有三个及以上旋翼轴，其相比直升机具有机械结构简单、旋翼角度固定、使用成本低和安全稳定性高等优点。垂直起降的固定翼无人机又称复合翼无人机，兼顾精准悬停和长距离航飞等优点，但是相比多旋翼无人机结构复杂，成本高。目前多旋翼无人机在电力行业应用较多。

3? 无人机关键技术

3.1? 多旋翼无人机本体技术

（1）续航方面

多旋翼无人机电池主要分为模型电池和智能电池两种，从电池材料上分主要有碳性电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池和锂聚合物电池。目前大疆无人机电池即为智能锂电池，飞行高度在500米，飞行时间大约在30分钟以内[7]。

（2）远距离通信方面

无人机上使用的通信方式主要为卫星通信和无线电通信[8]，针对多旋翼无人机多使用无线电通信。目前在无人机巡线作业中应用中继通信系统以加强通信讯号，中继通信方式主要有基于地面中继节? 点的通信方式和基于空中中继节点的无线通信方式两类[9]。

（3）高精度定位方面

目前定位技术有以卫星定位、视觉系统的定位、无线电加激光定位等。基于无人机定位主要以卫星定位为主，其定位精度大于等于1米，有50%的概率会出现信号误差达到2米以上。高精度定位多采用RTK技术，经纬度精度可以达到10厘米以下，高程精度在30里面以下[10]。

（4）避障方面

目前，无人机的避障技术主要有红外避障、超声波避障、激光避障及视觉避障。大疆无人机的前视避障首选了双目视觉避障技术，采用该技术双眼看到的场景略有不同，视觉效果犹如3D电影，能够给人带来更直接的真实感和更强烈的空间临场感。

（5）飞控方面

无人机飞控主要体现在无人机平移飞行、旋转飞行、爬升飞行、俯冲飞行。大疆无人机具有五种飞行模式：P模式（GPS模式）、A模式（姿态模式）、F模式（智能模式）、S模式（运动模式）[11]，根据不同实际需求进行选择切换。因GPS模式采用导航卫星辅助定位，能稳定悬停和飞行，是目前绝大多数人首选的飞行模式。

3.2? 多旋翼无人机数据采集及作业技术

多旋翼无人机数据采集及作业技术体现在云台种类及挂载能力。目前云台主要有红外云台、喷火云台、树障精准喷洒云台、起重导引云台、照明云台。

3.3? 多旋翼无人机采集可见光图像分析处理技术

无人机挂载可见光或红外探头，可实现对象巡视、拍摄及分析[12-13]，大多为图像信号。因此，基于图像信号的应用技术是关键，基于图像处理技术主要分为两个方向：基于特征工程的应用技术和基于深度人工神经网络结构的深度学习技术。

3.4? 多旋翼无人机采集激光数据分析处理技术

激光雷达技术（LiDAR）作为一种关键航空遥感技术，与成像光谱技术和成像雷达技术统称为对地观测三大核心技术。采用LiDAR获取地形、电力线缆和周边建筑、植被的准确三维坐标，形成高精度地形信息表或分布图，从而可构建输电线路走廊，开展输电线路树障分析和输电线路交叉跨越分析等工作[14-16]。

共享资源池构建的基础为感知层。通过安装部署RFID标签、RFID读写器、智能门禁、视频监控设备、智能管理终端和各种环境传感器等硬件设备实现资产管理的闭环管控，打造资产管理共享硬件交互基础。

共享资源池构建的难点为二次开发及数据集成。通过二次开发实现硬件设备的数据接入，实现软硬件系统联动，保证设备出入库及盘点操作。针对实验室仪器设备通过理解设备的通信规约实现数据统一自动化采集，针对不具备通信接口的仪器设备可采用图像识别、数据库抽取等技术实现原始数据的结构化工作。通过基本的硬件改造（如：加装智能硬件）实现实验室检测工作的半自动化，并逐步将重复类的工作实现自动化检测。

共享资源池构建的核心为资源分配[14-16]和实验数据、业务模型及策略的综合分析。通过数据分析后，能够对设备健康状态及企业样品检测指标可视化展现。通过对指标项数据进行分析评价，最终得出设备总体健康状态等级，可实现自动触发和人工触发功能，对单个设备或多个设备，根据多种导则方法灵活配置及评估;通过梳理适合分析试验项目、试验作业流程，结合规约转换和图像识别技术，构建智能试验运维识别采集终端，实现对试验运维数据的采集。建立试验运维数据仓库，对资产数据、试验数据、人员数据等进行统一存储与管理。研究试验测试与样本运维的互动分析机制，结合运维、监测、试验等因素，分析样本试验测试与样本历史运维数据的关联关系，对同类设备进行横向纵向综合分析后提出基于样本全生命周期的试验分析及评价方法。构建基于实验室及现场作业的试验数据综合分析应用，实现包括设备损耗、健康状态、成本、价值和自治、设备采购策略、设备状态评价策略提供支持。

4? 无人机技术在电力行业的应用研究

无人机在电力行业的应用主要包括线路巡检（绝缘子爆片、防震锤脱落、导地线泡股断股、间隔棒断角、杆塔倾斜、基础滑坡、树障巡视）、线路架设（导线牵引）和线路规划（地质勘测）等。

以无人机作为平台进行高分率可见图像拍摄、红外图像、激光采集，涉及飞行控制技术、机体稳定控制技术、数据链通讯技术、现代导航技术、机载遥测遥感技术、快速对焦摄像技术以及故障诊斷等多个高尖技术领域取得突破[17-19]。

本文利用云大物移[20]等现代技术手段，基于物联网技术CPS架构，设计机巡作业管控总体系和分层架构，主要包括传感器层、网络层、云平台和应用层，最终构建机巡大数据中心和管控中心。机巡作业管控体系设计图如图1所示。

机巡作业管控体系整体业务架构采用了物联网架构体系，使用RFID、智能芯片、传感器、智能终端等技术和设备建立基础感知层，为机巡作业管控中心提供硬件支持。采用5G等通信技术建立传输层网络，为传感设备的互联互通提供网络基础通道。将全部数据统一存储在云数据平台，作为数据的存储加工层，对海量感知数据进行存储分析和组织管理，为应用层提供数据服务。应用层包括PC端应用和移动端应用，对应用功能进行聚焦，建设定制化的移动APP应用服务。

通过体系和中心的建设，着力推进无人机建设和保障支撑体系的完善，不断强化数据分析及应用，实施差异化、精益化管控，激光点云隐患识别，确保输电设备、作业安全，实现无人机日常巡视、特殊巡视、灾情巡视的自动化与智能化。从而促进输配电设备全生命周期管理，不断强化数据分析及应用，实施差异化、精益化管控，提高工作质量、提升工作效率，降低劳动强度，确保输配电设备、作业安全，为实现设备精益化管理和作业精细化管控奠定坚实基础。以“资产全生命周期管理为主线，技术监督和设备管理规范化达标为抓手，着力提高设备精益化管理水平、着力做好信息系统推广应用、着力抓好可靠性提升管理、着力提升输配电线路防灾能力，把好输配电设备选型、入口、验收、运维、检修关”的工作思路，统筹规划，实现作业过程全统一，多维数据全融合，建立响应快速、高效、敏捷的输配电运维管控工作模式。

机巡数据中心主要对无人机巡检数据进行采集、存储、处理和分析。在数据采集方面打通企业管理系统数据通道，实现巡视任务闭环管理;构建无人机智能机库，智能管理无人机、电池、配件;融合环境、气象、三维GIS，保障飞行辅助决策;协调无人机生产厂家，提升无人机续航、远距离通信、抗风、避障能力。

在数据处理方面实现巡视原始数据的自动命名和归类整理、缺陷标记、报告自动生成和激光、倾斜影像点云化等功能。

在数据分析方面主要基于激光和可见光巡视通道隐患（树障、交叉跨越、基础滑坡、杆塔倾斜、鸟害、覆冰等）自动分析、告警;基于可见光和红外巡视对象缺陷（绝缘子爆片、防震锤脱落、导线泡股断股、间隔棒断角锈蚀等）自动分析、告警;巡视轨迹和飞行控制策略自动生成;三维走廊重现。

目前数据存储方面的深层次研究还处于空白区，未来可汇聚无人机采集照片影像、巡视对象台账、树障、在线监测、生产GIS、自然灾害预测等数据，实现结构化和非结构化数据按用户、按时间、按位置存储，同时具备数据加密、比对、加水印、自动销毁、数据自动分析处理（倾斜影像、激光到点云数据转换、缺陷隐患分析）能力。

5? 结束语

随着经济的发展和科技的进步，无人机技术已经越来越成熟，利用无人机在巡检电力系统中巡检线路，不仅可降低在人工巡检过程中出现的故障率，也有效的降低了电力企业的成本预算，并且提高了电力巡检工作的效率，具有非常广阔的应用和发展前景。

参考文献

[1]秦宇翔，李明明，王瑞琦，等. 无人机在电力系统中的应用[J]. 硅谷， 2014， 7（12）： 106+72.

[2]雷金奎，原丹丹，李海生. 基于 ARM 的双冗余微小型无人机飞行控制系统的设计[J]. 电子设计工程， 2016， 24（1）： 162-164+168.

[3]法尔斯特伦、格里森. 无人机系统导论[M]. 北京：国防工业出版社， 2015.

[4]周宗国，周海，胡彬，等. 无人机在电力系统中的应用现状分析[J]. 电力科技， 2018，（7）： 231.

[5]DL T 1482-2015，架空输电线路无人机巡检作业技术导则[S].

[6]樊珍. 多类型无人机实时任务分配技术研究[D]. 电子科技大学， 2017.

[7]金伽忆，朱烨，曾舒婷，等. 小型多旋翼无人机续航问题研究[J]. 电脑知识与技术， 2017（16）： 197-199.

[8]艾嘉豪，朱大明. 无人机倾斜摄影测量在三维建模中的应用[J]. 软件， 2018， 39（6）： 192-195.

[9]张年鹏. 无人机通信技术的应用与发展[J]. 数字通信世界， 2018（3）： 157.

[10]汤坚，杨骥，宫煦利. 面向电网巡检的多旋翼无人机航测系统关键技术研究及应用[J]. 测绘通报， 2017（5）： 67-70.

[11]戴雅雯，陈饰勇，邱扬帆，和丽春. 基于多功能无人机的飞控技术研究[J]. 产业与科技论坛， 2018（24）： 52-53.

[12]刘青龙，董家山. 物联网无人机应用关键技术研究[J]. 电子技术应用， 2017， 43（11）： 22-26.

[13]彭向阳，陈驰，饶章权，杨必胜，麦晓明，王柯. 基于无人机多传感器数据采集的电力线路安全巡检及智能诊断[J]. 高电压技术， 2015（01）： 159-166.

[14]卢俊文，王倩营. 无人机演变与发展研究综述[J]. 飞航导弹， 2017（11）： 45-48+68.

[15]杨启帆. 基于无人机红外热成像的架空输电线视觉跟踪巡检研究[D]. 甘肃省：兰州理工大学， 2017.

[16]皮祖成，陈文，马龙，等. 面向对象的无人机任务设备通信接收软件设计[J]. 软件， 2018， 39（7）： 63-67

[17]李诗晓，项兴尧，孙希学. 无人机在电力线路巡检中的应用综述[J/OL]. 中国战略新兴产业[2018-06-06]. https：//doi. org/10.19474/j.cnki.10-1156/f.000479.

[18]张文超. 无人机在电力行业的应用研究[J]. 机电信息， 2017（12）.

[19]宁柏锋. 无人机技术在电力行业中的应用前景[J]. 计算机产品与流通， 2018（4）： 158.

[20]郝思远，刘海宁. 云大物移智，为基建插上“智慧”之翼[J]. 中国电业， 2018（12）： 16-17.

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