作者/劉朝暉，神華包神鐵路集團有限責任公司

基于遙感的電力線路安全巡檢技術(shù)現(xiàn)狀及展望

作者/劉朝暉，神華包神鐵路集團有限責任公司

隨著電力電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，為保障電網(wǎng)科學(xué)、經(jīng)濟、安全的運行必須深度發(fā)展電力線路的遙感安全巡檢，加快我國電力電網(wǎng)的自動化建設(shè)。而作為電網(wǎng)系統(tǒng)重要組成部分的電力線路需要對其進行有效的巡檢管理，從而保證設(shè)備的安全運行。介紹電力線路安全巡檢技術(shù)和遙感巡檢系統(tǒng)功能，針對現(xiàn)有電路巡檢模式中存在的文件進行了深入的分析，結(jié)合遙感技術(shù)、衛(wèi)星全球定位(GPS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)等技術(shù)構(gòu)建安全、可靠、高效的安全巡檢系統(tǒng)，避免了人工巡檢效率較低、人為因素多、管理不便的缺點，減少電力巡檢工作量并提高電力巡檢效率?；谶b感的電力線路安全巡檢使電力巡檢工作管理自動化、規(guī)范化，杜絕人為設(shè)備事故且保障電力生產(chǎn)的安全。

遙感技術(shù)；電力線路；安全巡檢；地理信息系統(tǒng)

引言

隨著對電網(wǎng)系統(tǒng)逐步的深化改革，電網(wǎng)技術(shù)不斷向著經(jīng)濟、科學(xué)、有效的自動化方向發(fā)展。電網(wǎng)系統(tǒng)的電力線路巡檢是保證電網(wǎng)安全、自動化的重要工作。目前，國內(nèi)的電網(wǎng)系統(tǒng)電力安全巡檢普遍采用的人工巡檢、手工紙質(zhì)記錄的巡檢制度。這種電力安全巡檢制度存在較大的人為影響因素、較高的人力成本和信息管理成本、較低的巡檢信息化程度等缺點。而實現(xiàn)了電力安全巡檢基本信息化的系統(tǒng)，也無法人工處理日益增多的巡檢信息，無法實現(xiàn)信息共享和多目標協(xié)同決策等現(xiàn)代化需求。為實現(xiàn)電力電網(wǎng)系統(tǒng)的自動化、信息化管理，需采用先進的無線移動通信技術(shù)構(gòu)建電力電網(wǎng)系統(tǒng)的電力線路安全巡檢系統(tǒng)。本文介紹遙感電力線路安全巡檢的現(xiàn)狀并對高效、自動化、信息化的電力線路安全巡檢技術(shù)進行分析與展望。

1.遙感電力線路巡檢系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

遙感技術(shù)是一種興起于20世紀60年代的探測技術(shù)，它基于電磁波理論并結(jié)合傳感儀器設(shè)備對遠距離目標產(chǎn)生的輻射電磁波和反射電磁波信息進行收集、處理、成像，最后形成對地面各類景物的識別，通過遙感技術(shù)可以對遠距離目標進行探測。國外針對搖感技術(shù)在航測領(lǐng)域的應(yīng)用進行了深入的研究與革新，結(jié)合GIS（Geographic Information System,地理信息系統(tǒng)）和GPS(Global Positioning System,全球定位系統(tǒng))構(gòu)建電力線路安全巡檢系統(tǒng)。美國的電力線路安全巡檢系統(tǒng)的主要代表有TIMS（Transmission Inspection Maintenance System，輸電線路巡視維保系統(tǒng)）、IVM（Integrated Vegetation Management，綜合管理系統(tǒng)）等。德國、葡萄牙等發(fā)達國家的電力線路代表巡檢平臺有IHCM（Integrated Helicopter Corridor Mapping，直升機映射系統(tǒng)）、PLMI（Power Line Maintenance Inspection，電力巡視維保系統(tǒng)）等。此外，國外的相關(guān)科研機構(gòu)和科技公司也著眼于遙感電力線路安全巡檢技術(shù)的研究，西班牙馬德里大學(xué)根據(jù)數(shù)字圖形成像技術(shù)和圖像追蹤技術(shù)研究了無人機遙感巡檢系統(tǒng)，基于該巡檢導(dǎo)航系統(tǒng)能夠及時調(diào)整飛行器姿態(tài)并指導(dǎo)飛行器安全著陸，對電力線路進行高效的巡視。日本千葉大學(xué)則是在無人探測機中應(yīng)用了故障自動監(jiān)測和實時圖形三維成像技術(shù)，開發(fā)了相應(yīng)的遙感電力線路安全巡檢系統(tǒng)。澳大利亞相關(guān)科研機構(gòu)也基于遙感技術(shù)開發(fā)了一套用于巡檢的無人機算法并對無人機的結(jié)構(gòu)進行了改良和優(yōu)化，不僅整體提升了無人機的抗風能力也延長了無人機的飛行時間。

圖1 某遙感巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

國內(nèi)的遙感電力線路安全巡檢系統(tǒng)較發(fā)達國家而言相對較晚，我國最早由中科院物理研究所的相關(guān)學(xué)者提出電力線路安全巡檢的數(shù)據(jù)采集分析方案并基于該方案設(shè)計實現(xiàn)了電力線路安全巡檢系統(tǒng)，其后加入DSM（Digital Surface Model，數(shù)字地表模型）技術(shù)、GPS技術(shù)、GIS技術(shù)不斷升級電力線路安全巡檢系統(tǒng)。同時，我國桂能信息公司利用直升機機載激光雷達技術(shù)對華北電網(wǎng)北京超高壓線路進行安全巡檢，實現(xiàn)了我國遙感電力線路安全巡檢的突破。湖南電力科學(xué)研究院對遙感電力線路安全巡檢技術(shù)進行了深入研究，針對無人機的防雨、抗風、防撞等性能進行了研究改進，設(shè)計并實現(xiàn)了無人直升機巡檢系統(tǒng)。圖1是我國國家電網(wǎng)設(shè)計研究院獨立自主設(shè)計并實現(xiàn)的無人機遙感電力吸納路安全巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

2.現(xiàn)有電力線路巡檢模式存在的問題

我國電力電網(wǎng)規(guī)模近年來不斷擴大，架空電力線路覆蓋區(qū)域逐年變廣。我國預(yù)計到2020年電力線路建設(shè)總里程從2010年的90萬km增加到159萬km，增設(shè)的電力線路主要集中在我國的山區(qū)，由于野外的氣候條件惡劣這些長期暴露在外的供電塔桿、電力線路很容易發(fā)生老化斷裂、雷擊損壞、極寒氣候時發(fā)生導(dǎo)線凍裂、桿塔傾斜、絕緣子損壞線路失去絕緣特性，如不及時進行電力線路巡檢、排查，更換損壞設(shè)備并消除運行隱患將導(dǎo)致電力事故發(fā)生，嚴重的甚至發(fā)生重大電力事故。

目前，我國電力行業(yè)針對電力線路的安全巡檢有傳統(tǒng)人工巡檢和信息半自動化巡檢兩種。傳統(tǒng)人工巡檢一般由人工進行電力線路巡視并通過手工記錄的方式記錄電力線路的安全信息，由于存在較大的人為影響因素、較高的人力成本和信息管理成本、較低的巡檢信息化程度等缺點，容易造成安全信息確實、無法系統(tǒng)化查詢管理電力系統(tǒng)等問題。信息半自動化巡檢雖然一定程度上提高了巡檢可靠性，但對于巡檢系統(tǒng)的安全性并無明顯提升，同時也存在成本高、管理不便的缺點，尚未得到普遍的應(yīng)用。

我國除部分地區(qū)電力線路應(yīng)用了遙感航測技術(shù)外，絕大部分地區(qū)電力線路安全巡檢工作仍由人工在地面進行逐個檢查。因此，現(xiàn)階段實際上我國普遍采用人工巡檢的方式對電力線路進行安全排查。這種傳統(tǒng)人工電力線路巡檢不僅需要花費大量的人力成本也無法實現(xiàn)對電力線路的全面巡檢，對于部分設(shè)備的巡視可能存在疏忽遺漏，對于復(fù)雜地理環(huán)境的山區(qū)線路人工無法排查，容易出現(xiàn)電力線路巡檢盲區(qū)。野外巡檢也無法保證巡檢人員的人身安全，需要及時維修的部分也只能通過人工記錄再交由相關(guān)維護人員進行設(shè)備維保，因而造成了電力線路運行維護的困難，這種巡檢方法主要存在下述缺陷。

■2.1 運維人員滿足不了輸電線路高速增長的需求

目前，我國的電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模已經(jīng)躍居世界首位，同時我國不斷推進全國聯(lián)網(wǎng)建設(shè)并加強區(qū)域性電網(wǎng)建設(shè)，整體提升電網(wǎng)系統(tǒng)自動化水平、電能質(zhì)量和供電穩(wěn)定性，以滿足社會主義現(xiàn)代化經(jīng)濟發(fā)展的電力需求。我國相關(guān)電力部門統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在2010年時的全國電網(wǎng)220千伏及以上的輸電線路回路長度為44.6萬千米，公用變電設(shè)備容量為20億千伏安。而到2016年時全國電網(wǎng)220千伏及以上的輸電線路回路長度為67.2萬千米，公用變電設(shè)備容量為30.3億千伏安。我國的電力電網(wǎng)系統(tǒng)在“十二五”期間得到了高速的發(fā)展，全國電力線路年增長率超過7.5%，且未來還將以每年7%以上的速度快速增長。

與此同時，相對于高速發(fā)展的電力電網(wǎng)系統(tǒng)，電力線路安全巡檢的輸電線路運維人員由于逐年增加的人工成本，導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)電力線路運維人員無法大幅增加，在過去10年中平均年增長率不足3%，遠遠低于全國電力線路的總體增長速度，已無法滿足我國電力線路高速增長的建設(shè)現(xiàn)狀。

■2.2 人工巡檢效率低、難度大且安全風險高

電力線路大部分建設(shè)在人口相對較少的山區(qū)，人工巡檢所需的線路搭位車輛一般難以進入，同時人工巡檢大多依賴步行且野外路途艱險，造成大部分山區(qū)線路的運維人員只能巡檢少量的電力塔桿，即使通過投入大批巡視人員巡檢效率仍然較低。實際巡檢工作中巡檢人員在巡視電力線路時容易出現(xiàn)報告記錄有誤、巡視路線有誤等問題，若存在相應(yīng)的監(jiān)管問題將嚴重影響電力線路巡檢工作的質(zhì)量。僅通過相關(guān)規(guī)定無法對巡檢系統(tǒng)進行整體規(guī)范。

同時，在設(shè)備檢修過程中，巡檢人員無法得到有效的技術(shù)支持。尤其是對相關(guān)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的精密設(shè)備進行巡檢時，作業(yè)人員不僅時常需要查閱維相關(guān)的技術(shù)資料同時也需要相關(guān)的巡檢設(shè)備進場，對于復(fù)雜地理環(huán)境的山區(qū)線路人工無法排查，野外巡檢也無法保證巡檢人員的人身安全，人工巡檢難度較高。

■2.3 人工巡檢手段單一、缺陷發(fā)現(xiàn)率低

電力線路人工巡檢時一般都由巡檢人員攜帶單人診斷設(shè)備對其進行巡視測量，人工無法到達的電力線路部分則只能通過肉眼借助望遠鏡和相機進行測量并判斷電力設(shè)備是否存在安全隱患。特別是部分山區(qū)線路由于人工測量時距離電力桿塔較遠、觀測角度大更加難以判斷電力設(shè)備是否存在安全隱患。目前，電力線路人工巡檢的巡檢數(shù)據(jù)主要由人工判斷，受巡檢人員的主觀判斷影響較大，無法對巡檢數(shù)據(jù)進行智能判斷分析，甚至不同巡檢人員的巡檢結(jié)果都相差甚遠無法保證巡檢質(zhì)量。后期巡檢數(shù)據(jù)的處理審閱周期較長、處理工作量較大，效率低下的同時也增加了電力線路故障的概率。

■2.4 巡檢數(shù)據(jù)管理分散、應(yīng)用水平低

電力線路人工巡檢時，巡檢數(shù)據(jù)都有巡檢人員進行紙質(zhì)記錄，容易出現(xiàn)記錄錯誤或者巡檢報告準確性不高等問題，特別是傳統(tǒng)的人工巡檢方式中設(shè)備巡檢的隱患報告大都依靠巡檢人員的經(jīng)驗與記錄習(xí)慣進行記錄，容易造成巡檢人員對隱患的記錄不夠準確、完整或維護人員對巡檢人員的隱患報告理解出現(xiàn)偏差的現(xiàn)象，一旦電力線路的隱患報告無法準確、完整地傳達給維護人員，輕則導(dǎo)致維護人員維修工具、設(shè)備攜帶不充分而無功而返，嚴重時將導(dǎo)致電力線路的隱患得不到及時消除造成重大電力事故。

人工巡檢記錄的巡檢信息可能無法及時錄入歷史信息庫，造成巡檢歷史信息的不完全。維護人員需要較多的時間了解巡檢歷史信息才能做出正確的維修選擇，降低了維修進度和維修質(zhì)量，同時僅憑巡檢人員肉眼觀察記錄的信息，無法給維護人員提供全面的現(xiàn)場信息，造成信息的不匹配。在人工巡檢模式下，巡檢數(shù)據(jù)主要存放于電力線路的巡檢站點使得巡檢人員反饋回來的巡檢數(shù)據(jù)比較分散，同時由電力線路運維部門管理，巡檢數(shù)據(jù)無法高效的進行整合、統(tǒng)計、共享且巡檢數(shù)據(jù)主要通過人工對電力線路現(xiàn)場進行判斷記錄，無法對巡檢數(shù)據(jù)進行只能分析容易出現(xiàn)偏差，無法給電力線路維保部門提供更加準確的信息。

3.基于遙感的電力線路安全巡檢技術(shù)

基于遙感技術(shù)的電力線路安全巡檢系統(tǒng)是指結(jié)合航空、電子、圖形等技術(shù)通過無人駕駛飛行器對電力線路進行安全巡檢的系統(tǒng)。人工巡檢在效率方面也無法與現(xiàn)代遙感電力巡檢的日工作量相比較，因此基于遙感技術(shù)的電力線路巡檢不僅彌補了人工安全巡檢的缺點，同時具有其自身獨特的安全、多角度、全方位的巡檢優(yōu)勢，方便拍攝相應(yīng)圖像、豐富數(shù)據(jù)資料?；谶b感技術(shù)的電力線路巡檢系統(tǒng)中一般將配置兩個用于通訊的模塊，這兩個通訊模塊將電力桿塔信息采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送到遙感設(shè)備上，另一個則是將遙感設(shè)備上的數(shù)據(jù)發(fā)送到信息中心進行巡檢信息統(tǒng)計，圖2為遙感電力安全巡檢系統(tǒng)的通訊模塊結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 遙感電力安全巡檢系統(tǒng)的通訊模塊結(jié)構(gòu)示意圖

■3.1 整體架構(gòu)

針對人工巡檢系統(tǒng)和傳統(tǒng)遙感電力線路安全巡檢系統(tǒng)中的一些缺陷和問題進行分析，研究并設(shè)計了以現(xiàn)代通訊設(shè)備為硬件支持并基于全球定位信息技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的電力線路安全巡檢系統(tǒng)，以滿足目前電力線路安全巡檢的各方面需求。通過GPS和GIS嵌入技術(shù)等現(xiàn)代化科技，避免人工巡檢的人為影響并優(yōu)化了傳統(tǒng)遙感電力線路安全巡檢系統(tǒng)的線路缺陷，能夠及時發(fā)現(xiàn)電力線路的安全隱患，預(yù)防各類電力故障。該電力線路安全巡檢系統(tǒng)的實際應(yīng)用不僅加深了對遙感技術(shù)的應(yīng)用與研究，也進一步加快了巡檢系統(tǒng)的現(xiàn)代化、規(guī)模化、信息化發(fā)展。

■3.2 GIS + GPS 線路巡檢系統(tǒng)設(shè)計方案

結(jié)合全球定位信息技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的電力線路安全巡檢系統(tǒng)可以通過巡檢任務(wù)模塊實時生成巡檢任務(wù)，也可在線修改巡檢任務(wù)并通過相關(guān)通訊模塊將電力線路巡檢獲得傳輸回控制中心，控制中心根據(jù)故障分析模塊、桿塔電力線路管理模塊對巡檢數(shù)據(jù)進行分析處理。該系統(tǒng)的巡檢管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 巡檢管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

該電力線路安全巡檢系統(tǒng)擁有完備的智能診斷功能，根據(jù)無人機遙感技術(shù)判斷電力塔桿、絕緣子、高壓設(shè)備、高壓導(dǎo)線等相關(guān)設(shè)備的設(shè)備狀態(tài)，對故障進行診斷的同時分析巡檢數(shù)據(jù)給出維修方案，實現(xiàn)真正的自動化安全巡檢。該電力線路安全巡檢系統(tǒng)電力安全巡檢智能診斷邏輯圖如圖4所示。

圖4 電力線路安全巡檢智能診斷

■3.3 實際應(yīng)用

該電力線路安全巡檢系統(tǒng)基于遙感技術(shù)和現(xiàn)代GPS、GIS信息技術(shù)，實現(xiàn)大范圍、規(guī)模性電力線路和電氣設(shè)備的安全巡檢任務(wù)，從而保證電力系統(tǒng)的安全可靠運行，將該系統(tǒng)應(yīng)用到實際電力線路安全巡檢中，其具體功能應(yīng)用如下：

巡檢人員通過便攜通信設(shè)備通過GPS系統(tǒng)對需要巡檢的電力線路進行定位和導(dǎo)航，通信設(shè)備自動上傳遙感飛行器的巡檢數(shù)據(jù)并記錄巡檢任務(wù)詳細信息，巡檢人員根據(jù)通信設(shè)備上的信息進行巡檢現(xiàn)場查看并處理相應(yīng)故障信息。

遙感飛行器完成電力線路巡檢任務(wù)后，巡檢人員根據(jù)上傳到數(shù)據(jù)處理中心的如飛行器巡檢時間、巡檢任務(wù)信息、巡檢現(xiàn)場數(shù)據(jù)等巡檢數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)設(shè)備的運行參數(shù)、設(shè)備故障率、氣候環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)綜合分析故障情況并通過只能診斷系統(tǒng)得出相應(yīng)的故障處理結(jié)果，最后將故障處理結(jié)果下發(fā)到相關(guān)維保部門對電力設(shè)備進行維修保養(yǎng)，消除電力系統(tǒng)的安全隱患。其中，電力線路巡檢系統(tǒng)信息傳輸結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 巡檢系統(tǒng)信息傳輸結(jié)構(gòu)圖

4.結(jié)論與展望

目前，我國對于電力線路的安全巡檢仍然主要以人工巡檢方式進行，本文介紹遙感電力線路安全巡檢的現(xiàn)狀并對高效、自動化、信息化的電力線路安全巡檢技術(shù)進行分析與展望，研究并設(shè)計了以現(xiàn)代通訊設(shè)備為硬件支持并基于全球定位信息技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的電力線路安全巡檢系統(tǒng)，促進巡檢系統(tǒng)的現(xiàn)代化、規(guī)?；?、信息化發(fā)展。

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