楊 杰，邵 帥，王 凱，張慶雷，高 翔，黃 濤，王文賢

(國網(wǎng)濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250000)

輸電線路需要進(jìn)行定期巡視檢修[1-3]，高壓輸電線路的巡檢主要依靠人工方式，工作強(qiáng)度大、工作條件差、工作效率低且存在人身安全的風(fēng)險[4-5]。隨著無人機(jī)技術(shù)尤其是多旋翼無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，已逐步開始利用多旋翼無人機(jī)為載體，地面監(jiān)控設(shè)備為支撐的輸電線路巡檢系統(tǒng)[6-8]。

目前，大多無人機(jī)為通用產(chǎn)品，性能還無法滿足輸電線路巡檢的特殊要求，本文將從高壓輸電線路的特殊需求、輸電線路用多旋翼無人機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀及其在輸電線路巡檢領(lǐng)域未來的發(fā)展方向等方面對多旋翼無人機(jī)進(jìn)行探討，以期為未來輸電線路用無人機(jī)的發(fā)展提供一定的指導(dǎo)。

1 高壓輸電線路的特殊需求

高壓輸電線路一般指35 kV及以上的架空輸電線路，是連接發(fā)電廠和變電站的主要設(shè)備。由于高壓輸電線路規(guī)模龐大、環(huán)境復(fù)雜而且?guī)Т筘?fù)荷運(yùn)行等情況，因此無人機(jī)巡視具有以下幾個特點(diǎn)。

1.1 目標(biāo)小

輸電線路無人機(jī)巡檢對象主要為輸電桿塔中的眾多金具，包括延長環(huán)、掛板、螺栓、銷子等。這些金具與輸電桿塔相比，大都體型較小，長度在幾厘米到十幾厘米，目標(biāo)較小，缺陷發(fā)現(xiàn)難度較大。

1.2 數(shù)量多

隨著社會用電量的持續(xù)攀升，電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)程不斷加快，需要進(jìn)行巡視和檢修的桿塔數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大。據(jù)不完全統(tǒng)計，國網(wǎng)濟(jì)南供電公司管轄的輸電線路就達(dá)7 200余基，巡檢工作量巨大。

1.3 距離遠(yuǎn)

作為連接發(fā)電廠與變電站之間及變電站與變電站之間重要電力設(shè)施，輸電線路一般長度較長，特別是隨著特高壓交流、直流輸電的發(fā)展，單條輸電線路的長度已達(dá)幾千公里。同時，為降低建設(shè)成本，各桿塔之間的距離設(shè)置均比較大，據(jù)統(tǒng)計，220 kV及以上線路檔距大多在300 m以上，跨江、跨河等大跨越線路更可達(dá)幾千米。

1.4 風(fēng)速高

隨著城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大及居民維權(quán)意識的日益提高，輸電線路防外破形勢越來越嚴(yán)峻。目前有效地解決方式是提高輸電線路桿塔高度，逐步淘汰高度較低的水泥桿數(shù)量。以濟(jì)南公司為例，近十年來所建設(shè)的桿塔均為鐵塔或鋼管塔，并且高度在20～120 m。根據(jù)《電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊(第二版)》可知，以120 m高跨河桿塔為例，假設(shè)地面為5級風(fēng)，風(fēng)速為10 m/s，則塔頂?shù)鼐€掛點(diǎn)處風(fēng)速為13.9 m/s，為7級風(fēng)。

1.5 環(huán)境復(fù)雜

由于土地資源緊張、民事協(xié)調(diào)難度大等問題，新建的高壓輸電線路多處于郊區(qū)、丘陵、山地等地形復(fù)雜地區(qū)，特別是南方，輸電線路穿梭于崇山峻嶺之中，為輸電線路巡檢帶來巨大的困難。

1.6 電磁影響惡劣

輸電線路尤其是高壓輸電線路都具有電壓高、電流大的特點(diǎn)，加之輸電線路均為裸導(dǎo)線，其周圍存在較強(qiáng)的電磁場，這對輸電線路用無人機(jī)的電磁屏蔽和抗干擾能力提出了更高的要求。

2 多旋翼無人機(jī)在輸電線路巡檢中的應(yīng)用局限

隨著多旋翼無人機(jī)技術(shù)的日漸成熟，無人機(jī)也越來越廣泛應(yīng)用于高壓輸電線路巡檢。國網(wǎng)公司已連續(xù)進(jìn)行多次招標(biāo)，并在中國電科院武漢高壓試驗(yàn)基地開展了各項(xiàng)多旋翼無人機(jī)的試驗(yàn)項(xiàng)目，這為無人機(jī)在輸電線路巡檢中的應(yīng)用打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

目前市場上存在的多旋翼無人機(jī)大體分為兩類，一類是輕型化，以航拍為主要用途的無人機(jī)，主要生產(chǎn)廠家是大疆公司；另一類是體型較大，以完成特定作業(yè)任務(wù)為主要用途的無人機(jī)，如噴灑農(nóng)藥、巡視輸電線路等，其主要生產(chǎn)廠家有伊瓦特、中航智等。

另外，已有大量的文獻(xiàn)對多旋翼無人機(jī)在輸電線路中的應(yīng)用做了研究[2,5-9]，文獻(xiàn)[10-13]提出了多種利用無人機(jī)進(jìn)行輸電線路缺陷檢測的方法，如紅外檢測、紫外檢測、傳感器數(shù)據(jù)分析等；文獻(xiàn)[1-3,5-9]都從輸電線路巡視的角度探討了無人機(jī)的應(yīng)用及發(fā)展方向。但這些僅是對無人機(jī)功能模塊的再次開發(fā)，并未對無人機(jī)本身的改進(jìn)提出建設(shè)性意見。

目前應(yīng)用于輸電線路巡檢的多旋翼無人機(jī)存在以下幾個方面的問題。

(1)續(xù)航能力不足。目前市面上的多旋翼無人機(jī)多采用電池供能的形式，其續(xù)航時間多在30 min內(nèi)，無法滿足輸電線路大規(guī)模巡視要求。

(2)自身重量與拍攝質(zhì)量矛盾突出。由于電磁環(huán)境的影響，無人機(jī)在進(jìn)行輸電線路巡視時與帶電導(dǎo)線需保持至少10 m的距離，這要求無人機(jī)搭載的相機(jī)或鏡頭具有可變焦功能，才能發(fā)現(xiàn)輸電桿塔上存在的少銷子、少螺栓等微小缺陷。質(zhì)量輕、體型小的大疆無人機(jī)搭載的鏡頭無法實(shí)現(xiàn)變焦，而搭載可變焦相機(jī)的中航智及伊瓦特?zé)o人機(jī)又存在體型大、質(zhì)量重，無法滿足正常巡視要求的問題，因此無人機(jī)自身重量與拍攝質(zhì)量的矛盾限制了其在輸電線路巡檢中的應(yīng)用。

(3)起降條件要求苛刻。多旋翼無人機(jī)起飛和降落時需保持水平狀態(tài)，這要求輸電桿塔及線路周圍必須有一塊1～2 m2見方的平地才能滿足無人機(jī)的起降要求。而處于丘陵、山地等復(fù)雜地區(qū)的輸電桿塔周圍幾乎不存在類似場地，大大限制了無人機(jī)在丘陵、山地等地區(qū)進(jìn)行輸電線路巡檢作業(yè)。

(4)功能較為單一。目前市面上的多旋翼無人機(jī)功能大多集中在拍照上，僅僅只能進(jìn)行輸電線路日常巡視，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法完成像帶電除異物、補(bǔ)開口銷、校緊引流板等檢修作業(yè)。而目前各文獻(xiàn)及專利提出的無人機(jī)功能開發(fā)也大多停留在試驗(yàn)室層面，離大規(guī)模應(yīng)用還有很長的一段距離。

3 輸電用多旋翼無人機(jī)的未來發(fā)展方向

在不久的將來，無人機(jī)在輸電線路巡檢方面將獲得廣泛推廣應(yīng)用，但目前市場中的無人機(jī)在輸電線路巡檢中的適應(yīng)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到要求。因此，為適應(yīng)輸電線路巡檢作業(yè)的特點(diǎn)，未來輸電用多旋翼無人機(jī)應(yīng)具備以下幾個特點(diǎn)。

3.1 續(xù)航時間更長

隨著輸電規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，無人機(jī)巡檢的任務(wù)將進(jìn)一步加重，單純靠增加無人機(jī)數(shù)量的方式來滿足作業(yè)量的迅速增加是不可取的，這要求多旋翼無人機(jī)具備較長的續(xù)航時間，但由于無人機(jī)工作方式的特點(diǎn)，電池的重量還需保證在一定的范圍內(nèi)。因此，首先，要積極探索新型高能量密度的電池材料，在保證電池體積基本不變的情況下，提高電池容量；其次，提高無人機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低無人機(jī)系統(tǒng)的能量損耗，進(jìn)而延長續(xù)航時間；最后，開發(fā)無人機(jī)光伏系統(tǒng)，利用太陽能為無人機(jī)提供可持續(xù)的動力，提高無人機(jī)的續(xù)航時間。

3.2 抗電磁干擾能力更強(qiáng)

由于多旋翼無人機(jī)多工作在輸電線路周圍，其受到的電磁干擾尤為強(qiáng)烈，無人機(jī)在進(jìn)行近距離工作時，通常會出現(xiàn)鏈路丟失、圖傳延遲、控制滯后等問題，嚴(yán)重影響無人機(jī)的正常工作，這大大限制無人機(jī)在輸電線路巡檢中的應(yīng)用推廣。如何能夠提高無人機(jī)的抗電磁干擾能力，降低甚至屏蔽高壓輸電線路對無人機(jī)的電磁干擾，保證無人機(jī)在輸電線路附近的正常工作，將是推動輸電線路用無人機(jī)發(fā)展的一個至關(guān)重要的因素。

3.3 地形適應(yīng)力更好

在丘陵、山地等地形復(fù)雜地區(qū)，常常因?yàn)闆]有適合起降的場地而限制多旋翼無人機(jī)的使用。開發(fā)一種簡單、便攜的無人機(jī)起降平臺，作為無人機(jī)起降的輔助工具，解決無人機(jī)起降的場地限制問題，進(jìn)而提高無人機(jī)的各地形適應(yīng)能力。

3.4 控制距離更遠(yuǎn)

目前，市場上多數(shù)多旋翼無人機(jī)的控制距離在2 000 m以內(nèi)，大概為3～4檔輸電線路的距離。隨著輸電線路規(guī)模的不斷擴(kuò)大、巡檢作業(yè)量的增加以及無人機(jī)續(xù)航能力的提高，該控制距離將無法滿足未來的工作要求。因此，提高地面站信號收發(fā)能力，擴(kuò)大無人機(jī)控制范圍，將是未來輸電用無人機(jī)的一個重要發(fā)展趨勢。

3.5 抗風(fēng)性能更高

隨著桿塔尤其是大跨越桿塔高度的持續(xù)增加，多旋翼無人機(jī)巡檢作業(yè)處的風(fēng)速將超過目前市場上大多數(shù)無人機(jī)的承受范圍(注：目前市場上大多數(shù)無人機(jī)的抗風(fēng)能力為4～5級)，無人機(jī)巡檢能力得到嚴(yán)重限制。如何改進(jìn)多旋翼無人機(jī)的飛控系統(tǒng)，提高無人機(jī)抵御高強(qiáng)度大風(fēng)的能力，對于無人機(jī)的在輸電線路巡檢領(lǐng)域的發(fā)展同樣起著比較重要的作用。

3.6 質(zhì)量更輕

由于輸電線路規(guī)模巨大，巡檢作業(yè)量持續(xù)增加，加之有相當(dāng)部分的輸電線路桿塔位于山地、丘陵等復(fù)雜地區(qū)，質(zhì)量過大的無人機(jī)反而會成為輸電線路巡檢的負(fù)擔(dān)，降低巡檢效率和質(zhì)量。采取優(yōu)化無人機(jī)結(jié)構(gòu)及使用新型材料等措施，在保證無人機(jī)自身強(qiáng)度的情況下，降低無人機(jī)整體的質(zhì)量，才能不斷拓展無人機(jī)在輸電線路巡檢中的應(yīng)用。

3.7 拍照性能更優(yōu)

作為主要巡檢對象的輸電桿塔上的眾多金具多具有體型小、難發(fā)現(xiàn)的特點(diǎn)。另外，由于輸電線路周圍強(qiáng)烈的電磁干擾影響，無人機(jī)無法進(jìn)行近距離工作。這要求無人機(jī)搭載的相機(jī)需具備更優(yōu)的拍照性能，更強(qiáng)的變焦能力，才能及時發(fā)現(xiàn)輸電線路中存在的各種缺陷，提高巡檢質(zhì)量和水平。

3.8 輸電檢修功能更多

據(jù)統(tǒng)計，市場上的多旋翼無人機(jī)90%以上只具有拍照功能，僅只能滿足輸電線路日常巡視的要求，而且需要人工進(jìn)行控制，這大大限制了多旋翼無人機(jī)在輸電線路巡檢中的應(yīng)用。為提高多旋翼無人機(jī)的可用性及實(shí)用性，其自身功能需要進(jìn)行一定程度的拓展。目前已有一些單位開始進(jìn)行相關(guān)的研究，如文獻(xiàn)《基于無人機(jī)紫外檢測的輸電線路電暈放電缺陷智能診斷技術(shù)》、《基于無人機(jī)紅外視頻的輸電線路發(fā)熱缺陷智能診斷技術(shù)》等都對無人機(jī)的巡檢功能進(jìn)行了拓展，通過紫外、紅外等技術(shù)手段對輸電線路缺陷進(jìn)行診斷，提高了無人機(jī)在輸電巡檢中的適用性；國網(wǎng)山東電科院及國網(wǎng)浙江檢修公司都開發(fā)出了無人機(jī)噴火系統(tǒng)，用來進(jìn)行輸電線路的帶電除異物等。此外，作為輸電線路巡檢的重要工具，無人機(jī)還應(yīng)具有定導(dǎo)線軌跡飛行、導(dǎo)線探傷、補(bǔ)開口銷、校緊引流板、涂刷防污閃材料等各種輸電線路巡檢功能。因此，在軟件方面，一是無人機(jī)開發(fā)者應(yīng)對輸電線路巡檢需要做出充分調(diào)研，開發(fā)出適用于輸電巡檢的各種功能模塊；二是未來多旋翼無人機(jī)應(yīng)具備可二次開發(fā)功能，預(yù)留足夠的開發(fā)端口，方便輸電巡檢人員開發(fā)功能模塊，提高無人機(jī)在輸電巡檢中的適應(yīng)性，推動多旋翼無人機(jī)在輸電線路巡檢領(lǐng)域的發(fā)展，提高輸電線路巡檢效率和水平；在硬件方面，多旋翼無人機(jī)應(yīng)配置綜合性多功能云臺，方便各種拓展功能的硬件接入或組裝，以達(dá)到一機(jī)多能的目的，提高無人機(jī)的應(yīng)用范圍。

4 結(jié)語

(1)高壓輸電線路具有桿塔高、距離遠(yuǎn)、數(shù)量多、目標(biāo)小、環(huán)境復(fù)雜以及電磁影響惡劣等特點(diǎn)，這為輸電線路用多旋翼無人機(jī)提出了更高的要求。

(2)目前市場上多數(shù)無人機(jī)為通用產(chǎn)品，作為輸電線路巡檢工具，其具有續(xù)航能力不足、自身重量與拍攝質(zhì)量矛盾突出、起降條件要求苛刻及功能較為單一的缺陷，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足日益增長的輸電線路巡檢需求。

(3)為適應(yīng)龐大且復(fù)雜的輸電線路巡檢作業(yè)，未來的無人機(jī)應(yīng)向著更長的續(xù)航時間、更強(qiáng)的抗電磁干擾能力、更好的地形適應(yīng)力、更遠(yuǎn)的控制距離、更高的抗風(fēng)性能、更輕的質(zhì)量、更優(yōu)的拍照性能及更多的輸電作業(yè)功能等方向發(fā)展，才能真正滿足輸電線路巡檢需求，提高輸電線路巡檢質(zhì)量和水平。

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