彭向阳，钱金菊，王柯，麦晓明，易琳，饶章权

(广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)



大型无人直升机多传感器全自动巡检系统及其在 500kV线路的应用

彭向阳，钱金菊，王柯，麦晓明，易琳，饶章权

(广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)

摘要：电网输电线路规模的扩大增加了巡检工作量，而人工定期巡检方式已经不能满足现代智能电网安全高效巡检运维需要，为此探讨了无人直升机巡检及相关技术在输电线路巡检中的作用，并研发了一套基于大型无人直升机平台的多传感器全自动巡检系统。介绍了该巡检系统功能和结构，并对巡检系统5个组成部分的设计和研制进行阐述，同时将该巡检系统应用于中国南方电网有限责任公司首次开展的500kV线路巡检试验。巡检结果表明，该巡检系统能有效发现线路缺陷隐患，具有明显的巡检优势和特色。

关键词：无人直升机；多传感器集成；全自动巡检；中继通信；数据处理；智能诊断；500kV巡检

近年中国架空输电线路规模日益扩大，110kV及以上高压线路总里程已达到1.2×106km，并且绝大部分线路偏远，诸多线路跨越大江大河、崇山峻岭，甚至原始森林和无人区，随着线路走廊森林植被保护加强和气候环境变化加剧，巡线任务越来越繁重，巡线工作环境越来越恶劣，尤其近两年人工成本大幅度增加和工人对工作环境要求的提高，更加重了巡线难题。人工巡线方法不仅劳动强度大，耗时多，效率低下，而且部分线路段因地形因素，无法进行人工巡检。中国电网向智能电网建设发展，更迫切需要先进实用的技术来替代目前的人工巡线。

随着技术发展，利用无人机搭载传感器进行巡线得到广泛应用[1-2]。无人机技术是将现代航空平台、计算机、通信、测控、遥感等技术有机结合，通过自动化飞行控制和传感器检测技术对输电线路导地线、金具、绝缘子、铁塔等设备运行状态以及通道环境进行通道巡检或精细检测。无人机巡检成本低，具有明显的技术、经济优势和电力巡检特色，能够较大程度上解决复杂地理条件下人工巡检的安全性、劳动强度大等问题，具有重要的研究价值和应用前景[3-5]。但目前国内外无人机电力巡检技术存在如下问题[6-7]：

a) 受无人机载荷能力限制，目前用于电力巡检的吊舱以搭载数码相机或红外热像仪为主，很少同时搭载三维激光扫描仪、紫外摄像仪。因此，无法在单次巡检中对线路走廊整体、绝缘子、导线等进行全方位巡检和诊断，对多次巡检数据做统一处理和联合诊断也比较困难。

b) 吊舱功能自动化、智能化程度不高，目前主要依靠人工遥控，劳动强度较大，且在通讯链路数据质量不佳、图像丢失或图像延时较大等情况下，无法进行有效作业，可靠性不高。

c) 数据处理自动化、智能化不高，主要依赖人工判读，后期作业工作量大、周期较长。

d) 国内外大型无人直升机电力巡检绝大部分研究还处于探索阶段，尚未在电网开展规模化巡检应用，还没有经受电网实际带电运行线路大规模巡检作业的考验。

为解决上述问题，中国南方电网有限责任公司(以下简称“南方电网”)已在无人机巡线中开展研究工作，本文在对电力线路全自动巡检的功能需求分析基础上，研发了大型无人直升机多传感器全自动巡检系统，介绍了巡检系统功能和结构组成，对大型无人机飞行平台、多传感器任务系统、超视距通信链路系统、测控运输保障系统以及数据处理和智能诊断专家系统等5个分系统进行具体设计和研制，并在南方电网首次开展了500kV输电线路多传感器全自动巡检应用，验证了巡检系统功能性能，巡检应用取得良好效果。

1大型无人直升机全自动巡检系统功能

在无人直升机巡检工作中，为实现一次飞行中发现尽可能多的隐患与缺陷，提高巡检质量与工作效率，降低飞行风险，所设计的电力线路多传感器全自动巡检系统需满足如下功能：

彭向阳，等：大型无人直升机多传感器全自动巡检系统及其在 500 kV线路的应用a) 无人直升机平台具有超低空飞行和悬停作业能力；具备自主飞行模式、自动驾驶模式、手控飞行模式等多种飞行模式，并可实现多种模式的自由切换。

b) 无人直升机平台具有相关的巡检技术，包括安全巡检飞控系统、遥测遥控系统及无线数字图传系统，可沿电力线低空贴近飞行；具备自主避障功能，无人直升机预警与避障系统应能及时设计合理避让路线，实现避障动作。

c) 无人直升机空中通讯中继系统需充分考虑电力线路特殊要求，应支持空中中继模式，实现超视距传输。

d) 测控站遥测系统具备以下功能：能通过下行遥测数据对飞机系统进行状态监测；能实时显示遥测系统接收到的飞机各种信息；可实现航线(点)的实时规划，并进行在线上传更改；能自动保存飞行数据，确保数据的安全性，为飞行后数据分析提供依据；实时遥测无人直升机飞行状态、机载设备工作状态；实时传输载荷信息，对图像进行采集、处理、记录及显示等。

e) 无人直升机多传感器系统集成数据获取系统可同步获取视频、光学数码相片、三维激光点云、红外视频、紫外视频数据，并具有较高几何定位能力，可满足电力巡线状态诊断业务需求。

f) 后期数据处理系统能对获取的光学影像进行几何定位，实现正射影像采集；可通过激光点云数据自动识别电力线、电塔点云数据，并对电力线点云进行曲线拟合；可进行线路下障碍物自动识别，测定安全距离,对危险地物预警；基于红外视频数据探测输电线路电流致热型、电压致热型缺陷；可基于紫外视频数据实现导线外伤探测、绝缘子污秽检查、绝缘子放电检测、绝缘缺陷检测、无线电干扰源检测等功能。

2大型无人直升机巡检系统结构和组成

为实现多传感器全自动巡检系统功能需求，突破目前大型无人直升机电力巡检技术、应用技术，研发实现大型无人直升机多传感器全自动巡检系统。该系统结构组成分为大型无人直升机平台、多传感器巡检任务系统、超视距通信链路系统、地面测控运输保障系统、数据处理及智能诊断专家系统等5大部分。无人直升机多传感器全自动巡检系统主要组成如图1所示。

3大型无人直升机全自动巡检系统研制

3.1大型无人直升机巡检平台

大型无人直升机平台是电力线路巡检数据采集获取的主要平台，包括导航系统、结构系统、飞行控制系统、智能避障系统等设备。主要设备的组成与功能如下：

无人直升机飞行平台主要负责搭载传感器系统、稳定平台、智能避障系统以及其他必要的机载设备。本研究采用国内相对成熟稳定的Z-5无人直升机系统，该系统具有自主起降、定点悬停、三维程控、自动航线飞行等功能，飞行平台的主要参数见表1。

表1Z-5无人直升机主要参数

Z-5无人直升机导航系统为单GPS，当GPS信息失效或者屏蔽时，导航系统将失去导航功能，并且定位精度不高，不能满足电力巡检飞行定位精度和冗余性需求。因此，研究改进原有导航系统，设计三系统双板卡卫星接收机，利用双GPS模式解决GPS冗余功能，采用差分GPS[8]提高定位精度，解决原有导航系统两套GPS累积误差问题，满足吊舱自动跟踪的定位精度需求。无人直升机巡检飞行中频繁变化速度易引起主轴变形使其同轴度降低，导致直升机振动水平加大；频繁操纵动作会产生较大的磨损，影响飞机的飞行状态。因此本文从静止轴系统和抗磨损变距系统两方面来优化改进原有结构系统，通过在直升机旋翼轴外面增加静止轴与选用耐磨材料作为滑块，以提高主轴的过载能力与变距系统滑块的耐磨性，降低振动环境，延长直升机使用寿命。

Z-5无人直升机飞控系统并非专门针对电力巡检应用进行设计。在实际巡检中，无人直升机长时间处于低速飞行状态，可能导致机械结构过快老化，飞行效率偏低，难以适应巡检需要，根据巡检功能需求，对原有飞行控制系统进行优化：

a) 优化远航进程，在爬升模态转远航模态，柔化总距变化过程，防止总距剧烈变化；

b) 优化程控进程，将大速度与巡线程控模式整合至程控进程中，形成快速扫描模式，提高巡检效率；并可设置归航点的高度属性，方便现场选点和起降操作；

c) 优化失控保护进程，升级失控高效归航模态，可设置失控高效归航时地形规避信息，提供失控高效归航、任务优先飞行和失控航线归航3种方式供用户选择。

智能避障系统[9]通过毫米波雷达传感器，使无人直升机具备自动探测前进通道上高压线路、铁塔、高架天线、树林、山脉和丘陵等障碍物功能，并向无人直升机控制系统进行预警以规避飞行风险。

3.2多传感器任务系统

无人直升机多传感器任务系统主要包括稳定平台、POS、多传感器数据获取系统[7]。

a) 稳定平台安装于无人直升机机架下方，其主要作用是隔离载体扰动，使光轴在惯性空间保持稳定，有效保护传感器，同时稳定平台能保持自身姿态，给传感器数据采集提供安全稳定的环境。

b)POS由高精度惯性测量单元(inertialmeasurementunit，IMU)系统和导航计算机系统(POScomputersystem，PCS)组成，为遥感载荷提供高精度位置姿态基准，同时为惯性稳定平台提供精确的指向。高精度POS采用IMU和PCS的分体式结构，在保证位置姿态信息获取精度时，最大程度减轻吊舱的重量和体积[10]。POS不但可以实时输出高精度的位置姿态信息，用于实时成像作业，而且通过后处理可以获得远高于传统组合导航系统的位置姿态精度，应用于高精度测绘。

c) 多传感器数据获取系统可同步获取视频、光学数码相片、三维激光点云、红外视频、紫外视频数据，并具有较高的几何定位能力，可满足电力巡线故障诊断的业务需求。该子系统能对获取的光学影像进行几何定位，实现正射影像采集，为辅助点进行电力线故障信息提取和定位提供高分辨率的基础影像资料；能利用高精度全球导航卫星系统(globalnavigationsatellitesystem，GNSS)或惯导数据，生成高几何定位精度的三维激光扫描仪点云，实现电力线走廊三维激光扫描仪点云高精度自动分类和滤波，快速生成数字表面模型(digitalsurfacemodel,DSM)和数字高程模型(digitalelevationmodel，DEM)，支撑后期的电力线弧垂信息提取、交叉跨越障碍物检测及电力线路走廊三维可视化；能实现基于姿态测量系统用红外视频数据计算每帧影像姿态参数问题；能实现基于姿态测量系统用紫外视频数据计算每帧影像姿态参数问题；可通过激光点云数据自动识别电力线、电塔点云数据，并对电力线点云进行曲线拟合[11]，测定电力线与地面障碍物之间的安全距离，并对危险地物进行预警。

3.3超视距通信链路系统

该子系统是整个系统通信连接的关键设备，主要负责地面站与无人直升机飞行平台之间的数据通信，包括机载、无人直升机中继和地面站3部分，每部分组成如图2所示。

通信链路系统[12]可实现传感器数据的实时下传，并对无人直升机工作状态进行跟踪。为克服地形阻挡、多径效应等干扰因素对无人直升机通信链路的限制，对原有通信链路进行设计优化，采用无线通信组网方式和编码正交频分复用(codedorthogonalfrequencydivisionmultiplexing，COFDM)数字通信技术，增加中继通信设备，以实现测控数据及机载图像的超视距、远距离传输，为无人直升机电力线路巡检长距离、超视距飞行提供稳定信号通道支持。

3.4地面测控运输保障系统

地面测控运输保障系统主要进行无人直升机、中继无人直升机及载荷工作状态的远程监控、控制命令的发送、传感器获取数据的预处理[13]。

该子系统包括移动测控站(测控方舱)和运输保障系统(储运方舱)两大部分。

a) 移动测控站主要功能包括：通过上行遥控数据对无人直升机进行实时干预；通过下行遥测数据对无人直升机系统进行监测，实时显示各种飞行状态信息，自动保存飞行数据；实时规划航线(点)和在线上传更改；操控界面可在参数显示、数据回放、地图编辑等工作模式间灵活切换；对机载稳定平台、传感器的状态和巡检任务执行情况进行实时监控，可在任意时刻人工介入自控流程，对稳定平台和传感器进行人工操作；对通信链路质量进行实时监控，为巡检任务安全开展提供依据；实时监控无人直升机三维航迹，确认无人直升机与线行环境位置关系。

b) 运输保障系统除提供大型无人直升机在运输和短时间存储中必要的固定和环境隔离外，还同步提供对吊舱稳定平台可靠固定和缓冲、多种飞行所需油料的安全储运、现场工器具等的可靠收纳，极大方便了大型无人直升机巡检系统的管理，防止长距离野外运输对大型无人直升机系统造成损坏。

3.5数据处理及智能诊断专家系统

该子系统包括巡检数据几何处理系统、智能诊断专家系统以及线路走廊三维可视化系统等。

a) 数据几何处理系统采用摄影测量、遥感数据处理方法和技术流程，自主研发激光、相机、红外成像仪、紫外成像仪、POS等多种传感器获取的影像、点云、视频、坐标、姿态数据处理系统，实现多种数据的高精度几何处理，为电力线路故障智能诊断系统提供诊断基础数据。

b) 智能诊断专家系统[14-16]可实现多时相无人直升机多传感器获取的高精度三维激光点云、高分辨率航空影像、红外视频及影像、紫外视频及影像数据的数据管理，提供人工排查与智能检测算法辅助排查的电力设备诊断人机交互接口，全自动或辅助巡线人员完成电力线路缺陷与隐患的识别及判断，实现线路设备异常点在多源数据下的表征识别提取等具体巡检业务功能。该系统由Lidar数据诊断分系统、可见光数据诊断分系统、红外数据诊断分系统和紫外数据诊断分系统组成。

c) 线路走廊三维可视化系统[17-18]利用获取的光学影像和高密度激光点云，可快速重建电力线路走廊三维模型，并进行三维可视化浏览，反馈输电线走廊的真实场景，如图3所示。

可视化系统在线路走廊环境地形的可视化方面采用了基于多细节层次(levelsofdetail，LOD)显示方法，在不同视点位置通过不同细节层次表达；使用OpenGL或者DirectX可视化技术，对不同场景和视点进行漫游，并能够实时更新和显示；自动构网生成并显示数字高程模型(digitalelevationmodel，DEM)，并结合地形纹理贴图生成附有纹理的DEM图，从而实现线路走廊三维场景可视化以及海量数据快速浏览、漫游、显示、测量等。

4南方电网500 kV线路巡检应用

在系统集成调试和精度测试基础上，首次将大型无人直升机多传感器全自动巡检系统应用于南方电网500kV输电线路，开展实际线路巡检，对输电线路走廊环境、安全距离、异常发热、异常放电与金具锈蚀等可见光缺陷进行诊断。

4.1巡检概况

巡检线路包括广州500kV蓄增甲线和惠州500kV平祯甲乙线。500kV蓄增甲线全线横跨广州增城中部及南部，沿线均多为丘陵，山地与水田。本次巡检飞行任务起点为139号杆塔，终点为154号杆塔，巡检区段长6.1km，全区段为单回路架设，线路通道巡检和精细巡检飞行计划航迹如图4所示。

500kV平祯甲乙线沿惠阳区滨海台地架设，80%杆塔处于山区地形。本次巡检飞行任务起点为41号杆塔，终点为57号杆塔，巡检区段长6.48km，通道巡检与精细巡检飞行计划如图5所示。

4.2巡检结果

4.2.1500kV蓄增甲线

通过通道扫描巡视飞行，对蓄增甲线巡检区段内线路下相导线对地、建筑物、树木及重要交叉跨越距离进行测量，共发现6处导线对地物距离小于10m的情况(如图6所示)，其中5处为线下树木，1处为交叉跨越线路，根据DL/T741—2010《架空输电线路运行规程》，500kV线路对树障距离应不小于7m，对下方被跨越的110kV线路导线距离不应小于6m，本次巡检发现的6处距离较小的情况尚不构成缺陷，但考虑到树木生长以及夏季高峰负荷下导线弧垂变化，这些安全距离较小区域需要运维部门持续关注，必要时进行处理。

通过精细巡检飞行，对巡检区段内线路及杆塔设备进行紫外放电检查、红外发热检查以及可见光缺陷检查。未在线路设备上观察到明显放电、发热现象和疑似缺陷情况。

4.2.2500kV平祯甲乙线

通过通道扫描巡视飞行，对巡检区段内线路下相导线对地、建筑物、树木及重要交叉跨越的距离进行测量。测量结果显示，在500kV平祯甲乙线未发现安全距离不足缺陷。

通过精细巡检飞行，巡检区段内共发现4处轻微绝缘子放电现象(见表2)，3项轻微发热疑似缺陷(见表3)，5处可见光缺陷和异常(见表4和如图7所示)。4处紫外放电光斑视频具有一定重复性，且光斑随杆塔位置变动而变化，推断相关位置存在放电现象。另外，第4项缺陷通过与红外热像对比分析，推测缺陷系绝缘子污秽放电所致，建议人工复查确认。放电现象发生部位均在绝缘子串高压端附近，巡检前线路所在区域有轻微降雨现象，可能在绝缘子高压端诱发放电现象。

表2平祯甲乙线路紫外放电检查情况

注：缺陷等级均为其他缺陷。

表3平祯甲乙线路43号杆塔发热检查情况

注：缺陷等级均为其他缺陷；小号侧指线路杆塔号减小的一侧，大号侧是杆塔号增加的一侧，如杆塔号为11、12、13的连续三基杆塔，站在12号耐张杆塔，11号塔侧的一串绝缘子为小号侧绝缘子，13号则为大号侧。

无人直升机巡检诊断结果经由供电局人工复查以及与历史缺陷数据对比，基本得到了验证。无人直升机在空中巡检的部分缺陷是人工地面巡检不能很好观察判定的，显示了无人直升机巡检的优越性。

5结束语

针对高压输电线路日常安全维护和应急处置等业务需求，研制了大型无人直升机电力线路多传感器全自动巡检系统，包括大型无人直升机飞行平台、多传感器任务系统、超视距通信链路系统、测控运输保障系统以及数据处理和智能诊断专家系统等5个分系统，集成了光学、红外、紫外、激光扫描、位姿测量等5种传感器，在南方电网首次开展了500kV输电线路巡检应用，验证了巡检系统功能性能，取得良好效果。

大型无人直升机多传感器全自动巡检系统有效解决了无人直升机复杂地形条件下长距离线路超低空超视距安全自动飞行、巡检目标自动跟踪和精细检测、多源数据自动采集、海量巡检数据高效处理和智能诊断等关键技术难题，实现了对线路运行状态多维度望闻问切和多光谱诊断，实现了巡检过程自动化和可视化，克服了人工巡检盲区、局限性以及工作效率低、劳动强度大等问题，将极大促进中国电网无人直升机电力巡检技术发展。

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彭向阳(1971)，男，湖北黄冈人。教授级高级工程师，工学硕士，主要从事输电线路及高电压技术研究。

钱金菊(1990)，女，安徽黄山人。助理工程师，工学硕士，主要研究方向为输电线路故障诊断及智能巡检技术。

王柯(1984)，男，四川西昌人。工程师，工学博士，主要研究方向为输电线路故障诊断及智能巡检技术。

(编辑王朋)

Multi-sensorFull-automaticInspectionSystemforLargeUnmannedHelicopterandItsApplicationin500kVLines

PENGXiangyang,QIANJinju,WANGKe,MAIXiaoming,YILin,RAOZhangquan

(ElectricPowerResearchInstituteofGuangdongPowerGridCo.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong510080,China)

Abstract：Expansionofscaleofpowergridtransmissionlinescausesincreaseofinspectionworkloadwhileartificialregularinspectionisunabletomeetdemandforsafeandhighefficientinspectionandmaintenanceformodernsmartgrid.Therefore,thispaperdiscusseseffectofunmannedhelicopterinspectionanditsrelevanttechnologiesininspectiononpowertransmissionlinesanddevelopsasetofmulti-sensorfull-automaticinspectionsystembasedonlargeunmannedhelicopterplatform.Itintroducesfunctionsandstructuresofthissystemandstatesdesignsanddevelopmentoffiveconstituentpartsoftheinspectionsystem.Thesystemisusedinthefirst-everinspectionexperimenton500kVlinesinCSGandtheresultindicatesthatthisinspectionsystemisabletoeffectivelydiscoverhiddendangersinlinesandhasobviousadvantagesandfeaturesininspection.Keywords：unmannedhelicopter;multi-sensorintegration;full-automaticinspection;relaycommunication;dataprocessing;intelligentdiagnosis;inspectionon500kVlines

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.04.002

收稿日期：2016-01-11

基金项目：中国南方电网有限责任公司重点科技项目(K-GD2013-030)

中图分类号：TM755

文献标志码：A

文章编号：1007-290X(2016)04-0008-08

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