基于遥感的电力线路安全巡检技术现状及展望

2017-12-23作者刘朝晖神华包神铁路集团有限责任公司

电子制作 2017年18期

作者/刘朝晖，神华包神铁路集团有限责任公司

作者/刘朝晖，神华包神铁路集团有限责任公司

随着电力电网技术的不断发展，为保障电网科学、经济、安全的运行必须深度发展电力线路的遥感安全巡检，加快我国电力电网的自动化建设。而作为电网系统重要组成部分的电力线路需要对其进行有效的巡检管理，从而保证设备的安全运行。介绍电力线路安全巡检技术和遥感巡检系统功能，针对现有电路巡检模式中存在的文件进行了深入的分析，结合遥感技术、卫星全球定位(GPS)和地理信息系统(GIS)等技术构建安全、可靠、高效的安全巡检系统，避免了人工巡检效率较低、人为因素多、管理不便的缺点，减少电力巡检工作量并提高电力巡检效率。基于遥感的电力线路安全巡检使电力巡检工作管理自动化、规范化，杜绝人为设备事故且保障电力生产的安全。

遥感技术；电力线路；安全巡检；地理信息系统

引言

随着对电网系统逐步的深化改革，电网技术不断向着经济、科学、有效的自动化方向发展。电网系统的电力线路巡检是保证电网安全、自动化的重要工作。目前，国内的电网系统电力安全巡检普遍采用的人工巡检、手工纸质记录的巡检制度。这种电力安全巡检制度存在较大的人为影响因素、较高的人力成本和信息管理成本、较低的巡检信息化程度等缺点。而实现了电力安全巡检基本信息化的系统，也无法人工处理日益增多的巡检信息，无法实现信息共享和多目标协同决策等现代化需求。为实现电力电网系统的自动化、信息化管理，需采用先进的无线移动通信技术构建电力电网系统的电力线路安全巡检系统。本文介绍遥感电力线路安全巡检的现状并对高效、自动化、信息化的电力线路安全巡检技术进行分析与展望。

1.遥感电力线路巡检系统发展现状

遥感技术是一种兴起于20世纪60年代的探测技术，它基于电磁波理论并结合传感仪器设备对远距离目标产生的辐射电磁波和反射电磁波信息进行收集、处理、成像，最后形成对地面各类景物的识别，通过遥感技术可以对远距离目标进行探测。国外针对摇感技术在航测领域的应用进行了深入的研究与革新，结合GIS（Geographic Information System,地理信息系统）和GPS(Global Positioning System,全球定位系统)构建电力线路安全巡检系统。美国的电力线路安全巡检系统的主要代表有TIMS（Transmission Inspection Maintenance System，输电线路巡视维保系统）、IVM（Integrated Vegetation Management，综合管理系统）等。德国、葡萄牙等发达国家的电力线路代表巡检平台有IHCM（Integrated Helicopter Corridor Mapping，直升机映射系统）、PLMI（Power Line Maintenance Inspection，电力巡视维保系统）等。此外，国外的相关科研机构和科技公司也着眼于遥感电力线路安全巡检技术的研究，西班牙马德里大学根据数字图形成像技术和图像追踪技术研究了无人机遥感巡检系统，基于该巡检导航系统能够及时调整飞行器姿态并指导飞行器安全着陆，对电力线路进行高效的巡视。日本千叶大学则是在无人探测机中应用了故障自动监测和实时图形三维成像技术，开发了相应的遥感电力线路安全巡检系统。澳大利亚相关科研机构也基于遥感技术开发了一套用于巡检的无人机算法并对无人机的结构进行了改良和优化，不仅整体提升了无人机的抗风能力也延长了无人机的飞行时间。

图1 某遥感巡检系统结构示意图

国内的遥感电力线路安全巡检系统较发达国家而言相对较晚，我国最早由中科院物理研究所的相关学者提出电力线路安全巡检的数据采集分析方案并基于该方案设计实现了电力线路安全巡检系统，其后加入DSM（Digital Surface Model，数字地表模型）技术、GPS技术、GIS技术不断升级电力线路安全巡检系统。同时，我国桂能信息公司利用直升机机载激光雷达技术对华北电网北京超高压线路进行安全巡检，实现了我国遥感电力线路安全巡检的突破。湖南电力科学研究院对遥感电力线路安全巡检技术进行了深入研究，针对无人机的防雨、抗风、防撞等性能进行了研究改进，设计并实现了无人直升机巡检系统。图1是我国国家电网设计研究院独立自主设计并实现的无人机遥感电力吸纳路安全巡检系统结构图。

2.现有电力线路巡检模式存在的问题

我国电力电网规模近年来不断扩大，架空电力线路覆盖区域逐年变广。我国预计到2020年电力线路建设总里程从2010年的90万km增加到159万km，增设的电力线路主要集中在我国的山区，由于野外的气候条件恶劣这些长期暴露在外的供电塔杆、电力线路很容易发生老化断裂、雷击损坏、极寒气候时发生导线冻裂、杆塔倾斜、绝缘子损坏线路失去绝缘特性，如不及时进行电力线路巡检、排查，更换损坏设备并消除运行隐患将导致电力事故发生，严重的甚至发生重大电力事故。

目前，我国电力行业针对电力线路的安全巡检有传统人工巡检和信息半自动化巡检两种。传统人工巡检一般由人工进行电力线路巡视并通过手工记录的方式记录电力线路的安全信息，由于存在较大的人为影响因素、较高的人力成本和信息管理成本、较低的巡检信息化程度等缺点，容易造成安全信息确实、无法系统化查询管理电力系统等问题。信息半自动化巡检虽然一定程度上提高了巡检可靠性，但对于巡检系统的安全性并无明显提升，同时也存在成本高、管理不便的缺点，尚未得到普遍的应用。

我国除部分地区电力线路应用了遥感航测技术外，绝大部分地区电力线路安全巡检工作仍由人工在地面进行逐个检查。因此，现阶段实际上我国普遍采用人工巡检的方式对电力线路进行安全排查。这种传统人工电力线路巡检不仅需要花费大量的人力成本也无法实现对电力线路的全面巡检，对于部分设备的巡视可能存在疏忽遗漏，对于复杂地理环境的山区线路人工无法排查，容易出现电力线路巡检盲区。野外巡检也无法保证巡检人员的人身安全，需要及时维修的部分也只能通过人工记录再交由相关维护人员进行设备维保，因而造成了电力线路运行维护的困难，这种巡检方法主要存在下述缺陷。

■2.1 运维人员满足不了输电线路高速增长的需求

目前，我国的电网系统建设规模已经跃居世界首位，同时我国不断推进全国联网建设并加强区域性电网建设，整体提升电网系统自动化水平、电能质量和供电稳定性，以满足社会主义现代化经济发展的电力需求。我国相关电力部门统计数据显示，在2010年时的全国电网220千伏及以上的输电线路回路长度为44.6万千米，公用变电设备容量为20亿千伏安。而到2016年时全国电网220千伏及以上的输电线路回路长度为67.2万千米，公用变电设备容量为30.3亿千伏安。我国的电力电网系统在“十二五”期间得到了高速的发展，全国电力线路年增长率超过7.5%，且未来还将以每年7%以上的速度快速增长。

与此同时，相对于高速发展的电力电网系统，电力线路安全巡检的输电线路运维人员由于逐年增加的人工成本，导致电网系统电力线路运维人员无法大幅增加，在过去10年中平均年增长率不足3%，远远低于全国电力线路的总体增长速度，已无法满足我国电力线路高速增长的建设现状。

■2.2 人工巡检效率低、难度大且安全风险高

电力线路大部分建设在人口相对较少的山区，人工巡检所需的线路搭位车辆一般难以进入，同时人工巡检大多依赖步行且野外路途艰险，造成大部分山区线路的运维人员只能巡检少量的电力塔杆，即使通过投入大批巡视人员巡检效率仍然较低。实际巡检工作中巡检人员在巡视电力线路时容易出现报告记录有误、巡视路线有误等问题，若存在相应的监管问题将严重影响电力线路巡检工作的质量。仅通过相关规定无法对巡检系统进行整体规范。

同时，在设备检修过程中，巡检人员无法得到有效的技术支持。尤其是对相关结构复杂的精密设备进行巡检时，作业人员不仅时常需要查阅维相关的技术资料同时也需要相关的巡检设备进场，对于复杂地理环境的山区线路人工无法排查，野外巡检也无法保证巡检人员的人身安全，人工巡检难度较高。

■2.3 人工巡检手段单一、缺陷发现率低

电力线路人工巡检时一般都由巡检人员携带单人诊断设备对其进行巡视测量，人工无法到达的电力线路部分则只能通过肉眼借助望远镜和相机进行测量并判断电力设备是否存在安全隐患。特别是部分山区线路由于人工测量时距离电力杆塔较远、观测角度大更加难以判断电力设备是否存在安全隐患。目前，电力线路人工巡检的巡检数据主要由人工判断，受巡检人员的主观判断影响较大，无法对巡检数据进行智能判断分析，甚至不同巡检人员的巡检结果都相差甚远无法保证巡检质量。后期巡检数据的处理审阅周期较长、处理工作量较大，效率低下的同时也增加了电力线路故障的概率。

■2.4 巡检数据管理分散、应用水平低

电力线路人工巡检时，巡检数据都有巡检人员进行纸质记录，容易出现记录错误或者巡检报告准确性不高等问题，特别是传统的人工巡检方式中设备巡检的隐患报告大都依靠巡检人员的经验与记录习惯进行记录，容易造成巡检人员对隐患的记录不够准确、完整或维护人员对巡检人员的隐患报告理解出现偏差的现象，一旦电力线路的隐患报告无法准确、完整地传达给维护人员，轻则导致维护人员维修工具、设备携带不充分而无功而返，严重时将导致电力线路的隐患得不到及时消除造成重大电力事故。

人工巡检记录的巡检信息可能无法及时录入历史信息库，造成巡检历史信息的不完全。维护人员需要较多的时间了解巡检历史信息才能做出正确的维修选择，降低了维修进度和维修质量，同时仅凭巡检人员肉眼观察记录的信息，无法给维护人员提供全面的现场信息，造成信息的不匹配。在人工巡检模式下，巡检数据主要存放于电力线路的巡检站点使得巡检人员反馈回来的巡检数据比较分散，同时由电力线路运维部门管理，巡检数据无法高效的进行整合、统计、共享且巡检数据主要通过人工对电力线路现场进行判断记录，无法对巡检数据进行只能分析容易出现偏差，无法给电力线路维保部门提供更加准确的信息。

3.基于遥感的电力线路安全巡检技术

基于遥感技术的电力线路安全巡检系统是指结合航空、电子、图形等技术通过无人驾驶飞行器对电力线路进行安全巡检的系统。人工巡检在效率方面也无法与现代遥感电力巡检的日工作量相比较，因此基于遥感技术的电力线路巡检不仅弥补了人工安全巡检的缺点，同时具有其自身独特的安全、多角度、全方位的巡检优势，方便拍摄相应图像、丰富数据资料。基于遥感技术的电力线路巡检系统中一般将配置两个用于通讯的模块，这两个通讯模块将电力杆塔信息采集系统的数据发送到遥感设备上，另一个则是将遥感设备上的数据发送到信息中心进行巡检信息统计，图2为遥感电力安全巡检系统的通讯模块结构示意图。

图2 遥感电力安全巡检系统的通讯模块结构示意图

■3.1 整体架构

针对人工巡检系统和传统遥感电力线路安全巡检系统中的一些缺陷和问题进行分析，研究并设计了以现代通讯设备为硬件支持并基于全球定位信息技术和地理信息系统技术的电力线路安全巡检系统，以满足目前电力线路安全巡检的各方面需求。通过GPS和GIS嵌入技术等现代化科技，避免人工巡检的人为影响并优化了传统遥感电力线路安全巡检系统的线路缺陷，能够及时发现电力线路的安全隐患，预防各类电力故障。该电力线路安全巡检系统的实际应用不仅加深了对遥感技术的应用与研究，也进一步加快了巡检系统的现代化、规模化、信息化发展。

■3.2 GIS + GPS 线路巡检系统设计方案

结合全球定位信息技术和地理信息系统技术的电力线路安全巡检系统可以通过巡检任务模块实时生成巡检任务，也可在线修改巡检任务并通过相关通讯模块将电力线路巡检获得传输回控制中心，控制中心根据故障分析模块、杆塔电力线路管理模块对巡检数据进行分析处理。该系统的巡检管理系统总体结构图如图3所示。

图3 巡检管理系统总体结构图

该电力线路安全巡检系统拥有完备的智能诊断功能，根据无人机遥感技术判断电力塔杆、绝缘子、高压设备、高压导线等相关设备的设备状态，对故障进行诊断的同时分析巡检数据给出维修方案，实现真正的自动化安全巡检。该电力线路安全巡检系统电力安全巡检智能诊断逻辑图如图4所示。

图4 电力线路安全巡检智能诊断

■3.3 实际应用

该电力线路安全巡检系统基于遥感技术和现代GPS、GIS信息技术，实现大范围、规模性电力线路和电气设备的安全巡检任务，从而保证电力系统的安全可靠运行，将该系统应用到实际电力线路安全巡检中，其具体功能应用如下：

巡检人员通过便携通信设备通过GPS系统对需要巡检的电力线路进行定位和导航，通信设备自动上传遥感飞行器的巡检数据并记录巡检任务详细信息，巡检人员根据通信设备上的信息进行巡检现场查看并处理相应故障信息。

遥感飞行器完成电力线路巡检任务后，巡检人员根据上传到数据处理中心的如飞行器巡检时间、巡检任务信息、巡检现场数据等巡检数据，结合相关设备的运行参数、设备故障率、气候环境参数等数据综合分析故障情况并通过只能诊断系统得出相应的故障处理结果，最后将故障处理结果下发到相关维保部门对电力设备进行维修保养，消除电力系统的安全隐患。其中，电力线路巡检系统信息传输结构图如图5所示。