摘要:随着我国经济发展和人民生活水平的提高,对于电力能源的需求也逐年增加,输电线路作为电力能源传输的重要载体,国家电网公司和南方电网公司也加快输电线路的建设,呈现逐年增加的趋势,但输电线路运维现状不容乐观。现有输电线路运维人员缺口较大,且传统人工巡检模式存在巡检工作强度高、效率低、效果差的问题,加之输电线路多位于远离城镇、远离交通干线、人烟稀少的高山大岭地区,需要特巡特维的任务日益增多,输电线路巡检工作面临的问题日益突出。近年来,电力公司积极采用新型运维方式代替传统人工巡检,其中无人机巡检在输电线路巡检中应用较为广泛,其灵活性强、操作难度低、巡检效率高、受地域环境影响小等优势逐渐显现,但随着实际的应用,其数据传输速率、人员操控、操控范围等方面的短板也逐渐暴露。目前5G网络的建设初见成效,基于5G的无人机技术也应用于输电线路,弥补了无人机应用存在的短板,从而解锁更多无人机在输电线路领域的应用场景。
关键词:无人机技术;输电线路;无损探伤应用
引言
我国幅员辽阔,为保证全国各地的可靠供电,需建设较多的高压输电线路。而线路巡检是保证高压输电线路正常运行的重要手段,对我国电力的可持续供应和经济的安全、快速发展具有重要意义。最近十几年,随着国家经济的高速发展,架设的高压输电线路越来越多。在这种背景下,如果采用传统的人工巡检模式巡检数量如此之多的高压输电线路,将会不可避免地存在着作业强度大、巡检周期长、部分线路检修危险等问题。近年来,国家电网公司积极引进无人机智能巡检技术,提升高压输电线路巡检工作的自动化程度,改进巡检工作模式,以期实现高压输电线路的精确、高效、经济巡检。
一、当前无人机巡检存在的问题
随着无人机技术的成熟,其被广泛应用于电力、交通、安防等领域。作为电力行业的主要应用场景,输电线路无人机巡检在全国各地进行了试点,并取得了较好成绩,但也突显出一些问题,使无人机巡检无法实现广泛应用。无人机巡检需要运维人员同时具备电力巡检和无人机操控的双重能力,在缺少运维人员的情况下较难实现无人机的广泛应用,同时运维人员综合素质参差不齐,给无人机巡检的质量带来较大不确定性;由于通信技术的限制,当前无人机使用4G、Wi-Fi或蓝牙等通信方式,带来空域定位精度低、带宽小、高延时和操控范围小等问题,导致传输图像不清晰、无人机误碰高压线和坠机等现象。Wi-Fi点对点的形式,通信距离一般不超过500m,图传能力可达到1080P,每秒30帧左右;4G网络在网络覆盖的情况下,不受操控距离的限制,图传能力以720P为主;蓝牙传输则在传输距离和图传能力方面均处于最低水平。因此现阶段无人机无法完全满足输电线路巡检的需求。
二、基于无人机技术的输电线路无损探伤应用
2.1无人机自主巡航
无人机自主巡航是输电线路无人机智能巡检技术的核心组成部分。其巡航的区域主要分为塔间区域和近塔区域。目前,输电线路无人机巡检并不具备自主或自动巡检能力,通常采用的方式是:人工预先设定运行的轨迹,然后基于GPS按预定轨迹飞行。该方法存在明显的不足:(1)无法适应检测目标或者周围环境随时间可能发生的变化,容易发生安全事故。例如,当树木生长至输电线路附近时,无人机有较大可能撞上树木,造成无人机坠毁。(2)该方法对无人机定位的精度有着较高的要求。然而,常用的民用无人机GPS的定位误差可高达10m。
虽然利用载波相位差分技术能克服这一问题,但是该技术需要建立较多的基站,以覆盖输电线路所处的较为广阔的范围,因而将该项技术应用于输电线路无人机自主巡航的成本太高,并不切合工程实际［6］。目前,机器视觉技术是解决上述问题的潜在解决方式,也成为了该领域的研究热点。此外,采用GPS和机器视觉辅助技术的组合导航系统是输电线路无人机智能巡检的未来发展趋势。
2.2无人机智能联动
无人机智能联动是指无人机与杆塔上图像监测装置结合,当图像监测装置检测到有问题时,通过平台间数据共享触发智能联动机制,控制无人机自动进行清障、喊话等操作,保障输电线路运行安全[13]。当无人机巡检平台接到可视化平台推送的通道异物告警后,巡检平台将异物位置信息发送到无人机,同时给无人机发送清障指令,无人机接到指令后自动更换搭载设备,搭载激光清障器和高清摄像头,利用5G通信高带宽、低延时、高精度的特点,准确到达异物位置,并锁定异物,高能激光束射到目标异物,通过光热作用将架空线路上的漂浮型异物部位吸收激光导致局部温度急剧升高后熔化或气化,从而掉落[14]。同理,当输电线路下方出现未经批准的非法施工或经过超高车辆后,无人机接到指令后自动更换搭载设备,搭载喊话装置和高清摄像头,快速到达指定位置,对下方施工人员或车辆司机进行喊话,勒令其停止施工或驶离,并进行录像保存证据,并将视频实时回传至无人机巡检平台,运维人员可以通过现场视频进行备案和责任追寻。
2.3无人机电磁屏蔽
无人机上天线的装载、电源供电回路、接地等,都给复合材料无人机整机的电磁兼容设计提出了更高的要求。无人机电子系统电磁干扰的产生必须具有3个要素,即干扰源、干扰传播途径和敏感设备。干扰源来自火花放电,敏感设备有GPS、数传及图传、飞控系统。无人机系统中主要干扰传播途径为辐射耦合,因为无人机没有密封的机箱外壳,且机箱上的许多通风散热孔、导线引出孔、铆接缝都会渗入或泄出电磁波。无人机外壳主体材料为单向碳纤维预浸料,壁厚约2mm。复合材料具有特殊的电磁性能,导电及屏蔽性能不如金属材料[17-18]。电磁屏蔽方法切断干扰传播途径,对空间干扰可以起到较好的效果。用铜箔包裹或者镍喷涂,或者把电路板装入铝盒,焊接到接地端,这些措施可以增加抗射频干扰能力。GPS模块(L1波段中心频率为1.57GHz)与数据链路通信模块共存于一个系统中,两者的工作频率相近,由于GPS信号比较弱,常淹没在噪声中。为了提高无人机电磁屏蔽性能,GPS天线做了如下改进:(1)安装一个金属地板。安装金属地板将改善信号接收和GPS性能,使用10cm×10cm的铜皮。(2)避免射频干扰。GPS信号易受射频干扰,如无线调制/解调器、无线视频发射机等。(3)GPS电缆打大弯捆扎成圆。不要来回折叠捆扎,会影响GPS信号。
结束语
本文概述了输电线路无人机智能巡检技术的应用现状,指出了这项技术的工作模式和特点,分析了输电线路无人机智能巡检技术的技术需求,引出了其存在的四个尚未解决的关键科学和技术问题,并针对这些关键问题,探讨了潜在的解决方案,也对未来输电线路无人机智能巡检技术发展进行了展望,可为输电线路无人机智能巡检技术的快速发展和相关研究一定的有益参考。
参考文献:
[1]幸运星.无人机技术在输电线路巡检工作中的应用及展望分析[J].无线互联科技,2020,17(19):19-20.
[2]傅力帅,吴一飞,张毅磊,牛纯春,潘桢.无人机电力巡检系统中的通信方法[J].电子技术与软件工程,2020(15):20-22.
[3]陈肇隆.基于无人机图像的输电线路附件识别与缺陷检测[D].华南理工大学,2020.