耿 寒，楊海威，張益霖，惠大新

(1．國網(wǎng)遼源供電公司，吉林 遼源 136200；2．國網(wǎng)長春供電公司， 長春 130021)

隨著電力需求的不斷增長，相應(yīng)的電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，特別是開展特高壓電網(wǎng)以及能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，使架空輸電線路的規(guī)模不斷增大。以人工或半自動線路巡檢的傳統(tǒng)方式不能滿足當前輸電線路的運行維護要求，基于無人機巡檢輸電線路受地形制約小，具有操作簡單、塔頭巡檢效果好，巡檢成本低等優(yōu)點，和人工巡視形成了良性互補，提高了輸電線路運行維護的覆蓋能力。

隨著無人機巡檢輸電線路應(yīng)用的不斷推進，強化無人機檢測能力、完善巡檢作業(yè)和安全飛行等系列課題的研究成果正不斷豐富輸電線路無人機巡檢的技術(shù)，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行提供更大保證。文獻[1]為使巡檢無人機適合復(fù)雜環(huán)境，并提高巡視距離和安全性，結(jié)合多項技術(shù)，研發(fā)了一套大型無人機輸電線路巡檢系統(tǒng)。文獻[2]應(yīng)用現(xiàn)有的4種高效巡視方法，通過對4種巡視設(shè)備的應(yīng)用比較，擬定了一套在上海市供電公司配電線路中應(yīng)用的無人機巡檢方案。文獻[3-4]也分別說明了使用無人機進行輸電線路巡檢的合理性和有效性。無人機巡檢作業(yè)信息應(yīng)用方面，通常以無人機配置的傳感器獲取的影像資料為數(shù)據(jù)源，進行缺陷定位或故障診斷等方面的研究[5-7]，提高了輸電線路運行維護水平。

當前用于輸電線路巡檢作業(yè)的無人機多為小型無人機，針對個別極復(fù)雜地形進行輸電線路狀態(tài)巡檢，采用多旋翼的垂直起降方式。在實際無人機巡檢作業(yè)中，面臨農(nóng)田、河流等特殊地形，無人機在起降過程中容易發(fā)生傾覆、磕碰等。針對這一情況，亟待研發(fā)一種全地形的起降裝置，該裝置便于收放，并可以和無人機收納裝置結(jié)合，在各類地形上均能支持水平基面架設(shè)。

1 輸電線路運行維護分析

輸電線路的運行與維護是保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行工作的重要組成部分，為保障輸電線路處于正常運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)和消除桿塔塔體、金具、其他附屬設(shè)備以及線路保護區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的缺陷或隱患，同時為輸電線路檢修、運行維護等作業(yè)項目提供基礎(chǔ)依據(jù)，需要組織運行維護人員對線路進行巡檢，即人工巡視。根據(jù)工作內(nèi)容的不同，可將巡視工作分為正常巡視、故障巡視、特殊巡視三類。

巡視內(nèi)容可分為3部分：桿塔、附屬設(shè)施、通道環(huán)境。桿塔需要檢查的內(nèi)容主要包括：基礎(chǔ)、塔材、導(dǎo)線、絕緣子等部分；附屬設(shè)施需要檢查的內(nèi)容主要包括：防雷裝置、防鳥裝置、各種監(jiān)測裝置、標志牌以及較小的金屬構(gòu)件；架空線路通道環(huán)境需要檢查的內(nèi)容為物體對導(dǎo)線的水平、垂直距離是否滿足要求，是否有發(fā)生故障的隱患，如：樹木、建筑物與導(dǎo)線的水平、垂直距離，線路保護區(qū)內(nèi)有無危及線路安全的施工作業(yè)，易燃、易爆物堆積，漂浮物。

現(xiàn)階段輸電線路巡視工作主要以正常巡視、故障巡視、特殊巡視三種常規(guī)巡視方式為主，線路巡查人員以地面巡視為基本手段，并輔以帶電登桿(塔)檢查等。無人機的線路巡檢作業(yè)中，小型無人機操作簡單，成本低，可勝任桿塔、金具等附屬設(shè)施、通道環(huán)境的巡檢工作，被廣泛應(yīng)用。

輸電線路的無人機巡視作業(yè)主要針對特定的區(qū)域進行巡檢作業(yè)，該區(qū)域地形復(fù)雜，人工巡視困難，巡視結(jié)果難以符合工作要求。而在一些較復(fù)雜環(huán)境下運行的輸電線路桿塔，無人機巡檢作業(yè)也面臨較多困難。

2 小型無人機巡檢作業(yè)分析

2.1 無人機技術(shù)與人工巡視的差異性分析

采用無人機的輸電線路巡視作業(yè)主要根據(jù)內(nèi)置程序和地面遙控進行。巡視作業(yè)前，無人機操作人員需對待巡檢對象、目的有初步了解，掌握巡檢環(huán)境，確定巡檢作業(yè)的全過程內(nèi)容，保障飛行安全和穩(wěn)定性，提高工作效率。同時，保證無人機操作人員的技術(shù)熟練程度，掌握機載儀器的情況，保證能夠及時獲得待查缺陷、故障的準確信息，使無人機巡線作業(yè)既能完成人工巡視可發(fā)現(xiàn)的缺陷、隱患，也能發(fā)現(xiàn)人工巡視難以發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)線斷股、異常放電等不可忽視的隱患。

無人機巡檢作業(yè)較人工巡視的差異性主要體現(xiàn)在工作質(zhì)量、工作效率和工作要求三方面。工作質(zhì)量方面：人工巡檢在地面以一定角度仰視桿塔塔頭、導(dǎo)線等巡視對象，無人機可近距離觀察，觀察角度增大，細節(jié)分辨率更高；人工巡檢會受到巡線員生理、心理等主觀因素的影響，不能保證巡視質(zhì)量，無人機巡視作業(yè)人力耗費水平低，有利于保障輸電可靠性。工作效率方面：由于無人機的運行成本低，從保障供電可靠性角度，可安排多臺無人機組協(xié)同進行全線路日常巡視和重點巡視，節(jié)省大部分人力，提高工作效率。工作要求：人工巡視可以適合任何情況下的工作環(huán)境，無人機巡檢作業(yè)相對要求較高，需要一套從準備起飛到設(shè)備回收的全過程飛行保障措施。

2.2 無人機巡檢作業(yè)的工作要求分析

確定使用無人機巡視后，即對無人機設(shè)備自身、巡檢人員狀態(tài)及天氣狀況和工作環(huán)境等因素進行檢查，特殊情況制定相應(yīng)的安全措施，保證無人機能順利開展工作。無人機起飛時，根據(jù)無人機的質(zhì)量選擇合理的起飛方式，保證無人機可以穩(wěn)定安全地進入到預(yù)定航線。完成預(yù)定巡檢工作后無人機返航，地面巡檢人員應(yīng)最大限度地提前作好無人機準備降落區(qū)域的場地清障工作，保證無人機的安全穩(wěn)定降落。無人機降落后，應(yīng)檢查各部件的狀態(tài)，并進行簡單的清潔和緊固工作，如有損壞和設(shè)備異常情況，應(yīng)及時維修，最后對部件進行拆卸和裝箱，核對設(shè)備清單，保證現(xiàn)場無遺漏后裝車、入庫，做最后一次核對，完成設(shè)備的回收工作。

當前無人機的工作環(huán)境大多在地理環(huán)境惡劣的線路走廊內(nèi)，此時的巡檢工作對人工巡檢或是勞動強度過大，或是自然環(huán)境惡劣，亦或是人工巡檢難以達到要求的檢測精度。進行無人機巡檢作業(yè)后，主要工作是如何避免惡劣環(huán)境下無人機發(fā)生事故。把無人機巡檢作業(yè)分為起飛、高空巡檢和返航降落3個工作階段，降低無人機的起降難度會顯著降低無人機的事故發(fā)生率，因此，設(shè)計先進的無人機起降平臺尤為重要。

3 小型無人機起降平臺的設(shè)計方案

3.1 適用于復(fù)雜環(huán)境的起降平臺模型

惡劣的架空線路走廊通常是指高低不平的農(nóng)田、面積較大的河流、垃圾堆放場等線路通道環(huán)境，小型無人機進行巡檢作業(yè)時必須克服工作環(huán)境帶來的不利影響，因此，起降平臺必須最大程度地降低飛行難度，提高巡檢工作質(zhì)量，完成巡檢工作任務(wù)。同時，在保證完成任務(wù)的基礎(chǔ)上，要確保無人機不受到損壞，降低巡檢作業(yè)成本，應(yīng)對復(fù)雜起降環(huán)境時，起降平臺的設(shè)計模型見圖1。

圖1 復(fù)雜環(huán)境的起降平臺模型

起降平臺由平臺表面和支撐架組裝而成，平面可向外擴展，進而擴大無人機的起降范圍。支撐架采用多節(jié)設(shè)計，可伸縮、拉長，靈活調(diào)節(jié)起降平臺的高度，克服玉米等高桿植物給起降帶來的困難。支撐架內(nèi)設(shè)置各種功能模塊，以便適應(yīng)各種場景下的無人機起降，減少無人機事故發(fā)生。

3.2 作業(yè)環(huán)境為農(nóng)田場景時的模型

農(nóng)田是較為常見的輸電線路走廊內(nèi)的地形地貌，對于小型無人機而言，農(nóng)田對無人機起降動作的影響主要體現(xiàn)在：無人機起降時，由于東北地區(qū)的農(nóng)田主要設(shè)計為壟溝-壟臺組合，因此高低不平的地表讓無人機起降時極易發(fā)生傾覆事件，給設(shè)備(特別是旋翼)造成損壞。當起降環(huán)境是農(nóng)田時，起降平臺的設(shè)計模型見圖2。

圖2 農(nóng)田的起降平臺模型

無人機在起降平臺上進行起降動作時，由于起降平臺的表面平整光滑，幫助無人機克服了地表不平的不利因素，因此，可滿足無人機安全起飛和平穩(wěn)降落，減少無人機傾覆事件發(fā)生的概率。

3.3 作業(yè)環(huán)境為水面場景時的模型

當桿塔的基礎(chǔ)在水里時，采用人工巡視較為復(fù)雜，無人機巡檢既解決了巡線員難以靠近桿塔的困難，也提高了巡檢的工作效率?？紤]蓄電池的電量及高壓線的電磁干擾，此時要解決的問題是無人機因向桿塔靠近和返航而損失的蓄電池電量，以及保證通信系統(tǒng)良好的實時性和較高的可靠性，避免飛行距離過長造成無人機墜機落水和誤操作而過于靠近高壓線產(chǎn)生危險。當起降環(huán)境是水面時，起降平臺的設(shè)計模型見圖3。

圖3 水面的起降平臺模型

起降平臺的材料采用密度低于水密度的合金材料，以便讓平臺的浮力大于自身重力進而可漂浮在水面上。當起降平臺攜帶無人機靠近水中桿塔時，無人機在起降平臺上起降，減少了飛向水中桿塔所消耗的電量，也減少了無人機返航時的耗電量。支撐架內(nèi)置信號放大模塊，保證準確、及時地傳輸巡檢信息和無人機的控制信息。通過上述兩種途徑降低墜機事件發(fā)生的概率。

4 結(jié)論

本文討論了小型無人機用于輸電線路巡檢時較人工巡檢的優(yōu)勢，同時分析了無人機在起降時面臨的困難，提出了為無人機設(shè)計起降平臺的方案。通過分析各種復(fù)雜地形給無人機起降帶來的困難，設(shè)計了適用于面向東北地區(qū)的多種地形的無人機起降平臺，提高了輸電線路巡檢效率，保障無人機的安全飛行。