文/岑宗浩，王洪飛，王博，陳宏宇

（1.國家電網(wǎng)有限公司華東分部，上海 200120；2.復(fù)旦大學(xué)光電研究院，上海，200438）

一、引言

電網(wǎng)是能源資源輸送的重要基礎(chǔ)設(shè)施。電網(wǎng)持續(xù)穩(wěn)定運行是社會經(jīng)濟發(fā)展的保障，是國家能源安全重要的一環(huán)。而電網(wǎng)巡檢是及時發(fā)現(xiàn)、排除威脅電網(wǎng)安全隱患的手段?，F(xiàn)如今，中國已經(jīng)擁有龐大的電網(wǎng)設(shè)施存量。同時，在需求側(cè)壓力下，電網(wǎng)存量仍在不斷增長。從2012 年到2020 年，我國電網(wǎng)規(guī)模翻了一番，全國110（66）kV及以上電線線路總長度達到了114.2 萬公里。[1]電網(wǎng)巡檢工作量也隨之不斷增加，傳統(tǒng)的電網(wǎng)巡檢風(fēng)險高、效率低，已然難以適應(yīng)當(dāng)今的電網(wǎng)發(fā)展形勢。

近年來，我國航天事業(yè)快速發(fā)展，尤其是在衛(wèi)星遙感領(lǐng)域。我國在衛(wèi)星載荷種類、遙感圖像分辨率和定位精度、遙感數(shù)據(jù)解譯等方面達到了國際領(lǐng)先水平。隨著遙感圖像分辨率和探測精度的不斷提升，使用衛(wèi)星遙感進行電網(wǎng)巡檢變得可能。

衛(wèi)星電網(wǎng)巡檢是衛(wèi)星遙感技術(shù)、人工智能、空間通信等多領(lǐng)域在電網(wǎng)巡檢中的綜合應(yīng)用。衛(wèi)星電網(wǎng)巡檢是傳統(tǒng)電網(wǎng)巡檢的重要數(shù)字化改造，發(fā)揮衛(wèi)星遙感領(lǐng)域技術(shù)優(yōu)勢，以提高電網(wǎng)巡檢效率、縮短巡檢周期、降低巡檢成本。結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能等關(guān)鍵技術(shù)，改造傳統(tǒng)電網(wǎng)巡檢的生產(chǎn)與管理模式。

二、電網(wǎng)巡檢現(xiàn)狀

電力巡檢的對象主要有輸電設(shè)施、外來物以及電網(wǎng)線路周邊環(huán)境。其中，輸電設(shè)施主要包括桿塔、導(dǎo)線、絕緣子等部件。這些部件會受到極端天氣、地形變化等因素影響，容易出現(xiàn)桿塔倒塌、導(dǎo)線斷裂、絕緣子破碎等事故。外來物會對電網(wǎng)設(shè)施造成威脅，主要存在的威脅因素有覆冰、異物和吊車等。周邊環(huán)境一般指颮線風(fēng)、樹廊和山火等異常情況。

目前，針對上述巡檢場景存在幾種傳統(tǒng)的巡檢方法，分別為人工、直升機、無人機、掛線機器人、傳感器等。

（一）人工

人工巡檢是傳統(tǒng)電力巡檢的主要方式，由專門的巡檢工人完成電力巡檢檢查工作。電力設(shè)施環(huán)境是否存在風(fēng)險十分依賴巡檢人員的經(jīng)驗。[2]單一的人力巡檢方式在電力需求不斷增長、電力巡檢標準日益增高的今天已然不足，存在巡檢成本高、巡檢效率低、巡檢風(fēng)險高等劣勢。人工巡檢方式不足以支撐新時代對電力巡檢的要求，直升機、掛線機器人、無人機等機巡方式被廣泛研究、應(yīng)用。

（二）直升機

直升機提供了俯瞰電力線路設(shè)施的獨特視野，巡檢人員可在短時間內(nèi)巡視大面積區(qū)域，巡檢效率有所提升[3]。搭載直升機，巡檢人員更容易進入難以直接訪問的地區(qū)。直升機可以搭載熱成像儀、專用攝影機等設(shè)備輔助巡檢人員監(jiān)測輸電設(shè)施可能存在的故障問題。但直升機其使成本較高，起飛前需要向民航局申請航線，易受禁飛區(qū)影響。在氣象條件惡劣的情況下巡檢人員的飛行安全難以保障。

（三）掛線機器人

掛線機器人巡檢是一種利用機器人、傳感器技術(shù)來巡視輸電線路的方法。掛線機器人通常具有輪式或軌道式地盤，能夠在輸電線路上移動，其上配備攝像機、傳感器等設(shè)備用于檢查線路及其他設(shè)施的狀態(tài)。掛線機器人通常具備自主導(dǎo)航能力，可以識別、避開障礙物并同時沿著輸電線路的路徑移動，其上運用的控制系統(tǒng)及控制算法是掛線機器人工作可靠性及巡檢效率的關(guān)鍵。[2][4]

（四）無人機

無人機巡檢是一種利用無人機進行電力設(shè)施、輸電線路和相關(guān)設(shè)備巡檢的方法。由于其具有作業(yè)風(fēng)險低、環(huán)境適用性強、作業(yè)靈活性高可進行實時傳輸?shù)膬?yōu)點，無人機巡檢方式在電力行業(yè)中的使用越來越普遍[5][6][7][8]。

盡管優(yōu)點眾多，無人機巡檢體系仍舊存在一定限制，自主巡檢技術(shù)尚未成熟，需要有經(jīng)驗的操作員監(jiān)控和操作無人機飛行。不僅如此，無人機容易受到外來物及環(huán)境因素影響，在面對突發(fā)狀況時發(fā)揮作用有限。

（五）傳感器

用于電網(wǎng)檢測的傳感器主要包括：可見光/紅外相機、振動傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器等。傳感器對電網(wǎng)進行監(jiān)測具有以下優(yōu)點：安全性高、實時數(shù)據(jù)收集和處理、及時發(fā)現(xiàn)隱患。但傳感器也存在缺點，主要在于：①傳感器邊緣計算算力有限，圖像處理等功能需要回傳到控制中心，對網(wǎng)絡(luò)傳輸速率要求較高。②應(yīng)用推廣受到傳感器安裝、成本等多方面限制。傳感器須人工安裝在桿塔和高線上，對所有電網(wǎng)進行普及需要投入大量的人力成本。③傳感器的投入增加巡檢負擔(dān)，傳感器本身也會出現(xiàn)故障，增加維護成本。各種巡檢的方法總結(jié)如表1 所示。

表1 人巡與機巡的優(yōu)缺點總結(jié)

綜上所述，目前我國采用的人巡和機巡結(jié)合的巡檢方式仍然存在不可避免的缺點，無法對電網(wǎng)實現(xiàn)高頻次廣覆蓋的巡檢。想要進一步大幅度提高電力巡檢效能亟需新技術(shù)破局，基于衛(wèi)星遙感、衛(wèi)星星座技術(shù)的星巡方式正幫助電力巡檢體系邁上新臺階。

三、我國衛(wèi)星遙感發(fā)展現(xiàn)狀

我國的衛(wèi)星遙感技術(shù)起源于20 世紀80 年代，稍晚于西方發(fā)達國家。經(jīng)過近40 年的迅速發(fā)展，我國衛(wèi)星遙感技術(shù)飛躍式發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于陸地資源監(jiān)察、海洋生態(tài)保護、氣象災(zāi)害預(yù)測等諸多領(lǐng)域，服務(wù)多項國家重大工程。[10][11][12][13]截至2023 年4 月，我國在軌遙感衛(wèi)星已達200 余顆。這些遙感衛(wèi)星主要分為三大系統(tǒng)：陸地遙感衛(wèi)星、氣象遙感衛(wèi)星和海洋遙感衛(wèi)星。[14]

由于我國架空輸電線路主要覆蓋區(qū)域為陸地，因此輔助電力巡檢，有助于輸電線路安全穩(wěn)定運行的主攻手是陸地遙感衛(wèi)星。另外，電網(wǎng)系統(tǒng)極易受颮線風(fēng)、凍雨等極端天氣的影響，氣象衛(wèi)星提供的氣象數(shù)據(jù)也有助于電網(wǎng)系統(tǒng)的巡檢。[15]在電網(wǎng)巡檢領(lǐng)域，衛(wèi)星遙感具有以下優(yōu)勢：

（一）覆蓋地域廣、快速重訪

遙感衛(wèi)星比直升機、無人機等平臺擁有更大的幅寬，更高的飛行高度，可同時拍攝電網(wǎng)及其周圍區(qū)域。當(dāng)在不同軌道建立星座后，可實現(xiàn)衛(wèi)星的快速重訪，有助于突發(fā)事件地點遙感圖像的快速獲取，響應(yīng)速度優(yōu)于人巡和機巡。

（二）載荷豐富

遙感衛(wèi)星可以搭載可見光、多光譜、中波紅外、SAR等多種載荷，可適用于電網(wǎng)巡檢中多種場景。

（三）在軌壽命長

遙感衛(wèi)星大多運行在距離地球500 km 左右高度的軌道上，軌道越高，衛(wèi)星受近地軌道稀薄大氣的影響越少，壽命越長。

四、衛(wèi)星遙感電網(wǎng)巡檢可行性分析

隨著航天遙感技術(shù)的發(fā)展，相機和雷達對地遙感的空間分辨率和對地定位精度不斷提升。目前，相機和雷達的對地成像分辨率達到了亞米級精度，定位精度也達到了小于10 m 的水平。盡管，衛(wèi)星對地遙感的空間分辨率遠不如地面人工和無人機巡檢近距離觀察的效果，但遙感技術(shù)仍可勘察和監(jiān)測電網(wǎng)系統(tǒng)中的桿塔、電線、周邊環(huán)境。

（一）衛(wèi)星遙感電網(wǎng)巡檢整體方案

基于衛(wèi)星遙感的電網(wǎng)巡檢中所要觀測的目標的檢測存在的依賴關(guān)系，所有檢測項目都是建立在完成桿塔和電線的檢測之后。其中的關(guān)系如圖1 所示。圖1 中，電網(wǎng)自身缺陷檢測用橙色框表示，懸掛在電線上的異物用藍色框表示，綠色框代表周邊環(huán)境帶來的影響。

（二）輸電設(shè)施可行性檢測

（1）桿塔檢測

可見光圖像中，由于衛(wèi)星拍攝姿態(tài)、載荷、太陽高度角、天氣等因素共同作用，桿塔的圖像呈現(xiàn)不同形式。拍照條件的不同會使桿塔本體更明顯或桿塔影子更明顯?？梢杂脙煞N不同的方法檢測和識別桿塔，分別為：①直接檢測的本身[16][17][18]；②先檢測桿塔的影子再根據(jù)影子推測桿塔本體位置。[19]

直接檢測法不依賴影子，不受太陽高度角影響，但是桿塔投影大小取決于衛(wèi)星拍攝時的側(cè)擺角。間接檢測法的優(yōu)點在于：影子比本體更加明顯，算法效果好。但是，影子長度依賴太陽高射角，當(dāng)太陽直射桿塔時，桿塔的影子將消失，導(dǎo)致桿塔檢測失敗。

1.桿塔傾斜檢測

近幾年發(fā)展的永久散射體（PS）技術(shù)在滑坡、地面沉降和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。[20][21][22]PS 技術(shù)具有高精度、高時間分辨率、能極大提高影像利用率的優(yōu)點。目前，大多數(shù)SAR 圖像的入射角為30°。SAR圖像上的桿塔投影距離達到了其本身高度的70%，這種投影關(guān)系大大提升了桿塔的識別能力。在SAR圖像中可清晰判別桿塔的每個橫擔(dān)的端點和中心點[23]，這些點可作為永久散射體預(yù)測桿塔上每個PS 點的變化矢量，即可判斷桿塔的姿態(tài)是否發(fā)生改變。

(2)絕緣子檢測

絕緣子是桿塔上比較大的部件，在特高壓輸電線路中絕緣子長度通常在1 m 以上，但其寬度小于20 cm，即使在高清的遙感圖像上分辨絕緣子仍是十分困難的。盡管在有些條件下無法觀察到絕緣子的實體，仍可以在桿塔的影子中發(fā)現(xiàn)絕緣子的影子，使得絕緣子被遙感圖像檢測出來成為一種可能。目前，學(xué)術(shù)科研領(lǐng)域沒有人嘗試在遙感圖像中檢測桿塔上的絕緣子，相關(guān)領(lǐng)域沒有理論和實踐基礎(chǔ)，但可以將現(xiàn)有的圖像識別、分割和檢測算法應(yīng)用到這個領(lǐng)域。

(3)導(dǎo)線檢測

在可見光圖像中，電線的觀測主要受到天氣、太陽高度角，衛(wèi)星觀測姿態(tài)、背景顏色共同影響。當(dāng)條件允許時，電線可以在遙感圖像中被觀測到。當(dāng)太陽高度角合適時，電線的影子比電線的本體更容易被區(qū)分出來?；谶吘墮z測和直線擬合算法可將導(dǎo)線擬合出來。

(三)異物檢測可行性分析

(1)異飄物檢測

輸電線上的異物搭掛現(xiàn)象一般出現(xiàn)在遠離城區(qū)曠野地區(qū)，常見的掛線異物一般包括風(fēng)箏、氣球、農(nóng)業(yè)塑料大棚的薄膜碎片。[9]目前，用遙感目標檢測方法進行電力場景中的異物檢測的相關(guān)研究工作幾乎沒有，其主要的原因在于：①缺少電塔和電線掛異物的真實數(shù)據(jù)，無法驗證相關(guān)理論；②遙感圖像分辨率有限，掛在電線上的異物的檢測問題屬于弱小目標檢測問題，該問題一直是圖像處理領(lǐng)域還在投入的領(lǐng)域，算法研發(fā)困難大。

(2)吊車檢測

車輛是遙感目標檢測算法重點關(guān)注的對象之一。目前車輛目標檢測算法相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟，先進的目標檢測算法在車輛檢測精度指標達到90%?，F(xiàn)在存在兩種目標檢測方法，分別為基于可見光圖像的目標檢測和基于SAR 圖像的目標檢測。SAR 圖像中的像素代表目標散射微波的強度。SAR 圖像是全天候的，不受云層和光照影響，在SAR 圖像中車輛目標更容易被發(fā)現(xiàn)。綜上，基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的車輛目標進行檢測是可行的。

（四）周邊環(huán)境異常檢測可行性分析

(1)樹廊檢測

樹廊是影響電力線路安全運行的重要因素，也是引發(fā)電力線路跳閘的主要原因。近年來，隨著多光譜成像和數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展，利用多光譜數(shù)據(jù)對地表植被進行分類日益成熟，可以對桿塔和導(dǎo)線周圍區(qū)域的植被進行分類，對速生桉等植物進行監(jiān)測和預(yù)警。[25]另外，當(dāng)前人們可通過采集不同時間同一樹廊區(qū)域的遙感圖像，通過變化檢測算法推算該區(qū)域的變化程度。若變化程度較大，則該地區(qū)植被發(fā)生變化概率較大。[26]

(2)山火檢測

利用紅外遙感技術(shù)進行山火監(jiān)測、發(fā)現(xiàn)著火點是較為成熟的技術(shù)。其核心在于對高溫地物目標監(jiān)測?；谶b感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的熱源探測技術(shù)為監(jiān)測識別高溫目標提供了更加便捷、及時的手段，彌補了人工參與模式的諸多缺陷，成為監(jiān)測高溫的重要手段和方法。[27]

對于電網(wǎng)巡檢的使用場景，短期熱源的不可控和突發(fā)性對電網(wǎng)的威脅最大，短期熱源通常包括各種火災(zāi)。中波紅外的覆蓋溫度范圍是800℃～950℃，該溫度范圍恰好覆蓋著火點的溫度區(qū)間。因此，可利用中波紅外相機對電網(wǎng)區(qū)域進行掃描，對電網(wǎng)周邊環(huán)境的地表溫度進行反演，獲取地表的溫度。對溫度異常點進行普查，對長期熱源進行登記，在處理結(jié)果時可過濾掉長期熱源，對短期熱源進行及時檢測。短期熱源的檢測可使用基于目標檢測的方法，異常出現(xiàn)的高溫點進行捕捉和定位。

（五）極端天氣預(yù)警

對電網(wǎng)損害較大的極端天氣主要有凍雨和颮線風(fēng)等。凍雨會造成桿塔和電線覆冰。而颮線風(fēng)則會導(dǎo)致桿塔傾斜甚至倒塌、電線斷裂等事故發(fā)生。

（1）覆冰預(yù)警

線路覆冰就是指凍雨天氣造成一個范圍內(nèi)的所有電線都被冰包住的狀況。根據(jù)凍雨形成是大氣的特性，利用氣象衛(wèi)星對大氣層不同高度的水汽和溫度的紅外數(shù)據(jù)進行反演可實現(xiàn)對凍雨天氣的預(yù)報和檢測。目前，我國所發(fā)射的氣象遙感衛(wèi)星所產(chǎn)生的氣象預(yù)報的分辨率還在公里級別，沒法實現(xiàn)對電網(wǎng)區(qū)域周邊環(huán)境的精準預(yù)測。但現(xiàn)階段可以實現(xiàn)對可能發(fā)生凍雨的地方進行氣象監(jiān)測，若電網(wǎng)線路通過該區(qū)域，即可及時得知凍雨可能到達的強度，通過建立凍雨強度與電網(wǎng)覆冰程度的模型，即較為準確地評估凍雨對電網(wǎng)的威脅程度。

（2）颮線風(fēng)預(yù)警

颮線風(fēng)屬于雷暴的一種。颮線風(fēng)可通過局部地區(qū)的大氣溫度和風(fēng)場變化來預(yù)測。[28][29]由于颮線風(fēng)持續(xù)時間很短，用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)預(yù)測或捕捉正在發(fā)生的颮線風(fēng)概率很低。目前，我國在軌服務(wù)的氣象衛(wèi)星盡管所在軌道類型豐富，回訪周期從12 小時到十幾分鐘，但都不能同時滿足高分辨率、高回訪頻率和小尺度的氣象預(yù)測。相對于覆冰天氣的預(yù)測，颮線風(fēng)的預(yù)測難度更大。

針對電網(wǎng)巡檢的應(yīng)用需求可設(shè)計專門的氣象衛(wèi)星星座，對電網(wǎng)覆蓋區(qū)域進行高分辨率、高回訪頻率的氣象監(jiān)測?？蓪⒈粍游⒉ㄌ綔y儀作為氣象衛(wèi)星的主要載荷，對電網(wǎng)地區(qū)的溫度、風(fēng)場、水汽等探測，通過建立預(yù)報模型來實現(xiàn)對極端天氣的精準預(yù)測和監(jiān)控。

五、結(jié)論

衛(wèi)星遙感具有覆蓋范圍廣、快速重放、載荷豐富、壽命長等特點。但衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用在電力巡檢領(lǐng)域還存在局限性，體現(xiàn)在：①衛(wèi)星遙感圖像的分辨率不能實現(xiàn)對細小零件的檢測；②衛(wèi)星遙感只能俯視對電網(wǎng)巡檢，當(dāng)電網(wǎng)下面出現(xiàn)問題時，衛(wèi)星會漏掉這部分信息。而這些局限性對于無人機等常規(guī)巡檢方法可以被忽略掉。因此，衛(wèi)星、人巡和機巡可以優(yōu)勢互補，衛(wèi)星可以實現(xiàn)高覆蓋域、高頻次的電網(wǎng)巡檢，人巡和機巡則可提供精細的近距離巡檢。我們可通過建立空天地一體的電力巡檢系統(tǒng)，實現(xiàn)衛(wèi)星對電網(wǎng)進行普查和預(yù)警、地面指揮中心調(diào)配無人機近距離巡檢的高效的電力巡檢，共同維護好輸電設(shè)施的安全穩(wěn)定性，實現(xiàn)我國電力巡檢體系的高質(zhì)量發(fā)展。