韓建波

（山西萬(wàn)家寨引黃水務(wù)集團(tuán)有限公司偏關(guān)分公司，山西 偏關(guān) 036400）

1 引言

山西萬(wàn)家寨引黃水務(wù)集團(tuán)有限公司偏關(guān)分公司下轄五座大型泵站，主要承擔(dān)著將萬(wàn)家寨水利樞紐大壩內(nèi)的黃河水向省內(nèi)太原、朔州、大同等地提供生活、生態(tài)和工業(yè)用水，同時(shí)擔(dān)負(fù)著向首都永定河提供生態(tài)供水的重要任務(wù)。其中，總干線三座泵站的設(shè)計(jì)流量為48 m3/s,年供水量12 億m3；每座泵站安裝10 臺(tái)立式單級(jí)單吸離心泵，8 工2 備；單泵流量6.45 m3/s，配套電機(jī)功率12 MW，總裝機(jī)容量為120 MW。為保證各泵站用電設(shè)備的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，轄區(qū)內(nèi)共設(shè)有110 kV 主電源變電站5 座、110 kV 外引電源變電站2 座，共有110 kV、10 kV 架空輸電線路347.89 km、桿塔2004 座。

如何確保我司轄區(qū)內(nèi)高壓輸電線路的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，成為關(guān)系到我司供水事業(yè)的興衰，更是關(guān)系到供水沿線各大城市的重大民生問(wèn)題。而傳統(tǒng)高壓架空輸電線路的巡檢方式主要依靠人工巡檢，不僅效率低下、漏檢率高，而且還存在高處墜落和意外觸電的危險(xiǎn)，已無(wú)法滿足架空線路運(yùn)維發(fā)展的需要[1]。因此，如何應(yīng)用更加高效、便捷、安全的巡檢方式取代傳統(tǒng)落后的人工巡檢，成為我們每個(gè)水利和電力從業(yè)人員努力探索的重要課題。

隨著我國(guó)無(wú)人機(jī)技術(shù)日趨成熟和人工智能技術(shù)的突飛猛進(jìn)發(fā)展，應(yīng)用無(wú)人機(jī)對(duì)高壓架空線路進(jìn)行全方位、專業(yè)化、高效化巡檢，已成為我司運(yùn)維一體化改革創(chuàng)新研究的一大課題[2]。我司應(yīng)用無(wú)人機(jī)自主巡檢實(shí)現(xiàn)“不爬山、不登塔、3D 建模、自主巡查、隱患排查、遠(yuǎn)程可視化” 巡檢，從而極大地提高運(yùn)維工作效率，并降低和消除巡檢人員觸電傷亡和高空墜落的風(fēng)險(xiǎn)[3]。

2 無(wú)人機(jī)巡檢的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2.1 三維激光建模

所謂三維（3D）激光建模，是指無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)通過(guò)對(duì)輸電線路和桿塔進(jìn)行激光掃描和慣導(dǎo)標(biāo)定，生成高精度點(diǎn)云密度模型（圖1）；再經(jīng)過(guò)大疆智圖或TOVOS Powerline 專業(yè)圖形處理軟件形成全方位、高精度、可視化的三維輸電線路立體模型（圖2）。

圖1 實(shí)物與點(diǎn)云密度模型實(shí)時(shí)畫面

圖2 3D 立體模型圖

通過(guò)該3D 立體模型可清晰、直觀、詳細(xì)的對(duì)輸電線路走廊的地形地貌和輸電設(shè)施，進(jìn)行細(xì)致的分析、測(cè)距、規(guī)劃。從而對(duì)電力線路的規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)提供高精度測(cè)量數(shù)據(jù)成果，并為后期輸電線路的運(yùn)行、維護(hù)和管理提供更快速、更高效和更科學(xué)的運(yùn)維決策依據(jù)。

2.2 自主巡檢

根據(jù)3D 激光建模生成的高精度點(diǎn)云模型，在此基礎(chǔ)上結(jié)合巡檢工作任務(wù)，按先后順序標(biāo)注巡檢任務(wù)點(diǎn)（圖3），并設(shè)置巡檢動(dòng)作（如拍照、測(cè)溫、測(cè)距等）和航線后，無(wú)人機(jī)將自動(dòng)生成飛行航線和航點(diǎn)動(dòng)作進(jìn)行自主巡檢，可實(shí)現(xiàn)一次設(shè)置重復(fù)使用（圖4）。

圖3 巡檢點(diǎn)及航線標(biāo)注

圖4 自主巡檢

圖5 系統(tǒng)接線示意圖

隨著無(wú)人機(jī)飛控技術(shù)的不斷創(chuàng)新和日趨智能，無(wú)人機(jī)自主巡檢過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)智能避障、自動(dòng)跟蹤、自動(dòng)變焦、智能返航和RTK 厘米級(jí)高精度定位等功能。從而使自主巡檢更加智能、高效和安全。

2.3 傳感技術(shù)

無(wú)人機(jī)巡檢可根據(jù)不同任務(wù)，搭載不同功能的傳感器或集成度高的光學(xué)儀器。實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路和桿塔的全方位、數(shù)字化、可視化巡檢。

搭載紅外線成像傳感器，可對(duì)高壓輸電架空線路中的接線盒和接線夾發(fā)熱現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)溫和夜間巡檢，發(fā)現(xiàn)異常高溫點(diǎn)及時(shí)進(jìn)行處置，可避免火災(zāi)和大面積停電事故的發(fā)生。

搭載紫外線成像傳感器，可對(duì)高壓輸電線路中的電暈放電故障進(jìn)行早發(fā)現(xiàn)、早處置，避免故障擴(kuò)大。

搭載距離傳感器，可精準(zhǔn)測(cè)量架空線路與周圍樹障、導(dǎo)地線、絕緣子和金具的距離。

3 無(wú)人機(jī)巡檢的應(yīng)用流程

3.1 應(yīng)用背景

2023 年5 月17 日18 時(shí)許，110 kV 方下線發(fā)生跳閘故障，經(jīng)查詢變電站內(nèi)線路保護(hù)裝置，發(fā)現(xiàn)C相發(fā)生接地短路故障，距離保護(hù)I 段動(dòng)作，零序過(guò)電流I 段動(dòng)作，斷路器三相跳閘。此時(shí)該地正處于雷雨天氣，經(jīng)初步研究判斷該故障為雷擊導(dǎo)致110 kV C 相線纜的一處絕緣子放電，引發(fā)跳閘故障。經(jīng)綜合測(cè)算，該故障點(diǎn)大致位于變電站進(jìn)線側(cè)7.9 km 處。

由于該故障點(diǎn)所處位置為山區(qū)密林，道路崎嶇，交通極為不便。加之雷雨天氣，禁止人工巡檢。因此，使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行特殊巡檢，可準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，并第一時(shí)間掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，可為后續(xù)的故障處理提供重要參考依據(jù)。

3.2 應(yīng)用流程

本次巡檢選用的無(wú)人機(jī)為大疆MATRICE 300 RTK(簡(jiǎn)稱M300 RTK),搭載禪思L1 激光雷達(dá)鏡頭，可實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢線路自主巡檢、紅外測(cè)溫、測(cè)距等功能。部分性能參數(shù)見表1。

表1 無(wú)人機(jī)及激光雷達(dá)性能參數(shù)

本次應(yīng)用無(wú)人機(jī)對(duì)110 kV 架空線路及桿塔進(jìn)行故障巡檢的作業(yè)流程如圖6 所示。

圖6 故障巡檢作業(yè)流程圖

首先，根據(jù)變電站內(nèi)的線路保護(hù)裝置和故障濾波器的報(bào)警信息綜合研判，初步判斷故障點(diǎn)的方位和大概距離。然后選擇相應(yīng)的巡檢設(shè)備和專業(yè)搭載器具。待《事故搶修單》批復(fù)后，飛控手根據(jù)故障點(diǎn)的大概位置，從前期建立的3D 數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇該故障點(diǎn)的航線地圖，生成KML 航線，并發(fā)送至M300 RTK 的遙控器中執(zhí)行自主巡檢。通過(guò)確認(rèn)作業(yè)周圍環(huán)境安全后，現(xiàn)場(chǎng)組裝無(wú)人機(jī)，并對(duì)飛控、通信、電池和光學(xué)等模塊進(jìn)行檢查和確認(rèn)。即可進(jìn)行本次110 kV 線路C 相故障點(diǎn)的巡檢作業(yè)。

其次，無(wú)人機(jī)起飛后沿既定的航線，以20 m/s的速度向故障點(diǎn)的方向進(jìn)行自主巡檢。在接近故障點(diǎn)約15 m 處懸停，并觀察確定故障點(diǎn)的位置和損傷范圍。然后將無(wú)人機(jī)的自主巡檢模式切換為手動(dòng)控制，對(duì)故障點(diǎn)低速抵近檢查，并對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行多角度拍攝取證（圖7），為后期維修更換提供決策依據(jù)，可極大地提高運(yùn)維工作效率和降低工作成本。

圖7 故障點(diǎn)精準(zhǔn)復(fù)飛多角度取證

最后，可按既定航線繼續(xù)完成剩余巡檢任務(wù)；也可使用“一鍵返航”功能，自動(dòng)返回起飛點(diǎn)后降落。巡檢人員將無(wú)人機(jī)及攝像機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備，進(jìn)行拆卸裝箱。并取出攝像機(jī)的存儲(chǔ)卡，插入計(jì)算機(jī)SD卡槽，對(duì)本次巡檢拍攝的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析研判，確定故障類型和處理方案后，出具本次《故障巡檢報(bào)告》。及時(shí)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行保養(yǎng)和充電，為后續(xù)的巡檢工作做好準(zhǔn)備。

3.3 應(yīng)用效果

經(jīng)對(duì)無(wú)人機(jī)拍攝的視頻和照片資料，進(jìn)行仔細(xì)研究分析，發(fā)現(xiàn)該故障點(diǎn)的110 kV 高壓桿塔C 相絕緣子傘裙處有明顯放電灼燒痕跡，絕緣子傘裙已出現(xiàn)裂紋，構(gòu)成安全隱患無(wú)法繼續(xù)使用，需停電后更換處理。

此次故障巡檢用時(shí)12 min，是人工巡檢效率的10 倍以上，而且還可彌補(bǔ)人工巡檢時(shí)的各項(xiàng)弊端，從而驗(yàn)證了無(wú)人機(jī)巡檢是一種不爬山、不登塔、不停電、更安全、更高效、更專業(yè)的巡檢模式。

4 無(wú)人機(jī)巡檢的應(yīng)用前景

4.1 水利設(shè)施巡檢

我國(guó)水利設(shè)施的總體分布及規(guī)模特征是：南多北少、東小西大、區(qū)域發(fā)展不平衡。因此，如何對(duì)我國(guó)交通不便的中西部，以及地形復(fù)雜的西南部的水利設(shè)施進(jìn)行減員增效和科學(xué)化、專業(yè)化巡檢，具有重要意義。

結(jié)合無(wú)人機(jī)航拍、多光譜視覺感知、視頻智能分析、衛(wèi)星遙感等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)我國(guó)江、河、湖、水庫(kù)、大壩、灌區(qū)等地的水質(zhì)檢測(cè)、水毀預(yù)警、水量統(tǒng)計(jì)分析、汛期監(jiān)測(cè)、洪峰預(yù)測(cè)、凌汛防控等方面進(jìn)行可視化管理、預(yù)防和決策，可加快推進(jìn)智慧水務(wù)建設(shè)和全面提升水利設(shè)施信息化管理水平。

4.2 電力設(shè)施巡檢

可應(yīng)用無(wú)人機(jī)對(duì)電網(wǎng)的輸、配電網(wǎng)絡(luò)和升降壓變電站等一系列危險(xiǎn)性高、專業(yè)性強(qiáng)的電力設(shè)施進(jìn)行專業(yè)化、掃描式巡檢，結(jié)合紅外測(cè)溫和熱成像技術(shù)，可對(duì)關(guān)鍵電力設(shè)施進(jìn)行紅外測(cè)溫和夜間巡檢，對(duì)異常發(fā)熱部件可及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)處理，避免因溫度過(guò)高導(dǎo)致絕緣老化，造成擊穿放電的停電事故。結(jié)合紫外線光學(xué)設(shè)備可對(duì)電網(wǎng)中潛在的電暈放電現(xiàn)象做到早發(fā)現(xiàn)、早處理，將電力故障消除在萌芽狀態(tài)。應(yīng)用無(wú)人機(jī)對(duì)電力設(shè)施進(jìn)行常態(tài)化巡檢，將極大地降低巡檢人員和電力行業(yè)的工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)減員增效和安全運(yùn)營(yíng)。

4.3 農(nóng)業(yè)病蟲害巡檢

無(wú)人機(jī)巡檢可廣泛應(yīng)用到大面積經(jīng)濟(jì)作物、藥材、果蔬等作物的長(zhǎng)勢(shì)分析、病蟲害監(jiān)控、精準(zhǔn)施藥等，大幅度提高產(chǎn)量和效益，實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向數(shù)字化、智能化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。

4.4 森林防火巡檢

無(wú)人機(jī)巡檢可結(jié)合紅外熱成像技術(shù)、物聯(lián)感知、煙感溫感遙測(cè)和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，廣泛應(yīng)用到森林防火、珍貴野生物保護(hù)、防盜、防蟲害等方面；實(shí)現(xiàn)對(duì)森林資源的綜合管理和全面防護(hù)。

4.5 地質(zhì)災(zāi)害防治

我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，應(yīng)用無(wú)人機(jī)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的區(qū)域，定期進(jìn)行3D 巡檢掃描生成詳細(xì)的地理信息，經(jīng)大數(shù)據(jù)對(duì)比分析。可對(duì)滑坡、崩塌、危巖等地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行早期識(shí)別告警和治理，避免大范圍的群死群傷的事故發(fā)生，可減少人民群眾和國(guó)家社會(huì)的財(cái)產(chǎn)損失。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，促使其他相關(guān)領(lǐng)域如飛控系統(tǒng)、航電系統(tǒng)、測(cè)繪技術(shù)、光學(xué)攝像、激光探測(cè)和5G 通信技術(shù)等不斷革新升級(jí)。無(wú)人機(jī)巡檢將逐漸取代人工巡檢，并將廣泛應(yīng)用于水利、電力、交通、治安、邊防軍事、應(yīng)急救援、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。