鄭 波

（國網(wǎng)山東省電力公司超高壓公司，山東 濟南 250000）

0 引 言

隨著社會的持續(xù)進步與經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力作為現(xiàn)代社會的核心驅(qū)動力，其需求量與日俱增。輸電線路穩(wěn)定運行對于保障電力供應(yīng)的穩(wěn)定連續(xù)至關(guān)重要。然而架空輸電線路長期處于復雜的自然環(huán)境，常年遭遇冰凍、鳥害、雷擊等影響，導致線路關(guān)鍵部位時常出現(xiàn)絕緣子自爆、防震錘脫落、線路斷裂等故障。若不能及時發(fā)現(xiàn)并處理故障，可能導致跳閘事故，威脅轄區(qū)的電網(wǎng)安全，因此需開展線路巡檢及時發(fā)現(xiàn)并處理故障[1]。受限于人的視覺和體力，傳統(tǒng)人工巡檢方式效率低下且難以覆蓋所有的輸電線路。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，新型巡檢方式如直升機巡檢、無人機巡檢以及智能機器人巡檢等應(yīng)運而生，在架空輸電線路巡檢領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢[2]。其中，無人機巡檢不僅可以大幅提高工作效率，還能捕捉傳統(tǒng)巡檢方法難以觀察到的細節(jié)，如導線的微小裂紋、絕緣子的破損等。特別是在面對復雜多變的桿塔塔型和線路通道環(huán)境時，無人機巡檢的靈活性和適應(yīng)性尤為突出。但無人機巡檢對風向、光照、溫濕度等氣象條件的要求較高，條件不達標時工作效能較低。例如，在晨昏或陰霾環(huán)境下，巡檢現(xiàn)場光照亮度不足，無法滿足安全飛行要求。此時即便執(zhí)行飛行任務(wù)，但由于光線過暗，會導致圖像采集不清晰，最終無法精準識別缺陷。

1 無人機可視化巡檢

1.1 巡檢內(nèi)容

無人機可視化巡檢主要依靠無人機搭載的可見光巡檢設(shè)備，對架空輸電線路外部可見的導線損傷、絕緣子污穢、金具銹蝕等缺陷或故障進行排查、識別。無人機還可以利用紅外熱成像技術(shù)，通過捕捉設(shè)備表面溫度的異常變化來檢測熱故障，如架空輸電線路過載、接觸不良等。

1.2 巡檢流程

無人機可視化巡檢通常涵蓋無人機巡檢規(guī)劃與準備、無人機巡檢作業(yè)實施、數(shù)據(jù)處理與分析以及巡檢結(jié)果反饋與應(yīng)用4 個環(huán)節(jié)[3]。第一，無人機巡檢規(guī)劃與準備。電力公司運檢部或線路運維部制定詳細的巡檢計劃，并做好巡檢準備工作，如巡檢空域申報、設(shè)備設(shè)施領(lǐng)用檢查等，確保無人機飛行狀態(tài)良好、設(shè)備齊全且功能正常。第二，無人機巡檢作業(yè)實施。無人機巡檢時應(yīng)當按照預定路線飛行，不可隨意變更起降點和航路。飛行過程中，無人機搭載的高清攝像頭和傳感器設(shè)備全方位拍攝和檢測輸電線路，實時分析和判斷線路的運行狀態(tài)。第三，數(shù)據(jù)處理與分析。處理和分析收集的圖像和數(shù)據(jù)，識別和定位輸電線路的缺陷和隱患，并采取針對性的維修和整改措施，確保輸電線路安全運行。第四，巡檢結(jié)果反饋與應(yīng)用。運維部門將發(fā)現(xiàn)的缺陷和隱患及時反饋給相關(guān)部門和人員，以便及時安排維修人員進行修復和處理，同時將巡檢結(jié)果輸入線路的運行管理數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)的線路維護和管理提供數(shù)據(jù)支持。

1.3 巡檢安全條件

無人機巡檢需要一定的環(huán)境條件，如天氣條件、環(huán)境光線、航線與航點等。這些條件共同確保了無人機可視化巡檢在架空輸電線路巡檢中的有效性和安全性[4]。在天氣條件方面，無人機執(zhí)行巡檢任務(wù)需要天氣晴、風級適宜，而在雷雨、降雪、大霧及寒潮大風等惡劣氣象條件下不允許飛行。在環(huán)境光線方面，無人機執(zhí)行巡檢任務(wù)需要光線良好，尤其在開展精細化巡檢任務(wù)時，盡可能避開暗光環(huán)境。在航線與航點方面，無人機應(yīng)在規(guī)劃航路中飛行，以確保無人機飛行姿態(tài)平穩(wěn)、巡檢數(shù)據(jù)準確、可靠。

2 環(huán)境光線過暗對無人機巡檢的影響

2.1 降低巡檢質(zhì)效

無人機巡檢在一定程度上能夠替代傳統(tǒng)巡檢人員登塔作業(yè)，不僅降低了高空墜落風險，而且擴展了巡檢范圍。然而在晨昏時段、陰霾天氣等暗光環(huán)境中，無人機圖像信息采集質(zhì)量下降，難以準確判斷重要信息，如線路細節(jié)、設(shè)備狀態(tài)、缺陷故障等，使得無人機精細化巡檢缺陷識別率降低，甚至出現(xiàn)漏檢和誤判情況。以山東電力某500 kV 輸電線路021 號至050 號區(qū)段冬季巡檢任務(wù)為例，在天氣晴朗、光線良好的時段（上午10:00—11:00，下午13:30—15:00），通過無人機巡檢共檢查發(fā)現(xiàn)缺陷85 處。但是，在同一天暗光環(huán)境下（薄霧上午08:00—09:30，傍晚16:00—18:00），同一巡檢班組利用無人機巡檢發(fā)現(xiàn)缺陷總計僅為37 處，缺陷具體種類數(shù)量如圖1 所示。對比光線充足的時段，暗光環(huán)境下無人機巡檢的缺陷發(fā)現(xiàn)率降低了56.47%，巡檢質(zhì)效嚴重降低。

圖1 無人機在晴朗白天與晨昏陰霾條件下巡檢缺陷發(fā)現(xiàn)情況對比

2.2 降低巡檢安全系數(shù)

無人機依靠視覺傳感器進行導航和定位，光線不足會導致視覺傳感器性能下降，增大導航和控制難度，降低無人機巡檢在復雜環(huán)境下的安全系數(shù)，甚至會發(fā)生墜機、碰撞等事故。山東電力超高壓公司某市公司2019 年以來無人機可視化巡檢作業(yè)墜機分析報告統(tǒng)計顯示，由于環(huán)境光線不佳導致操作無人機的巡檢人員無法及時發(fā)現(xiàn)障礙物而造成的無人機墜機事故34 架次，占總墜機事故的42.3%，大大降低無人機巡檢的安全系數(shù)。

3 無人機巡檢補光系統(tǒng)設(shè)計

3.1 圖騰柱開關(guān)電路工作原理

圖騰柱開關(guān)控制電路，如圖2 所示。它的主要構(gòu)件為NPN 三極管Q2、PNP 三極管Q3以及補光燈模塊。Q2與Q3以共基極的方式接入輸入端，并以共發(fā)射極的方式連接至輸出端。當輸入信號為高電平時，Q2呈現(xiàn)導通狀態(tài)，Q3呈現(xiàn)截斷狀態(tài)。在此狀態(tài)下，補光燈獲得電流供應(yīng)，并通過電源進行供電。當輸入低電平信號，Q2呈現(xiàn)截斷狀態(tài)，Q3轉(zhuǎn)變?yōu)閷顟B(tài)，補光燈通過Q3接地，實現(xiàn)電路的閉合[5]。

圖2 圖騰柱開關(guān)控制電路電路圖

3.2 補光系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計的補光系統(tǒng)的電路見圖3。在圖騰柱開關(guān)電路基礎(chǔ)上進行改進，增加自動補光功能，同時結(jié)構(gòu)上增加外界光線亮度實時檢測單元、高低電平逆轉(zhuǎn)模塊以及穩(wěn)壓模塊。

圖3 無人機可視化巡檢自動補光系統(tǒng)電路圖

外界亮度實時檢測單元的核心組件包括LM393寬壓比較器和光敏感應(yīng)電阻。在巡檢過程中，無人機依據(jù)光敏電阻的阻值變化來評估外界光線強度的變動情況。當處于暗光環(huán)境時，若實際光線強度未達到預設(shè)的閾值，光敏電阻的阻值會相應(yīng)增大，此時信號由U 轉(zhuǎn)向U+，進而觸發(fā)LM393 發(fā)出低電平補光信號。若巡檢環(huán)境光線明亮，亮度超過預設(shè)閾值，光敏電阻的阻值會減小，導致U-小于U+，此時LM393 會傳遞高電平補光信號。

高、低電平逆轉(zhuǎn)模塊采用NPN 型三極管Q1構(gòu)建信號逆轉(zhuǎn)電路。該模塊與LM393 寬壓比較器的輸出端相連。當基極接收到低電平補光信號時，輸出端將其轉(zhuǎn)換為高電平補光信號；若基極接收到高電平補光信號，輸出端轉(zhuǎn)換為低電平補光信號。

LM138 穩(wěn)壓模塊中，LM138 三端穩(wěn)壓器的輸入端與電源模塊輸出端電連接，輸出端與開關(guān)控制模塊電連接，用于給補光模塊提供穩(wěn)定補光電源。

LED 補光模塊選擇燈具時，需要結(jié)合工作環(huán)境、光照需求、補光范圍等因素來挑選補光系統(tǒng)運行流程見圖4。外界光線亮度實時檢測單元感知外界亮度變化，把亮度信息轉(zhuǎn)換成高、低電平補光信號，信號傳輸?shù)礁摺⒌碗娖侥孓D(zhuǎn)模塊進行電平信號的逆轉(zhuǎn)輸出。圖騰柱開關(guān)控制電路在收到高電平補光信號后，導通LED 補光模塊開啟補光，收到低平補光信號后關(guān)閉LED 補光模塊。

圖4 補光系統(tǒng)運行流程

4 自動補光系統(tǒng)效果驗證

為驗證所提補光系統(tǒng)的效果，選取山東電力轄區(qū)某500 kV 輸電線路021 號至050 號區(qū)段線路為實驗對象，在2023 年11 月22 日3 個時段開展加裝補光系統(tǒng)的無人機精細化巡檢。3 個時段分別是清晨薄霧時段（07:00—09:00）、天氣晴朗光線明亮時段（10:30—12:30）和傍晚光線較暗時段（16:00—19:00）。

巡檢圖像信息自動識別系統(tǒng)形成的巡檢報告如下：天氣晴朗光線明亮時段，共識別缺陷16 處（懸垂線夾銹蝕6 處、螺栓移位3 處、防震錘斷股2 處、銷釘脫出2 處及鳥巢3 處）；在傍晚光線較暗時段，共識別缺陷14 處（懸垂線夾銹蝕5 處、螺栓移位3處、防震錘斷股1 處、銷釘脫出2 處及鳥巢3 處）；在清晨薄霧時段共識別缺陷13處（懸垂線夾銹蝕5處、螺栓移位2 處、防震錘斷股1 處、銷釘脫出2 處及鳥巢3 處）。具體識別結(jié)果如圖5 所示。對比3 個時段缺陷識別情況能夠看出，在薄霧、傍晚等外界光線不充足環(huán)境中，搭載自動補光系統(tǒng)的無人機實施精細化巡檢時，缺陷發(fā)現(xiàn)率均可達80%以上，能夠較好地解決以往暗光環(huán)境中無人機巡檢質(zhì)效低、圖像采集模糊、缺陷難以有效識別等問題。

圖5 加裝自動補光系統(tǒng)后不同光線條件下無人機巡檢發(fā)現(xiàn)缺陷數(shù)量

5 結(jié) 論

架空輸電線路的無人機巡檢技術(shù)已經(jīng)在電網(wǎng)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，但仍受限于設(shè)備性能。在清晨、傍晚或薄霧天氣等光線較暗的環(huán)境下，無人機難以高效執(zhí)行巡檢任務(wù)。為解決這一問題，提出自動補光系統(tǒng)，可有效提升巡檢照片的質(zhì)量，使缺陷和故障在暗光環(huán)境中能被較好地識別。本研究旨在提高無人機巡檢的效率和準確性，推動無人機巡檢技術(shù)在全天候、全時段的應(yīng)用和發(fā)展。