摘要：随着我国经济的快速发展，对电能的需求越来越旺盛，相应的电力工程建设也在不断加强。人工操作的维护模式已经不能满足社会对电力方面安全操作和维护的需要。针对传统的输电线路人工巡视存在安全及效率方面的不足，引入多旋翼无人机。本文以超高压输电公司贵阳局输电管理所自主研发的测量导地线覆冰情况使用的无人机为依托，分析该无人机系统结构、作业模式及创新搭载设备的性能和应用。
关键词：无人机；覆冰测量；智能电网
一、引言
电网是国家基础设施建设最为重要的组成部分之一，其承载这能源输送与供应的重要任务，在我国能源建设与能源安全领域发挥着根基作用。近些年我国电网规模迅速增长，特高压电网逐渐成熟，伴随电力收益增加的还有大量的输电线路人工检测工作量大，风险系数高，精度低。
电网是国家基础设施建设的重要组成部分，担负着能源输送和供应的重要任务，在我国能源建设和能源安全领域发挥着基础性作用。近年来，中国电网规模迅速扩大，超高压电网逐渐覆盖市区，伴随电力收益增加的是大量的输电线路检测工作，单靠人工检测风险系数高，精确度低。急需一种新的模式来辅助线路检测。随着航拍技术的发展，无人机技术已成为获取现实图像的重要途径。当无人机获得图像时，受天气影响较小，操作灵活、收放自如，成像清晰，现已成为人们进行地貌观察、地质分析、传送救援实况和线路故障检测的重要助手。因此，各领域对无人机的需求也越来越多，应用领域和范围也在不断的拓展。
二、国内外无人机技术研究动态
最早发明电力巡检无人机的是英国的英国威尔士大学科研团队（1995），当时人们称之为无人飞行器。该飞行器的飞行速度只能控制在低速状态，才能发挥障碍物识别优势。日本的研发团队（2016）开发的电力设备巡检无人机，可以对绝缘子闪污、鸟巢和落枝进行准确的识别与故障定位。
我国从20世纪80年代开始研究利用无人直升机巡线技术。虽然在该领域的发展速度很快，但当时无人机的电力线路巡检相关技术理论，还有待完善。当时的无人机避障能力和航路规划的准确度还不能完全满足输电线路检查的要求。为了解决这些技术问题，2017年，国家电网公司制定《输电线路小型无人机巡检系统供应商资质能力核实标准本标准》，提出了对输电线路小型无人机检测系统性能方面的要求，以加快电力物联网的建设和技术创新。近年来，尽管针对电力线路巡检无人机层出不穷，但在导地线覆冰测量领域的研发力度依然比较薄弱。
三、测量导地线覆冰情况无人机技术分析
（一）专用无人机研发背景
按照《贵阳局2017年防冰抗冰工作方案》和《贵阳局现场观冰作业指导书》的作业流程，超高压输电公司贵阳局输电管理所每年都要开展观冰工作。传统的人工观冰都是通过在地面利用望远镜、模拟导线来观测覆冰的厚度，未能准确的体现导地线真实的覆冰厚度，效果不明显，作业人员需反复利用望远镜观测覆冰情况，并且需到塔周围测量覆冰厚度等操作，工作效率低且风险高。
无人机可定期实现对电网线路的全线排查，确保通电线路的安全，有利于加大对线路重点区域的特寻力度。因为无人机可长时间的在空中悬停，可第一时间获取电力事故发生的地点和隐患位置，还可以掌握地面受灾程度，抢修人员根据传回来的影像信息，制定抢修解决方案，提高电力维修的工作效率，为电力恢复赢得宝贵的时间。同时，无人机电力巡检，降低了整个电网部门巡检的人力、物力成本。为了提升观冰效果，超高压输电公司贵阳局输电管理所研发一种新型无人机疏水涂层圆形刻度尺，测量导地线覆冰情况，用以提升线路观冰、防冰效果。
（二）无人机巡线测量覆冰体系和数据提取方法
电力巡检无人机巡线体系包括动力系统、控制系统、通信系统、任务系统。控制系统能够确保无人机测量作业的顺利实施。无人机巡检要完成的任务、无人机的投放数量和无人机检查任务的负荷类型，需要根据实地作业情况进行评估。
无人机航拍测量的特征提取方法是电力设备检测图像匹配和拼接的一项重要技术。基于特征点匹配的局部特征统计具有计算量小、分辨率高、实时性能好等优点，在无人机航拍遥感领域得到了广泛应用。本研究源于电力设施无人机巡检观冰，选取 HOG 特征算法分析无人机对图像特征提取的流程，如图 2-1 所示。
图2.1 无人机测量地导线覆冰特征提取流程
（三）测量导地线覆冰无人机技术创新
以往观冰都是通过人工在地面利用望远镜、模拟导线来观测覆冰的厚度，未能准确的体现导地线真实的覆冰厚度。为了突破这一难题，项目组在普通无人机基础上，研发一种新型疏水涂层圆形刻度尺产品。疏水涂层具有优越的防覆冰性能。较大的接触角和较小的润湿滞后角，可以有效地促进液滴脱落。气垫在粗糙结构内的绝热作用使液滴结冰时间延长。同时，设计得当的超疏水表面也会影响水的结晶过程。形成低水结晶温度，延长水结晶时间，改变水结晶的类型。即使液滴在基板表面结冰，也可以减少冰与基板之间的黏附，使冰容易被除去。保证圆形刻度尺的正常使用。刻度尺的两个面都有可能覆冰，因此在圆形的两个面标注刻度外，都设计了新型疏水涂层。在固定装置上设计成可调式固定，便于将刻度尺可以灵活安装在不同型号的导地线上，准确测量覆冰尺寸，为无人机航拍传送图像提供精准数据。
图3-1 新型疏水涂层圆形刻度尺
本研究采用新型疏水涂层和圆形刻度尺加工成为一体，安装在地线上。利用多旋翼无人机对刻度尺进行观测覆冰的类型和长短径，对其进行拍照，在能真实反应导地线覆冰的同时，也体现线路观冰、防冰效果。新型疏水涂层圆形刻度尺产品安装简单、方便，且安全性高。
四、人工参与评价的作用
多旋翼无人机只是一个飞行机械平台，必须增加相应的功能才能形成一个完整的系统，以便用于电力线路的检查。无人机图像融合需要考虑要测量的场景、算法的实时性能和图像处理的准确性，融合方法必须满足巡检任务的相关要求。然而，测量数据的评价结论有客观评价和主观评价两种。目前常用的评价方法主要取决于操作者对数据的区分和主观分析，因此主观评价方法占主导地位。本研究根据任务需要，考虑巡检无人机地面站系统实时性差异与数据精度要求，有必要结合现场实际进行判断，并采用主观评价法进行精度评价。
图5-1 无人机巡线测试
此次研发的无人机能精准监控覆冰导致的线路弧垂变化，准确计算分析导线和杆塔应力，评估倒塔断线风险，并给出融冰建议，实现精准抗灾。无人机采用这项非接触的方式，可准确测量整段导线覆冰重量，改变了传统人工敲冰、望远镜观察的落后方式。
小结
本文介绍了一种新型无人机，通过无人机系统，把新型疏水涂层和圆形刻度尺加工成为一体，安装在地线上，利用多旋翼无人机对刻度尺进行观测覆冰的类型和长短径，对其进行拍照，大大提高了观冰作业效率，简化了作业流程、缩短了工作时间，同时也降低了作业风险。实现了利用无人机视角拍摄的测量导地线撞冰隋况；实现了能真实反出应导地线覆冰厚度；在当前业内输电线路观冰、防冰作业中，尚无该类型的装置。该无人机适用性强，所有地线观冰、防冰均可使用该装置，安装方便，具备推广价值。
2018年11月29日超高压输电公司贵阳局在贵阳组织召开了“无人机视角拍摄的测量导地线覆冰情况研究”职工技术创新项目验收会。并建议在贵阳局观冰、防冰工作中推广使用。
无人机虽然已经被广泛应用到各种领域，在各行各业发挥着重要的作用，但无人机航拍技术还在不断的进步完善中，未来无人机的商用价值还有待开发。
参考文献：
[1]汪沛，罗锡文，周志艳，臧英，胡炼. 基于微小型无人机的遥感信息获取关键技术综述[J]. 农业工程学报，2014，30（18）：1-12.
[2]宗群，王丹丹，邵士凯，张博渊，韩宇. 多无人机协同编队飞行控制研究现状及发展[J]. 哈尔滨工业大学学报，2017，49（03）：1-14.
[3]彭向阳，陈驰，饶章权，杨必胜，麦晓明，王柯. 基于无人机多传感器数据采集的电力线路安全巡检及智能诊断[J]. 高电压技术，2015，41（01）：159-166.
[4]毕凯，李英成，丁晓波，刘飞. 轻小型无人机航摄技术现状及发展趋势[J]. 测绘通报，2015（03）：27-31+48.
[5]MEJIAS L，COＲＲEA JF，MONDＲAGON I，et al． COLIBＲI：A vision-Guided UAV for surveillance and visual inspection[J].IEEE International Conference on Ｒobotics ＆ Automation，2007：2760-2761．
[6]ZHAO ZH B，WANG L，a method of aerial image automatic positioning of insulator string [J].Journal of Instruments and Meters，2014（3）：558-565．
论文作者:彭冲
论文发表刊物:《电力设备》2019年第12期
论文发表时间:2019/10/23
标签：无人机论文; 疏水论文; 刻度尺论文; 地线论文; 测量论文; 贵阳论文; 作业论文; 《电力设备》2019年第12期论文;