基于遙感的電力線路安全巡檢技術(shù)現(xiàn)狀及展望

作者/劉朝暉，神華包神鐵路集團(tuán)有限責(zé)任公司

基于遙感的電力線路安全巡檢技術(shù)現(xiàn)狀及展望

作者/劉朝暉，神華包神鐵路集團(tuán)有限責(zé)任公司

隨著電力電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，為保障電網(wǎng)科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、安全的運(yùn)行必須深度發(fā)展電力線路的遙感安全巡檢，加快我國電力電網(wǎng)的自動(dòng)化建設(shè)。而作為電網(wǎng)系統(tǒng)重要組成部分的電力線路需要對(duì)其進(jìn)行有效的巡檢管理，從而保證設(shè)備的安全運(yùn)行。介紹電力線路安全巡檢技術(shù)和遙感巡檢系統(tǒng)功能，針對(duì)現(xiàn)有電路巡檢模式中存在的文件進(jìn)行了深入的分析，結(jié)合遙感技術(shù)、衛(wèi)星全球定位(GPS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)等技術(shù)構(gòu)建安全、可靠、高效的安全巡檢系統(tǒng)，避免了人工巡檢效率較低、人為因素多、管理不便的缺點(diǎn)，減少電力巡檢工作量并提高電力巡檢效率。基于遙感的電力線路安全巡檢使電力巡檢工作管理自動(dòng)化、規(guī)范化，杜絕人為設(shè)備事故且保障電力生產(chǎn)的安全。

遙感技術(shù)；電力線路；安全巡檢；地理信息系統(tǒng)

引言

隨著對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)逐步的深化改革，電網(wǎng)技術(shù)不斷向著經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、有效的自動(dòng)化方向發(fā)展。電網(wǎng)系統(tǒng)的電力線路巡檢是保證電網(wǎng)安全、自動(dòng)化的重要工作。目前，國內(nèi)的電網(wǎng)系統(tǒng)電力安全巡檢普遍采用的人工巡檢、手工紙質(zhì)記錄的巡檢制度。這種電力安全巡檢制度存在較大的人為影響因素、較高的人力成本和信息管理成本、較低的巡檢信息化程度等缺點(diǎn)。而實(shí)現(xiàn)了電力安全巡檢基本信息化的系統(tǒng)，也無法人工處理日益增多的巡檢信息，無法實(shí)現(xiàn)信息共享和多目標(biāo)協(xié)同決策等現(xiàn)代化需求。為實(shí)現(xiàn)電力電網(wǎng)系統(tǒng)的自動(dòng)化、信息化管理，需采用先進(jìn)的無線移動(dòng)通信技術(shù)構(gòu)建電力電網(wǎng)系統(tǒng)的電力線路安全巡檢系統(tǒng)。本文介紹遙感電力線路安全巡檢的現(xiàn)狀并對(duì)高效、自動(dòng)化、信息化的電力線路安全巡檢技術(shù)進(jìn)行分析與展望。

1.遙感電力線路巡檢系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

遙感技術(shù)是一種興起于20世紀(jì)60年代的探測(cè)技術(shù)，它基于電磁波理論并結(jié)合傳感儀器設(shè)備對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)產(chǎn)生的輻射電磁波和反射電磁波信息進(jìn)行收集、處理、成像，最后形成對(duì)地面各類景物的識(shí)別，通過遙感技術(shù)可以對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。國外針對(duì)搖感技術(shù)在航測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究與革新，結(jié)合GIS（Geographic Information System,地理信息系統(tǒng)）和GPS(Global Positioning System,全球定位系統(tǒng))構(gòu)建電力線路安全巡檢系統(tǒng)。美國的電力線路安全巡檢系統(tǒng)的主要代表有TIMS（Transmission Inspection Maintenance System，輸電線路巡視維保系統(tǒng)）、IVM（Integrated Vegetation Management，綜合管理系統(tǒng)）等。德國、葡萄牙等發(fā)達(dá)國家的電力線路代表巡檢平臺(tái)有IHCM（Integrated Helicopter Corridor Mapping，直升機(jī)映射系統(tǒng)）、PLMI（Power Line Maintenance Inspection，電力巡視維保系統(tǒng)）等。此外，國外的相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和科技公司也著眼于遙感電力線路安全巡檢技術(shù)的研究，西班牙馬德里大學(xué)根據(jù)數(shù)字圖形成像技術(shù)和圖像追蹤技術(shù)研究了無人機(jī)遙感巡檢系統(tǒng)，基于該巡檢導(dǎo)航系統(tǒng)能夠及時(shí)調(diào)整飛行器姿態(tài)并指導(dǎo)飛行器安全著陸，對(duì)電力線路進(jìn)行高效的巡視。日本千葉大學(xué)則是在無人探測(cè)機(jī)中應(yīng)用了故障自動(dòng)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)圖形三維成像技術(shù)，開發(fā)了相應(yīng)的遙感電力線路安全巡檢系統(tǒng)。澳大利亞相關(guān)科研機(jī)構(gòu)也基于遙感技術(shù)開發(fā)了一套用于巡檢的無人機(jī)算法并對(duì)無人機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改良和優(yōu)化，不僅整體提升了無人機(jī)的抗風(fēng)能力也延長了無人機(jī)的飛行時(shí)間。

圖1 某遙感巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

國內(nèi)的遙感電力線路安全巡檢系統(tǒng)較發(fā)達(dá)國家而言相對(duì)較晚，我國最早由中科院物理研究所的相關(guān)學(xué)者提出電力線路安全巡檢的數(shù)據(jù)采集分析方案并基于該方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電力線路安全巡檢系統(tǒng)，其后加入DSM（Digital Surface Model，數(shù)字地表模型）技術(shù)、GPS技術(shù)、GIS技術(shù)不斷升級(jí)電力線路安全巡檢系統(tǒng)。同時(shí)，我國桂能信息公司利用直升機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)對(duì)華北電網(wǎng)北京超高壓線路進(jìn)行安全巡檢，實(shí)現(xiàn)了我國遙感電力線路安全巡檢的突破。湖南電力科學(xué)研究院對(duì)遙感電力線路安全巡檢技術(shù)進(jìn)行了深入研究，針對(duì)無人機(jī)的防雨、抗風(fēng)、防撞等性能進(jìn)行了研究改進(jìn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了無人直升機(jī)巡檢系統(tǒng)。圖1是我國國家電網(wǎng)設(shè)計(jì)研究院獨(dú)立自主設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的無人機(jī)遙感電力吸納路安全巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

2.現(xiàn)有電力線路巡檢模式存在的問題

我國電力電網(wǎng)規(guī)模近年來不斷擴(kuò)大，架空電力線路覆蓋區(qū)域逐年變廣。我國預(yù)計(jì)到2020年電力線路建設(shè)總里程從2010年的90萬km增加到159萬km，增設(shè)的電力線路主要集中在我國的山區(qū)，由于野外的氣候條件惡劣這些長期暴露在外的供電塔桿、電力線路很容易發(fā)生老化斷裂、雷擊損壞、極寒氣候時(shí)發(fā)生導(dǎo)線凍裂、桿塔傾斜、絕緣子損壞線路失去絕緣特性，如不及時(shí)進(jìn)行電力線路巡檢、排查，更換損壞設(shè)備并消除運(yùn)行隱患將導(dǎo)致電力事故發(fā)生，嚴(yán)重的甚至發(fā)生重大電力事故。

目前，我國電力行業(yè)針對(duì)電力線路的安全巡檢有傳統(tǒng)人工巡檢和信息半自動(dòng)化巡檢兩種。傳統(tǒng)人工巡檢一般由人工進(jìn)行電力線路巡視并通過手工記錄的方式記錄電力線路的安全信息，由于存在較大的人為影響因素、較高的人力成本和信息管理成本、較低的巡檢信息化程度等缺點(diǎn)，容易造成安全信息確實(shí)、無法系統(tǒng)化查詢管理電力系統(tǒng)等問題。信息半自動(dòng)化巡檢雖然一定程度上提高了巡檢可靠性，但對(duì)于巡檢系統(tǒng)的安全性并無明顯提升，同時(shí)也存在成本高、管理不便的缺點(diǎn)，尚未得到普遍的應(yīng)用。

我國除部分地區(qū)電力線路應(yīng)用了遙感航測(cè)技術(shù)外，絕大部分地區(qū)電力線路安全巡檢工作仍由人工在地面進(jìn)行逐個(gè)檢查。因此，現(xiàn)階段實(shí)際上我國普遍采用人工巡檢的方式對(duì)電力線路進(jìn)行安全排查。這種傳統(tǒng)人工電力線路巡檢不僅需要花費(fèi)大量的人力成本也無法實(shí)現(xiàn)對(duì)電力線路的全面巡檢，對(duì)于部分設(shè)備的巡視可能存在疏忽遺漏，對(duì)于復(fù)雜地理環(huán)境的山區(qū)線路人工無法排查，容易出現(xiàn)電力線路巡檢盲區(qū)。野外巡檢也無法保證巡檢人員的人身安全，需要及時(shí)維修的部分也只能通過人工記錄再交由相關(guān)維護(hù)人員進(jìn)行設(shè)備維保，因而造成了電力線路運(yùn)行維護(hù)的困難，這種巡檢方法主要存在下述缺陷。

■2.1 運(yùn)維人員滿足不了輸電線路高速增長的需求

目前，我國的電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模已經(jīng)躍居世界首位，同時(shí)我國不斷推進(jìn)全國聯(lián)網(wǎng)建設(shè)并加強(qiáng)區(qū)域性電網(wǎng)建設(shè)，整體提升電網(wǎng)系統(tǒng)自動(dòng)化水平、電能質(zhì)量和供電穩(wěn)定性，以滿足社會(huì)主義現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)發(fā)展的電力需求。我國相關(guān)電力部門統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在2010年時(shí)的全國電網(wǎng)220千伏及以上的輸電線路回路長度為44.6萬千米，公用變電設(shè)備容量為20億千伏安。而到2016年時(shí)全國電網(wǎng)220千伏及以上的輸電線路回路長度為67.2萬千米，公用變電設(shè)備容量為30.3億千伏安。我國的電力電網(wǎng)系統(tǒng)在“十二五”期間得到了高速的發(fā)展，全國電力線路年增長率超過7.5%，且未來還將以每年7%以上的速度快速增長。

與此同時(shí)，相對(duì)于高速發(fā)展的電力電網(wǎng)系統(tǒng)，電力線路安全巡檢的輸電線路運(yùn)維人員由于逐年增加的人工成本，導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)電力線路運(yùn)維人員無法大幅增加，在過去10年中平均年增長率不足3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全國電力線路的總體增長速度，已無法滿足我國電力線路高速增長的建設(shè)現(xiàn)狀。

■2.2 人工巡檢效率低、難度大且安全風(fēng)險(xiǎn)高

電力線路大部分建設(shè)在人口相對(duì)較少的山區(qū)，人工巡檢所需的線路搭位車輛一般難以進(jìn)入，同時(shí)人工巡檢大多依賴步行且野外路途艱險(xiǎn)，造成大部分山區(qū)線路的運(yùn)維人員只能巡檢少量的電力塔桿，即使通過投入大批巡視人員巡檢效率仍然較低。實(shí)際巡檢工作中巡檢人員在巡視電力線路時(shí)容易出現(xiàn)報(bào)告記錄有誤、巡視路線有誤等問題，若存在相應(yīng)的監(jiān)管問題將嚴(yán)重影響電力線路巡檢工作的質(zhì)量。僅通過相關(guān)規(guī)定無法對(duì)巡檢系統(tǒng)進(jìn)行整體規(guī)范。

同時(shí)，在設(shè)備檢修過程中，巡檢人員無法得到有效的技術(shù)支持。尤其是對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的精密設(shè)備進(jìn)行巡檢時(shí)，作業(yè)人員不僅時(shí)常需要查閱維相關(guān)的技術(shù)資料同時(shí)也需要相關(guān)的巡檢設(shè)備進(jìn)場(chǎng)，對(duì)于復(fù)雜地理環(huán)境的山區(qū)線路人工無法排查，野外巡檢也無法保證巡檢人員的人身安全，人工巡檢難度較高。

■2.3 人工巡檢手段單一、缺陷發(fā)現(xiàn)率低

電力線路人工巡檢時(shí)一般都由巡檢人員攜帶單人診斷設(shè)備對(duì)其進(jìn)行巡視測(cè)量，人工無法到達(dá)的電力線路部分則只能通過肉眼借助望遠(yuǎn)鏡和相機(jī)進(jìn)行測(cè)量并判斷電力設(shè)備是否存在安全隱患。特別是部分山區(qū)線路由于人工測(cè)量時(shí)距離電力桿塔較遠(yuǎn)、觀測(cè)角度大更加難以判斷電力設(shè)備是否存在安全隱患。目前，電力線路人工巡檢的巡檢數(shù)據(jù)主要由人工判斷，受巡檢人員的主觀判斷影響較大，無法對(duì)巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行智能判斷分析，甚至不同巡檢人員的巡檢結(jié)果都相差甚遠(yuǎn)無法保證巡檢質(zhì)量。后期巡檢數(shù)據(jù)的處理審閱周期較長、處理工作量較大，效率低下的同時(shí)也增加了電力線路故障的概率。

■2.4 巡檢數(shù)據(jù)管理分散、應(yīng)用水平低

電力線路人工巡檢時(shí)，巡檢數(shù)據(jù)都有巡檢人員進(jìn)行紙質(zhì)記錄，容易出現(xiàn)記錄錯(cuò)誤或者巡檢報(bào)告準(zhǔn)確性不高等問題，特別是傳統(tǒng)的人工巡檢方式中設(shè)備巡檢的隱患報(bào)告大都依靠巡檢人員的經(jīng)驗(yàn)與記錄習(xí)慣進(jìn)行記錄，容易造成巡檢人員對(duì)隱患的記錄不夠準(zhǔn)確、完整或維護(hù)人員對(duì)巡檢人員的隱患報(bào)告理解出現(xiàn)偏差的現(xiàn)象，一旦電力線路的隱患報(bào)告無法準(zhǔn)確、完整地傳達(dá)給維護(hù)人員，輕則導(dǎo)致維護(hù)人員維修工具、設(shè)備攜帶不充分而無功而返，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致電力線路的隱患得不到及時(shí)消除造成重大電力事故。

人工巡檢記錄的巡檢信息可能無法及時(shí)錄入歷史信息庫，造成巡檢歷史信息的不完全。維護(hù)人員需要較多的時(shí)間了解巡檢歷史信息才能做出正確的維修選擇，降低了維修進(jìn)度和維修質(zhì)量，同時(shí)僅憑巡檢人員肉眼觀察記錄的信息，無法給維護(hù)人員提供全面的現(xiàn)場(chǎng)信息，造成信息的不匹配。在人工巡檢模式下，巡檢數(shù)據(jù)主要存放于電力線路的巡檢站點(diǎn)使得巡檢人員反饋回來的巡檢數(shù)據(jù)比較分散，同時(shí)由電力線路運(yùn)維部門管理，巡檢數(shù)據(jù)無法高效的進(jìn)行整合、統(tǒng)計(jì)、共享且巡檢數(shù)據(jù)主要通過人工對(duì)電力線路現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行判斷記錄，無法對(duì)巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行只能分析容易出現(xiàn)偏差，無法給電力線路維保部門提供更加準(zhǔn)確的信息。

3.基于遙感的電力線路安全巡檢技術(shù)

基于遙感技術(shù)的電力線路安全巡檢系統(tǒng)是指結(jié)合航空、電子、圖形等技術(shù)通過無人駕駛飛行器對(duì)電力線路進(jìn)行安全巡檢的系統(tǒng)。人工巡檢在效率方面也無法與現(xiàn)代遙感電力巡檢的日工作量相比較，因此基于遙感技術(shù)的電力線路巡檢不僅彌補(bǔ)了人工安全巡檢的缺點(diǎn)，同時(shí)具有其自身獨(dú)特的安全、多角度、全方位的巡檢優(yōu)勢(shì)，方便拍攝相應(yīng)圖像、豐富數(shù)據(jù)資料。基于遙感技術(shù)的電力線路巡檢系統(tǒng)中一般將配置兩個(gè)用于通訊的模塊，這兩個(gè)通訊模塊將電力桿塔信息采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送到遙感設(shè)備上，另一個(gè)則是將遙感設(shè)備上的數(shù)據(jù)發(fā)送到信息中心進(jìn)行巡檢信息統(tǒng)計(jì)，圖2為遙感電力安全巡檢系統(tǒng)的通訊模塊結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 遙感電力安全巡檢系統(tǒng)的通訊模塊結(jié)構(gòu)示意圖

■3.1 整體架構(gòu)

針對(duì)人工巡檢系統(tǒng)和傳統(tǒng)遙感電力線路安全巡檢系統(tǒng)中的一些缺陷和問題進(jìn)行分析，研究并設(shè)計(jì)了以現(xiàn)代通訊設(shè)備為硬件支持并基于全球定位信息技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的電力線路安全巡檢系統(tǒng)，以滿足目前電力線路安全巡檢的各方面需求。通過GPS和GIS嵌入技術(shù)等現(xiàn)代化科技，避免人工巡檢的人為影響并優(yōu)化了傳統(tǒng)遙感電力線路安全巡檢系統(tǒng)的線路缺陷，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力線路的安全隱患，預(yù)防各類電力故障。該電力線路安全巡檢系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用不僅加深了對(duì)遙感技術(shù)的應(yīng)用與研究，也進(jìn)一步加快了巡檢系統(tǒng)的現(xiàn)代化、規(guī)?；⑿畔⒒l(fā)展。

■3.2 GIS + GPS 線路巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

結(jié)合全球定位信息技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的電力線路安全巡檢系統(tǒng)可以通過巡檢任務(wù)模塊實(shí)時(shí)生成巡檢任務(wù)，也可在線修改巡檢任務(wù)并通過相關(guān)通訊模塊將電力線路巡檢獲得傳輸回控制中心，控制中心根據(jù)故障分析模塊、桿塔電力線路管理模塊對(duì)巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。該系統(tǒng)的巡檢管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 巡檢管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

該電力線路安全巡檢系統(tǒng)擁有完備的智能診斷功能，根據(jù)無人機(jī)遙感技術(shù)判斷電力塔桿、絕緣子、高壓設(shè)備、高壓導(dǎo)線等相關(guān)設(shè)備的設(shè)備狀態(tài)，對(duì)故障進(jìn)行診斷的同時(shí)分析巡檢數(shù)據(jù)給出維修方案，實(shí)現(xiàn)真正的自動(dòng)化安全巡檢。該電力線路安全巡檢系統(tǒng)電力安全巡檢智能診斷邏輯圖如圖4所示。

圖4 電力線路安全巡檢智能診斷

■3.3 實(shí)際應(yīng)用

該電力線路安全巡檢系統(tǒng)基于遙感技術(shù)和現(xiàn)代GPS、GIS信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大范圍、規(guī)模性電力線路和電氣設(shè)備的安全巡檢任務(wù)，從而保證電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，將該系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際電力線路安全巡檢中，其具體功能應(yīng)用如下：

巡檢人員通過便攜通信設(shè)備通過GPS系統(tǒng)對(duì)需要巡檢的電力線路進(jìn)行定位和導(dǎo)航，通信設(shè)備自動(dòng)上傳遙感飛行器的巡檢數(shù)據(jù)并記錄巡檢任務(wù)詳細(xì)信息，巡檢人員根據(jù)通信設(shè)備上的信息進(jìn)行巡檢現(xiàn)場(chǎng)查看并處理相應(yīng)故障信息。

遙感飛行器完成電力線路巡檢任務(wù)后，巡檢人員根據(jù)上傳到數(shù)據(jù)處理中心的如飛行器巡檢時(shí)間、巡檢任務(wù)信息、巡檢現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)等巡檢數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備故障率、氣候環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)綜合分析故障情況并通過只能診斷系統(tǒng)得出相應(yīng)的故障處理結(jié)果，最后將故障處理結(jié)果下發(fā)到相關(guān)維保部門對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行維修保養(yǎng)，消除電力系統(tǒng)的安全隱患。其中，電力線路巡檢系統(tǒng)信息傳輸結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 巡檢系統(tǒng)信息傳輸結(jié)構(gòu)圖

4.結(jié)論與展望

目前，我國對(duì)于電力線路的安全巡檢仍然主要以人工巡檢方式進(jìn)行，本文介紹遙感電力線路安全巡檢的現(xiàn)狀并對(duì)高效、自動(dòng)化、信息化的電力線路安全巡檢技術(shù)進(jìn)行分析與展望，研究并設(shè)計(jì)了以現(xiàn)代通訊設(shè)備為硬件支持并基于全球定位信息技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的電力線路安全巡檢系統(tǒng)，促進(jìn)巡檢系統(tǒng)的現(xiàn)代化、規(guī)?；?、信息化發(fā)展。

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