輸電線路無(wú)人機(jī)巡檢實(shí)時(shí)通信技術(shù)研究

林旭鳴

摘? 要：利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行輸電線路的巡視檢查，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)視頻，實(shí)時(shí)指揮調(diào)度，高效、快捷地完成輸電線路的異常查處及維護(hù)修整。而實(shí)時(shí)通信技術(shù)是輸電線路無(wú)人機(jī)巡視檢查的重要技術(shù)支撐，該文以輸電線路無(wú)人機(jī)巡視檢查為背景，闡述了實(shí)時(shí)通信技術(shù)的應(yīng)用需求，從光纖通信、電力電纜通信、無(wú)線通信3個(gè)方面，分析了輸電線路無(wú)人機(jī)巡視檢查常用的實(shí)時(shí)通信技術(shù)類型，并結(jié)合具體案例，對(duì)輸電線路無(wú)人機(jī)巡視檢查實(shí)時(shí)通信技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了進(jìn)一步探析。

關(guān)鍵詞：輸電線路;無(wú)人機(jī);巡視檢查;實(shí)時(shí)通信

中圖分類號(hào)：TM75? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

輸電線路運(yùn)行距離較長(zhǎng)，需要經(jīng)過(guò)多種復(fù)雜地形，如丘陵、山地、高山、沙漠等，極易遭受鳥(niǎo)害、雷擊、風(fēng)雪等多種自然因素或人為因素的破壞，致使輸電線路出現(xiàn)短路等影響正常電力資源供應(yīng)的問(wèn)題。而輸電線路無(wú)人機(jī)巡視檢查實(shí)時(shí)通信技術(shù)，可以依托無(wú)人機(jī)內(nèi)部搭載的遙感設(shè)備、可見(jiàn)光紅外熱像儀、數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備，將輸電線路巡視檢查信息實(shí)時(shí)傳輸給地面站點(diǎn)，保證輸電線路運(yùn)行問(wèn)題的及時(shí)發(fā)現(xiàn)及相關(guān)解決措施的及時(shí)實(shí)施。基于此，對(duì)輸電線路無(wú)人機(jī)巡視檢查實(shí)時(shí)通信技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)探析，具有非常重要的意義。

1 輸電線路無(wú)人機(jī)巡視檢查實(shí)時(shí)通信技術(shù)的應(yīng)用需求

1.1 通信載荷

由于輸電線路無(wú)人機(jī)載荷能力一定，因此對(duì)實(shí)時(shí)通信設(shè)備載重及電力資源損耗具有較為嚴(yán)格的要求。當(dāng)前電力系統(tǒng)中荷載能力較大無(wú)人機(jī)起飛重量在15.0 kg左右，在不考慮其他載荷的情況下，實(shí)時(shí)通信載荷重量應(yīng)在5.0 kg以下。

1.2 通信距離

對(duì)于輸電線路無(wú)人機(jī)巡視檢查來(lái)說(shuō)，巡視檢查信息實(shí)時(shí)回傳接入點(diǎn)大多在耐張塔上方適當(dāng)位置，涉及了架設(shè)、取電、調(diào)試、破纜等多個(gè)方面內(nèi)容。因此，在設(shè)置實(shí)時(shí)回傳接入點(diǎn)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制密度，避免接入點(diǎn)過(guò)多導(dǎo)致設(shè)備投入成本超標(biāo)或者停電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。一般可以每間隔20.0 km設(shè)置一個(gè)回傳接入點(diǎn)。

1.3 通信帶寬

由于輸電線路無(wú)人機(jī)巡視檢查信息需要從清晰度較高的照相機(jī)中獲取，而無(wú)人機(jī)、輸電線路間距離在50.0 m左右[1]。在一張高清晰度像片所覆蓋的導(dǎo)線長(zhǎng)度為16.0 m時(shí)，為保證輸電線路上方毛刺問(wèn)題的及時(shí)發(fā)現(xiàn)，需要保證照片文件壓縮后達(dá)到8.0 Mbit，且解像度>3 200.0×104像素。此時(shí)，如果無(wú)人機(jī)飛行速度為30 km/h，則一張高清晰度照片所產(chǎn)生時(shí)間為2.0 s，需要保證通信帶寬在32.0 Mbit/s以上。

2 輸電線路無(wú)人機(jī)巡視檢查常用實(shí)時(shí)通信技術(shù)類型

2.1 光纖通信

光纖通信主要指利用光波作為傳輸載波（傳輸媒介為光纖），將信息從一處傳輸至另外一處的數(shù)據(jù)信息傳輸技術(shù)。光纖通信技術(shù)涉及了光收信機(jī)、光發(fā)信機(jī)、光纜（/光纖）、中繼器、耦合劑、光纜連接器等模塊。通過(guò)光纖通信技術(shù)可以在光發(fā)信機(jī)中，將需要傳送的話音等信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并通過(guò)放大器、判決器放大調(diào)制到光纖束上（激光器發(fā)出），在保證激光束光強(qiáng)度隨電信號(hào)幅度/頻率的波動(dòng)而變化后，將電信號(hào)傳輸至光收信機(jī)，并在其中解調(diào)為原光信號(hào)，達(dá)到信號(hào)傳遞目的。光纖通信技術(shù)組網(wǎng)方式極其靈活，可以根據(jù)不同形式的組網(wǎng)要求，組成網(wǎng)狀、樹(shù)狀、鏈狀、單纖網(wǎng)、星形等多環(huán)向型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有抗干擾性能強(qiáng)、信息實(shí)時(shí)傳輸頻帶寬、信號(hào)傳輸質(zhì)量?jī)?yōu)異等特點(diǎn)。

2.2 電力線通信

電力線通信技術(shù)簡(jiǎn)稱為PLC，主要是利用10 kV中壓電力線、35 kV及以上高壓電力線、380/220 V低壓配電線作為傳輸介質(zhì)，進(jìn)行輸電線路無(wú)人機(jī)巡視檢查數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)姆绞健Ｊ紫?，通過(guò)電力線加載載有信息的高頻電流。其次，利用電纜線路，傳輸接收信息適配器，并將高頻信息從電流中分離出來(lái)。最后，將分離的高頻信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)、電話中。電力線通信具有保密性能強(qiáng)、傳輸穩(wěn)定性能好、通信容量大、不易受外界環(huán)境干擾等優(yōu)良特點(diǎn)，但是因電力線通信技術(shù)成本較高，如果應(yīng)用于輸電線路無(wú)人機(jī)巡視檢查中，需要鋪設(shè)大量電纜，經(jīng)濟(jì)性能不佳。

2.3 無(wú)線通信

無(wú)線通信主要是利用特定空間內(nèi)電磁波信號(hào)自由傳播的特性，將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的信息傳輸通道劃分為若干個(gè)小規(guī)模傳輸信道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高頻率快速轉(zhuǎn)換、小規(guī)模管理控制的目的。無(wú)線通信技術(shù)包括衛(wèi)星通信、微波通信2種類型，前者主要是將通信衛(wèi)星作為中繼站，實(shí)現(xiàn)地面2個(gè)或者多個(gè)移動(dòng)體間的微波通信，具有傳輸質(zhì)量好、覆蓋范圍廣、網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫銜接、不受地理?xiàng)l件及其他因素（磁暴、核爆）約束、組網(wǎng)靈活、容量大的特點(diǎn)。但因在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線電波傳輸時(shí)，需要經(jīng)過(guò)地球站→同步衛(wèi)星→地球的流程，極易出現(xiàn)通信延遲及回聲效應(yīng)。后者為傳輸距離為幾十千米的無(wú)線電波，因?yàn)轭l帶寬、通信容量大，所以需要在信息交換關(guān)口設(shè)置中繼站，通過(guò)中繼站將數(shù)據(jù)信息加載至微波載體上，實(shí)現(xiàn)電波空間內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸。以5G無(wú)人機(jī)對(duì)輸電線路進(jìn)行巡檢為例，無(wú)人機(jī)除搭載外置攝像頭（熱成像攝像頭、4/8K攝像頭）外，還可連接、采集多種傳感器的數(shù)據(jù)，全面感知周邊環(huán)境，進(jìn)行最優(yōu)巡檢路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。同時(shí)利用5G網(wǎng)絡(luò)高速率、大帶寬（100 Mbps級(jí)）、大規(guī)模連接、低時(shí)延的優(yōu)勢(shì)，將巡檢高清影像實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心，地面站工作人員可以在后臺(tái)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)控高清攝像頭的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)輸電線路故障巡檢的遠(yuǎn)距離專家決策。

雖然無(wú)線通信技術(shù)具有不需要設(shè)置有線傳輸電纜、建設(shè)周期短、建設(shè)成本低、適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，但是其在輸電線路無(wú)人機(jī)巡視檢查中應(yīng)用時(shí)，極易受到周邊環(huán)境的影響。特別是在周邊通信點(diǎn)存在障礙物時(shí)，極易導(dǎo)致通信質(zhì)量受損或通信中斷[2]。除此之外，雖然無(wú)線通信技術(shù)理論通信距離在6 000.0 m以下，但是受天氣因素、周圍建筑物體影響，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信息實(shí)時(shí)傳輸。

3 輸電線路無(wú)人機(jī)巡視檢查實(shí)時(shí)通信技術(shù)應(yīng)用案例

3.1 案例概述

某段輸電線路已應(yīng)用了光纖復(fù)合架空地線，可通過(guò)光纖鏈路聯(lián)入電力資源供應(yīng)企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。但由于線路較長(zhǎng)，無(wú)法全部覆蓋一座耐張塔所部署的接入點(diǎn)。因此擬依據(jù)最大限度法規(guī)覆蓋張力原則，進(jìn)行多座耐張塔的覆蓋。

3.2 應(yīng)用方案

首先，部署一支全向天線，實(shí)現(xiàn)耐張塔左側(cè)、右側(cè)的近距離覆蓋。同時(shí)在左側(cè)、右側(cè)分別部署一面或者兩面定向天線（定向天線增益相差5.0 dB～6.0 dB）。其中高增益定向天線（增益為26.0 dB，波束角為8°，覆蓋寬度>1 400.0 m，適用距離>10.0 km）、低增益定向天線（增益為10.0 dB，波束角為全向360°，覆蓋寬度>3 000.0 m，適用距離<3.0 km）需要分別負(fù)責(zé)遠(yuǎn)離、靠近耐張塔的區(qū)域覆蓋，以便在耐張塔左側(cè)、右側(cè)分別構(gòu)成近、遠(yuǎn)、中3個(gè)覆蓋層次，保證輸電線路無(wú)人機(jī)巡視檢查階段遠(yuǎn)離耐張塔、接近耐張塔時(shí)，均可接收到足夠強(qiáng)烈的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)高速傳輸。

其次，在2座相鄰耐張塔的交接位置，進(jìn)行高增益部署，構(gòu)成一重疊區(qū)域，避免通信中斷。同時(shí)在每一座已安裝實(shí)時(shí)回傳接入點(diǎn)的耐張塔上進(jìn)行光纜開(kāi)口，保證輸電線路無(wú)人機(jī)巡視檢查信息實(shí)時(shí)回傳至地面數(shù)據(jù)處理中心。

最后，依托地面數(shù)據(jù)處理中心智能軟件，對(duì)輸電線路無(wú)人機(jī)巡視檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)的輸電線路隱患、故障進(jìn)行判別讀取。同時(shí)為了避免誤判、漏判問(wèn)題出現(xiàn)，可以引入廣和通FG150（W）/FM150 （W） 5G無(wú)線通信模組，經(jīng)模組自帶PCIe3.0、USB3.1、UART、SPI、GPIO、I2S、I2C、SDIO、RGMII、UIM、MIPI接口連接海量傳感器并搭配AI技術(shù)，切實(shí)將輸電線路無(wú)人機(jī)巡視檢查轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸茄病保_(dá)到對(duì)高清視頻數(shù)據(jù)、圖像信息智能化識(shí)別的目的，在提升巡視檢查效率（達(dá)到毫秒級(jí)超低時(shí)延）的同時(shí)，實(shí)時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，精準(zhǔn)上報(bào)故障信息。

為保證整個(gè)過(guò)程的技術(shù)應(yīng)用效率，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)寬帶接入時(shí)，利用支持IEEE 802.11a/b/g標(biāo)準(zhǔn)的中科所AOR無(wú)線Mesh通信設(shè)備，發(fā)揮其易于安裝、結(jié)構(gòu)靈活、主動(dòng)組網(wǎng)、非視距傳輸、高帶寬、快速部署的優(yōu)勢(shì)，在無(wú)線AP（Access Point，接入點(diǎn)）節(jié)點(diǎn)設(shè)備耐張塔上方適當(dāng)位置，安裝一面低增益全向天線、兩面高增益平板天線及中增益平板天線（增益為14.0 dB，波束角為32°，覆蓋寬度>1 650.0 m，適用距離>3.0 km）。在輸電線路無(wú)人機(jī)巡視檢查過(guò)程中，主要搭載一面低增益全向天線、AOR-AC接入設(shè)備（無(wú)線局域網(wǎng)接入控制設(shè)備，負(fù)責(zé)將來(lái)自不同AP的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚，并接入Internet，同時(shí)完成AP設(shè)備的配置管理和無(wú)線用戶的認(rèn)證、管理，以及帶寬、訪問(wèn)、切換、安全等控制功能。），在IEEE 802.11a通信標(biāo)準(zhǔn)的支持下，設(shè)定實(shí)時(shí)通信設(shè)備工作頻段為4.90 GHz，發(fā)射功率為26.0 dBm，傳輸速率最大為54.0 Mbit/s。

3.3 應(yīng)用效益

通過(guò)對(duì)上述輸電線路無(wú)人機(jī)巡視檢查實(shí)時(shí)通信過(guò)程進(jìn)行分析，可得出輸電線路巡視檢查用多旋翼無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)為大疆Matrice M200，配置了具備30倍光學(xué)變焦鏡頭、數(shù)碼變焦功能的Zenmuse Z230，總共飛行780架次，拍攝照片9 400余張，7 kg<空機(jī)質(zhì)量≤116 kg，矯正空速度為100 km/h[3]。無(wú)人機(jī)在距離耐張塔節(jié)點(diǎn)設(shè)備10.0 km位置時(shí)，可以接收的電平值為-75 dBm，傳輸速率為55.0 Mbit/s，單側(cè)精細(xì)巡視檢查距離在30.0 km以上，常規(guī)巡檢距離在60.0 km以上，雙側(cè)精細(xì)巡視檢查距離在20.0 km以上，常規(guī)巡視檢查距離在40.0 km以上。而在無(wú)人機(jī)不斷縮小與耐張塔節(jié)點(diǎn)設(shè)備距離的過(guò)程中，無(wú)人機(jī)可接收的電平最小為-74.0 dBm，最大為-57 dBm，傳輸速率始終在55.0 Mbit/s。結(jié)果表明，采用無(wú)線通信搭配光纖通信的覆蓋技術(shù)，可以有效提高輸電線路無(wú)人機(jī)巡視檢查的實(shí)時(shí)通信效率。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，實(shí)時(shí)通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)輸電線路無(wú)人機(jī)巡視檢查的關(guān)鍵模塊，也是飛行命令發(fā)布、飛行高度控制、飛行線路調(diào)整及采集攝錄信息發(fā)送的依據(jù)，直接影響了無(wú)人機(jī)內(nèi)部各系統(tǒng)間的通信效果及巡視檢查任務(wù)的完成度。因此，技術(shù)人員可以根據(jù)輸電線路無(wú)人機(jī)巡視檢查的需要，選擇無(wú)線通信或光線通信、電力線通信技術(shù)，在無(wú)人機(jī)與地面站間搭建信息交互橋梁，保證輸電線路無(wú)人機(jī)巡視檢查工作的效率。

參考文獻(xiàn)

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