无人机电力巡线系统实施方案-保利

无人机输电巡线系统实施方案保利国防中心二零一一年十一月电力巡线第1页共25页1、概述随着输电高压等级的不断提高，输电线路的巡线作业对维护区域油网的安全、稳定、高效运行越来越重要，也是油网运行的当务之急。输电线路跨区域分布，点多面广，所处地形复杂，自然环境恶劣，输电线路设备长期暴露在野外，受到持续的机械张力、雷击闪络、材料老化、覆冰以及人为因素的影响而产生倒塔、断股、磨损、腐蚀、舞动等现象，这些情况必须及时得到修复或更换。绝缘子还存在被雷击损伤、树木生长引起高压放油以及绝缘劣化而导致输电线路事故，杆塔存在被偷盗等意外事件，必须及时处理。传统的人工巡线方法不仅工作量大而且条件艰苦，特别是对山区和跨越大江大河的输电线路的巡查，以及在冰灾、水灾、地震、滑坡、夜晚期间巡线检查，所花时间长、人力成本高、困难大，某些线路区域和某些巡检项目人工巡查方法目前还难以完成。无人机（unmannedaerialvehicle,UAV）是一种先进的无人驾驶自行飞行器。无人机输电巡线系统是一个复杂的集航空、输电、电力、气象、遥测遥感、通信、地理信息（GIS）、图像识别、信息处理的一体系统，涉及飞行控制技术、机体稳定控制技术、数据链通讯技术、现代导航技术、机载遥测遥感技术、快速对焦摄像技术以及故障诊断等多个高尖技术领域。现代无人机具备高空、远距离、快速、自行作业的能力，可以穿越高山、河流对输电线路进行快速巡线，对架空线的铁塔、支架、导线、绝缘子、防震锤、耐张线夹、悬垂线夹等进行全光谱的快速摄像和故障监测。基于无人机输电巡线采集数据的专业分析，为油网管理和维护提供数据支持。无人机作业可以大大提高输电维护和检修的速度和效率，使许多工作能在完全带油的环境下迅速完成。无人机作业还能使作业范围迅速扩大，而且不为污泥和雪地所困扰。因此，无人机巡线方式无疑是一种安全、快速、高效、前途广阔的巡线方式。在国外，机载遥感仪器巡线的试验研究工作最早的开始约在70年代初期，在不断改进后，每个被检出的故障耗资逐年递减，到1987年时耗资已为初始的一半还略低。对接头检出结果分为四种情况，有微温、温、热和异常热，报告维电力巡线第2页共25页修工程师，根据天气、负荷来确定检修的先后顺序。我国的一些输电系统，也都进行了红外航测线路的试验研究，探索出不少经验，已取得一定成果。根据国情而进行的地面检测研究，也正在有效地推进中。无人机巡线工作是一种大量野外作业过程。用无人机进行低空巡线，是一种高效的巡线过程。它不仅能把部分野外的巡线作业转移到室内来做，还能把肉眼所难以发现的、处于萌芽状态的隐患（如：温度升高，轻微放油等）通过红外、紫外成像显现出来。为了提高低空巡线作业效率，整个作业过程可分为二步进行：长距离线路普查短距离线路详查前者主要是利用红外、紫外和可见光遥感设备检查线路有否异常点，后者则利用飞行器在异常点上空多个角度的倾斜摄影，以便管理部门做出决策。2、无人机巡线系统无人机输电巡线系统主要由五部分组成：低空、低速、长航行距离、长航行时间的先进无人机平台系统包含红外、可见光至紫外的全谱段的实时遥感系统微型气象数据采集平台陀螺稳定平台信息处理系统电力巡线第3页共25页2.1无人机平台该方案的无人机平台包括1架KYD-70型长航时无人机、2架KYD-65型多用途无人机。其中无人机的组成如图1所示：主要包括无人机机体、机载导航飞控系统、机载油源、机载通讯设备等。图2KYD-70型无人机实拍图图3KYD-65型无人机实拍图电力巡线第4页共25页2.1.1无人机技术参数：无人机主要技术参数（按需方要求，可调整）KYD-65KYD-70起飞重量：55Kg280Kg最大飞行速度：230km/h220km/h巡航速度：160km～200km/h140km～180km/h飞行高度：100-5000m100-6600m航行距离：200km200km航行时间：≥3h≥10h翼展：3.15m7.8m机长：2.4m5.3m控制半径：150m150m任务载荷能力：≤15kg≤70kg2.1.2无人机巡线的主要性能（1）飞行控制距离由于高压输电线路长度一般在100KM，距离公路30KM内，因此要求飞行控制距离在100KM以上。KYD-65与KYD-70型无人机的航行范围均在200KM，而测控范围在高度大于2km，无地物遮挡的情况下，可以达到180km以上。在控制距离范围内，地面控制系统可以通过数据链对无人进行遥控，传递监测数据、气象数据和视频。（2）起飞条件当起降的风速在每秒10米以下，风向夹角小于30°，环境温度在－40℃～+50℃范围内均能起飞。KYD-65型无人机采用弹射方式起飞，伞降回收。电力巡线第5页共25页KYD-70型无人机采用滑跑方式，可全自主起飞和降落，要求有40╳1200米的跑道。（3）飞行高度飞行高度高于导线100M，KYD-65型升限为5000M海高，KYD-70型升限为6600M海高。（4）飞行导航无人机根据输电线路的地理信息（GIS），具备GPS自主线路导航控制功能，使一条线路的巡线作业小于4个小时。（5）机体稳定飞行控制无人机飞行稳定，采用自稳定能力的摄像云台，可以选择安装CCD彩色摄像机、红外热像仪、紫外成像仪等摄像设备，具备摄像设备的自动控制摄像功能，便于拍摄地面线路杆塔的高分辨率航空图像。（6）自动驾驶系统飞机以程控方式飞行为主；地面站并能够实时接收无人机飞行信息，发出飞控指令，能对无人机实施安全可靠的实时操作控制。（6）线路杆塔自动跟踪识别及快速对焦成像技术采用线路杆塔自动跟踪识别技术和快速对焦拍摄技术，可生成高清晰的地面杆塔、线路、绝缘子、金具、树林等可见、红外图像。2.2全谱段的实时遥测遥感系统2.2.1可见光成像设备可见光摄像机工作在白天，在搜索状态下，可见光摄像机工作在短焦距状态，此时，可见光摄像机具有大的观测视场，低的空间分辨率，实现对大型目标和场电力巡线第6页共25页景的监控，一旦发现状况，需要详细分析可疑目标时，对光学系统进行变焦，缩小观测视场，放大可疑目标，对目标的细节进行进一步分析。其主要性能指标如下所示：1.有效像素：1628(H)1236(V)2.帧率：30fps；3.视场：小视场：0.8°×0.6°；大视场：2.86°×2.15°；4.靶面尺寸：7.16mm×5.44mm5.像素尺寸：4.40m×4.40m6.接口：CameraLink规格(PlCL)2.2.2红外热成像仪红外巡检的方法和步骤：测定全部输电线路的温度显示，判断有无异常过热，如有异常过热区域，要进行温度测定，实施其他判断方法，对异常作最终确认肯定，对异常部位进行分解检测。其性能参数如下表1所示：图像性能传感器类型320×240像素，非制冷焦平面阵列，微热量型波长范围7.5-13μm视场角(FOV）小视场2°×1.5°大视场8°×6°接口特性油源12VDC功耗3W视频输出PAL复合视频信号环境参数操作温度-32℃到+55℃存储温度-50℃到+65℃电力巡线第7页共25页湿度0%-95%封装IP66（包含镜头密封组件）抗沙/尘Mil-Std-810E抗冲击Mil-Std-810E抗震动Mil-Std-810E物理特性重量（kg）0.3kg（不含镜头），0.5kg（含50mm镜头）尺寸（mm）116×62×62（不含镜头），166×62×62（含50mm镜头）表1红外热成像仪性能参数2.2.3高分辨率航空数码相机高分辨率航空数码相机是获得高清晰输电网线影像的主要遥感设备，按不同的需求，可以获得彩色/全色、立体（三维）/二维的地面影像。数码航空相机的主要性能规格如下表2所示：序号名称性能指标与参数单位1光学参数a.焦距f’50mmb.相对孔径f/4.5c.视场角FOV76(°)d.最大畸变＜15μm2光谱段范围0.485-1.10μm3CCD器件象元数7216*54124CCD器件象元大小6.8*6.8μm5感光面积49*36.8mm6积分时间最大30秒最小由快门速度决定mS7信噪比SNR50dB8彩色采样深度16BIT电力巡线第8页共25页8最大采样速率24MHz/channel9读出时间约1.8秒10调制传递函数MTF(在55LP/mm空间频率处)光学系统:0.58相机系统:0.311地面幅宽（见表3）m12地面象元分辨率δL（见表3）m13地面（摄影）分辨率（见表3）m14摄影间隔（见表4）秒15无故障时间2年表2航空数码相机性能参数摄影高度（m）比例尺地面幅宽(m×m)地面象元分辨率(m)地面（摄影）分辨率(m)*5001/10000490*3680.0680.1510001/20000980*7360.1360.25表3航空数码测量相机摄影的地面效果*：中对比K=2时摄影高度（m）飞行速度（km/h）像移速度（mm/s）摄影间隔(s)*5001203.3312.162506.945.8460016.662.43100027.781.46**130036.111.12**10001201.6724.32电力巡线第9页共25页2503.4711.686008.334.86100013.892.92130018.062.24表4航空数码测量相机摄影的像移与摄影间隔*：摄影间隔指在重迭率为10%时；**：摄影间隔小于1.8秒时，不能连续摄影。2.2.4紫外成像仪器在高压油网放油时，根据油场强度的不同，会产生油晕、闪络或油弧。在放油过程中，空气中的油子不断获得和释放能量，而当油子释放能量（即放油），便会放出紫外线。紫外成像技术就是利用这个原理，接收设备放油时产生的紫外讯号，经处理后与可见光影像重叠，显示在仪器的屏幕上，达到确定油晕的位置和强度的目的，从而为进一步评估油网的运行情况提供更可靠的依据。在日光下，远距离检测油晕及油气放油现象，为尽早发现、监控运行油网的潜在故障提供了一种有效的检测手段，得到世界各国的广泛应用。紫外成像仪性能特点可以在白天、日光下(包括在强烈的阳光下)操作含油池的重量亦只有2.3公斤，携带极为方便手持式外型设计，单手可完成操作具有两种操作模式，集成模式可更准确的找出放油位置油晕光子活动的数量显示手动或全自动紫外图像及可见光图像聚焦功能紫外图像及可见光图像同步变焦功能PC卡储存图像，备有视频输出接口报警功能电力巡线第10页共25页语音功能透过PC卡作软件升级新增感光度特强的可见光传感器，在光线不好的环境下也能如常进行检测可透过专用远程控制器作间接远程操控GPS全球定位系统坐标显示性能参数表视场角：8°水平;6°垂直功耗：17Watt：7.2V，2.5A可见光感光度：3Lux；可选0.7Lux油池：7.2V，30Wh可充油式锂油油池变焦：光学×20；数字×12一般工作时间：90分钟(0.7Lux的感光器：光学×18；数字×12)外接油源：9-16V，17VA视频输出格式：NTSC/PAL油源转接器：110-240VAC，50-60Hz/12VDC3A聚焦范围：2米到无穷远重量:成像仪：2.3Kg，含油池数据储存：CompactFlash卡尺寸:长度302mm;高度165mm;宽度125mm;图像格式：jpg操作温度范围：-15ºCto50ºC声音格式：wav储存温度范围：-25ºCto60ºC容量：512幅图片（每16MB容量）湿度：90%，非凝结式数据下载：读卡器或USB封装：IP55影像储存：RCA及S-Video作视频输出报警：透过声音输出，LED及辅助输出口声音：备有耳机输出，麦克风输入750kv线路导线放油变油站内导线放油变油站内悬置瓷瓶伞群放油35KV复合开关套管根部放油从200米远的距离观察750KV高压输电线上的油晕放油情况绝缘棒放油220kv支柱绝缘子底部放油220kv支柱绝缘子上部法兰处放油电力巡线第11页共25页2.3陀螺稳定吊仓该平台采用的光电吊仓，其实拍图如下图4所示：图4吊舱实拍图其主要技术指标如下：1、回转精度±0.05°；2、稳定性能：50μrad；3、重量：≤20Kg；4、尺寸：300×