基于5G技术的特高压密集输电通道无人机自主巡检系统的设计与实现

张鹏 张云峰 周政 许大令 李浩言

【摘要】    随着科技的快速发展，人民生活的提高，促使我国对电力的需求也越来越大，但是在地域上我国的能源资源与符合中心有很大的互逆，所以建设特高压密集输电网络就成为解决这一矛盾的必然途径。特高压密集输电通道中的巡检非常困难，所以随着人工智能、云计算、网络通信等技术的发展，通过无人机技术进行输电通道的巡检就可以安全高效地解决这高压输电通道的运维需求。在迅速到来的5G时代中，5G技术带来了网络的延时低、带宽大、数据传输效率高等优势。因此，基于5G技术与无人机自主巡检系统在特高压密集输电通道上自动巡线为了现实，也是电力系统发展的必然需求。

【关键词】    5G技术    高压密集输电    无人机    自主巡检

引言：

近年来，随着我国经济的快速发展，人民生活生产对于电力的需求加大，我国电网也得到了快速的发展。我国的输电方式也随着技术的发展，从以前的区域自发电发展成为现在的超高压输电，高压配电，现在，又面临着超高压输电到特高压输电的转变。传统的输电通道巡检大多以人工为主，效率低下，在输电网络大力发展的今天，人工巡检很难进行全方位的巡检，同时在特高压输电通道中进行人工巡检，安全性也不高。[1]隨着人工智能的发展，将无人机应用于电网巡检中就成为现实，其既可以避免地形地域对电路巡检的限制，且巡检的费用低，效率也得到很大的提升。[2]

一、5G无人机自动巡检技术

无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）顾名思义就是一种不需要人直接驾驶的飞行机器，人可以通过远程设备或者设定的控制程序进行飞行或者执行人给予它的行为策略。随着无人机的快速发展，已经应用于人们生活的很多方面，同时，许多行业都对无人机进行了充分的应用，使得经济效益得到充分的提高，例如在安防，农林植保等领域。[3]得益于移动通信技术的快速发展，信息传递的效率越来越高，深度学习技术使得机器的智能性越来越强，智能控制技术使得控制的效率和精度越来越高。

随着5G时代的到来，我国率先踏步进入5G行列。5G通信的出现，使得数据的流量和设备链接不断扩大，同时，将5G接入无线网络的过程中启用了大规模天线技术、波束赋形、小型密集网络及可移动基站等新功能。[4]

传统的输电通道巡检主要是采用人力巡检的方式进行的，但是这种巡检方式的效率低下，人员在地形复杂的地方工作难度大、风险高，当遇到恶劣的天气时，巡检人员的工作风险会更大，甚至会威胁到工作人员的生命安全。所以将无人机技术应用于输电通道巡检中，成为巡检的主要方式。之前，受限于4G技术传输速度慢等缺陷，会严重影响工作效率。在5G技术出现以后，实现了电力巡检工作方式的巨大转变。无人巡检系统结构如图1所示。

随着输电网络向特高压输电转变之后，采用无人机进行输电通道的巡检就成为电路巡检最可靠的方式之一。借助5G技术的发展，5G无人机也应运而生，同时，采用5G无人机进行输电通道的巡检成为电网巡检中最为先进的技术。其主要技术是5G无人机技术，即采用5G无人机达到特高压输电通道自动巡检的目的。该技术不受地域的限制，适应能力强，巡检成本低廉，安全性高，同时，5G无人机具有数据传输速度快，延时低，智能性高等优点，所以使用5G无人机进行特高压密集输电通道的巡检是输电通道巡检的发展趋势。

二、5G无人机在输电通道巡检中的应用

对于输电通道巡检来说，偏远山区的巡检难度最大，传统的人力巡检成本高昂、工作效率低下，尤其是在山区的特高压输电通道巡检中，巡检人员的安全得不到保证。借助5G无人机进行自主巡检就可以很好地解决这些问题。巡检工作人员只需要通过操控无人机，通过无人机传输回来的图像、数据等信息进行分析，就可以得到问题所在，并制定相应的解决方案，从而大幅提高工作人员的工作效率。对于人力巡检来说的安全问题，采用5G无人机代替工作人员巡检可以很好地避免问题的发生。工作人员只需要在地面上对无人机进行操纵，按照预定的航线进行巡航，并将拍摄到的照片以及采集到的信息传回控制台，即可对输电通道的故障进行分析，既保证了工作人员的安全，又提高了输电通道巡检的效率。

采用5G无人机进行输电通道巡检过程中，由于特高压电路周围的磁场复杂，会随着周围的环境及天气进行变化，所以就会导致无人机在飞行过程中飞行安全得不到保障，甚至会出现失控、坠机等情况的发生，同时，由于国内的无人机飞行监管措施的因素也会导致无人机的飞行安全风险。在有些情况比较复杂的区域进行飞行的时候，会因为各种突发状况导致无人机无法被召回，甚至发生飞行路线发生偏移等突发状况。

三、5G无人机巡检方案

在采用5G无人机进行输电通道巡检中，通过工作人员与无人机的协同工作领域实现输电通道的自主巡检工作，在巡检过程中，通过摄像头对无人机的工作进行实时监控，可以达到巡检流程实时管控的目的;实现无人机的自动起降、巡检以及资料的回传。[5]无人机可以将巡检的结果通过5G网络以高清视频的方式传送回控制平台，巡检人员可以通过远程控制的方式指导无人机完成巡检人员的指令，代替巡检人员完成相应的动作。控制平台对无人机传送回来的数据信息进行自动分析，之后生成巡检结果报告并实现预警功能。

无人机自主巡检过程主要包括地图的构建以及飞行航线的规划。在进行输电通道的巡检中，首先要进行地图的构建。由于在复杂的环境中，二维地图并不能够进行精准定位，所以就需要获取三维立体地图。通过无人机上搭载的雷达来获取点云数据，并进行校准，之后将校准之后的数据发布出去，进行后续的精准定位操作。借助三维地图来进行飞行线路的规划更加安全、准确。

飞行线路的规划对于输电通道的无人机巡检至关重要，其关系着巡检的成败。飞行线路的规划包含着航点、飞行器以及看着他信息。当无人机飞行到航点时，按照预定的动作实施，并对巡检对象进行精准拍照。

对于正常的气象环境来说，通过规划好的航线，进行无人机的自启动并执行电路通道的巡检任务。无人机在巡航的过程中，如果出现低电量的情况时，会通过电量监管模块检测到，并自动寻找到距离最近的机场进行自动整备，之后再次起飞进行巡航，并记录到巡检的相关数据，控制人员可以根据巡检的状况对飞行路线进行临时修改，来提高巡检的精度和巡检效果。无人机巡检作业辅助软件结构如图2所示。

四、5G无人机的巡检实现策略

（一）完善5G无人机对于输电通道故障检测技术

对电力传输的载体特高压输电通道的巡检和维护工作，是供电系统安全工作的必要保障，在环境复杂的地区进行输电通道巡检的工作中，采用5G无人机进行巡检是保障巡检人员安全的重要措施。在无人机巡检的过程中，输电通道的故障检测是巡检的重要组成部分，故障检测最普遍、应用最广泛的技术是机器视觉技术，属于图像识别方面。

故障检测终端采用TMS320DM8127 Davinci数字媒体处理器，其中的成像子系统与图像传感器相连接，可以对图像进行滤波、空间转换等操作，并且可以对视频的编解码进行加速。在故障检测中，其图像处理流程如图3所示。

故障检测流程图如图4所示。

通过无人机上搭载的摄像机完成图像的采集，在采集图像的同时进行GPS数据的采集，以便建立地图与图像之间的关联关系;对采集到的图像进行预处理，预处理操作包括图像灰度化、去噪等操作，预处理之后的图像的背景差异相对大一些，图像边缘也得到了增强;目标识别主要包含输电线等的识别;故障诊断是特高压输电通道巡检的核心问题，以图像识别为基础，通过模式识别等方法检测输电线工作状态并进行故障识别，输电通道故障包括异物悬挂、输电线断股等故障。无人机进行输电通道巡检程序流程图如图5所示。

（二）完善5G无人机的自动安全巡检技术

5G無人机进行巡检时，定位准确是安全自主巡检的基础，所以要提高无人机定位系统的定位精度。在面对复杂多变的地形时，高精度的定位导航系统为5G无人机的长时间超低空、超视距的飞行安全提供保障。采用差分定位系统可以对观测误差进行实时修正，提供高精度的差分结果，这样可以将定位误差进行缩小，为5G无人机的飞行安全提供保障。

5G无人机的自主、安全巡检还需要确保飞行时的通信正常和避障系统的可靠，同时制定的巡检航线也必须科学合理。只有定位、通信、避障等系统能够准确无误的工作，巡检线路科学合理，才能够确保无人机的安全、自主巡检，避免意外的发生。

五、 结束语

输电通道的智能化巡检是我国电力行业发展的方向，同时5G时代的到来也为智能化巡检提供了更好的条件。本文通过对5G无人机在输电通道的巡检进行了详细的描述，并对无人机巡检的实现策略进行总结。基于5G技术无人机的输电通道的巡检工作是实现电网运维智能化的具体体现，极大地提高了特高压输电通道的巡检效率，对电力设备运维方式的改革具有极其重大的意义。

参  考  文  献

[1]赵彦平，段星辉，王建伟，马阳轲.电力巡检无人机通信中继系统的设计与实现[J].科技创新与生产力，2016，（03）：62-64.

[2]陈景尚.对无人机电力线路安全巡检系统及关键技术的探讨[J].科技创新与应用，2019，（02）：158-159.

[3]A. Watts， V. Ambrosia， and E. Hinkley. Unmanned aircraft systems in remote sensing and scientific research： Classification and considerations of use[J]. Remote Sensing，2012，（4）： 1671-1692.

[4] L. Bao， V. Lau， E. Jorswieck， N.Dao， A. Haghighat， D. I. Kim， and T. Le Ngoc. Enabling 5G mobile wireless technologies[J]. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking，2015： 218.

[5]王毅磊. 面向电塔空间结构的飞行巡检航迹规划方法研究[D].华北电力大学（北京），2017.