談輸電線路無人機巡檢實時通信技術

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摘要：利用無人機進行輸電線路的巡視檢查，可以實現實時查看現場視頻，實時指揮調度，高效、快捷地完成輸電線路的異常查處及維護修整。而實時通信技術是輸電線路無人機巡視檢查的重要技術支撐，該文以輸電線路無人機巡視檢查為背景，闡述了實時通信技術的應用需求，從光纖通信、電力電纜通信、無線通信3個方面，分析了輸電線路無人機巡視檢查常用的實時通信技術類型，并結合具體案例，對輸電線路無人機巡視檢查實時通信技術的應用進行了進一步探析。

關鍵詞：輸電線路；無人機；巡視檢查；實時通信

前言

輸電線路運行距離較長，需要經過多種復雜地形，如丘陵、山地、高山、沙漠等，極易遭受鳥害、雷擊、風雪等多種自然因素或人為因素的破壞，致使輸電線路出現短路等影響正常電力資源供應的問題。而輸電線路無人機巡視檢查實時通信技術，可以依托無人機內部搭載的遙感設備、可見光紅外熱像儀、數碼相機等設備，將輸電線路巡視檢查信息實時傳輸給地面站點，保證輸電線路運行問題的及時發現及相關解決措施的及時實施?；诖?，對輸電線路無人機巡視檢查實時通信技術進行適當探析，具有非常重要的意義。

1輸電線路無人機巡視檢查實時通信技術的應用需求

1.1通信載荷

由于輸電線路無人機載荷能力一定，因此對實時通信設備載重及電力資源損耗具有較為嚴格的要求。當前電力系統中荷載能力較大無人機起飛重量在15.0kg左右，在不考慮其他載荷的情況下，實時通信載荷重量應在5.0kg以下。

1.2通信距離

對于輸電線路無人機巡視檢查來說，巡視檢查信息實時回傳接入點大多在耐張塔上方適當位置，涉及了架設、取電、調試、破纜等多個方面內容。因此，在設置實時回傳接入點時，應嚴格控制密度，避免接入點過多導致設備投入成本超標或者停電時間過長。一般可以每間隔20.0km設置一個回傳接入點。

1.3通信帶寬

由于輸電線路無人機巡視檢查信息需要從清晰度較高的照相機中獲取，而無人機、輸電線路間距離在50.0m左右[1]。在一張高清晰度像片所覆蓋的導線長度為16.0m時，為保證輸電線路上方毛刺問題的及時發現，需要保證照片文件壓縮后達到8.0Mbit，且解像度＞3200.0×104像素。此時，如果無人機飛行速度為30km/h，則一張高清晰度照片所產生時間為2.0s，需要保證通信帶寬在32.0Mbit/s以上。

2輸電線路無人機巡視檢查常用實時通信技術類型

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據信息傳輸技術。光纖通信技術涉及了光收信機、光發信機、光纜（/光纖）、中繼器、耦合劑、光纜連接器等模塊。通過光纖通信技術可以在光發信機中，將需要傳送的話音等信息轉變為電信號，并通過放大器、判決器放大調制到光纖束上（激光器發出），在保證激光束光強度隨電信號幅度/頻率的波動而變化后，將電信號傳輸至光收信機，并在其中解調為原光信號，達到信號傳遞目的。光纖通信技術組網方式極其靈活，可以根據不同形式的組網要求，組成網狀、樹狀、鏈狀、單纖網、星形等多環向型拓撲網絡結構，具有抗干擾性能強、信息實時傳輸頻帶寬、信號傳輸質量優異等特點。

2.2電力線通信

電力線通信技術簡稱為PLC，主要是利用10kV中壓電力線、35kV及以上高壓電力線、380/220V低壓配電線作為傳輸介質，進行輸電線路無人機巡視檢查數據信息傳輸的方式。首先，通過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。最后，將分離的高頻信息傳輸到計算機、電話中。電力線通信具有保密性能強、傳輸穩定性能好、通信容量大、不易受外界環境干擾等優良特點，但是因電力線通信技術成本較高，如果應用于輸電線路無人機巡視檢查中，需要鋪設大量電纜，經濟性能不佳。

2.3無線通信

無線通信主要是利用特定空間內電磁波信號自由傳播的特性，將無線網絡中的信息傳輸通道劃分為若干個小規模傳輸信道，實現數據高頻率快速轉換、小規模管理控制的目的。無線通信技術包括衛星通信、微波通信2種類型，前者主要是將通信衛星作為中繼站，實現地面2個或者多個移動體間的微波通信，具有傳輸質量好、覆蓋范圍廣、網絡無縫銜接、不受地理條件及其他因素（磁暴、核爆）約束、組網靈活、容量大的特點。但因在衛星通信網絡中無線電波傳輸時，需要經過地球站→同步衛星→地球的流程，極易出現通信延遲及回聲效應。后者為傳輸距離為幾十千米的無線電波，因為頻帶寬、通信容量大，所以需要在信息交換關口設置中繼站，通過中繼站將數據信息加載至微波載體上，實現電波空間內的數據傳輸。以5G無人機對輸電線路進行巡檢為例，無人機除搭載外置攝像頭（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據，全面感知周邊環境，進行最優巡檢路徑規劃，實現自主導航。同時利用5G網絡高速率、大帶寬（100Mbps級）、大規模連接、低時延的優勢，將巡檢高清影像實時傳輸至數據處理中心，地面站工作人員可以在后臺遠距離實時監控高清攝像頭的狀態，實現輸電線路故障巡檢的遠距離專家決策。雖然無線通信技術具有不需要設置有線傳輸電纜、建設周期短、建設成本低、適應能力強的特點，但是其在輸電線路無人機巡視檢查中應用時，極易受到周邊環境的影響。特別是在周邊通信點存在障礙物時，極易導致通信質量受損或通信中斷[2]。除此之外，雖然無線通信技術理論通信距離在6000.0m以下，但是受天氣因素、周圍建筑物體影響，無法實現遠距離信息實時傳輸。

3輸電線路無人機巡視檢查實時通信技術應用案例

3.1案例概述

某段輸電線路已應用了光纖復合架空地線，可通過光纖鏈路聯入電力資源供應企業內部網絡。但由于線路較長，無法全部覆蓋一座耐張塔所部署的接入點。因此擬依據最大限度法規覆蓋張力原則，進行多座耐張塔的覆蓋。

3.2應用方案

首先，部署一支全向天線，實現耐張塔左側、右側的近距離覆蓋。同時在左側、右側分別部署一面或者兩面定向天線（定向天線增益相差5.0dB~6.0dB）。其中高增益定向天線（增益為26.0dB，波束角為8°，覆蓋寬度>1400.0m，適用距離>10.0km）、低增益定向天線（增益為10.0dB，波束角為全向360°，覆蓋寬度>3000.0m，適用距離<3.0km）需要分別負責遠離、靠近耐張塔的區域覆蓋，以便在耐張塔左側、右側分別構成近、遠、中3個覆蓋層次，保證輸電線路無人機巡視檢查階段遠離耐張塔、接近耐張塔時，均可接收到足夠強烈的信號，實現信息的實時高速傳輸。其次，在2座相鄰耐張塔的交接位置，進行高增益部署，構成一重疊區域，避免通信中斷。同時在每一座已安裝實時回傳接入點的耐張塔上進行光纜開口，保證輸電線路無人機巡視檢查信息實時回傳至地面數據處理中心。最后，依托地面數據處理中心智能軟件，對輸電線路無人機巡視檢查時發現的輸電線路隱患、故障進行判別讀取。同時為了避免誤判、漏判問題出現，可以引入廣和通FG150（W）/FM150（W）5G無線通信模組，經模組自帶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，切實將輸電線路無人機巡視檢查轉變為“智巡”，達到對高清視頻數據、圖像信息智能化識別的目的，在提升巡視檢查效率（達到毫秒級超低時延）的同時，實時發出預警信息，精準上報故障信息。為保證整個過程的技術應用效率，在無線網絡寬帶接入時，利用支持IEEE802.11a/b/g標準的中科所AOR無線Mesh通信設備，發揮其易于安裝、結構靈活、主動組網、非視距傳輸、高帶寬、快速部署的優勢，在無線AP（AccessPoint，接入點）節點設備耐張塔上方適當位置，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14.0dB，波束角為32°，覆蓋寬度＞1650.0m，適用距離＞3.0km）。在輸電線路無人機巡視檢查過程中，主要搭載一面低增益全向天線、AOR-AC接入設備（無線局域網接入控制設備，負責將來自不同AP的數據進行匯聚，并接入Internet，同時完成AP設備的配置管理和無線用戶的認證、管理，以及帶寬、訪問、切換、安全等控制功能。），在IEEE802.11a通信標準的支持下，設定實時通信設備工作頻段為4.90GHz，發射功率為26.0dBm，傳輸速率最大為54.0Mbit/s。

3.3應用效益

通過對上述輸電線路無人機巡視檢查實時通信過程進行分析，可得出輸電線路巡視檢查用多旋翼無人機飛行平臺為大疆MatriceM200，配置了具備30倍光學變焦鏡頭、數碼變焦功能的ZenmuseZ230，總共飛行780架次，拍攝照片9400余張，7kg＜空機質量≤116kg，矯正空速度為100km/h[3]。無人機在距離耐張塔節點設備10.0km位置時，可以接收的電平值為-75dBm，傳輸速率為55.0Mbit/s，單側精細巡視檢查距離在30.0km以上，常規巡檢距離在60.0km以上，雙側精細巡視檢查距離在20.0km以上，常規巡視檢查距離在40.0km以上。而在無人機不斷縮小與耐張塔節點設備距離的過程中，無人機可接收的電平最小為-74.0dBm，最大為-57dBm，傳輸速率始終在55.0Mbit/s。結果表明，采用無線通信搭配光纖通信的覆蓋技術，可以有效提高輸電線路無人機巡視檢查的實時通信效率。

4結語

綜上所述，實時通信技術是實現輸電線路無人機巡視檢查的關鍵模塊，也是飛行命令、飛行高度控制、飛行線路調整及采集攝錄信息發送的依據，直接影響了無人機內部各系統間的通信效果及巡視檢查任務的完成度。因此，技術人員可以根據輸電線路無人機巡視檢查的需要，選擇無線通信或光線通信、電力線通信技術，在無人機與地面站間搭建信息交互橋梁，保證輸電線路無人機巡視檢查工作的效率。

參考文獻

[1]田力.輸電線路無人機巡檢綜合應用研究[J].通訊世界，2018，342（11）：221-222.

[2]黃順，陳中意，毛益華，等.基于CC2500的輸電線路無人機巡檢抗干擾系統[J].數碼世界，2019（3）：31.

[3]王剛，孟瑩梅.多旋翼無人機在輸電線路巡線中的應用[J].山東工業技術，2019，287（9）：179-180.

作者：林旭鳴 單位：國網福建省電力有限公司泉州供電公司