【应用案例】工业级无人机电力行业应用通用方案（35页WORD）

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工业级无人机 电力行业应用通用方案 1 第一章 背景及需求 1.1. 应用背景及意义 随着国内经济持续发展、外贸出口快速增长等因素拉动，2021 年我国用电 量实现两位数增长，全年社会用电量为 83128 亿千瓦时，同比增长 10.3%，两 年平均增长 7.1%。而为促进我国碳减排和体制机制平稳改革，国家有关部门颁 布《关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见》，明确提出要为 新能源开发、建设、并网、消纳、传输、应用做出一系列体制机制改革的指引， 为新能源发展保驾护航，所以国内新能源发电迎来发展机遇。需要值得注意的 是，传统发电方式向新能源发电方式的转变也在行业中带动两方面新的需求， 一是时间维度上供需不平衡带动储能行业发展；二是由于我国新能源发电在空 间维度上的供需不平衡导致输电距离的相应增大，而输送距离的加大又将相应 的提升线路损耗，例如在输电电流一定时，电压等级越高，传输功率越大、损 耗越小，所以特高压建设符合我国大规模长距离电力输送情况。根据数据显示， 2020 年，我国特高压工程累计线路长度提升至 2020 年的 35868 公里，特高压 跨区跨省输送电量达 20764.13 亿千瓦时。综上所述，随着国内用电量稳步增长 及电网向特高压、大容量发展，带动我国电力巡检行业需求上升。 电力属于高危作业领域，事故发生率较高，尤其是在电网运行和检修中事 故发生往往会对工人生命安全造成重大威胁。根据国家能源局数据，2021 前三 2 季度数据显示，累计发生事故 29 起，共计死亡 34 人。据不完全统计，2021 年 电力行业共发生电力人身伤亡事故 27 起，造成死亡 29 人。因此，未来随着电 力巡检自动化应用渗透率持续提高，我国电力行业发生事故概率也将降低，电 力作业和巡检固有的高危行业特性也有望被改变。 1.1.1. 电力行业国家相关政策 2022 年是电力巡检系统行业发展过程中非常关键的一年，首先，从外部宏 观环境来讲，影响行业发展的新政策、新法规都将陆续出台。转变经济增长方 式，严格的节能减排对电力巡检系统行业的发展都产生了深刻的影响，另外还 有来自通货膨胀、人民币升值、人力资源成本上升等等因素的影响；从企业内 部来讲，产业链各环节竞争、技术工艺升级、出口市场逐步萎缩、产品销售市 场日益复杂等问题，都是企业决策者所必须面对和亟待解决的。 2009 年，国家电网首次提出以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发 展的坚强电网为基础，构建以信息化、数字化、自动化、互动化为特征的“坚 强智能电网”。后续相关发展规划及鼓励性政策陆续出台，智能电网建设自 2010 年的“十二五”规划以来持续被纳入国家五年规划纲要。2019 年，国网发 布《泛在电力物联网建设大纲》，确立发展目标为打造“三型”（枢纽型、平台 型、共享型）+“两网（坚强智能电网、泛在电力物联网）”、世界一流的能源 互联网企业。2020 年 1 月，国家电网发布《关于全面深化改革奋力攻坚突破 的意见》，提出要加快泛在电力物联网建设，推动构建能源互联网产业链，打 造互利共赢能源新生态，进一步提高电力系统各环节效率。2021 年智能电网 3 建设再次被纳入“十四五”规划，提出应加快电网基础设施智能化改造和智能微 电网建设，提高电力系统互补互济和智能调节能力。“两网”建设及融合进一步 赋能智能运维行业发展。从“两网”发展目标看，坚强智能电网着力打造的是安 全、高效的坚强网架及现代化的配电网，为信息的互联交互提供基础设施支撑； 泛在物联网通过运用“大云物移智链”等核心信息技术，实现电力系统各个环节 的信息互通，大幅提升数据采集效率及自动获取能力。“两网”的融合为新型智 能巡检手段（如输电线路可视化监拍图像智能分析技术）奠定了必要的设备和 系统基础，有望推动智能运检的应用渗透率提升，带动电力智能运维行业快速 发展。 1.1.2. 智能电网建设现状及意义 传统电力检修方式存诸多痛点，“状态检修”策略是未来趋势。传统电力运 维方式主要通过人工及简单的监控设备等方式对电力设备进行定性判断为主的 检查，包括“被动运维”和“主动运维”，存在人工成本较高、巡检工作量大、监 测结果数字化程度低等问题，难以解决电网规模持续扩张趋势下输电、变电、 配电环节的运维痛点。而“状态检修”策略则强调利用现代信息技术及诊断技术， 对电力设备状态进行实时监控、实时反馈，相较传统运维模式人力管理成本更 低、故障发现更及时、电网运行的安全性大幅提升。 智能运维是“状态检修”策略的具体表现形式。伴随着电力系统的日益复杂， 坚强智能电网与电力物联网建设目标的持续推进，我国电力系统向高度信息化、 智能化和自动化方向发展，对电力运维的准确性和及时性提出了更高的要求， 4 迫切需要通信、计算机、人工智能、大数据等技术相互结合在电网中应用，以 实现在线监测、状态诊断、智能巡检等目标。在此背景下电力系统智能运维应 运而生，智能运维在“状态检修”策略的理念下，通过引入人工智能、物联网等 先进技术，实现对电网运行的实时感知、全息互联、自主预警、智能处臵，克 服传统模式下存在的劳动强度大、主观因素多等问题，有助于降低运维人员需 求并提高巡检质量和效率，为输电线路、变电站、配电网提供了崭新的监测运 维手段和安全保障，帮助实现坚强智能电网和电力物联网的深度融合与全面提 升。 近年来，随着国家“智能电网”建设不断加快及电网投资规模稳步增长，我国 电网智能化程度不断提升，但离智能电网高可靠性、高自动化率的目标仍然有 一定差距，所以智能电网是电网建设持续投入的趋势和方向。随着全国电网规 模扩大、线路复杂度上升，智能电网建设逐步被列为国家重点战略。 5 1.2. 项目背景及需求 1.2.1. 电网单位基本概况 1.2.2. 项目需求分析 我国国土辽阔，地形复杂，丘陵及山区较多，气象条件也相对比较多变， 导致对从电网工程建设的初期规划建设，到建成后的日常巡查维护，常规手段 已不能满足快速高效的要求。测绘无人机具有高效灵活、快速响应、低成本等 特点，在电力的前期勘测、输电线路规划设计、施工建设及后期运营维护、巡 检等方面具有广泛的应用。 举个例子，在传统的电力巡检当中，早期巡检主要依靠的是人工巡检，由 一位巡检员骑着摩托车、拿着一个望远镜，对一根一根的杆塔进行检查，一般 6 一个人一天只能巡检一到两级杆塔，如果碰上风雨天气或者杆塔较为偏僻，可 能巡检效率还会大打折扣，同时巡检工人不仅要翻山越岭，还面临着在相对复 杂的野外得不到安全保障的危险。但如果使用无人机代替人工巡检，则可以将 巡检效率大幅提升，变成一人一天巡检三十到四十级杆塔，如此一来不仅能大 幅提升电网巡检效率，还能降低人工巡检的成本、保证人员安全。而当进入无 人机巡检 2.0 时代，通过无人机机场的部署，将真正有助于实现巡检的无人化、 智能化，通过无人机的自主规划巡航进一步降低用户的人工成本、解决无人机 飞手资源瓶颈。 根据统计，目前全国电网中 110 千伏及以上的线路已经接近 130 万公里， 并且每年还有近 10%的新增，以目前无人机续航和覆盖能力及客户作业巡视需 求的角度来看，仅在输电这一单一专业的整体需求体量就可达 3-4 万架飞机。 而电力巡检还不过是能源行业中无人机应用的冰山一角。在电网当中，输电仅 是其中一个专业，电网当中还有配电，未来还可能涉及变电、电网基建、应急 安全等等。除了电网之外，油气也会涉及到集输管道、长输管道、化工厂中心 站点巡护，新能源会涉及到风电基地、光伏基地的运维等等，足见需求之大。 第二章 无人机电力巡检总体方案 2.1. 总体目标及设计思路 能源行业各领域中，无人机巡检作业仍旧普遍面临着诸多挑战，包括地形 复杂、路线冗长、故障多发、人工巡检成本高昂等。比如，在电网、油气管道 7 巡检中，面对高海拔或城区的复杂工作环境，无人机需具备更强的防尘、防雨 能力以及更高级别的图传稳定性、适应性；而在光伏巡检中，由于设施巡检盲 点多，且集中式电站光伏板外形特异性低，传统的人工巡检已经无法保障故障 数据、位置标记和反馈的准确性。 因此，利用无人机飞行机动灵活、操作简单、悬停稳定性高，抵御阵风能 力强，可以通过可见光相机及各种成像技术对线路状况进行巡检，并将采集的 资料信息提供给巡检人员进行分析，也可在线路大型检修作业前进行勘测，提 前检查设备状况，便于检修方案的制定。可见光相机可对杆塔、绝缘子串、金 具等设备的外观进行巡查；红外热成像技术是对线路局部异常发热进行检测， 从而判断输电线路的具体故障点和类型；电子光学检测则是能够检测线路是否 发生漏电；而激光振动检测则是检测绝缘子是否发生破裂。不同的检测技术的 特点不同，应用场景也不同。基于无人机巡检的特点，在对线路的巡检过程中， 分析不同巡检的任务需求、线路所处环境特点等因素，选取适当的方式开展线 路巡检。例如，220 千伏及以上线路（除人口活动密集区、禁飞区及不适合大 型无人机作业区域外）可开展大型无人机的日常巡视，单次作业可开展可见光 巡视和红外测温工作，用于发现线路较为明显的缺陷和外部隐患；110～35 千 伏线路由于杆塔高度较低和档距较小，一般以采用小型无人机开展精细化巡视 为主，人工巡视为辅。对于大型无人机不适合作业的区域仍以人工巡视为主， 并利用小型无人机替代人工登塔进行精细化检查（禁飞区等不适合作业区域除 外）。部分位于河道、山坡等人员难以接近的杆塔，以小型无人机开展精细化 巡视为主，人工巡视为辅。杆塔基础、铁塔、附属设施等无人机巡视中不易发 现的设备缺陷和隐患，以人工巡视为主。 8 通过在无人机上搭载 GPS 模块、RTK 模块以及高分辨率可见光相机、三维 激光扫描机等成像设备，对外部风险区域进行测绘。之后相关工作人员可以根 据无人机回传的信息数据，对潜在的外部风险隐患进行准确评估，从而避免危 险事故的发生。对于分布在复杂地形环境中的电网设备，一旦发生故障，人力 排查存在很大的局限性，尤其是交通不便利的地形环境，大大增加了巡查难度， 传统人工排查方式不仅需要耗费较长的时间，而且排查效率并不高。采用智能 化无人机技术便可以彻底解决这些问题，可以无障碍且快速到达故障现场，对 故障设备进行全面准确的检测，并及时将检测信息进行回传，不仅解决了人工 难以达到故障现场的问题，而且大大提高了电网设备故障排查效率。 2.2. 工业无人机电力行业应用 能源行业是名副其实的“一国之基”且并非单一行业，而是囊括电力、油气、 新能源、矿业等，对社会生产生活起到举足轻重的作用。2022 年 1 月，国务院 印发《“十四五”数字经济发展规划》，明确了加快能源领域数字化转型等 7 项重 点行业数字化转型提升工程。无人机作为数字化转型的入口之一，在能源行业 中“巡检工具”的定位也日渐清晰。 ① 电网工程地形图测绘 利用固定翼无人机进行电网工程的地形测量，可以通过测量为电网工程地形图 设计提供影像、高程等详细基础资料作为保障，最大限度减少地形图绘制过程 中出现误差的可能性，提高地形图规划设计的质量和效率，为电网工程建设提 供科学的依据，进而为电力系统的安全、稳定运行奠定坚实的基础。 9 ② 输电线路优化设计 输电线路设计的外业工作量大，人工成本高、工作效率低、获取信息少，受地 形限制，某些区域人员难以到达，平断面、塔基断面出图时间长;转角塔用量、 房屋拆迁量、植被砍伐量较多;后期改线频繁。采用垂直起降固定翼无人机技 术可以大大降低外业工作量，人工成本小、可有效提高工作效率，可以测得人 员难以到达的区域，提供最优的输电线路设计方案。并可以提供多种数据成果 包括 DOM、DSM、DEM、DLG 及真三维模型等。 ③ 电力巡检 A.变电站热红外监测： 绝大多数电气设备在出现故障之前都会表现出温升异常，红外热像仪能够对电 气设备的温升异常进行检测，是目前电力领域公认的最好的故障检测方法，列 为状态检修工作的重要组成部分。无论白天还是黑夜，红外热像仪与自动化软 件均可随时检测出远程监控站中潜在的设备故障与安全隐患。由此带来的净效 应即：可靠性提升，成本下降。高压电气设备在发生故障前通常会升温。使用 多旋翼无人机搭载红外热像仪可连续监测高压设备，可避免代价昂贵的故障发 生。 B.无人机搭载高清摄像机 C.无人机搭载 LiDAR ④ 施工建设服务 为保证项目管理的全生命周期内的投资目标、质量目标、进度目标的控制，基 于多旋翼无人机倾斜摄影测量技术定期对项目地点进行航飞，可获取不同施工 工程阶段项目地点施工情况的高精度可视化三维模型或 360 全景，为施工管理 10 提供依据。 ⑤ 电网运营维护服务 输电线路设备精细化巡视工作，费时、费力、危险。使用无人机设备代替人工 爬塔，可实现精细化巡视快捷、安全、高效，保障高质量。 2.3. 工业无人机电力行业应用解决方案 2.3.1. 系统架构 无人机电力巡检系统主要包含无人机飞行平台、载荷系统、数据链系统、地面 控制系统及信息化管理系统。 11 2.3.2. 系统组成及特性 2.3.2.1. 无人机飞行平台 无人机飞行平台主要包含：飞行控制系统、动力系统、定位系统和机载数 据链，根据使用场景和需求的不同，可选择不同的无人机飞行平台，按构型主 要分为多旋翼和复合翼。多旋翼无人机结构简单，可垂直起降，具有体积小、 重量轻、易操作、灵活性高等优点，但续航时间较短，飞行范围也较小；复合 翼无人机结合多旋翼和固定的构型特点，同时兼备两种构型的优点，同时也有 体积较大、使用和运输复杂的缺点。目前在项目中主要考虑使用大疆的多旋翼 无人机以及公司自有的复合翼无人机。 2.3.2.2. 载荷 载荷是无人机实现不同功能最重要的组成部分，根据不同的作业目标，选择 合适的无人机载荷，达成最终的作业目的。载荷具有多样性和可适配性，主要 介绍以下几种类型： ① 高清相机：包括云台相机和光电吊舱，通过高倍率可变焦镜头，实现空中对 地面目标的可见光画面观测，基本功能拍照、摄像，延伸功能有识别、跟踪等， 是巡检监察应用中的主要载荷。 ② 测绘载荷：包括正射相机、倾斜摄影相机、激光雷达、光谱相机等，主要是 对地面进行地理信息测绘，并使用专业图像处理软件进行处理，可对区域内的 12 地面信息进行全面的观测和分析。 ③ 气体监测仪：通过无人机空中飞行采集区域的气体，进行气体成分、浓度、 分布等分析，实现对大气污染的监测或者对指定气体的监测，并通过分析结果， 对整个区域内的空气质量作出分析和判断。 2.3.2.3. 定位系统 无人机使用差分定位系统实现高精度定位飞行和作业，包含机载端和地面端， 差分定位系统一般为 RTK 和 PPK。 RTK 技术(Real-time kinematic)实时动态载波相位差分技术，是实时处理两 个测量站载波相位观测量的差分方法。即将基准站采集的载波相位发送给用户 (移动站)接收机，进行求差解算坐标。 PPK 技术(Post-Processing Kinematic，动态后处理差分)载波相位事后差分 技术，与 RTK 系统一样，同样由基准站和流动站组成。工作原理是使用同步观 测的一台基准站和至少一台移动载体站同时对卫星的载波相位进行测量且实时 记录，初始化后的移动站在每个待定点移动过程中持续保持对卫星的连续测量， 将整周模糊度传递至下一待定点。当整体测量完成之后，使用 GPS 软件将基准 站和移动站同步接收的不同数据在计算机中进行线性组合，得到虚拟载波相位 观测量值，计算接收端之间精确的相对位置，通过坐标转换得到移动载体在地 方坐标系中的坐标情况。 在实际应用中，一般来说，RTK 用于无人机实时飞行定位，PPK 用于测绘数 据的后处理。 13 2.3.2.4. 数据链系统 数据链是无人机与地面控制端交互的数据通道，一般包含数据传输和图像 传输。数据链同样包含机载端和地面端，根据所需数据的不同可选择 840M 数 传或长距离的图数一体数据链。 2.3.2.5. 地面控制系统 地面控制系统一般由遥控器、地面站、地面站软件组成。通过地面控制系统 可对无人机进行远程操控，实现手动或自动飞行，也可以实时获取无人机飞行 数据和作业数据。地面站软件的主要功能包括:无人机状态监测、航线自主规划 和设计、作业数据实时显示、无人机远程控制等。 2.3.2.6. 能源信息化平台 能源信息化平台是结合无人机进行环境监测任务获得的数据进行数据整合分析 和环境持续监控的智慧化平台。通过信息化平台可实现对实时监测数据的可视 化观察和智能分析，对无人机系统的管理和调度，形成长期的数据统计和趋势 走向，便于相关部门进行巡检政策的制定和应急决策。 能源信息化平台是一个综合的信息化管理平台，可以将各类物联网设备采 集的信息进行分类和统计。一般应具有以下特点： ① 可视化 可实时观测数据变化；将获得的原始数据进行了分类整理和分析，形成了易懂 14 易看的图形图表，方便随时查看和长期分析。 ② 数据准确 保证数据来源准确，才能对真实情况进行合理有效的分析和处理。 ③ 智能化 通过不断增加数据，建立风险数据模型，实现对监测目标的自动识别和预警， 并对异常数据进行报警和纠错。 ③ 综合性 完整的信息化平台还应当具有完善的角色管理系统、调度指挥系统、会议系统 等，并且可以整合和处理多种数据来源，具有较高的包容性、可拓展性。 第三章 主要产品介绍 3.1. 无人机飞行平台 3.1.1. 多旋翼无人机 3.1.1.1. 大疆 M300 大疆 M300 集成大疆先进的飞控系统、六向双目视觉+红外感知系统和 FPV 摄像头，兼容全向避障雷达，并具备六向定位和避障，精准复拍，智能跟踪， 打点定位，位置共享，飞行辅助界面等先进功能，可适配多款 DGC2.0 接口的 挂载，支持第三方载荷，可满足不同领域的使用需求。 15 序号 项目 性能参数 1 尺寸 尺寸（展开，不包含桨叶）： 810×670×430 mm（长×宽×高） 尺寸（折叠，包含桨叶）： 430×420×430 mm（长×宽×高） 2 对称电机轴距 895 mm 3 重量 空机重量（不含电池）：3.6 kg 空机重量（含双电池）：6.3 kg 5 最大起飞重量 9 kg 6 工作频率 2.4000-2.4835 GHz 5.725-5.850 GHz 7 发射功率 2.4000-2.4835 GHz： 29.5 dBm（FCC）；18.5dBm（CE） 18.5 dBm（SRRC）； 18.5dBm（MIC） 16 序号 项目 性能参数 5.725-5.850 GHz： 28.5 dBm（FCC）；12.5dBm（CE） 28.5 dBm（SRRC） 8 悬停精度 垂直： ±0.1 m（视觉定位正常工作时） ±0.5 m（GPS 正常工作时） ±0.1 m（RTK 定位正常工作时） 水平： ±0.3 m（视觉定位正常工作时） ±1.5 m（GPS 正常工作时） ±0.1 m（RTK 定位正常工作时） 9 RTK