谈输电线路无人机巡检实时通信技术
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摘要：利用无人机进行输电线路的巡视检查，可以实现实时查看现场视频，实时指挥调度，高效、快捷地完成输电线路的异常查处及维护修整。而实时通信技术是输电线路无人机巡视检查的重要技术支撑，该文以输电线路无人机巡视检查为背景，阐述了实时通信技术的应用需求，从光纤通信、电力电缆通信、无线通信3个方面，分析了输电线路无人机巡视检查常用的实时通信技术类型，并结合具体案例，对输电线路无人机巡视检查实时通信技术的应用进行了进一步探析。
关键词：输电线路；无人机；巡视检查；实时通信
前言
输电线路运行距离较长，需要经过多种复杂地形，如丘陵、山地、高山、沙漠等，极易遭受鸟害、雷击、风雪等多种自然因素或人为因素的破坏，致使输电线路出现短路等影响正常电力资源供应的问题。而输电线路无人机巡视检查实时通信技术，可以依托无人机内部搭载的遥感设备、可见光红外热像仪、数码相机等设备，将输电线路巡视检查信息实时传输给地面站点，保证输电线路运行问题的及时发现及相关解决措施的及时实施。基于此，对输电线路无人机巡视检查实时通信技术进行适当探析，具有非常重要的意义。
1输电线路无人机巡视检查实时通信技术的应用需求
1.1通信载荷
由于输电线路无人机载荷能力一定，因此对实时通信设备载重及电力资源损耗具有较为严格的要求。当前电力系统中荷载能力较大无人机起飞重量在15.0kg左右，在不考虑其他载荷的情况下，实时通信载荷重量应在5.0kg以下。
1.2通信距离
对于输电线路无人机巡视检查来说，巡视检查信息实时回传接入点大多在耐张塔上方适当位置，涉及了架设、取电、调试、破缆等多个方面内容。因此，在设置实时回传接入点时，应严格控制密度，避免接入点过多导致设备投入成本超标或者停电时间过长。一般可以每间隔20.0km设置一个回传接入点。
1.3通信带宽
由于输电线路无人机巡视检查信息需要从清晰度较高的照相机中获取，而无人机、输电线路间距离在50.0m左右[1]。在一张高清晰度像片所覆盖的导线长度为16.0m时，为保证输电线路上方毛刺问题的及时发现，需要保证照片文件压缩后达到8.0Mbit，且解像度＞3200.0×104像素。此时，如果无人机飞行速度为30km/h，则一张高清晰度照片所产生时间为2.0s，需要保证通信带宽在32.0Mbit/s以上。
2输电线路无人机巡视检查常用实时通信技术类型
2.1光纤通信
光纤通信主要指利用光波作为传输载波（传输媒介为光纤），将信息从一处传输至另外一处的数据信息传输技术。光纤通信技术涉及了光收信机、光发信机、光缆（/光纤）、中继器、耦合剂、光缆连接器等模块。通过光纤通信技术可以在光发信机中，将需要传送的话音等信息转变为电信号，并通过放大器、判决器放大调制到光纤束上（激光器发出），在保证激光束光强度随电信号幅度/频率的波动而变化后，将电信号传输至光收信机，并在其中解调为原光信号，达到信号传递目的。光纤通信技术组网方式极其灵活，可以根据不同形式的组网要求，组成网状、树状、链状、单纤网、星形等多环向型拓扑网络结构，具有抗干扰性能强、信息实时传输频带宽、信号传输质量优异等特点。
2.2电力线通信
电力线通信技术简称为PLC，主要是利用10kV中压电力线、35kV及以上高压电力线、380/220V低压配电线作为传输介质，进行输电线路无人机巡视检查数据信息传输的方式。首先，通过电力线加载载有信息的高频电流。其次，利用电缆线路，传输接收信息适配器，并将高频信息从电流中分离出来。最后，将分离的高频信息传输到计算机、电话中。电力线通信具有保密性能强、传输稳定性能好、通信容量大、不易受外界环境干扰等优良特点，但是因电力线通信技术成本较高，如果应用于输电线路无人机巡视检查中，需要铺设大量电缆，经济性能不佳。
2.3无线通信
无线通信主要是利用特定空间内电磁波信号自由传播的特性，将无线网络中的信息传输通道划分为若干个小规模传输信道，实现数据高频率快速转换、小规模管理控制的目的。无线通信技术包括卫星通信、微波通信2种类型，前者主要是将通信卫星作为中继站，实现地面2个或者多个移动体间的微波通信，具有传输质量好、覆盖范围广、网络无缝衔接、不受地理条件及其他因素（磁暴、核爆）约束、组网灵活、容量大的特点。但因在卫星通信网络中无线电波传输时，需要经过地球站→同步卫星→地球的流程，极易出现通信延迟及回声效应。后者为传输距离为几十千米的无线电波，因为频带宽、通信容量大，所以需要在信息交换关口设置中继站，通过中继站将数据信息加载至微波载体上，实现电波空间内的数据传输。以5G无人机对输电线路进行巡检为例，无人机除搭载外置摄像头（热成像摄像头、4/8K摄像头）外，还可连接、采集多种传感器的数据，全面感知周边环境，进行最优巡检路径规划，实现自主导航。同时利用5G网络高速率、大带宽（100Mbps级）、大规模连接、低时延的优势，将巡检高清影像实时传输至数据处理中心，地面站工作人员可以在后台远距离实时监控高清摄像头的状态，实现输电线路故障巡检的远距离专家决策。虽然无线通信技术具有不需要设置有线传输电缆、建设周期短、建设成本低、适应能力强的特点，但是其在输电线路无人机巡视检查中应用时，极易受到周边环境的影响。特别是在周边通信点存在障碍物时，极易导致通信质量受损或通信中断[2]。除此之外，虽然无线通信技术理论通信距离在6000.0m以下，但是受天气因素、周围建筑物体影响，无法实现远距离信息实时传输。
3输电线路无人机巡视检查实时通信技术应用案例
3.1案例概述
某段输电线路已应用了光纤复合架空地线，可通过光纤链路联入电力资源供应企业内部网络。但由于线路较长，无法全部覆盖一座耐张塔所部署的接入点。因此拟依据最大限度法规覆盖张力原则，进行多座耐张塔的覆盖。
3.2应用方案
首先，部署一支全向天线，实现耐张塔左侧、右侧的近距离覆盖。同时在左侧、右侧分别部署一面或者两面定向天线（定向天线增益相差5.0dB~6.0dB）。其中高增益定向天线（增益为26.0dB，波束角为8°，覆盖宽度>1400.0m，适用距离>10.0km）、低增益定向天线（增益为10.0dB，波束角为全向360°，覆盖宽度>3000.0m，适用距离<3.0km）需要分别负责远离、靠近耐张塔的区域覆盖，以便在耐张塔左侧、右侧分别构成近、远、中3个覆盖层次，保证输电线路无人机巡视检查阶段远离耐张塔、接近耐张塔时，均可接收到足够强烈的信号，实现信息的实时高速传输。其次，在2座相邻耐张塔的交接位置，进行高增益部署，构成一重叠区域，避免通信中断。同时在每一座已安装实时回传接入点的耐张塔上进行光缆开口，保证输电线路无人机巡视检查信息实时回传至地面数据处理中心。最后，依托地面数据处理中心智能软件，对输电线路无人机巡视检查时发现的输电线路隐患、故障进行判别读取。同时为了避免误判、漏判问题出现，可以引入广和通FG150（W）/FM150（W）5G无线通信模组，经模组自带PCIe3.0、USB3.1、UART、SPI、GPIO、I2S、I2C、SDIO、RGMII、UIM、MIPI接口连接海量传感器并搭配AI技术，切实将输电线路无人机巡视检查转变为“智巡”，达到对高清视频数据、图像信息智能化识别的目的，在提升巡视检查效率（达到毫秒级超低时延）的同时，实时发出预警信息，精准上报故障信息。为保证整个过程的技术应用效率，在无线网络宽带接入时，利用支持IEEE802.11a/b/g标准的中科所AOR无线Mesh通信设备，发挥其易于安装、结构灵活、主动组网、非视距传输、高带宽、快速部署的优势，在无线AP（AccessPoint，接入点）节点设备耐张塔上方适当位置，安装一面低增益全向天线、两面高增益平板天线及中增益平板天线（增益为14.0dB，波束角为32°，覆盖宽度＞1650.0m，适用距离＞3.0km）。在输电线路无人机巡视检查过程中，主要搭载一面低增益全向天线、AOR-AC接入设备（无线局域网接入控制设备，负责将来自不同AP的数据进行汇聚，并接入Internet，同时完成AP设备的配置管理和无线用户的认证、管理，以及带宽、访问、切换、安全等控制功能。），在IEEE802.11a通信标准的支持下，设定实时通信设备工作频段为4.90GHz，发射功率为26.0dBm，传输速率最大为54.0Mbit/s。
3.3应用效益
通过对上述输电线路无人机巡视检查实时通信过程进行分析，可得出输电线路巡视检查用多旋翼无人机飞行平台为大疆MatriceM200，配置了具备30倍光学变焦镜头、数码变焦功能的ZenmuseZ230，总共飞行780架次，拍摄照片9400余张，7kg＜空机质量≤116kg，矫正空速度为100km/h[3]。无人机在距离耐张塔节点设备10.0km位置时，可以接收的电平值为-75dBm，传输速率为55.0Mbit/s，单侧精细巡视检查距离在30.0km以上，常规巡检距离在60.0km以上，双侧精细巡视检查距离在20.0km以上，常规巡视检查距离在40.0km以上。而在无人机不断缩小与耐张塔节点设备距离的过程中，无人机可接收的电平最小为-74.0dBm，最大为-57dBm，传输速率始终在55.0Mbit/s。结果表明，采用无线通信搭配光纤通信的覆盖技术，可以有效提高输电线路无人机巡视检查的实时通信效率。
4结语
综上所述，实时通信技术是实现输电线路无人机巡视检查的关键模块，也是飞行命令、飞行高度控制、飞行线路调整及采集摄录信息发送的依据，直接影响了无人机内部各系统间的通信效果及巡视检查任务的完成度。因此，技术人员可以根据输电线路无人机巡视检查的需要，选择无线通信或光线通信、电力线通信技术，在无人机与地面站间搭建信息交互桥梁，保证输电线路无人机巡视检查工作的效率。
参考文献
[1]田力.输电线路无人机巡检综合应用研究[J].通讯世界，2018，342（11）：221-222.
[2]黄顺，陈中意，毛益华，等.基于CC2500的输电线路无人机巡检抗干扰系统[J].数码世界，2019（3）：31.
[3]王刚，孟莹梅.多旋翼无人机在输电线路巡线中的应用[J].山东工业技术，2019，287（9）：179-180.
作者：林旭鸣 单位：国网福建省电力有限公司泉州供电公司
