衛星遙感賦能電網巡檢的發展現狀與展望

文/岑宗浩，王洪飛，王博，陳宏宇

（1.國家電網有限公司華東分部，上海 200120；2.復旦大學光電研究院，上海，200438）

一、引言

電網是能源資源輸送的重要基礎設施。電網持續穩定運行是社會經濟發展的保障，是國家能源安全重要的一環。而電網巡檢是及時發現、排除威脅電網安全隱患的手段?，F如今，中國已經擁有龐大的電網設施存量。同時，在需求側壓力下，電網存量仍在不斷增長。從2012 年到2020 年，我國電網規模翻了一番，全國110（66）kV及以上電線線路總長度達到了114.2 萬公里。[1]電網巡檢工作量也隨之不斷增加，傳統的電網巡檢風險高、效率低，已然難以適應當今的電網發展形勢。

近年來，我國航天事業快速發展，尤其是在衛星遙感領域。我國在衛星載荷種類、遙感圖像分辨率和定位精度、遙感數據解譯等方面達到了國際領先水平。隨著遙感圖像分辨率和探測精度的不斷提升，使用衛星遙感進行電網巡檢變得可能。

衛星電網巡檢是衛星遙感技術、人工智能、空間通信等多領域在電網巡檢中的綜合應用。衛星電網巡檢是傳統電網巡檢的重要數字化改造，發揮衛星遙感領域技術優勢，以提高電網巡檢效率、縮短巡檢周期、降低巡檢成本。結合大數據、人工智能等關鍵技術，改造傳統電網巡檢的生產與管理模式。

二、電網巡檢現狀

電力巡檢的對象主要有輸電設施、外來物以及電網線路周邊環境。其中，輸電設施主要包括桿塔、導線、絕緣子等部件。這些部件會受到極端天氣、地形變化等因素影響，容易出現桿塔倒塌、導線斷裂、絕緣子破碎等事故。外來物會對電網設施造成威脅，主要存在的威脅因素有覆冰、異物和吊車等。周邊環境一般指颮線風、樹廊和山火等異常情況。

目前，針對上述巡檢場景存在幾種傳統的巡檢方法，分別為人工、直升機、無人機、掛線機器人、傳感器等。

（一）人工

人工巡檢是傳統電力巡檢的主要方式，由專門的巡檢工人完成電力巡檢檢查工作。電力設施環境是否存在風險十分依賴巡檢人員的經驗。[2]單一的人力巡檢方式在電力需求不斷增長、電力巡檢標準日益增高的今天已然不足，存在巡檢成本高、巡檢效率低、巡檢風險高等劣勢。人工巡檢方式不足以支撐新時代對電力巡檢的要求，直升機、掛線機器人、無人機等機巡方式被廣泛研究、應用。

（二）直升機

直升機提供了俯瞰電力線路設施的獨特視野，巡檢人員可在短時間內巡視大面積區域，巡檢效率有所提升[3]。搭載直升機，巡檢人員更容易進入難以直接訪問的地區。直升機可以搭載熱成像儀、專用攝影機等設備輔助巡檢人員監測輸電設施可能存在的故障問題。但直升機其使成本較高，起飛前需要向民航局申請航線，易受禁飛區影響。在氣象條件惡劣的情況下巡檢人員的飛行安全難以保障。

（三）掛線機器人

掛線機器人巡檢是一種利用機器人、傳感器技術來巡視輸電線路的方法。掛線機器人通常具有輪式或軌道式地盤，能夠在輸電線路上移動，其上配備攝像機、傳感器等設備用于檢查線路及其他設施的狀態。掛線機器人通常具備自主導航能力，可以識別、避開障礙物并同時沿著輸電線路的路徑移動，其上運用的控制系統及控制算法是掛線機器人工作可靠性及巡檢效率的關鍵。[2][4]

（四）無人機

無人機巡檢是一種利用無人機進行電力設施、輸電線路和相關設備巡檢的方法。由于其具有作業風險低、環境適用性強、作業靈活性高可進行實時傳輸的優點，無人機巡檢方式在電力行業中的使用越來越普遍[5][6][7][8]。

盡管優點眾多，無人機巡檢體系仍舊存在一定限制，自主巡檢技術尚未成熟，需要有經驗的操作員監控和操作無人機飛行。不僅如此，無人機容易受到外來物及環境因素影響，在面對突發狀況時發揮作用有限。

（五）傳感器

用于電網檢測的傳感器主要包括：可見光/紅外相機、振動傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器等。傳感器對電網進行監測具有以下優點：安全性高、實時數據收集和處理、及時發現隱患。但傳感器也存在缺點，主要在于：①傳感器邊緣計算算力有限，圖像處理等功能需要回傳到控制中心，對網絡傳輸速率要求較高。②應用推廣受到傳感器安裝、成本等多方面限制。傳感器須人工安裝在桿塔和高線上，對所有電網進行普及需要投入大量的人力成本。③傳感器的投入增加巡檢負擔，傳感器本身也會出現故障，增加維護成本。各種巡檢的方法總結如表1 所示。

表1 人巡與機巡的優缺點總結

綜上所述，目前我國采用的人巡和機巡結合的巡檢方式仍然存在不可避免的缺點，無法對電網實現高頻次廣覆蓋的巡檢。想要進一步大幅度提高電力巡檢效能亟需新技術破局，基于衛星遙感、衛星星座技術的星巡方式正幫助電力巡檢體系邁上新臺階。

三、我國衛星遙感發展現狀

我國的衛星遙感技術起源于20 世紀80 年代，稍晚于西方發達國家。經過近40 年的迅速發展，我國衛星遙感技術飛躍式發展，已經廣泛應用于陸地資源監察、海洋生態保護、氣象災害預測等諸多領域，服務多項國家重大工程。[10][11][12][13]截至2023 年4 月，我國在軌遙感衛星已達200 余顆。這些遙感衛星主要分為三大系統：陸地遙感衛星、氣象遙感衛星和海洋遙感衛星。[14]

由于我國架空輸電線路主要覆蓋區域為陸地，因此輔助電力巡檢，有助于輸電線路安全穩定運行的主攻手是陸地遙感衛星。另外，電網系統極易受颮線風、凍雨等極端天氣的影響，氣象衛星提供的氣象數據也有助于電網系統的巡檢。[15]在電網巡檢領域，衛星遙感具有以下優勢：

（一）覆蓋地域廣、快速重訪

遙感衛星比直升機、無人機等平臺擁有更大的幅寬，更高的飛行高度，可同時拍攝電網及其周圍區域。當在不同軌道建立星座后，可實現衛星的快速重訪，有助于突發事件地點遙感圖像的快速獲取，響應速度優于人巡和機巡。

（二）載荷豐富

遙感衛星可以搭載可見光、多光譜、中波紅外、SAR等多種載荷，可適用于電網巡檢中多種場景。

（三）在軌壽命長

遙感衛星大多運行在距離地球500 km 左右高度的軌道上，軌道越高，衛星受近地軌道稀薄大氣的影響越少，壽命越長。

四、衛星遙感電網巡檢可行性分析

隨著航天遙感技術的發展，相機和雷達對地遙感的空間分辨率和對地定位精度不斷提升。目前，相機和雷達的對地成像分辨率達到了亞米級精度，定位精度也達到了小于10 m 的水平。盡管，衛星對地遙感的空間分辨率遠不如地面人工和無人機巡檢近距離觀察的效果，但遙感技術仍可勘察和監測電網系統中的桿塔、電線、周邊環境。

（一）衛星遙感電網巡檢整體方案

基于衛星遙感的電網巡檢中所要觀測的目標的檢測存在的依賴關系，所有檢測項目都是建立在完成桿塔和電線的檢測之后。其中的關系如圖1 所示。圖1 中，電網自身缺陷檢測用橙色框表示，懸掛在電線上的異物用藍色框表示，綠色框代表周邊環境帶來的影響。

（二）輸電設施可行性檢測

（1）桿塔檢測

可見光圖像中，由于衛星拍攝姿態、載荷、太陽高度角、天氣等因素共同作用，桿塔的圖像呈現不同形式。拍照條件的不同會使桿塔本體更明顯或桿塔影子更明顯?？梢杂脙煞N不同的方法檢測和識別桿塔，分別為：①直接檢測的本身[16][17][18]；②先檢測桿塔的影子再根據影子推測桿塔本體位置。[19]

直接檢測法不依賴影子，不受太陽高度角影響，但是桿塔投影大小取決于衛星拍攝時的側擺角。間接檢測法的優點在于：影子比本體更加明顯，算法效果好。但是，影子長度依賴太陽高射角，當太陽直射桿塔時，桿塔的影子將消失，導致桿塔檢測失敗。

1.桿塔傾斜檢測

近幾年發展的永久散射體（PS）技術在滑坡、地面沉降和地質災害監測等領域得到了廣泛的應用。[20][21][22]PS 技術具有高精度、高時間分辨率、能極大提高影像利用率的優點。目前，大多數SAR 圖像的入射角為30°。SAR圖像上的桿塔投影距離達到了其本身高度的70%，這種投影關系大大提升了桿塔的識別能力。在SAR圖像中可清晰判別桿塔的每個橫擔的端點和中心點[23]，這些點可作為永久散射體預測桿塔上每個PS 點的變化矢量，即可判斷桿塔的姿態是否發生改變。

(2)絕緣子檢測

絕緣子是桿塔上比較大的部件，在特高壓輸電線路中絕緣子長度通常在1 m 以上，但其寬度小于20 cm，即使在高清的遙感圖像上分辨絕緣子仍是十分困難的。盡管在有些條件下無法觀察到絕緣子的實體，仍可以在桿塔的影子中發現絕緣子的影子，使得絕緣子被遙感圖像檢測出來成為一種可能。目前，學術科研領域沒有人嘗試在遙感圖像中檢測桿塔上的絕緣子，相關領域沒有理論和實踐基礎，但可以將現有的圖像識別、分割和檢測算法應用到這個領域。

(3)導線檢測

在可見光圖像中，電線的觀測主要受到天氣、太陽高度角，衛星觀測姿態、背景顏色共同影響。當條件允許時，電線可以在遙感圖像中被觀測到。當太陽高度角合適時，電線的影子比電線的本體更容易被區分出來?；谶吘墮z測和直線擬合算法可將導線擬合出來。

(三)異物檢測可行性分析

(1)異飄物檢測

輸電線上的異物搭掛現象一般出現在遠離城區曠野地區，常見的掛線異物一般包括風箏、氣球、農業塑料大棚的薄膜碎片。[9]目前，用遙感目標檢測方法進行電力場景中的異物檢測的相關研究工作幾乎沒有，其主要的原因在于：①缺少電塔和電線掛異物的真實數據，無法驗證相關理論；②遙感圖像分辨率有限，掛在電線上的異物的檢測問題屬于弱小目標檢測問題，該問題一直是圖像處理領域還在投入的領域，算法研發困難大。

(2)吊車檢測

車輛是遙感目標檢測算法重點關注的對象之一。目前車輛目標檢測算法相關技術已經成熟，先進的目標檢測算法在車輛檢測精度指標達到90%?，F在存在兩種目標檢測方法，分別為基于可見光圖像的目標檢測和基于SAR 圖像的目標檢測。SAR 圖像中的像素代表目標散射微波的強度。SAR 圖像是全天候的，不受云層和光照影響，在SAR 圖像中車輛目標更容易被發現。綜上，基于衛星遙感數據對電網覆蓋范圍內的車輛目標進行檢測是可行的。

（四）周邊環境異常檢測可行性分析

(1)樹廊檢測

樹廊是影響電力線路安全運行的重要因素，也是引發電力線路跳閘的主要原因。近年來，隨著多光譜成像和數據分析技術的發展，利用多光譜數據對地表植被進行分類日益成熟，可以對桿塔和導線周圍區域的植被進行分類，對速生桉等植物進行監測和預警。[25]另外，當前人們可通過采集不同時間同一樹廊區域的遙感圖像，通過變化檢測算法推算該區域的變化程度。若變化程度較大，則該地區植被發生變化概率較大。[26]

(2)山火檢測

利用紅外遙感技術進行山火監測、發現著火點是較為成熟的技術。其核心在于對高溫地物目標監測?；谶b感衛星數據的熱源探測技術為監測識別高溫目標提供了更加便捷、及時的手段，彌補了人工參與模式的諸多缺陷，成為監測高溫的重要手段和方法。[27]

對于電網巡檢的使用場景，短期熱源的不可控和突發性對電網的威脅最大，短期熱源通常包括各種火災。中波紅外的覆蓋溫度范圍是800℃～950℃，該溫度范圍恰好覆蓋著火點的溫度區間。因此，可利用中波紅外相機對電網區域進行掃描，對電網周邊環境的地表溫度進行反演，獲取地表的溫度。對溫度異常點進行普查，對長期熱源進行登記，在處理結果時可過濾掉長期熱源，對短期熱源進行及時檢測。短期熱源的檢測可使用基于目標檢測的方法，異常出現的高溫點進行捕捉和定位。

（五）極端天氣預警

對電網損害較大的極端天氣主要有凍雨和颮線風等。凍雨會造成桿塔和電線覆冰。而颮線風則會導致桿塔傾斜甚至倒塌、電線斷裂等事故發生。

（1）覆冰預警

線路覆冰就是指凍雨天氣造成一個范圍內的所有電線都被冰包住的狀況。根據凍雨形成是大氣的特性，利用氣象衛星對大氣層不同高度的水汽和溫度的紅外數據進行反演可實現對凍雨天氣的預報和檢測。目前，我國所發射的氣象遙感衛星所產生的氣象預報的分辨率還在公里級別，沒法實現對電網區域周邊環境的精準預測。但現階段可以實現對可能發生凍雨的地方進行氣象監測，若電網線路通過該區域，即可及時得知凍雨可能到達的強度，通過建立凍雨強度與電網覆冰程度的模型，即較為準確地評估凍雨對電網的威脅程度。

（2）颮線風預警

颮線風屬于雷暴的一種。颮線風可通過局部地區的大氣溫度和風場變化來預測。[28][29]由于颮線風持續時間很短，用衛星遙感數據預測或捕捉正在發生的颮線風概率很低。目前，我國在軌服務的氣象衛星盡管所在軌道類型豐富，回訪周期從12 小時到十幾分鐘，但都不能同時滿足高分辨率、高回訪頻率和小尺度的氣象預測。相對于覆冰天氣的預測，颮線風的預測難度更大。

針對電網巡檢的應用需求可設計專門的氣象衛星星座，對電網覆蓋區域進行高分辨率、高回訪頻率的氣象監測?？蓪⒈粍游⒉ㄌ綔y儀作為氣象衛星的主要載荷，對電網地區的溫度、風場、水汽等探測，通過建立預報模型來實現對極端天氣的精準預測和監控。

五、結論

衛星遙感具有覆蓋范圍廣、快速重放、載荷豐富、壽命長等特點。但衛星遙感技術應用在電力巡檢領域還存在局限性，體現在：①衛星遙感圖像的分辨率不能實現對細小零件的檢測；②衛星遙感只能俯視對電網巡檢，當電網下面出現問題時，衛星會漏掉這部分信息。而這些局限性對于無人機等常規巡檢方法可以被忽略掉。因此，衛星、人巡和機巡可以優勢互補，衛星可以實現高覆蓋域、高頻次的電網巡檢，人巡和機巡則可提供精細的近距離巡檢。我們可通過建立空天地一體的電力巡檢系統，實現衛星對電網進行普查和預警、地面指揮中心調配無人機近距離巡檢的高效的電力巡檢，共同維護好輸電設施的安全穩定性，實現我國電力巡檢體系的高質量發展。