6月2日，在廣西南寧市忠良村的上空，一架執(zhí)行了數(shù)公里配電線路巡視任務(wù)的無人機(jī)自主停靠在桿塔上的“機(jī)場停機(jī)坪”，自動(dòng)進(jìn)入無線充電模式。約30分鐘后，“滿電復(fù)活”的無人機(jī)再次騰空而起，繼續(xù)按設(shè)定航線執(zhí)行巡檢任務(wù)。
自主巡檢無人機(jī)出發(fā)巡檢線路，全程自動(dòng)化不用人為干預(yù)。廣西電網(wǎng)供圖
這是南方電網(wǎng)廣西電網(wǎng)公司最新研發(fā)的科技創(chuàng)新成果“無線充電無人機(jī)及機(jī)巢”。好比手機(jī)無線充電一樣，這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)的無線充電。當(dāng)電量不足時(shí)，按照設(shè)定航線執(zhí)行巡檢拍照任務(wù)的無人機(jī)會(huì)自動(dòng)前往安裝在電桿上的機(jī)巢，只要落到預(yù)設(shè)的場域里，不需要插拔“插頭”，就會(huì)進(jìn)入無線充電模式。完成充電后，無人機(jī)會(huì)繼續(xù)執(zhí)行巡檢任務(wù)，直至所有任務(wù)完成，全程自動(dòng)化不用人為干預(yù)。
近年來，為全面推動(dòng)數(shù)字電網(wǎng)及新型電力系統(tǒng)建設(shè)，南方電網(wǎng)廣西電網(wǎng)公司提出了無人機(jī)在輸變配領(lǐng)域的發(fā)展思路，建成“機(jī)巡為主、人巡為輔”的智能巡線模式。“機(jī)巡”替代“人巡”工作取得了長足發(fā)展，供電局已大量采用無人機(jī)開展日常線路巡檢工作。
然而，利用無人機(jī)開展巡線工作，最大的困擾是無人機(jī)的續(xù)航問題。通常情況下，一塊容量7000mAh的電池，能讓無人機(jī)快速巡航約5至8公里。可電力線路往往有二三十公里，有的甚至長達(dá)上百公里，巡線人員就要在線路延伸處等候，不斷更換電池，綿延山里的線路，還得翻山越嶺趕過去。另一方面，目前電力巡檢主要采用飛手操作無人機(jī)巡檢的工作方式，也無法滿足智能巡檢發(fā)展需求。
陳紹南博士介紹“無線充電無人機(jī)及機(jī)巢”項(xiàng)目情況。廣西電網(wǎng)供圖
南方電網(wǎng)廣西電力科學(xué)研究院陳紹南博士介紹，解決無人機(jī)自主巡航痛點(diǎn)，主流方案有兩種，一種采用機(jī)械臂幫助無人機(jī)更換電池，成本較高，單建1個(gè)帶機(jī)械臂的機(jī)巢就得花費(fèi)六七十萬元。另一種是接觸式充電，對無人機(jī)精準(zhǔn)定位插拔充電“插頭”要求高，并且由于觸頭是金屬的，長期在戶外環(huán)境容易被氧化銹蝕和磨損，導(dǎo)致充不上電，尤其像南方“回南天”這樣的潮濕天氣，觸頭銹蝕風(fēng)險(xiǎn)更是成倍增大。
“我們有成熟的無線充電技術(shù)，為什么不運(yùn)用到無人機(jī)巡線工作中，讓無人機(jī)無線充電、自主續(xù)航呢？不僅提高效率，也可以降低巡線工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。”作為南方電網(wǎng)無線傳能聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室成員，陳紹南和同事們決心探索將無線充電技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)全自主補(bǔ)電上，推動(dòng)電力系統(tǒng)巡檢技術(shù)向智能化發(fā)展。他們于2020年申報(bào)“無線充電無人機(jī)及機(jī)巢”項(xiàng)目，開啟了研發(fā)之路。
據(jù)悉，南方電網(wǎng)廣西電力科學(xué)研究院早在2012年就開始電動(dòng)汽車移動(dòng)式無線充電技術(shù)研究，在2015年率先建成了國內(nèi)第一條電動(dòng)汽車無線充電車道，填補(bǔ)了國內(nèi)移動(dòng)式無線充電示范工程空白。專家團(tuán)隊(duì)們沒有止步于此，繼續(xù)攻堅(jiān)研發(fā)，國內(nèi)首個(gè)60千瓦電動(dòng)汽車大功率移動(dòng)式無線充電示范工程，讓大功率的電動(dòng)大巴也能邊走邊充電。這些自主研發(fā)的無線充電技術(shù)成果，給了項(xiàng)目組信心和底氣。
可研發(fā)道路卻一波三折。與無線充電汽車安裝大型充電裝置不同，加裝在無人機(jī)上的無線充電裝置，其重量大小直接影響飛機(jī)的巡航速度、續(xù)航時(shí)間、安全性和抗風(fēng)等級等，如何既保證無線充電效果，又讓無人機(jī)輕裝上陣？“剛開始做的無線充電線圈是圓盤式，安裝在無人機(jī)腳架底部，發(fā)現(xiàn)容易遮擋無人機(jī)攝像頭旋轉(zhuǎn)記錄的‘視線’。改成螺旋管式線圈，解決了‘遮眼’問題，但重量并沒有降下來，還是不行，又繼續(xù)攻關(guān)。”項(xiàng)目組對無線充電模式、裝置構(gòu)造、模塊優(yōu)化等開展深入鉆研，反復(fù)試驗(yàn)、驗(yàn)證，不斷推倒重來。
自主巡檢無人機(jī)出發(fā)巡檢線路。廣西電網(wǎng)供圖
對于給無人機(jī)提供無線充電的機(jī)巢，也在反復(fù)試驗(yàn)中不斷優(yōu)化。參與研發(fā)的南方電網(wǎng)無線傳能聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室成員莫宇鴻介紹說：“剛開始做出來的機(jī)巢體積大，重量達(dá)上百公斤，長寬高都接近1米。通過反復(fù)試驗(yàn)，不斷優(yōu)化機(jī)巢機(jī)械結(jié)構(gòu)及空間布局，大幅縮減了體積，降低了成本。”
功夫不負(fù)有心人。2022年底，項(xiàng)目組成功建成配電線路無線充電無人機(jī)自主巡檢示范工程，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)無線充電的穩(wěn)定性與輕量化的統(tǒng)一，充電裝置重量降到了180克以內(nèi)，無人機(jī)充電最優(yōu)效率達(dá)到91%，大幅提高巡檢效率和巡檢安全性。
據(jù)介紹，這項(xiàng)研究成果有效解決了接觸式充電觸頭氧化、接觸不良造成的充電慢、無法充電的難題；首次探索適用于電力巡檢的飛控邏輯、無線通信優(yōu)化方案等，實(shí)現(xiàn)了全線路自主巡檢。該研究成果獲得PCT國際專利授權(quán)1項(xiàng)，發(fā)明專利授權(quán)6項(xiàng)，并在2023年5月舉辦的能源產(chǎn)業(yè)“綠能星”高質(zhì)量系列獎(jiǎng)項(xiàng)公益評選上榮獲一等獎(jiǎng)。
與傳統(tǒng)接觸式充電相比，無線充電具備無接觸磨損、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、使用壽命長、免維護(hù)等優(yōu)勢，避免了因接觸不良、接口氧化等原因造成的無人機(jī)無法充電問題。
“無線充電機(jī)巢解決了接觸式充電經(jīng)常出現(xiàn)的觸點(diǎn)老化、防潮防塵性能差、對位不精準(zhǔn)、充不上電等系列問題，徹底實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)巡檢過程快速補(bǔ)電。”南方電網(wǎng)廣西河池東蘭供電局城郊供電所配電線路維護(hù)班楊有權(quán)介紹說。
“自主巡檢無人機(jī)只要下達(dá)命令就可以完成作業(yè)任務(wù)，中間不需要干預(yù)，也不用考慮電池電量不足等問題，極大解放了我們一線運(yùn)維人員。”南方電網(wǎng)廣西崇左供電局變電管理所上龍巡維班甘杰創(chuàng)說。
目前，這項(xiàng)科技成果已在河池東蘭供電局武篆供電所10千伏納烈線、梧州藤縣10千伏平政線開展示范應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了后臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測無人機(jī)巡檢作業(yè)、無人機(jī)多機(jī)巢全自主巡檢圖片采集功能。下一步，還將計(jì)劃在桂林漓江核心景區(qū)、崇左輸配電一體化巡檢示范區(qū)進(jìn)行安裝示范運(yùn)行。
