【《浅析5G技术在输变电巡检中的应用》16000字（论文）】

PAGE4浅析5G技术在输变电巡检中的应用随着我国经济的发展，人民日常生活的各个方面已经离不开电气设备，电力资源在人民的生活中起着关键的作用，电力系统是否能够稳定安全的运行决定了人民生活和生产能否稳定有序的进行，而输变电巡检工作是保障电力系统安全性和可靠性的主要手段。然而，传输电力的线路部分布设在人迹罕至的荒原或者深山之中，人力到达这些地方难度较大，导致巡线工作难以进行，效率一直比较低下。伴随着科学技术不断地发展更新，通信领域也在产生巨大的变化，4G技术已经被广泛应用，5G技术也逐渐走向正轨。5G是新一代移动通信技术，未来将对移动通信领域带来重大影响。5G通信技术与智能电网相结合在未来具有非常广阔的前景。随着电力行业的发展其业务将存在多种不同形式，比如物联网业务和各种宽带业务。对比现存的电力行业业务，5G技术具有的安全性、可靠性将满足未来电力业务的需要。针对传统巡检方式存在的问题，此篇文章主要研究5G通信系统的关键技术及在基于5G输变电巡检无人机中巡检方案，提高输变电巡检的效率，保障电力系统的安全性可靠性。关键词：5G通信技术，输变电巡检，无人机目录摘要……………………ⅠABSTRACT……………………Ⅱ第1章绪论…………………11.1研究的背景和意义………………11.2国内外研究现状…………………21.3主要研究内容……………………3第2章5G无线通信关键技术…………42.1网络架构……………………42.2空口技术……………………52.3网络切片……………………82.4边缘计算……………………9第3章5G在输变电巡检中的应用………………103.15G关键技术应用于输变电巡检的需求分析……………103.2输变电无人机巡检方案……113.3基于5G无人机输变电巡检方案…………123.3.15G输变电无人机巡检平台系统架构…123.3.25G输电线路无人机巡检平台功能设计………………133.3.35G输变电巡检无人机功能应用………15第4章基于5G技术的输变电无人机巡检案例分析……………174.15G智能无人机在输变电领域应用实例…174.2智能巡检存在的关键问题…………………194.3输变电智能巡检未来发展展望……………20第5章总结…………21参考文献……………………22第1章绪论1.1研究的背景和意义输变电设备在电力系统中占有重要的地位，是智能电网的重要物质基础，为了保证输变电设备稳定安全的运行就要对输变电设备进行巡检，及时查找线路设备中的故障和隐患，并且进行排除。在电力行业中，企业需要花费大量人力与时间用于巡检线路中存在的问题，只有维护好设备，才能让整个系统正常的为社会工作提供电力保障。如果系统出现问题，企业需要派遣人员去进行维修，对企业的效益有这重大的影响。输变电设备布设环境复杂、范围广阔，非常不利于企业对线路进行日常检查和维护，也难以对输变电设备进行全方位的监测，导致出现问题后不能尽早高效的处理这些故障。输变电智能巡检技术能够提升巡检工作的安全性，同时使巡检效率得到大幅度提升，能够为维护电网安全运行做出贡献。然而未来输变电设备数量仍将快速增长、外部环境也更加复杂，传统巡检技术难以适应体制改革和电网发展的要求。因此，积极探索智能巡检技术、努力构建智能巡检体系是破解输变电设备巡检发展难题的必由之路。经过近几年的艰辛探索，国家电网公司已经基于直升机、机器人、无人机等智能装备建立起一套立体巡检体系，有效减轻了输变电专业的运维压力，提高了输变电专业的巡检效率。目前应用最广泛的应当属于无人机巡检，无人机巡检技术具有诸多优势比如旋翼无人机灵活性很高能适应各种地形，能大大提高巡检的效率。但是无人机巡检也存在一定的缺点，由于网络条件限制其数据的传输速率不能传输高清的视频图片，无人机飞行过程中还容易出现飞行失联或撞击坠落等情况。5G是新一代移动通信技术，有望为移动通信领域带来革命性的影响。5G与智能电网的结合应用具备广阔的应用前景。5G移动通信技术的主要发展方向是与垂直行业相结合，其大带宽、低延迟、高可靠性以及海量连接的通信能力与智能电网服务的业务需求相匹配。随着5G技术的发展基于5G的无人机应用于输变电巡检中将弥补传统无人机的短板，同时应用于更多的场景满足输电线路巡检的需求。本文研究具备5G通信能力的无人机，在5G网络环境下实现输电线路无人机全自动巡检能够真正实现5G无人机在输电线路巡检的应用，对于提高输电线路巡检效率、减少人工成本、及时发现输变电设备及其周边环境存在的安全问题、保障输电线路运行安全具有重大意义。国内外研究现状20世纪90年代前，输变电设备巡检主要依靠人工。架空输电线路大多处于路途艰难的野外，特别是遇到偏远山区或者雨雪天气，巡检人员的巡检工作存在更大困难。巡检人员一般通过目测或借助望远镜、红外热成像仪、经纬仪等设备，对输电线路杆塔基础、塔身、绝缘子、导地线、金具等线路设备以及线路通道进行仔细观察和测量。巡检人员在1个工作日内可巡视的杆塔和线路数量十分受限，且人身安全存在较大隐患。随着电力改革深入推进、电网技术的快速发展，使得人力对于线路巡检更加复杂困难。“十三五”期间，电力行业的大发展，各种设备数量也急剧增加、外部环境也更加复杂，传统的依靠人力的巡检方式难以应对新出现的各种问题。所以，积极探索智能巡检技术、努力构建智能巡检体系是破解输变电设备巡检发展难题的必由之路。经过近几年的艰辛探索，国家电网公司基于直升机、机器人、无人机等智能装备建立了一套立体巡检体系，有效减轻了输变电专业的运维压力，提高了输变电专业的巡检效率。5G发展历史追溯到2015年，国际电信联盟（ITU）为其规定了一个法定名称“IMT2000”。两年后的2017年5G的标准制定工作开始，由3GPP负责。3GPP于2019年3月和2020年7月分别发布了Release15版本和Release16版本的5G标准，推进5G技术规范的全球统一。世界各国均积极推动5G通信的技术研发和商业部署，美国、德国、日本、韩国等纷纷公布各国的5G发展计划。截至2020年11月，全世界多个国家都提出了一系列符合3GPP标准的5G商用服务。我国在5G技术发展、设施建设与商用推广方面处于领先地位。我国“十三五”规划纲要提出推动5G研究及商用的目标。三大运营商及广电在2019年6月得到了工信部发放的5G商用牌照。5G基站建设作为保障5G网络覆盖的重要环节得到了国家高度重视。随着国家提出加快新型基础设施建设的要求。2021年5月17日举行了世界电信和信息社会日大会，截止3月底，中国建成5G基站81.9万个，占全球百分之七十以上；5G终端连接数2.8亿，占全球百分之八十以上。

1.3主要研究内容本文主要研究5G无线通信技术应用于电力企业输变电巡检中的方案，提出基于5G通信技术的无人机，在5G网络环境下实现输电线路无人机全自动巡检能够真正实现5G无人机在输电线路巡检的应用，研究基于5G技术无人机巡检系统架构设计与其功能设计。全文分为五章，每章的研究内容如下：第一章：介绍5G无线通信技术发展历史，阐述输变电巡检对于电力系统的重要意义。从输变电巡检的发展现状，及现在输变电巡检系统的发展趋势。参考国内外研究现状为本文提出课题提供研究思路。第二章：介绍了5G无线通信技术，空口技术、网络架构、网络切片技术、移动边缘计算技术，对5G关键技术有全面深入的了解。第三章：介绍了输变电巡检的内容与方案，输变电巡检的存在的传统方案而后提出了基于5G通信系统的新型无人机巡检方案，研究了其巡检平台的系统架构与巡检平台的功能设计。并且研究了其功能应用。第四章：分析了基于5G通信系统的无人机较传统无人机巡检平台的优势，并且给出应用实例用于分析研究，并提出目前仍存在的关键问题与对未来巡检方案的展望。第五章：总结了对5G通信技术的研究，回顾本文所提出的一种新型无人机巡检架构平台及其功能应用；分析文章研究的不足之处，提出对未来研究的展望。

第2章5G无线通信关键技术2.1网络架构2017年3月3GPP发布了5种5G网络组网架构选项（option2、option3/3a/3x、option4/4a、option5、option7/7a/7x），根据5G控制面锚点（双连接中的负责控制面的基站）不同分为NR非独立组网NSA(Non-standalone)和NR独立组网SA(Standalone)。简单来说NSA非独立组网是指通信管理部分使用现有的4G网络部分，不需要重新建设。用于连接的部分如基站则增加5G技术来实现5G功能。SA则是各个方面全部采用5G技术，包括连接与管理部分都是全新的技术与之前的4G技术完全不同，可以为用户提供全套5G服务。基于NSA架构中由于管理部分需要借助4G核心网所以它的存在形式为4G基站和5G基站并存，运用5G技术的只有连接方面，也就是增加了5G频段，而核心网部分还需依靠4G技术，这种方式可以认为是在现有4G网络上进行扩容。由于5G载波与4G系统紧密结合能够保证业务的连续性。NSA网络架构可以认为是一种4G向5G逐渐过渡的中间方式，这样能依靠现存基站保证用户的良好体验，依靠NSA可以实现过渡时期的网络服务。但是5G系统最重要核心的网络切片技术、虚拟化技术以及对多样业务的灵活支持NSA架构不能提供，基于独立（SA）架构的5G系统才能真正实现5G的技术承诺，各个运营商的最终追求还是SA架构。新一代5G接入网的功能较上一代接入网有着很大的区别，它要求对网络资源的配置能力更加强大，能够灵活地调配。对网络功能方面则需要支持灵活部署。所以在设计接入网的时候应保证其具有灵活性、扩展性、定制性。5G核心网的建设较上一代核心网的区别在于控制与转发的分离，核心技术有移动边缘计算技术、网络切片技术、功能虚拟化等。如图2-1所示，5G核心网网络架构中为了满足各种服务的低时延要求，将网络功能划分为不同的模块，最主要的是能够分离转发与控制。控制面与用户面分离能够减少分布式网关部署的成本、接口负载和可选信令路由的数量。同时能够增加了网络的灵活性，为网络切片技术提供技术支持。避免了由于控制平面演进而带来的转发面的频繁升级。图2-15G网络整体架构2.2空口技术5G技术所能够利用的频谱资源较为丰富，主要分为6Ghz以上或以下，利用不同频段来满足不同场景的业务需求。高频段能够提供高速率和高带宽，低频段资源可以用于连接大量设备满足广阔范围的覆盖。同时。新空口采用调制编码、新型多址、大规模天线等先进技术来满足不同场景差异化的技术需求。为了实现5G的高传输速率、高系统容量、高可靠、低时延等性能指标，5G空口技术的创新可以从调制编码、MIMO技术、多址技术等方面进行概括。在关键技术中，大规模MIMO技术及超密集组网技术主要用来提升空间复用度，而新型多载波、新型多址技术、先进调制编码、全双工通信技术主要提高频谱利用率，全频谱接入和频谱共享技术主要用来增加系统带宽。（1）调制编码5G调制编码技术有Turbo码、Polar码（极化码）及LDPC码（低密度奇偶校验码）。三种技术进行对比：Polar码作为唯一eMBB场景控制信道编码方式，在算法复杂度上有明显的优势，但是实际通信系统中应用相对较少；Turbo码已使用于3G、4G，以及4.5G，因此有较好的成熟度，可后向兼容5G。LDPC码的编码算法已经比较成熟，也运用到了wlan等众多通信系统。（2）MIMO技术MIMO多进多出技术能够极大地提升信道容量。实现方式主要表现为在基站上增加发射与接收天线，这样就不需要增加发射功率，甚至能减少发射功率实现信道的扩容。如图2-2所示，大规模MIMO技术作为5G多并行信道传输技术，能够使得以前不能使用的空间资源得到利用，大地增加系统容量。4G网络主要采用2*2MIMO、4*4MIMO,而在4.5G，使用8T8R及以上大规模MIMO技术，而5G则使用64T64R以及以上大规模MIMO。图2-2MIMO技术的演进大规模MIMO技术能够在相同的时间资源与频率资源提供服务，即用户接受的信号服务处在同一时间频率，这样能在节省空间资源的情况下保证服务的用户数量不减少。最显著的特征是其需要配置大量的天线，一个基站的天线数量将达到几百根。相比于传统的MIMO，大规模MIMO技术主要有三点优势：一信道容量大，二功率成本低，三信号稳定时延小。因为使信号不再局限于水平方向发射，增加了垂直传输，能提高系统的容量，天线数量增加所以每个天线的功率不再需要很大就能发射出去，减少功率发射成本，使用MIMO技术信号的抗干扰性能大大提升。（3）多址技术非正交多址技术（NOMA）多用户共享接入技术（MUSA）稀疏码分多址技术（SCMA）扩展码不扩展，功率域叠加较短的非正交复数扩展码较短非正交稀疏码接收机码字级SIC，复杂度低，灵活性好码字级SIC，复杂度低，灵活性好MPA（类似于LDPC译码器），复杂度高，灵活性受限过载率通常可支持200%的过载，依赖严格调度（远近）序列长度4，600%+过载序列长度4，理论150%过载（码本数量受限于稀疏性，4长序列只有6个稀疏码本）调度机制基于调度免调度/免随机接入基于调度高阶调制支持支持高维星座图非常复杂与MIMO结合支持，依赖于严格的调度机制可接受复杂度，线性提升过载率MPA接收机约束，多天线对过载率提升受限峰均比低低（可以基于SC-FDMA）高（只能基于OFDMA）表2-1多种多址技术比较表1）NOMA非正交传输技术NOMA（Non-OrthogonalMultipleAccess），传统的正交传输技术容量较低难以满足5G时代海量数据的传输。而非正交传输技术能够及大地扩展传输系统的容量。NOMA与传统的正交传输不同在于在发送端，非正交传输在发送端引入干扰信息，采用非正交传输。非正交多址具有以下几点优势：信道容量大，提升频谱效率和小区边缘吞吐量，大范围连接，时间延迟极低，信令开销也降低到极小水平。2）MUSA基于多用户共享接入MUSA(Multi-UserSharedAccess)相较于4G技术，MUSA技术可以在相同的时间与频率资源下接入数倍的用户。同时简化同步等过程，降低接入时延。关键技术为使用复数域多元码。使用MUSA技术能够解决未来海量连接的问题。3）SCMA稀疏码分多址技术SCMA(SparseCodeMultipleAccess)是一种新型非正交多址接入技术。SCMA主要有两个关键技术：一是低密度扩频技术，由于现在的频谱资源紧张，如何增加频谱资源的利用率便成为研究重点，这种低密度扩频技术能有效地利用现有频谱资源。二是高维调制技术，调制技术一直是无线通信技术的重点技术，采用高维调制能够有效地提升用户的抗干扰能力同时使得借条能力得到加强。2.3网络切片网络切片(Networkslicing)基于SDN/NFV技术，实现多个端到端逻辑网络资源的分离和独立。网络切片的主要特点就是独立，也就是说每一个切片相互独立互不干扰，众所周知网络架构包含硬件设备以及不同的软件服务网络切片之中的接入网和核心网互相独立指的是其协议都是不同的；这样不同的协议将更好的服务于不同的业务使得各项业务的服务质量都能得到提升。不同的业务所需的服务质量不同，若为其分配同样的网络资源则会造成网络资源的浪费，在5G海量数据时代这是不可接收的。网络切片技术则很好地解决了这一问题，为差异化的服务灵活分配资源，达到资源利用的最大化。网络切片架构如图2-3所示，相较于传统的网络架构，网络切片开创性的增加了编排器、虚拟化管理等功能。对比传统网络架构，网络切片的关键特征有用户控制分离、虚拟化、隔离功能等。软件定义网络（SDN）为了实现控制网络流量的功能，将网络转发平面与控制平面进行了分离。软件定义网络重点在“软”字上，传统网络管理是在设备上进行，而软件定义网络则运用软件编程来对网络进行管理，主要是通过增加可编程接口来实现的。这种软件定义网络与之前的网络差异巨大，它能通过编程实现网络的控制与调用功能，非常的灵活方便将网络管理进行了简化使得网络管理更加便捷。软件定义网络可以说是网络切片技术的基础，基于软件定义网络技术才能将控制面与转发面完全分离。在网络切片与软件定义之间设立了接口，这样就能使得两者联系起来实现网络切片中的功能定义功能。图2-3切片概念架构网络功能虚拟化（NetworkFunctionVirtualization,NFV）传统的通信业务需要专用的硬件设备与软件设备进行结合实现，网络虚拟化功能可以使用虚拟平台来代替这些专业硬件与软件；它还能对软硬件功能解耦也就是将这些功能完全分离开，这样对网络资源的配置带来了极大便利同时部分功能可以通过软件实现不必需要硬件，而是在虚拟机上或者通用服务器上使用软件的形式实现这些以前需要硬件实现的功能，这种按需自动化配置提高了网络弹性和利用效率，利用NFV技术能够把硬件与软件实现分离。2.4边缘计算移动边缘计算（MEC）是将计算与储存能力等放置在网络边缘如基站或无线接入点。这样当用户需要服务的时候不需要连接至服务器而在网络边缘就能实现这些功能。MEC技术能有效地缓解网络压力，降低服务时延提升用户体验。（1）MEC系统介绍MEC体系参考架构,研究人员将MEC系统划分为三个层次分别为MEC系统层、MEC主机层和网络层如图2-4所示，MEC系统通常包括以下部分：在MEC系统层中,存在用户终端与第三方，主要功能就是使运营商等服务端为用户提供MEC应用。在MEC主机层中,存在移动边缘主机与移动边缘主机管理，基础化设施为移动边缘主机的基础，它能够实现最重要的计算储存能力。并且具有为接收到的数据进行选路转发的路由功能。在MEC网络层中，存在3GPP网络，、本地网络、外部网络，主要提供网络连接支持。图2-4MEC基本架构（2）边缘计算的优势：数据处理速度变快，边缘计算模型是一种全新的数据处理方式传统数据需要上传至服务器进行处理，传输过程时间长影响数据处理实时性，边缘计算省去了上传数据这一步骤，在网络边缘就能处理数据保障了低时延服务的服务质量。增强信息的安全性，得益于无线网络的普及，移动终端中产生的隐私数据量大大增加，很多用户会担心数据安全问题。边缘计算模型很好地解决了这一问题，不需上传至云端，而是就近的存储在附近接入点。消除了信息通过网络上传至云端过程中存在的被劫持风险，增强了数据安全性。第3章5G在输变电巡检中的应用3.15G关键技术应用于输变电巡检的需求分析4G通信技术的传输速率在1Gbit/s左右，随着5G技术的发展其网络传输速度达到10Gbit/s，这是5G网络对于4G的最明显变化，峰值传输速率是前一代的几十倍以上；超高的速率能使在用户层面的使用感受得到极大提升。第二点区别在于使用频段的不同，4G技术普遍使用3GHz以下的较低频段，而5G技术使用30GHz以上的高频段毫米波段，这样网络资源的提升能够极大地提升传输速率，搭配使用打过莫MIMO技术、波束成型技术等能将传输速率提高到极高水平同时保证传输质量。5G技术峰值可达20Gbit/s这样的超高带宽能为未来海量连接物联网技术提供技术支撑。5G技术的时延极低。4G技术的时延在10ms，而5G技术标准要求将时延降低为原来的十分之一即1ms。响应时间的大幅度缩短将为要求时延极低的业务提供技术条件。如远距离控制技术，无人机控制，新兴的汽车自动驾驶技术都需要时延极低来保证，这些业务是传统4G技术所无法实现的。边缘计算技术在电力系统中是一个非常关键的技术。如今的智能电网业务对于安全性与实时性要求较高，如在输变电巡检业务中图像与高清视频的处理需要较高的实时性以便于能够及时的发现系统故障进行及时的处理。边缘计算支持数据在网络边缘进行处理不必传输至核心网络，有效减轻网络负载减少数据处理的时间。所以可以说5G通信技术与电力行业结合边缘计算技术是非常关键的一环。3.2输变电无人机巡检方案1.输变电无人机巡检方案介绍无人机智能巡检技术指的是运用无人机飞行平台飞抵需要巡检处如塔杆与输电线路等等设备附近，通过搭载在无人机平台上的各种感知设备如高清摄像机、红外热成像仪等对设备进行状态感知，而后将取得的数据通过网络传输至后方平台进行分析处理，完成一处巡检后无人机操作员控制无人机飞行到下一处需检查地点。巡检作业使用的无人机类型主要有以下几种，不同类型无人机特点也不同，见表二无人机分类技术介绍无人直升机体积一般来说比较大、飞行控制难度高需要专业操作人员控制、飞行成本较高多旋翼无人机体积较小、飞行灵活、便于控制、起飞场地要求低、不能长时间飞行、搭载设备要求轻便小巧固定翼无人机体积中等、飞行速度快、巡航时间长、负载较大、起飞需要专业机场跑道、控制难度大复合翼无人机体积中等、飞行速度始终、能长时间飞行、起飞要求低、负载较大、成本高表二无人机技术分类技术简介在电力企业使用无人机进行巡检工作中无人机(UAV)只是一个装有具有状态感知设备的平台，用来检测输电线路的运行状态。而进行检查探测的各种技术模块需要搭载在无人机平台上发挥作用。常用的检测技术主要由以下几种，一使用可见光成像技术：可见光成像技术指利用高清摄像头相机等设备检查一些能够用肉眼分辨的故障或设备产生的变化，需要巡检人员进行人工识别，这种技术由于技术难度低已经广泛的在巡检工作中得到应用。二是紫外成像技术：紫外成像技术利用相关的成像设备进行检测，它能够检测电力设备中不容易被肉眼识别发生的电晕现象，但是紫外遥感设备普遍成本较高，这种技术在无人机巡检中没有得到大规模的使用。三是红外热成像技术：红外检测技术是指利用红外设备进行对目标的成像，它主要用于检测电力线缆等设备的异常发热现象。由于运用最广泛的技术还是可见光成像技术，在检测过程中，无人机利用摄像头等设备采集大量输电线路及相关电气设备的图像。鉴于当前的图像处理技术并不发达所以产生的这些大量图像数据需要巡检人员进行鉴别处理。此外，由于控制技术的不完善，无人机全自动巡检并不能运用到实际工作之中，而且巡检图像的识别还是依靠相关专业技术人员的。2.输变电无人机巡检存在的问题随着无人机技术的产生，这项技术收到了各个行业的广泛关注，尤其在需要实时监测的领域比如电力系统行业，或者安全防护等交通领域更是得到了广泛的应用。但是随着大规模的应用避免不了出现一系列的问题这些问题主要可以归结为以下几个方面：（1）无人机巡检主要通过相机进行拍摄图像而这些产生的图像需要非常专业的人员进行识别处理，人员识别非常繁琐不能大批量实时鉴别;（2）无人机巡检过程需要专业的无人机飞手进行飞行控制，巡检任务不能实现全自动。（3）由于通信技术的限制导致传输图像不清晰、无人机误碰高压线和坠机等现象。而基于5G技术的输变电巡检无人机能够解决上述一些问题，依靠5G技术的超高带宽低时延能大大提高图传能力，巡检无人机能够将巡检视频画面实时高清的传回控制中心，5G新型网络架构如网络切片技术边缘计算技术为无人机全自动巡检提供了技术支撑，将无人机全自动巡检变为可能。3.3基于5G无人机输变电巡检方案3.3.15G输变电无人机巡检平台系统架构输电线路无人机巡检平台系统架构如图3-1所示，主要分为四个层次，一是状态感知层，二是网络连接层，三是平台管理层，四是功能应用层。图3-1输电线路无人机巡检平台系统架构1）状态感知层。状态感知层主要用来感知采集设备状态信息，可通过无人机平台上安装的设备如光学变焦摄像头与全景直播仪采集图像信息，使用红外热成像仪采集红外信息等。2）网络连接层。无人机巡检航线由大量5G基站实现5G网络的全覆盖，这样无人机在巡检过程之中能始终处于一种5G网络通道之中巡检数据可通过超大带宽的网络传输数据。基站具有边缘计算能力可对采集信息进行预先处理分析。3）平台管理层。主要存在数据中心与业务中心，物联管理，设备管理等模块，其目的在于将采集信息进行分析处理，并将设备管理的其他业务结合起来成为共享服务，具有统一的技术标准与数据模型，为前端的应用创新提供支持。4）功能应用层。主要包含全自动巡检、VR虚拟巡检等应用功能。这一层次主要是在平台管理层的支撑下实现无人机巡检的功能建设。3.3.2输电线路无人机巡检平台功能设计基于5G技术与无人机巡检技术，提出了一种新型巡检平台。本平台主要包括七个模块，具有场景展示功能，状态管理功能，巡查线路管理功能，无人机状态管理功能，巡检信息管理功能等等。综合这些部分可以管理设备，管理线路，控制操作权限，控制无人机与实时监视无人机等等功能。与此同时首页能够展示无人机回传图像，采集的数据以及发出的故障警告和实时位置等信息。输电线路无人机巡检平台功能架构如图3-2所示。图3-2输电线路无人机巡检平台功能架构1）首页。首页的设计是为了人员能清晰的观看实时信息与巡检状态，此功能能够展示无人机拍摄的场景图像同时能将危险点直接一目了然的展示。另外能将设计规划完成的任务显示出来。最重要的是当线路出现故障的时候，屏幕上能立即发出警告增加巡检的实时性。此外还可以增加巡检任务与故障点的统计信息等。2）状态概览。状态概览模块主要包含各个类型的状态信息，比如输电线路的信息，输电塔杆位置信息，无人机目前状态信息，无人机平台上各种感知设备的信息，同时也能实时定位无人机飞行位置防止偏离预定巡检线路，同时还能提供线路地图的多图层展示，管理人员通过打开相应模块便能轻松查看这些具体信息。3）巡线管理。巡线管理主要功能为管理一些参数配置比如巡检线路的划定巡检时间的规划，同时能管理无人机平台搭载设备在不同需求自动更换设备，还具备自动配置巡检任务还能在巡检完成后全自动的产生巡检报告，此模块主要为工作人员提供查询功能，进入界面便可以查询到各种设备参数，无人机飞行的航迹，巡检任务等等信息。并且历史巡检记录也会存储在处理器中方便人员查询。4）无人机巡检。无人机巡检功能能够实现无人机的全自动巡检，无人机能够在预先设计好的程序后自动的起飞，自动的进行线路巡检。还能提供VR巡检功能，让远程人员有在现场巡检的沉浸感。最后还能实现巡检平台与其他智能设备的联动，更加高效的完成巡检任务。5）信息管理。信息管理功能主要包含无人机信息、搭载设备信息、电池信息、告警信息等。操作人员能通过查找这些关键词实现对无人机信息、设备信息等的查看功能。6）资产管理。资产管理模块包含线路管理、塔杆管理、无人机管理等。主要用来对电力系统的各种资产进行综合管理，这样能将所属企业的各项设备进行清晰明了的管理为后期维护工作提供极大地便利。7）系统管理。系统管理模块主要包含以下几个方面，比如巡检数据管理、整个系统的顶层设计、人员的权限管理等。能够方便人员对无人机巡检平台进行整体管理。3.3.3输变电巡检无人机功能应用（1）无人机全自动巡检5G通信技术与无人机的结合使得自动飞行与检查成为可能。无人机平台上搭载的状态感知模块包括5G通信模块、高倍摄像机和红外热成像仪、全景直播仪、供能电池等，配套的自动充能无人机机巢等设备。巡检装置与输电线路无人机巡检平台相结合，可以实现无人机全自动巡检。运检人员可以使用无人机巡检平台实现对无人机的远程人工操控，平台能自动记录无人机飞行航线与操作动作，全自动巡检内容也包括自动建立任务，平台根据大数据分析或系统设置自动建立巡检任务并下发给无人机，巡检任务一般包括需要巡检的线路或设备标识号、无人机飞行轨迹、设备具体经纬度、飞行时间规划等等。无人机接收到任务后按照巡检任务规划起飞进行自动的线路设备巡检将产生的报告传输至后台最终降落完成此次巡检任务。若需要巡检的线路过长无人机也可在线路中途的能量补充机巢进行能量补充以完成任务或采用多架无人机进行接力巡检。无人机的全自动巡检结构如图3-3所示。巡检过程中，主要分为三个方面，一是信息采集：信息采集主要采用无人机平台上搭载的感知设备如高清摄像头、红外线成像仪等设备进行图片与视频的拍摄工作。第二个方面为数据传输：依托于5G网络对于巡检线路的全覆盖，无人机平台上采集的信息可以快速传输至拥有计算能力的边缘节点进行处理。三是数据的处理边缘节点是具有计算能力的节点，它能够对无人机传输至此的数据，如图像数据进行智能分析识别出线路是否出现问题，而后能够将产生的结构报告给巡检平台，巡检平台根据这些信息产生任务巡检报告完成此次自动巡检任务。同时可以为无人机搭载不同设备实现不同任务，如搭载激光设备进行飞行，无人机也是执行上述三个步骤采集数据，传输数据，分析数据这样就能完成对输电线路地形的勘测。图3-3无人机全自动巡检架构（2）无人机VR巡检由于目前的视频识别技术仍不完善，识别的场景有限制，识别的准确率不够，巡检人员一般需要对图片或视频进行二次审核。为了提升输变电巡检效率，可以将虚拟现实技术应用于输变电巡检中，无人机飞行至需要巡检的线路附近进行悬停，其搭载的全景摄影机对现场进行监视而后方的无人机操作员则可以运用专门的设备如VR眼镜进行检测，依托于5G技术的超高带宽与超低时延，前端的无人机平台能够拍摄高清视频图像传输到后方人员处，巡检人员能依靠专业设备对输电线路等设备进行各个角度的细致观察，能够大大提高巡检的精确性。传统人工巡检需要人员走近现场去观察线路等设备，而VR巡检能够使人员在室内就能获得走近现场的巡检效果，不必再翻山越岭或步行很远去巡检，降低了人员劳动强度，同时节省了巡检过程消耗的大量金钱，也能保障人员的人身安全。VR巡检可以通过一键瞬进的方式进行实时检查，巡检的时效性也能得到保障。总结来说VR巡检操作上更加简单方便，沉浸感强体验更加真实，巡检更加实时迅捷。（3）无人机智能联动无人机智能联动技术是指多种感知设备与无人机平台结合，如输电塔杆配备有高清摄像头等状态检测设备，当摄像头观察到出现危险如线路上挂上了风筝塑料袋等异物将会对输电线路安全造成威胁。这时候系统便会开始工作首先将危险信号通过5G基站传输至巡检线路管理平台，管理平台接收之后会做出智能分析并且自动产生处置任务下达给无人机巡检平台。无人机巡检平台根据任务可以智能自动的更换无人机需要搭载的设备，携带好需要设备后便可升空快速飞到报警位置，而后依靠搭载设备如高能激光器对悬挂异物进行处置。若塔杆附近出现非法施工如在线杆附近取土，这种会导致倒杆断电等威胁输电线路安全的行为也会实行智能联动对于这种行为无人机可以携带扩音喇叭与摄像机进行作业，抵达现场后通过扩音器进行喊话驱离并且摄像机可以充当执法记录仪的功能对过程进行全程录像。无人机智能联动整体架构如图3-4所示。图3-4无人机智能联动整体架构第4章基于5G技术的输变电无人机巡检案例分析4.15G智能无人机在输变电领域应用实例以周成虎院士为核心的研究人员最新研制了一种5G无人机，命名为“云巢+5G网联无人机”并在广东投入运行。此种无人机系统依托5G技术，结合了先进的导航技术与自动驾驶技术为变电巡检开创了新的形式，以往的巡检工作效率低下并且难以对高空设备进行有效检查，存在巡检的盲区。5G无人机可以在高空低空实现精准无死角巡查，使工作人员的强度大大降低，有效地保障了电网运行的稳定和安全。此外，在安徽铜陵，企业依托5G技术与无人机巡检技术的实现了一种全新的巡检方式。该技术主要依靠5G网络特点，同时创新的增加了使用雷达系统，这种技术以往运用在大型飞机上。这样多种感知设备相结合使得对塔杆的检查能更加的快速精准。能够在后台通过计算生成自动化巡检的线路。同时利用其搭载的状态感知设备监测温度异常、线路表面结冰程度、特殊天气下如大风时间线路摆动幅度、线路周边障碍物如树木的影响情况。能够将这些信息同一输出给后台工作人员。新型5G+无人机的应用解放了人力，同时将巡检效率提高了原来的十倍。图巡检人员依托5G+无人机进行电力巡检宁夏银川的丰登变电站是一座110千伏的变电站，该变电站建立成一个多站融合的能源互联网综合站点。该变电站配置了拥有最新科技水平的5G基站实现了5G网络的全覆盖，同时依靠北斗技术建立起北斗地基增强站，增强了导航定位等功能。同时利用5G无人机借助5G网络以及北斗定位系统实现了无需人工控制的自动巡线工作。以前需要定时对装置进行拍照检查，现在无人机能进行自动化的巡检，并能将巡检结果生成报告回传到控制中心，依托5G技术的超高带宽与超低时延回传的画面清晰稳定，能让巡检人员对设备状态观察更加清晰，故障点能立即被发现。依靠北斗精准定位还能实现跨城市无人机的巡检。让巡检工作变得更加省时、省力、高效。4.2智能巡检存在的关键问题（1）图像数据处理无人机巡线过程中会产生大量的数据，其中的图像数据占据了很大的部分。而图像数据可以分成两种，一是激光雷达点云数据：这种数据通过机载雷达发射与反射接收得来，处理上已经基本通过软件智能处理，很少需要人工干预。二是光学影像数据：目前的光学影像智能处理技术还不是很成熟，还处在研究阶段。在智能化高度发展的今天，互联网+技术运用到了各个行业各个领域，而5G设备的快速铺设给5G+技术奠定了良好的基础。目前如何将5G技术运用到电力行业中去是世界各国电力研究者的难题，而其中最有实际意义的就是利用5G无人机来巡检电力线路，其主要原理就是利用5G传输的大带宽、低时延和广连接等特点，将无人机捕捉到的图像实时传输到计算机中，通过高性能处理器将图像信息转化成数字信息，然后再根据深度学习进行判断电路是否存在故障，存在哪些故障。与传统的摄像头捕获图像判断是否故障的研究方向的原理有所不同，传统的图像判断方式往往是由编程人员输入特定的故障特征，然后利用图像相似率进行比对，这样造成的缺点一是摄像头检查范围太少，一条线路需要安装多个摄像头，投入过大；二是利用图像比对的方法太过死板，容易出现故障判断错误或者出现未设定的故障，导致检查的效率和成功率较低。而5G无人机巡检可以完美的解决上述问题，首先随着计算机技术的高速发展，超级计算机的处理速度远远高于需求；其次基于大数据的神经网络算法可以自我学习，自我进化，在大数据的加持之下判断的正确率和判断速度可以实现飞跃式发展。（2）无人机续航目前制约5G无人机进行线路巡检的主要问题和技术难点和电动汽车一样，都是集中在电池材料的发展上，传统的无人机电池一般采用锂电池，这是目前适用范围最广泛，最稳定，性价比最高的选择。但是其问题在于储能密度太小，各个厂商的无人机单电池续航一般都在一小时之下，而且这还是不进行高速5G数据传输的情况下，如果盲目加大电池容量，重量反而会使得续航更低，因此在电池材料没有出现重大突破进展之前，我们只能采取别的办法。比如在无人机的每个续航半径处安装充电设备，并且放置多个无人机进行交替巡检可以最大程度提高效率，但这样投资成本也会变高，人工维护成本也会变大。目前主要有固定机巢与移动机巢两种解决方案：固定式机巢不需要大量的人工维护，这种方式更加符合未来的发展方向，应用前景非常的广阔。然而，如何将固定式机巢完美的设置在输电线路中且不会影响到其他的设施，还需要研究人员进行大量的研究实验。除此之外可以模仿军事领域的空中加油技术实现无人机在空中的补充能量，研究专门用于给无人机供电的无人机实现无人机的动态充能这项技术还有待于专业人员的研究与思考。目前应用于手机端的无线充电技术有着巨大的发展，无人机巡检技术是否能够利用无线充电技术对巡检无人机进行动态充能，如在输电线路顶端部署无线充电设施当无人机电量不足时与距离最近的充电设备联系配对产生充电关系完成电量的补充而无需接触操作大大增加了无人机巡检的效率与安全性。（3）无人机巡检方法和规程由于上述提到的各种问题，5G无人机还并不能实际运用到输变电巡检之中，因此相关部门也并未针对此项技术做出必要的技术规范。传统的输变电巡检过程中可将巡检的内容划分为三个大部分：一线路本体部分，二电力附属设备部分，三电力保护区部分。在无人机巡检进行时，需要进行操作的步骤有很多，首先要进行专业人员的配备，而后进行无人机设备的检查准备工作，准备完全之后便可以进行无人机巡检工作，最后工作人员需要对回传的视频与图像数据进行处理。提出一种标准、规范的输电线路无人机智能巡检方法和规程是应用输电线路无人机智能巡检技术的关键一步，其相关研究可与上述其他三个关键问题的研究同步进行。4.3输变电智能巡检未来发展展望（1）巡检设备的全自动化运行在目前智能巡检体系中，巡检过程还需要人员进行辅助操作，不能实现全自动巡检。在未来将如无人机巡检技术中，建立完整的自动化巡检逻辑定时自动起飞进行检查，将无人机机巢部署在各个节点，实现无人机的长续航。数据则传输至具有边缘计算能力的基站等节点，自动进行分析处理，并能根据分析结果自主下达检修方案。（2）运用大数据分析智能诊断当前各个行业都在运用大数据分析来促进产业发展，电力巡检业务应与大数据进行结合。运用大数据分析技术，融合巡检过程回传的大量视频图像等各种数据，建立起一套动态分析模型，智能研究判断是否存在问题。使电力人员在进行巡检或检修时能整体掌握线路设备的状态，提高设备状态诊断的自动化水平。（3）提升对环境监测水平外部环境对输变电设备的影响十分重大，如雷电、大风、冰雪等自然灾害。要建立起一套能对各种环境精准监测的系统。利用各种监测技术结合大数据分析进行灾害的预警，并分析其对输变电线路可能造成的灾害。结合人工智能技术自动制定预防方案。（4）建立立体巡检体系在目前的输变电巡检工作中已经运用了各种智能巡检设备，但是这些技术的巡检还是处在隔离的状态，分别进行巡检工作。在将来巡检中应将智能机器人，无人机，直升机巡检技术有机结合在一起，构建一个全方位、多角度、立体化的巡检体系。将智能巡检水平提升到一个新的高度。（5）提升不停电检修技术在当前检修技术下，部分设备需要进行停电检修，这样对停止供电地区会造成很大的影响。未来应加强探索不停电检测维修技术，在不需停止供电的情况下就能完成对设备的状态的感知与检测，减少设备停止供电的时间，这样对社会生活与社会经济发展有极大地好处。总结近年来，随着社会的进步和科技的发展，社会对于清洁能源电能的使用逐步扩大消耗的电能逐渐增加。人们对于电力资源的依赖也进一步加深，所以保障人民群众的用电便成为了非常重要的一项工作。电力企业往往依赖大量人员对输电线路进行实地的检查巡查效率非常低下，随着科学技术的发展无人机技术与5G技术的结合将为输变电巡检提供新的方式将巡检的智能化自动化提升到一个新的水平。本文针对5G技术在输变电巡检系统中的应用展开研究，只要完成的工作包括如下几个方面：1. 研究输变电巡检对于电力系统的重要意义，并了解输变电巡检国内外的发展历史与未来方向。回顾5G技术发展历史与研究现状。2. 研究了5G移动通信的几个关键技术如网络架构，空口技术，网络切片技术和移动边缘计算技术，并对这些技术应用于电力系统巡检进行了思考。3. 对当前智能巡检技术之一的无人机巡检技术现状进行了探讨指出其存在的问题。而后提出一种基于5G技术的智能无人机巡检方案，并对其能实现的功能进行了介绍。4. 结合具体事例展示5G无人机的巨大优势，并且探讨了目前智能巡检系统还存在的几个关键问题。在本文中，对5G关键技术与5G巡检无人机上进行了研究，由于作者理论及实践水平有限，在诸多方面研究的不是很深入彻底，有许多的不足之处。敬请各位老师提出批评和指正，谢谢！参考文献[1]刘大畅,丁浩,曾晶.5G核心网网络架构及关键技术分析[J].中国新通信,2021,23(01):81-82.[2]周宏成.5G无线接入网络架构设计[J].电子科学技术,2017,04(05):102-105.[3]陈向明.5G移动通信系统的接入网络架构探析[J].中国新通信,2019,21(14):29.[4]苏彦熙.大规模MIMO无线通信关键技术[J].信息通信,2019(8):182-183.DOI:10.3969/j.issn.1673-1131.2019.08.080.[5]崔李宾.探析MIMO无线传输技术[J].数字化用户,2019,25(26):12.[6]杨一夫,武刚,李欣然,等.面向后5G的非正交多址技术综述[J].无线电通信技术,2020,46(1):26-34.DOI:10.3969/j.issn.1003-