基于無人機的超高壓智能測試系統設計與應用

賀 坤，李 琦，翟洪達，趙 偉，王維宇，程登永，田小波

(中國南方電網有限責任公司 超高壓輸電公司天生橋局，貴州 興義 562400)

0 引言

在電力行業日常高壓及超高壓輸電線路停電檢修時，需要對被檢修線路檢測測試是否正確停電還是帶有電壓，以保證作業人員安全。傳統的驗電方式為作業人員攜帶驗電裝置登塔后使用絕緣驗電器對線路進行驗電，驗電裝置的絕緣性能及登高作業驗電都存在一定的風險性，且登塔需要大量時間，影響檢修效率[1]。電力行業目前迫切需要一種能夠不需要人員登高就能安全高效檢測的高空高壓電測試技術，來彌補這一缺陷。

針對上述問題，本文基于多旋翼無人機平臺，提出了一種新型的天地一體化高可靠高壓驗電智能技術方案，主要用于±800 kV及以下架空輸電線路驗電作業項目中，通過無人機攜帶絕緣繩索和驗電器，無線操作，工作人員不直接接觸驗電器，由驗電器直接進行驗電，安全可靠，通過端到端無線鏈路及軟件實時解算，在地面即可快速查看電路測試結果，實現天地一體化智能測試，同時由于機載升級的驗電器體積小、質量輕，更方便使用，不僅減輕工作人員的勞動強度，可提高了電氣工作效率和安全水平。同時本文的基礎理論研究成果也適用于未來無人機帶電維護維修作業工作，將大大提升架空輸電線路檢修作業效率和安全性，降低檢修作業成本。

1 系統設計

超高壓智能測試系統主要包括天空端及地面端兩大部分：天空端為搭載驗電機構的無人機飛行平臺，滿足絕緣性能、防電磁干擾性能、以及驗電功能等要求；地面端為驗電功能配套地面站系統，具備驗電結果評判、驗電操作功能輔助(圖傳、測距等)、驗電結果顯示、無人機基本操作等功能。

1.1 天空端系統介紹

天空端由無人機平臺、驗電裝置升降機構、聯合驗電裝置組成，如圖1所示。

圖1 天空端系統組成

無人機未起飛前，驗電裝置通過絕緣繩懸掛在無人機底部，繩子處于收緊狀態，保證飛機在飛行過程中，驗電器處于不可晃動狀態，避免在飛行過程中無人機受驗電裝置擺動的影響[2]。無人機起飛后，先目視飛至待測高壓線附近，然后依靠飛機機腹部的變焦攝像機以及機身上的FPV(first person view，第一人稱視角)相機進行輔助飛行，飛至高壓線上方，將變焦相機垂直向下觀察，從顯示器上觀察是否飛機與高壓線對齊，對齊后無人機開始下降，觀察顯示器上飛行器測得與高壓線之間的距離，下降至距離高壓線的安全高度，無人機通過電機帶動絕緣繩下放驗電裝置，觀察顯示屏，驗電端與高壓線接觸后停止放線，驗電端為圓弧金屬導體，依靠自身重力壓在高壓線上，保證接觸可靠性，完成驗電端與高壓線接觸。

強電磁環境可以干擾無人機磁羅盤等傳感器的正常工作，導致無人機定位、懸停出現問題，增加操作難度甚至發生危險，綜合考慮強電磁環境，無人機平臺采用有實時動態載波相位差分技術的大疆M300平臺。雙點實時動態載波相位差分技術可以利用定位數據判斷飛機方向等，增加定位精度和懸停能力，為精準驗電操作提供平臺支持[3]。M300平臺本身具備較強的抗電磁干擾性能，可以保證在高電壓環境下正常穩定工作。

M300無人機平臺是米級無人機平臺，對向軸距為0.895 m，在近導線工作時，遠端機臂與近端機臂所在位置的電位差可能達到數十千伏，如此大的電位差會在無人機內部動力電線和控制電線上感應出較強電流，需要在保證無人機傳感器、通訊系統正常工作的前提下，對無人機平臺進行電磁屏蔽性能加強，具體使用導電漆、金屬片等對無人機平臺整體結構進行屏蔽，保證機身表面阻值小于10 Ω，有效對內部控制系統進行保護。

升降機通過M300下發指令，使用大疆2008減速電機，最大轉速500 rpm，最大持續功率44 W，可在10秒內完成驗電端的收放。最大轉矩為1 Nm，通過1:3的同步帶，將扭矩放大至3 NM。驗電裝置與無人機平臺使用快拆鏈接，驗電部分與機體絕緣隔離，整個裝置使用ABS工程塑料以及玻璃纖維，保證一定的絕緣強度和足夠的剛性[4]。

圖2 驗電裝置升降機構示意圖

機載驗電裝置采用電容式驗電器，根據不同電壓等級采用不同的驗電裝置，通過啟動電壓不同，保證驗電器不會跨級誤報。驗電器考慮交流35 kV、110 kV、220 kV、500 kV以及直流±500 kV、±800 kV電壓等級。同時根據不同電壓等級合理配置驗電器的絕緣性能。

1.2 地面端系統介紹

地面端由驗電信號接收裝置、驗電數據處理軟件、無人機操控軟件組成。操作M300無人機時使用懸停下降時操作，操作無人機接近導線，同時觀察驗電測試結果，如果超限則判明導線帶電，不進行下一步驗電。在通過圖傳操控無人機到達導線正上方，根據測距結果將無人機緩慢下降至規定距離，觀察圖傳看接觸頭是否與導線可靠接觸，此時讀取驗電結果，綜合判明是否帶電，依次完成三相/兩極驗電，證明導線確已停電。

M300無人機搭載驗電器進行不同等級的高壓驗電。首先由驗電器對導線電壓情況進行測量，輸出電壓值，然后數據采集器通過AD(analog-to-digital，模擬數字電壓轉化器)對電壓值進行數字采樣，同時將電壓值轉換為TCP(transmission control protocol，傳輸控制協議)數據格式，通過PSDK(payload software development kit，有效載荷軟件開發工具包)接口將數據傳輸至網絡服務器，由網絡服務器負責打包傳遞數據。M300遙控器通過MSDK(mobile software development kit，移動端軟件開發工具包)對網絡服務器發送數據進行解析通信，最終將驗電結果顯示到M300遙控器地面軟件中，具體流程如圖3所示。

圖3 地面端工作示意圖

空中驗電與地面驗電不同，地面驗電需要考慮相電壓，即單相對地電壓，驗電器操作桿的絕緣性能需要保證能承受整個相電壓的情況下不被擊穿。在空中驗電實質上是中間電位驗電，根據導線附近電場場強仿真分布可知，導線至地面場強分布并不均勻，絕緣性能要考慮飛行平臺懸停操作點與導線之間電勢差。懸停操作點距離導線越遠，受電磁干擾越小，電勢差越大，所需要的絕緣性能也就越大，但絕緣部分的尺寸也會相應加大，重量會增加，可操作性也會變差。所以在無人機平臺上驗電，絕緣距離需要綜合考慮導線與無人機之間電勢差、絕緣裝置絕緣性能與長度、裝置的可操作性、無人機受電磁干擾強度、輸電線路空間結構尺寸等因素。根據仿真計算，采用蠶絲絕緣繩的條件下，220 kV驗電裝置絕緣距離約為1.2 m，800 kV絕緣距離應為2.9 m[5]。當采用其他絕緣材料和不同電壓等級時，需要根據進一步研究具體確定最佳尺寸。

表1 不同電壓等級安全作業距離仿真數據

根據電力行業規定要求，驗電需要兩種非同源或同樣原理的方法均驗明無電后，方可確認停電，其中方法包括觀察斷開點、停電光牌、聲光驗電等多種。考慮無人機平臺在空中驗電的條件限制，在接觸式聲光驗電方法外，增加場強驗電。通過機載場強測試裝置，測試導線空間場強分布。空間場強測試考慮單回三角型排布、水平排布、垂直排布線路，以及同塔雙回雙三角型排布、垂直排布、桶形排布等方式，考慮殘余電荷、在一回停電一回帶電等極端情況下停電場強的閾值[6]。不同電壓等級與不同排布形式的驗電閾值需要根據進一步研究確定。不同驗電數據在地面站中集中顯示，并結合仿真研究結果，綜合判別驗電結果，最終在地面端上顯示驗電結果。

2 系統創新點

2.1 高效的天體一體化通信解決方案

驗電裝置與驗電對象接觸時驗電裝置能夠通過接觸不同電壓等級的導線，回傳驗電數據至無人機，并通過機載數傳鏈路將數據回傳至地面站進行分析和驗電判別。當檢測電壓超過啟動電壓后，通過光電轉換或近場無線通訊將電信號傳輸到地面端，具體流程如圖4所示。

圖4 天地一體化通信解決方案

TCP是一種面向連接的、可靠的、基于字節流的通信協議，數據在傳輸前要建立連接，傳輸完畢后還要斷開連接，客戶端在收發數據前要使用 connect()函數和服務器建立連接。建立連接的目的是保證IP地址、端口、物理鏈路等正確無誤，為數據的傳輸開辟通道[7]。

通過采用可調式搭載絕緣桿設計，可根據電壓等級的不同來進行調試絕緣桿的長度，配備有交流35 kV、110 kV、220 kV、500 kV及直流正負500 kV、800 kV的驗電裝置終端，可根據需要進行快拆更換[8]，結構圖如圖5所示。

圖5 無人機機臂鏈路控制圖

驗電裝置將驗電器輸出采集5 V電壓，通過AD采集模塊采集電壓值，將通過內部電平跳變，實現0和1的接收，當驗電有電時，采集模塊采集有效數據為1，當驗電無電時，采集模塊采集有效數據為0，通過接收無線串口服務器(TCP協議)數據來進行解析，無線串口服務器將數據發送到控制板上進行數據中轉，控制板通過機載OSDK與M300無人機進行通信，將數據通過MSDK進行數據傳輸及顯示到M300遙控器上，最終通過地面接收系統來顯示驗電器有無帶電情況，實現作業人員僅需通過無人機遙控器，即可查看驗電結果，極大提升作業效率。

系統采用高可靠、工業級無線串口路由器設計，內置高性能通信模塊，可靠組網+穩定通信，信號靈敏度更高，具體指標如表2所示。

表2 通信鏈路性能指標

2.2 雙重驗電方式模塊化集成以及更高可靠性

雙重驗電分為接觸式驗電和非接觸式驗電兩種：接觸式驗電器具有檢驗導體是否帶電的作用，只要將需檢驗的導體與其金屬探針接觸在一起，或是用導線將二者相連在一起，就能知道導體是否帶電了。若是驗電器金箔張開，則表示此導體是帶電的；非接觸式驗電不直接與高壓線接觸，利用高壓線附近的電場來檢驗高壓線路是否帶電，通過非接觸式感應，通過指示燈發出有電無電信息，將有電和無電的信號輸出進行采集[9]。

本系統的驗電器方案顛覆傳統觀念一對一的作業模式，實現一個裝置可以解決不同電壓等級的驗電功能，可根據需要對不同電壓等級驗電端進行快拆更換。設計與絕緣桿部分的快拆裝置，并把驗電數據回傳至地面端后，對數據的判斷和記錄方法，以證明導線確無電壓，具體示意圖如圖6。

圖6 驗電裝置整體示意圖

其中測電元器件、模塊放置在驗電裝置盒(鋁鎂合金)內部，通過金屬導電形成等電位來保護盒內裝置，測量不同電壓等級內部測電模塊不同，通過更換測電接頭來實現不同電壓的測量。測電裝置通過導電接觸架接觸到電纜，導電接觸架與導線接觸面需要考慮不同線徑的導線，采用凹槽結構，按照最大950 mm2截面導線制作凹槽，保證150～800 mm2截面導線都可有效接觸，觸頭材料選擇導電性良好的鋁鎂合金材料。

金屬驗電盒采用鋁鎂合金板材折彎所制成(如圖7所示)，鋁鎂合金具有優良的導電性能，電阻小的優點。保護盒分為兩個部分：盒身、盒蓋，盒身與盒蓋之間不常開部分采用彎鉤鉚合結構、螺栓固定，常開部分采用合葉連接旋轉、牛角扣鎖死，形成方便打開的結構，以便更換盒內的測電模塊。

圖7 金屬驗電盒半開/全開示意圖

金屬保護盒內部布局如圖8所示，分別放置1個工業級WiFi模塊，1個信號采集器，1個檢測裝置快拆模塊，一塊電池，外部放置非接觸式驗電器。以上WiFi模塊、中央控制器模塊使用尼龍六角柱懸空支撐，以起到絕緣防護的作用。測電模塊采用快拆結構，使用銅導電接觸片與測電模塊測電端卡死接觸，利用彈簧對測電模塊起到固定作用。

圖8 測電模塊及元器件位置示意圖

3 實驗結果與分析

根據設計出的無人機驗電系統，委托具有資質的廠家進行生產，在貴州省黔西南布依族苗族自治州興義市進行實際使用，未出現任何故障，也沒有發生誤報信號的問題，實踐結果證明，各項功能的可靠性與準確性均達到了設計預期要求。相對傳統人工驗電方式，基于無人機的超高壓智能測試系統在驗電效率、驗電安全性等方面均有顯著提升，具體如下：

驗電效率方面：以110 kV線路停電檢修為例，傳統人工登塔作業方式，驗電作業共需3人(地勤作業人員、高空作業人員、安全監護人各1名)，平均作業時長為0.5小時，平均作業工時為1.5人/小時[10]；使用本系統共需2人(無人機駕駛員、安全監護人各1名)，平均作業時長為0.2小時，平均作業工時為0.4人/小時，工作效率顯著提高，平均作業時長指標提升60%，平均作業工時指標提升73.3%。

驗電安全性方面：傳統輸電線路的驗電工作需要作業人員登塔來完成，面臨高空墜落和人身觸電等風險，所需工器具有高壓驗電器、絕緣手套以及個人防護用品，由于設備老化等因素，驗電裝置的絕緣性能及登高作業驗電都存在一定風險；依托無人機平臺搭載實現空中高壓驗電檢測，無需人員登高作業，降低了作業的危險性。

4 結束語

本文提出的無人機驗電系統，可使得工作人員在驗電工作中不用進行登高作業，同時工作人員也沒有碰觸裸露導線的危險，縮短了驗電過程中的停電時間，根據測試應用數據分析，有效解決了高壓輸電線路驗電測試的功效低、耗時長、風險高等技術問題，大大提升了配電線路驗電工作效率，同時也提高了供電可靠性和用戶對供電部門的滿意度。