特高壓輸電線路巡檢無人機安全技術探討

孫 陽，李 魯，王 蔚，呂勃翰

（1.國網山東省電力公司檢修公司，濟南 250118；2.華北電力大學電氣與電力工程學院，北京 102206）

特高壓輸電線路巡檢無人機安全技術探討

孫 陽1，李 魯1，王 蔚1，呂勃翰2

（1.國網山東省電力公司檢修公司，濟南 250118；2.華北電力大學電氣與電力工程學院，北京 102206）

近年來特高壓輸電工程的逐步建成，對無人機巡檢作業提出了更高的安全要求。分析特高壓線路無人機巡檢作業中的安全隱患，從無人機系統電磁干擾防護、多余度飛行控制系統、基于毫米波雷達的無人機避障技術三方面出發，對電力巡檢無人機安全技術的原理、構思及實現方式進行討論。

電磁干擾防護；多余度飛控系統；避障技術

0 引言

隨著我國經濟高速發展及能源結構轉型，以特高壓為重點的跨區域輸電工程建設全面展開。這是保障國家能源安全、提高能源效率、服務清潔能源發展、促進生態文明建設的重要選擇，可有效提升我國長距離、大容量能源轉移的能力，對轉變經濟發展方式、調整能源結構將產生深遠影響。

輸電線路巡檢是及時發現并消除隱患確保線路安全、可靠運行的必要基礎性工作。在長期的輸電線路運行維護工作中，總結出多種巡檢方法。除傳統人工巡檢外，還積極將新技術應用于線路巡檢，其中無人機巡檢是近年來大范圍推廣應用的一項技術，在提高巡檢質量及效率方面取得顯著成效。

然而相較高壓、超高壓輸電線路，特高壓輸電線路的結構及運行參數更高，同時也對無人機巡檢作業提出了更高的安全要求。電力巡檢多旋翼無人機的作業區域主要為環境復雜的低空領域，存在交叉跨越線路、道路橋梁、建筑物及樹木等有形障礙，同時會受到線路產生的強電磁場、通信基站無線電信號等無形干擾［1］。若不能處理好無人機與輸電線路及周邊環境的關系，輕則無人機故障墜毀，重則造成人身及電網安全事故，導致大規模停電。因此，研究特高壓輸電線路多旋翼無人機巡檢安全技術具有重要意義。

1 巡檢安全隱患分析

目前多旋翼無人機巡檢作業的主要方式為在線路附近空中懸停，通過其搭載的照相機對巡檢目標拍照。為保證巡檢質量，無人機作業時需與帶電導線保持較近的距離。因此，無人機巡檢作業中面臨的安全隱患主要有電磁場干擾和誤撞障礙物。特高壓輸電線路在其周圍產生強電磁場，干擾無人機飛控、測量模塊等電路元件，甚至致其損壞，導致無人機失控。無人機作業時與線路保持近距離，且由于特高壓線路為電網中結構高度最高的線路，在線路通道中存在大量與其他線路交叉跨越的情況，大幅增加無人機碰撞鐵塔或導地線的風險。

針對電磁場干擾，主要應對手段為電磁干擾防護和多余度飛控系統。電磁干擾防護是指無人機加裝電磁屏蔽外殼及對內部電路進行優化處理，抑制輸電線路電磁場對內部電路元件的干擾，有效降低外部因素影響。多余度飛控系統，指多套飛控系統同時運作、互為備用，降低了飛控系統受電磁干擾誤動作的概率，有效提高自身抗干擾能力。

針對誤撞障礙物，主要應對手段為雷達測距避障及視覺定位避障技術，即通過雷達測距或視覺定位等手段確定無人機周圍障礙物位置及相對速度等信息并反饋給飛控系統，由其做出判斷并控制無人機實現避障［2］。

2 無人機系統電磁干擾防護技術

無人機電源及信號回路如圖1所示，電磁干擾主要由3個要素造成，即干擾源、干擾途徑及被干擾設備。通過對電力巡檢無人機的工作環境分析可知，特高壓輸電線路的導線周圍分布著強電磁場，其發射出的強電磁波為主要干擾源。無人機系統中易受干擾的電子設備主要有飛行控制系統、各類測量模塊（IMU、GPS定位儀、氣壓計、磁羅盤等）及信號接收機等，受電磁干擾后將對飛行安全造成極大隱患，因此主要考慮對這些設備的電磁防護。

圖1 無人機電源及信號回路

電力巡檢無人機系統受到干擾的途徑有輻射耦合和傳導耦合兩種：輻射耦合是指電磁波通過無人機機體及設備外殼上的通風散熱窗、線路接口及連接處縫隙等進入機艙內部，或機載電子設備相互間的電磁耦合，對電子設備及線路造成干擾；傳導耦合是指電磁波在機載天線或外部線路等其他設備中產生感應電流并沿電源及信號回路傳導，導致關鍵設備發生邏輯錯誤甚至造成硬件損傷。根據上述干擾途徑，在電力巡檢無人機上主要采取屏蔽和濾波方式進行防護。

2.1 屏蔽

電磁屏蔽是指通過切斷輻射耦合途徑抑制電磁場對關鍵設備的干擾，實質是將關鍵設備用屏蔽體包圍起來，使耦合電磁波通過反射和吸收被衰減。屏蔽干擾源是最直接的防護方式，但實際設計中無法做到完全屏蔽。通過分析常見的電力巡檢無人機，主要從3個方面進行電磁屏蔽防護。

1）機身面板、設備外殼等處的接縫、孔洞對于接縫最理想的方式是將其焊接起來，但為保證無人機設備的可拆裝性，這種做法是不現實的。因此考慮在接縫處使用屏蔽墊，常用的屏蔽墊有：金屬絲網墊；導電布墊；硬度較低易于塑性變形的軟金屬（銅，鋁等），如圖2所示。

圖2 電磁屏蔽墊

設備出于散熱、接線的需要在外殼上留有孔洞，對于這些部位采取的主要措施為將原有面板或外殼改為穿孔金屬板，即在金屬板上打出供線路通過或通風散熱用的孔陣，以減少外殼上的孔洞面積［3］。

2）電子設備及線路加裝屏蔽層。電子設備及線路為電磁輻射耦合的主要對象，對其采取的屏蔽措施主要為加裝屏蔽層：對于飛行控制系統、測量元件等電子設備，可采用錫箔紙整體包覆的方式；信號回路可采用雙屏蔽的雙絞線，即不同的模擬信號線應該獨立走線，有各自的屏蔽層，且走線應盡量短，以減少線間的耦合；電源回路可采用屏蔽線，屏蔽層的電導至少為每相導線芯電導的1／10，且屏蔽層應可靠接地。如圖3所示。

圖3 電子設備及線路屏蔽層

3）系統布局。通過改善系統布局可有效降低關鍵設備受到的電磁干擾，主要遵循以下原則。

關鍵設備盡量遠離機身干擾源。飛行控制系統、測量元件是飛行安全的核心，應使其遠離電調、電機線路等大電流設備及接縫、孔洞等外界干擾源，也可對機體內空間進行分割隔離，降低設備間的電磁干擾。機載電調不同距離處場強對比如圖4所示。

圖4 機載電調不同距離處場強對比

合理布線改善電磁干擾。大電流線路應獨立于其他線路走線，同時應避免與其他電線長距離平行走線，以減少輸出電壓快速變化而產生的電磁干擾。電源回路與信號回路交叉時，應使其按 90°角交叉，同時必須用合適的扎帶固定到安裝板上。當有線路經過孔縫時，應盡量使線路沿孔縫方向或平行孔縫布線，避免跨越孔縫，以免孔縫在線路電場作用下發生天線效應，向外輻射干擾對周圍設備產生電磁干擾。

2.2 濾波

濾波是指將傳導耦合中的電磁干擾能量濾除，并維持線路中工作電平的技術。針對從天線部分耦合進來的能量，可以在天線等外部接口處使用帶通濾波器，并對接收信號進行濾波匹配；對于從外部線路耦合進來的能量，可采用電源濾波器。常用的電磁干擾濾波器為鐵氧體磁環濾波器。

鐵氧體磁環可視為一個阻值隨頻率變化的電阻。根據電磁波頻率特點可以選用鎳鋅鐵氧體或錳鋅鐵氧體，前者的高頻特性優于后者。鐵氧體的磁導率越高，其低頻時的阻抗越大，高頻時的阻抗越小。所以，在抑制高頻干擾時，宜選用鎳鋅鐵氧體；反之則用錳鋅鐵氧體。也可在同一束線路上同時套上錳鋅和鎳鋅鐵氧體，這樣可以抑制的干擾頻段較寬。磁環的內外徑差值越大、縱向高度越大，其阻抗也就越大，但磁環內徑一定要緊包線路，避免漏磁。磁環的安裝位置應盡量靠近干擾源或接口處。PWM信號線加裝鐵氧體磁環如圖5所示。

圖5 PWM信號線加裝鐵氧體磁環

3 多余度無人機飛行控制系統

無人機飛行控制系統的穩定性及可靠性是決定無人機飛行安全的關鍵因素。多余度飛行控制系統即多套系統同時運轉、互為備用，大幅降低單一系統故障時導致飛行事故的概率。以雙余度為例介紹飛控系統的系統構架及工作原理，雙余度飛控系統架構如圖6所示。

圖6 雙余度飛控系統架構

雙余度飛控系統由兩套相互獨立的傳感器、飛控計算機及一個表決模塊組成，兩套飛行數據傳感器及飛控系統采用雙余度熱備份模式［4］。傳感器A、傳感器B同時工作，采集決定飛行控制的同源數據（包含GPS坐標、加速度、姿態角、氣壓高度及磁航向等），并輸出到各飛控計算機的數據接口。飛控數據接口各通道先后接收到來自傳感器A、B的輸入數據后，在CPU中進行分析對比，經過控制律程序選出合適的數據，作為依據運算得到輸出給各控制終端的輸出數據。兩套飛控的輸出數據匯入表決模塊，通過控制律程序最終決定由其中一套飛控系統的輸出值作為整套系統的最終輸出。雙余度飛控系統的工作流程如圖7所示。

圖7 雙余度飛控系統的工作流程

目前，國內無人機多余度飛控系統主要采用二余度及三余度，如圖8所示，少數國外無人機也有采用更高余度的設計方案，但飛控系統的余度設計并非越高越好。隨著余度數增多，相應的檢測、判斷和轉換模塊也增多，這將一定程度降低系統可靠性。故飛控系統應確保多余度設計所提高的可靠性及安全性不會被其所增加配套裝置的重量、體積及故障率所抵消。

圖8 常見多余度飛控系統

4 基于毫米波雷達測距的無人機避障技術

電力巡檢無人機作業環境復雜，為避免無人機飛行中碰撞障礙物或線路，確保飛行安全，必須要考慮無人機自動檢測障礙物并避讓的技術。目前，電力巡檢無人機避障技術主要有兩個發展方向，分別是基于雷達測距及基于視覺定位的無人機避障技術。

無論是基于雷達測距，是基于視覺定位的避障技術，都是通過機載雷達或視覺定位裝置對無人機周圍進行掃描探測，得到無人機與障礙物的相對位置及速度等數據，并發送到飛控系統，經避障程序處理得到避障解決方案，并控制無人機做出響應。目前，視覺定位技術應用剛起步，尚不成熟，且對于輸電線路的導地線等纖細物體，不能有效識別；激光雷達避障技術在各領域的大型無人機上已取得較為成熟的應用效果，但由于激光雷達重量、體積大，難以應用于電力巡檢的中小型無人機上。針對這一問題，采用基于毫米波雷達測距的無人機避障技術。

毫米波雷達在電力巡檢無人機避障測距應用中的優勢主要體現在以下方面［5］。戶

1）雷達采用一路發射天線和兩路接收天線，收發天線分離設計使得雷達收發鏈路具有高隔離度，提高了雷達目標探測的動態范圍，有效探測距離可達50 m。

2）多接收天線的設計使得雷達獲得目標回波細微的相位差，讓雷達具備精準的測角能力，探測精度達±0.1 m，能有效識別導地線。

3）雷達天線在方位面設計為寬波束，在俯仰面設計為窄波束，并且采用泰勒算法對方位面進行低副瓣綜合。這樣的設計使雷達在方位面上具有140°的寬視角，同時低副瓣使雷達不易受地面目標的干擾，顯著提高雷達的探測性能。

4）高精度數字鎖相電路負責射頻基帶的調制與解調。高性能數字信號處理芯片負責完成目標檢測與跟蹤，刷新頻率達50 Hz，能在 20 ms內準確地對目標進行定位，并通過CAN接口輸出數據。

基于以上優勢，高集成度毫米波雷達尤其適于作為電力巡檢中小型無人機避障系統的感測裝置，其毫米波寬帶線性調頻技術能實現對導地線等纖細目標的探測，通過數據轉發為飛控系統做出避障策略提供依據，避免無人機誤撞輸電線路或其他障礙物的事故發生。

5 結語

電力巡檢無人機作業環境中的強電磁場對機載電子設備造成電磁干擾。通過在設備外殼的接縫、孔洞處加裝電磁屏蔽墊，電子設備及線路加裝屏蔽層，合理改善系統布局及在線路上加裝濾波器等方式，有效抑制電磁干擾對關鍵設備的影響，提高巡檢作業安全性。

通過升級多余度飛控系統，大大降低了單一飛控系統出現故障導致無人機事故的概率，提高了無人機巡檢作業的穩定性及可靠性。

采用全新的高集成度毫米波雷達為解決電力巡檢無人機測距避障技術難題的提供了一種十分高效、優質的新方案，使無人機誤撞障礙物的安全隱患得到消除，對后續的研究和裝備極具參考價值。

［1］李勇.無人飛行器在特高壓交流輸電線路巡視中的應用模式研究［D］.北京：華北電力大學，2014.

［2］鄭天茹，王濱海，劉俍，等.電力巡線無人直升機障礙規避系統［J］.山東電力技術，2012，39（1）：14-17.

［3］盧育中.小型飛行器復雜電磁環境下的電磁干擾耦合及防護研究［D］.西安：西安電子科技大學，2013.

［4］柳孔明，黃俊.無人機多余度航空電子系統研究與應用［J］.計算機測量與控制，2012，20（5）：1 340-1 343.

［5］喻江波.毫米波雷達對電力線檢測的關鍵技術研究［D］.南京：南京理工大學，2015.

Discussion on the Safety Engineering of UAV in UHV Transmission Line Routing Inspection

SUN Yang1，LI Lu1，WANG Wei1，LV Bohan2
（1.State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Jinan 250118，China；2.School of Electric and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China）

In recent years，the construction of UHV transmission project has put forward higher security requirements for UAV routing inspection.The potential safety hazard in UHV transmission line routing inspection by UAV is analyzed.The theory，design and implementation of safety engineering of UAV routing inspection are discussed from three aspects of protection against EMI，redundancy flight control system and the obstacle avoiding technology based on millimeter-wave radar.

protection against EMI；redundancy flight control system；obstacle avoiding technology

TM755

A

1007－9904（2017）02－0015－05

2016-10-26

孫 陽（1991），男，從事輸電線路運維及無人機巡檢工作。