無人機巡檢帶電導線的電場測量避障方法

鄭天茹，孫立民，婁婷婷，張明江，郭 翔

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.國網技術學院，山東 濟南 250002；3.國網山東省電力公司濟南供電公司，山東 濟南 250012）

無人機巡檢帶電導線的電場測量避障方法

鄭天茹1，孫立民2，婁婷婷1，張明江1，郭 翔3

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.國網技術學院，山東 濟南 250002；3.國網山東省電力公司濟南供電公司，山東 濟南 250012）

我國國土遼闊，電網規模大，利用無人機等自動化和現代化設備進行巡線維護已日益顯示出其迫切性。為保障無人機巡線系統及輸電線路的安全，提升巡線作業的可靠性，實現無人機對輸電導線的避障成為一個亟待解決的重要課題。根據帶電導線周圍電場環境的特殊性，利用導線間距與電場強度之間的對應關系，研究了一種無人機巡檢帶電導線的電場測量避障方法。通過電場測量避障裝置的數據計算處理，及與無人機飛控系統之間的數據交互和判斷，確定是否需要進行避障動作，并以實例分析說明該方法適用于電力巡線無人機在對輸電線路巡查時對帶電導線的規避。

無人機；輸電線路；電場測量；避障

0 引言

目前，國內外對高壓輸電導線電磁環境的研究和分析已取得了一定的成果，但高壓輸電導線電磁環境對于有人機、無人機影響的研究還不多，僅有對利用導線間距與電磁場強度之間的對應關系，通過數據計算處理確定無人機巡檢帶電導線時是否需要避障動作的研究［1］；以及通過檢測飛機所處位置的磁場強度的變化與仿真結果對比，進而進行對位置檢測和判斷［2］。在輸電線路實際運行時，電壓大小基本保持在指定的電壓等級水平，但電流的大小是隨著負載的變化而實時變化的，因而磁場強度的數值也隨之實時變化，檢測結果準確性不高。

研究一種用于無人機巡檢帶電導線的電場測量避障裝置，并說明其避障原理及方法，主要實現無人機對輸電導線的避障，避免無人機巡檢帶電導線時，由于GPS導航誤差、陣風過大、飛行高度不夠等因素導致執行任務的過程中出現偏離預定航向，甚至無人機與輸電線路碰撞情況的發生，保障了無人機巡線系統及輸電線路的安全，提升巡線作業的可靠性，保證人身、電網和設備的安全。

1 用于電力巡線的無人機

無人機巡檢系統主要包括飛行平臺和控制系統、機載檢測系統、通信系統、應用軟件系統、飛行保障系統 5 個部分，如圖 1 所示［3-5］。

圖1 無人機巡檢系統結構

其中：飛行平臺和控制系統用于執行飛行任務；機載檢測設備裝載于飛行平臺上，用于檢測輸電線路；通信系統是飛行平臺和機載檢測系統與地面聯絡和數據交換的工具；巡線應用系統是作業人員直接操作巡線作業的人機交互系統；保障系統用于保障整套無人機巡線系統飛行、巡檢、維護等。

2 電場測量避障系統

圖2 電場測量避障系統結構

電場測量避障系統的結構如圖2所示。其中，電場測量傳感器將所測電場強度數值輸入信號處理單元，提取工頻范圍內的電場強度數值后，通過A/D轉化單元輸入DSP數據處理模塊，一段時間間隔后，電場測量傳感器再次將所測電場強度數值輸入信號處理單元，提取工頻范圍內的電場強度數值后，通過A/D轉化單元也輸入DSP數據處理模塊，結合兩次測量結果及無人機飛行狀態數據，按照算法處理，生成的避障判斷結果輸入飛控系統機載控制計算機，進而將避障指令發送給舵機控制器，由其控制伺服舵機來改變無人機平臺的飛行狀態。同時，飛控系統機載控制計算機會將數字羅盤、三軸陀螺儀、速度及加速度計、衛星定位模塊、氣壓高度計、轉速測量傳感器和PCM遙控接收機的狀態信息，以及避障判斷的信息一同通過數傳電臺進行與地面站之間的交互。

3 電場測量避障方法

電場測量避障方法分為4個步驟進行。

1）巡檢無人機巡檢帶電導線時，機身與輸電導線方向基本平行。

2）設置DSP數據處理模塊中，計算電場變化率時所采用兩數據的時間間隔Δt。

3）電場測量傳感器將所測電場強度數值輸入信號處理單元，提取工頻范圍內的電場強度數值后送入DSP數據處理模塊中。DSP數據處理模塊中的判斷算法為：

取t時刻工頻電場測量模塊測得數值為m，t+Δt時刻工頻電場測量模塊測得數值為n，并在t+Δt時刻取無人機飛行控制系統提供的無人機實時飛行速率記為v，數據處理及轉化模塊進行判斷：v=0時，輸出“安全”指令；v≠0 且 |m-n|/（v·Δt）

4）避障指令由DSP數據處理模塊輸出給機載飛控系統，進而由無人機舵機控制器控制伺服舵機進行下一步動作，指令為“安全”時，繼續當前飛行任務；指令為“避障”時，先將無人機懸停，通過實時傳回的視頻判斷發出“原路返航”或“臨時調整路線”的指令。

對于電場強度變化率的限值C，通過對輸電導線建立電場計算模型［6-7］，進而進行仿真計算得到該值。

3.1 模型建立與仿真計算

結合實際輸電線路所用典型塔型，對輸電導線做仿真建模，仿真計算利用Ansoft Maxwell電磁場計算軟件，最終得到電場強度變化率的限值C。

3.1.1 220kV輸電導線仿真計算

對220kV輸電導線進行仿真建模，得無人機巡檢220kV輸電導線時，與輸電導線間距和電場強度變化率的對應關系，如圖3所示。

圖3 220kV輸電導線間距和電場強度變化率的對應關系

取C為距導線20m時電場強度變化率數值，即C220=29。

3.1.2 500kV輸電導線仿真計算

對500kV輸電導線進行仿真建模，得到無人機巡檢500kV輸電導線時，與輸電導線間距和電場強度變化率的對應關系，如圖4所示。

圖4 500kV輸電導線間距和電場強度變化率的對應關系

取C為距導線24m時電場強度變化率數值，即C500=56。

3.1.3 750kV輸電導線仿真計算

對750kV輸電導線進行仿真建模，得到無人機巡檢750kV輸電導線時，與輸電導線間距和電場強度變化率的對應關系，如圖5所示。

取C為距導線27m時電場強度變化率數值，即C750=77。

3.1.4 1000kV輸電導線仿真計算

對1 000kV輸電導線進行仿真建模，得到無人機巡檢1 000kV輸電導線時，與輸電導線間距和電場強度變化率的對應關系，如圖6所示。

圖5 750kV輸電導線間距和電場強度變化率的對應關系

圖6 1 000kV輸電導線間距和電場強度變化率的對應關系

取C為距導線32m時電場強度變化率數值，即C1000=81。

3.2 現場測量與仿真結果對比

3.2.1 220kV線路現場測量與仿真結果對比

將電場測量避障系統搭載于無人機上對實際220kV線路進行檢測，為驗證仿真數據的實用性，設定無人機飛行路線為垂直于輸電線路走向，與邊項導線等高，由距離邊項導線70m靠近至16m（選擇該距離范圍是為了保障無人機的安全，且能夠驗證中途是否在預想位置收到電場測量避障系統的報警信號）。為減小飛行誤差，飛行條件為：天氣晴朗無風；巡視220kV線路典型直線桿塔某檔距中間處的導線；設定 C220=29，Δt=0.1s，進行飛行測試。

飛行中途無人機收到電場測量避障系統的報警信號，進行懸停后選擇原路返回，導出數據，與仿真計算結果對比如圖7所示。

圖7 220kV線路仿真、實測電場變化率對比圖

在距離輸電導線較遠處，實測數據可能測試到周圍其他電場源的雜波信號，略有波動。由圖7可知，仿真數據與實測數據基本一致。且電場測量避障系統也能夠按照預設距離產生報警信號，說明了電場測量避障系統及仿真數據的有效性和可靠性。

3.2.2 500kV線路現場測量與仿真結果對比

將電場測量避障系統搭載于無人機上對實際500kV線路進行檢測，為驗證仿真數據的實用性，設定無人機飛行路線為垂直于輸電線路走向，與邊項導線等高，由距離邊項導線70m靠近至20m。為減小飛行誤差，飛行條件為：天氣晴朗無風；巡視500kV線路典型直線桿塔某檔距中間處的導線；設定C500=56，Δt=0.1s，進行飛行測試。飛行測試與仿真計算結果對比如圖8所示。

圖8 500kV線路仿真、實測電場變化率對比圖

由圖8可知，仿真數據與實測數據基本一致。且電場測量避障系統也能夠按照預設距離產生報警信號，說明了電場測量避障系統及仿真數據的有效性和可靠性。

4 結語

設計一套用于無人機巡檢帶電導線的電場測量避障系統，該系統是根據帶電導線周圍電場環境的特殊性設計，且所用元器件體積小、簡單輕便，既能夠克服超聲波測距、紅外測距和激光測距設備檢測正確率低的問題，又能夠避免微波雷達測距設備體積、重量過大，不便于無人機搭載的弊端。利用該系統，能夠實現無人機巡檢帶電導線時，對實時視頻中很難識別的導線的避障，提升巡線作業的可靠性，保障輸電線路及無人機巡線系統的安全。

無人機巡檢帶電導線的電場測量避障方法中，用于判斷無人機是否需要對輸電導線避障的測量參數為無人機所處位置電場強度的變化率，首先利用針對某條輸電線路較穩定的電場強度數值，其次采用計算變化率的方法可排除空間內可能存在的其他近似頻率的電場強度的干擾，使計算數值準確可靠，且以220kV、500kV電壓等級的輸電導線為例，提供了用于對比判斷的仿真計算結果，為后續研究提供一定參考依據。

［1］ 張柯，李海峰，王偉.淺議直升機作業在我國特高壓電網中的應用［J］．高電壓技術，2006，32（6）：45-46，55.

［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（1）：14-17.

［3］ WANG B，HANL，ZHANG H，et al.A Flying Robotic System for Power Line Corridor Inspection ［C］//IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics.IEEE，2009：2 468-2 473.

［4］ 厲秉強，王騫，王濱海，等．利用無人直升機巡檢輸電線路［J］．山東電力技術，2010（1）：1-4．

［5］ WANG B，CHEN X，WANG Q，et al.Power line inspection with a flying robot［C］//International Conference on Applied Robotics for the Power Industry.IEEE，2010：1-6.

［6］ 張宇，鄭偉，文武，等.架空線路分裂導線表面電位梯度的數值計算［J］.高電壓技術，2005，31（1）：23-24，37.

［7］ 封滟彥，俞集輝.超高壓架空輸電線的工頻電場及其影響（一）［J］.重慶大學學報，2004，27（4）：10-14.

Determining Method of Safety Region for Power Line Inspection with UAV

ZHENG Tianru1，SUN Limin2，LOU Tingting1，ZHANG Mingjiang1，GUO Xiang3
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.State Grid of China Technology College，Jinan 250002，China；3.State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

The vast territory and large-scale power grid issued urgent requirement for using automated modern equipment such as UAV for inspection and maintenance of the transmission lines.In order to ensure the safety of the UAV system and transmission lines while promoting the reliability of inspection，realization of UAV to transmission wire obstacle avoidance becomes an important issue to be settled urgently.A determining method of the safe region for UAV power line inspection suitable for UAV working in the complex electro-magnetic field around the charged conductors is established via analyzing the corresponding relationship between wire spacing and electric field intensity.The obstacle avoidance action is performed according to the decision made through the calculation of the electric field measurement and the obstacle avoidance device and the data interaction and judgment by UAV flight control system.The example analysis shows that it is a practical method for the UAV to avoid the energized conductor during the power line inspection.

UAV；transmission lines；electric field measurement；obstacle avoidance

TM75

：A

：1007－9904（2017）07－0021－04

2017-03-04

鄭天茹（1986），女，工程師，從事無人機電力巡檢研究相關工作。