無人機載配網驗電系統設計

鄭曉軍 董金水 劉鵬 吳飛

【摘?要】在高壓線路檢修過程中，針對普遍存在的安全距離判斷不準和違規驗電問題，提出一種以無人機為載體的配網驗電系統。該系統采用二維云平臺控制驗電桿的動作和方向，應用多種傳感融合技術判斷和記錄驗電過程，設計高絕緣性、可伸縮驗電桿系統，結合無人機和無線遙控技術，實現了智能化、安全性高的無人驗電過程。

【關鍵詞】驗電系統;無人機;多傳感器融合;智能化

1 引言

高壓驗電是保證安全的技術措施之一，是架空配電線路檢修工作的第一步，很多線路人身安全事故都是當事人沒有判斷清楚線路帶電情況而導致自身觸電[1]。目前系統內線路檢修工作都是在登桿后才進行驗電，這就導致登桿人員只能通過肉眼判斷自己與線路之間的安全距離，而科學分析得出人眼對距離的判斷是最不可靠的，極易因為安全距離判斷不準而造成觸電[2，3]。線路檢修作業是在工作負責人收到調度指令具備檢修條件后開始安排人員登桿，驗電需要登桿到一定的高度后進行，而很多作業人員不愿在登桿的途中停頓下來進行驗電，主觀認為線路是否帶電是經過調度、負責人多重確認過的，中途驗電是多余操作，所以大多數檢修人員登桿后忽略了驗電這一步重要步驟，導致造成觸電事故[4，5]。

針對普遍存在的安全距離判斷不準和違規驗電問題，設計了一種無人機載配網驗電系統，該系統采用二維云平臺控制驗電桿的動作和方向，應用多種傳感融合技術判斷和記錄驗電過程，設計高絕緣性、可伸縮驗電桿系統，結合無人機和無線遙控技術，實現了智能化、安全性高的無人驗電過程。

2 系統結構設計

整個系統由無人機、控制云臺、驗電裝置、遙控裝置組成，如圖1所示。控制云臺由輕便的亞克力板搭建，用于安裝和固定傳感器、舵機、電路板、鋰電池。亞克力板之間用尼龍立柱鏈接和支撐。

亞克力平板1用于固定和支撐整個云臺。小扭矩舵機整體由亞克力平板2固定并連接到軸承轉盤的外圈，如圖2所示。

小扭矩舵機的轉軸由連接盤固定在亞克力平板3，亞克力平板3與軸承轉盤內圈連接，同時亞克力平板3與大扭矩舵機整體通過支架1連接。這樣可以當小扭矩舵機上電轉動，帶動軸承轉盤內圈轉動，實現大扭矩舵機整體的旋轉運動。

大扭矩舵機的旋轉軸通過支架2與亞克力平板4連接，亞克力平板4固定有激光測距傳感器和攝像頭，環氧樹脂桿通過固定螺柱與支架2連接。這樣，大扭矩舵機上電轉動，帶動平板4上安裝固定的激光測距傳感器，攝像頭，環氧樹脂桿進行運動，如圖3所示。

驗電裝置由環氧樹脂桿和固定在桿上的驗電器組成，測距顯示屏和激光接收器安裝在桿上。激光接收器正對著驗電器的紅色小燈，測距顯示屏正對著攝像頭，并保證在攝像頭的視野之內。

云臺控制系統設計，如圖4所示。整個系統由鋰電池供電，單片機系統作為控制中心。wifi模塊接收到遙控裝置的信號發送給單片機系統，單片機系統發送信號給舵機控制器用以控制兩個舵機。攝像頭將驗電裝置的圖像發送給單片機系統，并由WiFi模塊傳輸給遙控裝置。激光測距傳感器用于測量驗電環與無人機的距離，將測量信號傳輸給單片機，并由單片機通過測距顯示屏顯示。激光接收器用以接收驗電器的紅色小燈，當紅色小燈閃爍，激光接收器將信號傳輸給單片機系統，并通過單片機控制聲光報警器進行報警，聲光報警器安裝在無人機下方，便于操控人員進行觀察。

遙控裝置如圖5所示。由單片機系統、旋鈕電位器、wifi模塊、攝像頭顯示屏、鋰電池構成。旋鈕電位器輸入信號給單片機系統，單片機系統將信號通過wifi模塊發送給云臺控制系統，用以控制兩個舵機的轉動角度，云臺控制系統通過wifi將攝像頭信息發送回遙控裝置，通過攝像頭顯示屏觀察驗電桿的接觸過程，同時視野里顯示測距顯示屏的距離數字信息。

驗電裝置系統主要由驗電裝置和伸縮裝置兩部分構成。驗電裝置由驗電模塊和探測頭組成，伸縮裝置由環氧樹脂驗電桿、控制器等部分組成，如圖6所示。控制器通過無線通訊模塊接收到伸縮命令，控制驗電桿伸長和縮短。伸縮裝置使得驗電裝置可以充分接觸到電纜上的驗電環，驗電裝置的探測頭用以檢測驗電環是否有電和確認是否接觸到電纜，并把相應的信息通過無線通訊模塊傳輸到地面。

驗電裝置由驗電模塊和金屬探測頭組成，驗電模塊由驗電器、接觸測量電路和無線通訊模塊構成。主要功能：1.驗電金屬探測頭與驗電器實現驗電環是否有電測量;2.回路金屬探測頭與驗電金屬探測頭通過絕緣材料隔開和固定，回路金屬探測頭直接與接觸電路相連，驗電金屬探測頭通過導線與接觸電路相連，當兩個接觸頭同時與驗電環金屬部分接觸，可以形成一個導電回路，用以確認兩個探頭是否觸碰到驗電環。主要工作過程：1.首先，關閉接觸測量電路，控制驗電裝置觸碰驗電環金屬，如果驗電器發出信號，說明驗電金屬探測頭充分接觸到驗電環金屬，并確認驗電環有電;2.如果驗電器未發出信號，則有兩種可能：a.驗電金屬探頭未觸碰到驗電環金屬;b.驗電金屬探頭充分觸碰到驗電環金屬，且確認驗電環無電。此時，通過無線通訊模塊打開接觸測量電路，如果接觸測量電路有信號，說明已經充分接觸，屬于b情況，否則屬于a情況，然后關閉接觸測量電路，重新調整驗電裝置位置，重復上述過程直到測量結束。

驗電桿自動伸縮裝置由三段環氧樹脂桿、電機、氣泵、尼龍繩、控制器組成。為了起到絕緣作用，自動伸縮驗電桿采用絕緣材料實現。主要工作過程：1.驗電桿采用三段環氧樹脂中空密封桿，可以實現收縮，當驗電開始時，驗電桿保持縮桿狀態，控制器通過無線通訊模塊接收到地面的伸長命令后，氣泵控制單元控制氣泵往驗電桿里充氣，氣壓推動驗電桿的伸長;2.驗電結束后，控制器通過無線通訊模塊接收到地面的收縮命令后，電機控制單元控制電機帶動尼龍繩，尼龍繩固定在驗電桿第一段上，電機絞繞尼龍繩，將驗電桿進行收縮。

3 結論

該裝置的研制代替了傳統的人工的爬桿驗電，提高了驗電工作的安全性和智能化，與其他驗電方案相比，具有以下創新：

●采用回路金屬探測頭與驗電金屬探測頭及接觸測量電路構成的回路進行檢測驗電金屬探頭是否接觸到驗電環;

●驗電桿使用的材料以及伸縮控制的裝置很好的保證了絕緣性。驗電桿采用環氧樹脂材料;采用氣泵方式伸長驗電桿;采用電機結合尼龍繩的方式縮短驗電桿;充氣和尼龍繩都具有很好的絕緣性;

●系統信號的傳輸采用無線通訊的方式與地面進行信息傳遞;

●采用雙舵機控制云臺，實現驗電桿的空間位置變化，便于接觸驗電環;

●采用.激光測距傳感器、wifi攝像線、激光接收和聲光報警等多傳感器融合方法，實現操控者實時觀察驗電桿的位置狀態，用于調節驗電桿的姿態，并可實時保存驗電器接觸驗電環的過程。

參考文獻：

[1]劉小波，葉宇鋒，何小劍.熊鎧.一種改進的可升縮驗電筆的研究與應用.電工技術.?2020，8：41-42

[2]胡呈祖，黃暉.基于射級跟隨的高壓驗電的實現.電氣自動化.?2020，5：67-68，104

[3]劉博迪.新型輸電線路無人機驗電裝置研究.電工技術.?2019，21：130-131

[4]譚毓苗，陳新崗，古亮，楊定坤，馬駿，譚昊.基于雙軸傳感的直流驗電系統設計.中國測試.?2017，5：76-81

[5]林偉鵬.新型10kV驗電筆啟動電壓試驗裝置的研制.機電信息.?2016，33：31-33

作者簡介：

鄭曉軍，1978年出生，大學本科，高級工程師，浙江省電力有限公司江山市供電公司，主要從事電力供應及管理方向的研究。近年來設計研發創新電力成果12余件，累計申報專利30余項，獲得6項發明專利授權，省級科研論文4篇，創新成果多次榮獲榮獲浙江省電力公司科技成果獎項。

（作者單位：1.國網浙江省電力有限公司江山市供電公司;2.衢州學院電氣與信息工程學院）