无人机巡检带电导线的电场测量避障方法

郑天茹，孙立民，娄婷婷，张明江，郭 翔

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.国网技术学院，山东 济南 250002；3.国网山东省电力公司济南供电公司，山东 济南 250012）

无人机巡检带电导线的电场测量避障方法

郑天茹1，孙立民2，娄婷婷1，张明江1，郭 翔3

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.国网技术学院，山东 济南 250002；3.国网山东省电力公司济南供电公司，山东 济南 250012）

我国国土辽阔，电网规模大，利用无人机等自动化和现代化设备进行巡线维护已日益显示出其迫切性。为保障无人机巡线系统及输电线路的安全，提升巡线作业的可靠性，实现无人机对输电导线的避障成为一个亟待解决的重要课题。根据带电导线周围电场环境的特殊性，利用导线间距与电场强度之间的对应关系，研究了一种无人机巡检带电导线的电场测量避障方法。通过电场测量避障装置的数据计算处理，及与无人机飞控系统之间的数据交互和判断，确定是否需要进行避障动作，并以实例分析说明该方法适用于电力巡线无人机在对输电线路巡查时对带电导线的规避。

无人机；输电线路；电场测量；避障

0 引言

目前，国内外对高压输电导线电磁环境的研究和分析已取得了一定的成果，但高压输电导线电磁环境对于有人机、无人机影响的研究还不多，仅有对利用导线间距与电磁场强度之间的对应关系，通过数据计算处理确定无人机巡检带电导线时是否需要避障动作的研究［1］；以及通过检测飞机所处位置的磁场强度的变化与仿真结果对比，进而进行对位置检测和判断［2］。在输电线路实际运行时，电压大小基本保持在指定的电压等级水平，但电流的大小是随着负载的变化而实时变化的，因而磁场强度的数值也随之实时变化，检测结果准确性不高。

研究一种用于无人机巡检带电导线的电场测量避障装置，并说明其避障原理及方法，主要实现无人机对输电导线的避障，避免无人机巡检带电导线时，由于GPS导航误差、阵风过大、飞行高度不够等因素导致执行任务的过程中出现偏离预定航向，甚至无人机与输电线路碰撞情况的发生，保障了无人机巡线系统及输电线路的安全，提升巡线作业的可靠性，保证人身、电网和设备的安全。

1 用于电力巡线的无人机

无人机巡检系统主要包括飞行平台和控制系统、机载检测系统、通信系统、应用软件系统、飞行保障系统 5 个部分，如图 1 所示［3-5］。

图1 无人机巡检系统结构

其中：飞行平台和控制系统用于执行飞行任务；机载检测设备装载于飞行平台上，用于检测输电线路；通信系统是飞行平台和机载检测系统与地面联络和数据交换的工具；巡线应用系统是作业人员直接操作巡线作业的人机交互系统；保障系统用于保障整套无人机巡线系统飞行、巡检、维护等。

2 电场测量避障系统

图2 电场测量避障系统结构

电场测量避障系统的结构如图2所示。其中，电场测量传感器将所测电场强度数值输入信号处理单元，提取工频范围内的电场强度数值后，通过A/D转化单元输入DSP数据处理模块，一段时间间隔后，电场测量传感器再次将所测电场强度数值输入信号处理单元，提取工频范围内的电场强度数值后，通过A/D转化单元也输入DSP数据处理模块，结合两次测量结果及无人机飞行状态数据，按照算法处理，生成的避障判断结果输入飞控系统机载控制计算机，进而将避障指令发送给舵机控制器，由其控制伺服舵机来改变无人机平台的飞行状态。同时，飞控系统机载控制计算机会将数字罗盘、三轴陀螺仪、速度及加速度计、卫星定位模块、气压高度计、转速测量传感器和PCM遥控接收机的状态信息，以及避障判断的信息一同通过数传电台进行与地面站之间的交互。

3 电场测量避障方法

电场测量避障方法分为4个步骤进行。

1）巡检无人机巡检带电导线时，机身与输电导线方向基本平行。

2）设置DSP数据处理模块中，计算电场变化率时所采用两数据的时间间隔Δt。

3）电场测量传感器将所测电场强度数值输入信号处理单元，提取工频范围内的电场强度数值后送入DSP数据处理模块中。DSP数据处理模块中的判断算法为：

取t时刻工频电场测量模块测得数值为m，t+Δt时刻工频电场测量模块测得数值为n，并在t+Δt时刻取无人机飞行控制系统提供的无人机实时飞行速率记为v，数据处理及转化模块进行判断：v=0时，输出“安全”指令；v≠0 且 |m-n|/（v·Δt）

4）避障指令由DSP数据处理模块输出给机载飞控系统，进而由无人机舵机控制器控制伺服舵机进行下一步动作，指令为“安全”时，继续当前飞行任务；指令为“避障”时，先将无人机悬停，通过实时传回的视频判断发出“原路返航”或“临时调整路线”的指令。

对于电场强度变化率的限值C，通过对输电导线建立电场计算模型［6-7］，进而进行仿真计算得到该值。

3.1 模型建立与仿真计算

结合实际输电线路所用典型塔型，对输电导线做仿真建模，仿真计算利用Ansoft Maxwell电磁场计算软件，最终得到电场强度变化率的限值C。

3.1.1 220kV输电导线仿真计算

对220kV输电导线进行仿真建模，得无人机巡检220kV输电导线时，与输电导线间距和电场强度变化率的对应关系，如图3所示。

图3 220kV输电导线间距和电场强度变化率的对应关系

取C为距导线20m时电场强度变化率数值，即C220=29。

3.1.2 500kV输电导线仿真计算

对500kV输电导线进行仿真建模，得到无人机巡检500kV输电导线时，与输电导线间距和电场强度变化率的对应关系，如图4所示。

图4 500kV输电导线间距和电场强度变化率的对应关系

取C为距导线24m时电场强度变化率数值，即C500=56。

3.1.3 750kV输电导线仿真计算

对750kV输电导线进行仿真建模，得到无人机巡检750kV输电导线时，与输电导线间距和电场强度变化率的对应关系，如图5所示。

取C为距导线27m时电场强度变化率数值，即C750=77。

3.1.4 1000kV输电导线仿真计算

对1 000kV输电导线进行仿真建模，得到无人机巡检1 000kV输电导线时，与输电导线间距和电场强度变化率的对应关系，如图6所示。

图5 750kV输电导线间距和电场强度变化率的对应关系

图6 1 000kV输电导线间距和电场强度变化率的对应关系

取C为距导线32m时电场强度变化率数值，即C1000=81。

3.2 现场测量与仿真结果对比

3.2.1 220kV线路现场测量与仿真结果对比

将电场测量避障系统搭载于无人机上对实际220kV线路进行检测，为验证仿真数据的实用性，设定无人机飞行路线为垂直于输电线路走向，与边项导线等高，由距离边项导线70m靠近至16m（选择该距离范围是为了保障无人机的安全，且能够验证中途是否在预想位置收到电场测量避障系统的报警信号）。为减小飞行误差，飞行条件为：天气晴朗无风；巡视220kV线路典型直线杆塔某档距中间处的导线；设定 C220=29，Δt=0.1s，进行飞行测试。

飞行中途无人机收到电场测量避障系统的报警信号，进行悬停后选择原路返回，导出数据，与仿真计算结果对比如图7所示。

图7 220kV线路仿真、实测电场变化率对比图

在距离输电导线较远处，实测数据可能测试到周围其他电场源的杂波信号，略有波动。由图7可知，仿真数据与实测数据基本一致。且电场测量避障系统也能够按照预设距离产生报警信号，说明了电场测量避障系统及仿真数据的有效性和可靠性。

3.2.2 500kV线路现场测量与仿真结果对比

将电场测量避障系统搭载于无人机上对实际500kV线路进行检测，为验证仿真数据的实用性，设定无人机飞行路线为垂直于输电线路走向，与边项导线等高，由距离边项导线70m靠近至20m。为减小飞行误差，飞行条件为：天气晴朗无风；巡视500kV线路典型直线杆塔某档距中间处的导线；设定C500=56，Δt=0.1s，进行飞行测试。飞行测试与仿真计算结果对比如图8所示。

图8 500kV线路仿真、实测电场变化率对比图

由图8可知，仿真数据与实测数据基本一致。且电场测量避障系统也能够按照预设距离产生报警信号，说明了电场测量避障系统及仿真数据的有效性和可靠性。

4 结语

设计一套用于无人机巡检带电导线的电场测量避障系统，该系统是根据带电导线周围电场环境的特殊性设计，且所用元器件体积小、简单轻便，既能够克服超声波测距、红外测距和激光测距设备检测正确率低的问题，又能够避免微波雷达测距设备体积、重量过大，不便于无人机搭载的弊端。利用该系统，能够实现无人机巡检带电导线时，对实时视频中很难识别的导线的避障，提升巡线作业的可靠性，保障输电线路及无人机巡线系统的安全。

无人机巡检带电导线的电场测量避障方法中，用于判断无人机是否需要对输电导线避障的测量参数为无人机所处位置电场强度的变化率，首先利用针对某条输电线路较稳定的电场强度数值，其次采用计算变化率的方法可排除空间内可能存在的其他近似频率的电场强度的干扰，使计算数值准确可靠，且以220kV、500kV电压等级的输电导线为例，提供了用于对比判断的仿真计算结果，为后续研究提供一定参考依据。

［1］ 张柯，李海峰，王伟.浅议直升机作业在我国特高压电网中的应用［J］．高电压技术，2006，32（6）：45-46，55.

［2］ 郑天茹，王滨海，刘俍，等.电力巡线无人直升机障碍规避系统［J］.山东电力技术，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］ 厉秉强，王骞，王滨海，等．利用无人直升机巡检输电线路［J］．山东电力技术，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］ 张宇，郑伟，文武，等.架空线路分裂导线表面电位梯度的数值计算［J］.高电压技术，2005，31（1）：23-24，37.

［7］ 封滟彦，俞集辉.超高压架空输电线的工频电场及其影响（一）［J］.重庆大学学报，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

郑天茹（1986），女，工程师，从事无人机电力巡检研究相关工作。