输电线路检修智能单兵装备研究

徐兴华，杨 波

（1.国网山东省电力公司威海供电公司，山东 威海 264200；2.国网山东省电力公司，山东 济南 250001）

0 引言

输电线路作为电力系统的重要组成部分，为保证其安全稳定运行，对其进行线路运检至关重要［1］。输电线路巡检过程中常常需要高空作业，当检修现场出现故障或其他突发情况时，需要高空作业人员和地面指挥人员进行有效沟通，而目前沟通双方主要使用对讲机或者直接人工交流，这种传统的方式往往无法对复杂的检修现场情况进行有效描述，存在不及时、不准确的状况，导致高空作业人员不得不返回地面和地面人员进行面对面沟通，降低了检修效率，其次，针对同塔架设多回线路部分线路停电的工作，为区别检修线路和运行线路，需对检修线路标示与运行线路不同的颜色以示区别，高空检修人员需携带同样颜色的袖章作为安全提示，以保证作业人员的安全，这种检修线路标示颜色和袖章颜色一对一的传统作业方式，存在袖章需求多，成本高，不便于维护，警示袖章和线路编号不能实时更新，不利于计算机辅助工作，只能靠纸面进行记录的缺点，使用不方便。另外，由于高空作业巡视检修工作时间长、任务重，高空作业人员面临较大的心理压力和繁重的劳动，导致工作人员存在工作一段时间后暂时遗忘警示袖章颜色，或出现将线路编号忽略的情况，增加了作业人员误触高压带电线路的可能性，同时，线路的运检记录及检修质量，使用纸张建档，既不形象，又不便于管理［2］。

电力输电运检工智能单兵装备是实现线路安全运检和建立可视化档案的智能装备。它能实时监测输电线路带电状态，具有动态更新输电巡检工作人员佩戴的电子袖章底色和文字功能，可实现高空和地面作业人员之间实时音视频通话，建立可视化运检档案。

1 装备组成

电力输电运检工智能单兵装备组成如图1所示。

图1 电力输电运检工智能单兵装备组成

高压带电测量系统主要由传感器和报警器组成，可实时监测输电线路带电状态。

电源系统为单兵装备供电，包括光伏发电、锂电池和控制电路3部分。

电子袖章可替代传统袖章，通过电子设备显示检修线路的线路号和颜色标识，由LED显示器和PC机管理软件2部分组成。LED显示器，选择彩色高亮LED显示器，PC机管理软件选用.NET语言开发，软件主界面如图2所示。

图2 电力输电运检工单兵装备电子袖章主界面

无线音视频通信系统可实现高空和地面作业人员之间实时音视频通话，传输音频和视频信号，采用2.4 G WIFI无线方式进行通信，建立可视化运检档案。

2 高压带电测量系统

高压带电测量系统包括数据采集、数据处理和报警3部分，如图3所示。用于采集高压电缆外侧产生的电磁感应信号，并经过处理后得到高压电缆的实时电压值。

图3 高压带电测量系统

2.1 数据采集

通过传感器采集高压线缆外侧电磁感应信号，传感器结构如图4所示。

图4 传感器结构

传感器采集的信号中存在干扰信号，主要包括高频干扰信号和同频干扰信号。干扰模拟如图5～8所示。

图5 高频信号干扰模拟

图6 高频信号干扰叠加模拟

图7 同频信号干扰模拟

图8 同频信号干扰叠加模拟

2.2 数据处理

数据处理是高压带电检测的核心，三相信号采集到单片机后，需要加入高精度算法进行信号处理。

对受到的高频干扰信号，采用基于数学形态的方法进行处理。其基本思想是利用一个称作数据结构元素的“探针”，将待处理信号的信息存放在“探针”中，信号各个部分之间的相互关系可依靠探针在信号中不断移动实现。首先对信号进行膨胀、腐蚀运算，再对信号进行开运算以及闭运算等。通过处理，该算法可以有效地消除高频信号和随机信号的干扰。

对于受到的同频干扰信号，由于三路都是相同频率的信号，一旦叠加，所有的滤波方法基本上都会失效，因为叠加后就是一个正弦信号，是无法进行分解的，无论是在时域还是频域，都不能采用传统的方法。对同频干扰的消除，依据的是相关性理论。

普通的方法无法将同频信号识别，是因为理想情况下叠加后的信号成为同频的一个新的单一信号。在实际的采样过程中，每次采集到的数据并不完全相同，因此我们可以借助于2个周期间数据之间的关系，进行相应的处理，再用相关性理论，求信号间的近似程度。算法采用数值分析的方法进行迭代，最后找到相似性最大的信号。重复上述过程，在采样一定的次数达到稳定后，便可确定出有效信号和干扰信号间的比例关系，从而对其进行有效消除。

系统算法采用dsPIC30F4013单片机完成，将上述算法改成在单片机上运行的程序，编程后在dsPIC30F4013单片机中运行。在计算时，利用单片机提供的模拟输入通道AN2，AN3，AN4，对通道进行扫描，采集数据并进行模／数转换。单片机主程序流程如图9所示。

图9 单片机部分的实现功能流程

2.3 声光报警

根据安全距离设定，在运检工距带电线缆距离小于安全距离时，在dsPIC30F4013单片机控制下，驱动蜂鸣器和LED，完成声光报警。

3 电源系统

电源系统为单兵装备提供12.0 V，3.3 V和4.2 V 3种电压，最大电流分别为500mA，660mA和90mA，电源最大功率10 W。

3.1 电源系统结构

系统采用6.8 Ah聚合物锂电池组作为核心储能元件，工作中即可通过光伏发电装置和DC／DC变换器对其充电，其中光伏电池板最大输出功率为20 W，也可以由220 V市电经过AC／DC变换器对进行充电，市电电源最大输出功率为15 W，光伏充电和市电充电的选择通过控制电路的MCU进行切换，具有方便灵活的特点，高空作业人员在地面时候可以用市电充满电，在进行高空作业时转用光伏充电，提高了系统在野外的使用时间，电源系统如图10所示。

图10 电源系统框

3.2 太阳能光伏发电系统

太阳能光伏发电系统是运检人员在野外及高空作业时的主要能量来源装置，光伏电池板采用柔性制造技术，可折叠装入特制箱组、便于运检人员携带且组装灵活，光伏电池板输出电能经过DC／DC变换电路为高能锂电池组及负载供电，使得系统持续供电能力得到加强［3］。

3.3 高能锂电池组

系统采用6.8 Ah聚合物锂电池组作为储能装置，高能锂电池组具有能量密度大、寿命周期长、安全性能高、不污染环境，便于携带的特点，已经广泛应用于便携式移动设备中。在电力系统供电时，将电力系统作为能量来源对锂电池组进行充电并为负载提供能量来源，光伏供电时如果光照强度较大时，且光伏电池板的能源满足对负载需求时选用光伏电池板直接为负载供电，当光照强度较弱，光伏供电不足以满足负载需求时，不足部分由锂电池组对负载供电，保证电力负荷的供电得到满足。

光伏电池板采用最大功率跟踪工作方式，保证最大限度的利用太阳能，提高效率，同时对锂电池组的充放电控制策略进行研究，以实现锂电池组充电损耗最小。由于锂电池的充放电次数有一定限度，采用合理的电能管理技术，在满足负荷供电的基础上减少锂电池组充放电次数，延长锂电池的最长使用寿命［4］。高能锂电池组的控制部分由锂电池运行参数检测模块、电源切换控制模块、光伏电池板检测模块组成。锂电池运行参数检测模块通过实时检测锂电池的运行参数的状态包括电压、电流、电阻、温度等，防止锂电池在使用中出现过充、过放的情况。电源切换控制模块负责判断使用市电充电和光伏电池充电之间的转换，当检测当电力系统供电时进行充电，否则使用光伏电池充电。通过光伏电池板检测模块对光伏电池的运行参数进行检测，最终通过MCU的实时控制光伏电池板对高能锂电池组的充电与否，使系统输出稳定的电压，同时保证系统安全可靠运行［5］。

4 结语

研制一套集成化、智能化的单兵运检装备。通过使用单兵装备，为安全生产提供了技术装备，运检人员劳动强度显著降低，实现运检过程的可视化建档，提高了运检装备的智能化水平，提高了运检工作效率和质量，能够满足当前电网发展对运检人员的要求。