输电线路巡检无人机电磁场避障与路径规划

董灵鹏，丁 建，汤培良，曹浩楠，邹国平，杨仕友

（1.浙江大学 电气工程学院，杭州 310027；2.国网浙江省电力有限公司检修分公司，杭州 311232；3.杭州格创新能源有限公司，杭州 310019）

0 引言

近年来，随着我国经济的持续快速发展，电网的规模和输送能力日益壮大。以浙江为例，2010—2020 年浙江省电力有限公司110～1 000 kV架空输电线路从28 903 km 增长到超过50 000 km，整体增长超过1.7 倍。但相应的输电线路运检人员的数量并没有成比例增长，且高压线路走廊经常跨越通信盲区、交通死区和无人区，线路的运维和故障排查异常困难，因此传统的人工巡线方式难以满足要求[1-2]。而无人机线路巡检具有精度高、视角宽广、安全性好和不受地形环境限制等诸多优点，在国内外电力行业得到了广泛应用[3-5]。

考虑到图像的清晰度与飞行的安全性，一般要求无人机与输电线的距离控制在10～30 m[6-7]。某电力科学研究院已开展基于无人机平台的多传感器集成巡检系统研究，并取得了阶段性成果[8-9]，但输电线路的精确距离控制还是一个难题。激光雷达测距技术从2005 年开始逐渐应用到输电线路勘测设计中，但其不能直观地表示障碍物，且不适用于移动测量[10-13]。三维空间扫描可以准确地给出障碍物与输电线路的相对距离，但扫描系统价格昂贵，动辄数百万美元，且仪器的质量、体积和功率均较大，不宜搭载在无人机上[14-15]。红外检测技术具有非接触性、安全可靠、检测速度快、判断准确和操作方便等优点，但其后续的数据处理比较繁琐。超声波测距传感器的原理是利用声波的扇形发射特性，可采用无人机搭载超声波测距传感器的方式实现无人机与输电线的净空距离测量，但由于超声波传感器测距范围有限（一般不超过10 m），难以满足无人机和输电线路对安全距离的要求[16-17]。

为此，本文通过对500 kV 输电线路进行建模仿真分析，研究其电场大小和分布状况，提出了一种直接利用电场有效值与高度来确定无人机安全飞行距离的方法，并进行了现场测试。该法可作为无人机巡检距离控制的有效手段。

1 输电线路电场仿真分析

线路模型选取500 kV 北仑电厂—市北线同塔双回输变电通道线路。其中直线塔选用典型的546DC-SJS1 塔，呼高33 m，导线为正向序排列。导线采用4×JL/LG-630/45 钢芯铝绞线，总截面积674 mm2，导线外径33.8 mm，直流电阻0.045 9 Ω/km，分裂股数为四分裂；地线采用JLB35-120铝包钢绞线，总截面积121.21 mm2，外径14.250 mm，导线直流电阻0.412 1 Ω/km。

根据上述结构，在Maxwell 中建立500 kV 输电线路直线塔模型，建模时导线简化设置成铝导线，忽略绝缘子、金具，并在导线上施加500 kV的电压激励[16-18]。

为了验证二维模型的准确性，采用Maxwell分别建立500 kV 高压线路的二维与三维模型进行对比。

1.1 高压输电线路二维与三维电场对比计算

1.1.1 输电线路三维电场计算

选取500 kV 输电线路建模，考虑到仿真软件的计算能力，基于实际模型对杆塔和周边环境做简化处理。输电线路每段500 m，取2 段线路进行建模，如图1 所示。

图1 500 kV 高压输电线路3D 仿真模型

由于每一时刻下得到的电场强度为瞬时值，在电场求解时，可按A 相初始相角为0°施加电压载荷，求解器设置为静态电场。计算得到高度H=50.9 m、水平距离线路中心Y=20 m 处的电场值如图2 所示。

由于计算机剖分能力有限，计算得出的电场会有一些波动。由图2 可明显看出铁塔对空间电场分布影响显著（在铁塔附近由于铁塔的屏蔽作用，电场值会出现大幅下降）。本文主要对无人机沿线飞行区域的避障进行研究，故忽略铁塔附近50 m 范围内的电场，进行平滑处理后可以得出在该位置处平均电场强度E1=16.3 kV/m。

图2 500 kV 线路在Y=20 m，H=50.9 m 处电场值

1.1.2 输电线路二维电场计算

取输电导线三维模型的X，Y 坐标建立二维模型，施加与3D 相同的电压激励，由此可以计算Y=20 m、H=60 m 处的电场值E2=16.5 kV/m。

对比输电导线三维和二维模型下的电场数值知，两者相对误差在3%以下，完全符合工程要求。因此，针对输电线路周边电场，可以假设输电导线沿Z 方向无限长，建立二维模型进行仿真。

1.2 输电线路电场分析

根据二维电磁场模型可以得到如图3 所示输电线路电场分布。

图3 500 kV 高压输电线路电场

由图3 可知：输电线路周边的电场值在导线周围最高，并随着距离的增加逐渐降低，在较近的距离范围内等电场线是围绕输电导线的封闭曲线；在距离导线水平距离10 m 处的电场值在20 kV/m 左右；加大水平距离至20 m 后，电场值迅速下降至9 kV/m。因此理论上可以将输电线周围的电场有效值作为变量用以控制无人机的安全飞行距离。

1.3 输电线路安全距离确定

无人巡视规范要求小型旋翼无人机与输电线的距离大于10 m，因此计算中可以先确定一个距离所有输电导线10 m 的包络线，并取包络线上最小电场有效值E0作为保护阈值，以此阈值作为电场限值，形成无人机飞行控制区域。

若要精确判定无人机与输电线路的距离，则需要引入高度变量。图4 所示为同一高度H 下电场随水平距离的分布。电场强度最大值在输电导线附近，随着距离增加电场强度单调下降。因此，可以采用高度与电场强度相结合的方法，即分别测量高度与电场值，采用插值算法实现对无人机安全飞行距离的精确控制。在500 kV 特高压线路中，每相输电导线的高度相差较大，在相同水平位置，不同高度下电场值变化较大，故引入高度变量就显得尤为重要。

图4 高度H=50 m 电场随水平距离分布

在无人机飞行过程中，对计算的实时性要求比较高，而高度与电场值的测距方法存在一定的延时。那么在精度要求低的工况下，可以直接设置安全电场阈值E0。在500 kV 特高压线路中，E0=2 000 V/m 时的无人机安全控制区域如图5 所示。图5 中安全控制区域离输电线水平距离最远为18 m、最近距离为10 m，即可较好地保证无人机的安全。

2 电场检测硬件设备与路径规划

无人机距离控制系统包括电场探测系统、信息处理和避障的路径规划3 个部分。其中电场探测系统是无人机感知和探测外部环境信息的主要途径，也是决定避障系统能否实现避障的基础[19]。

图5 500 kV 线路中阈值2 000 V/m 等值电场

2.1 电场检测硬件设备

电场探测系统由电场传感器组成，电场传感器的选择为后期数据处理提供了稳定可靠的硬件基础，直接关系到无人机能否正确、快速地感知到电场信息。该系统主要采用UAV-LF-04 型号的电磁场传感器，具体参数如表1 所示。实物如图6 所示。

表1 电磁场传感器参数表

图6 UAV-LF-04 电场传感器

2.2 避障与路径规划

避障与路径规划主要包含两方面内容：一是判断无人机当前的飞行位置是否处于危险区域；二是处于危险区域的无人机如何规划路径来躲避障碍。具体飞行流程：首先，判断自身当前航点是否安全，若传感器电场值低于初始设定的阈值，则设置飞行模式为正常飞行模式，并且给出后续飞行的期望航点；若传感器检测电场值高于阈值，则判断当前航点为危险航点，将飞行模式更改为避障模式。其次处于避障模式下无人机将先抬升1 m，并再次判断电场值，若大于阈值则自动返回上一航点并沿原路返航至起始点；若小于阈值，则继续飞行到下一航点。避障策略的逻辑控制流程如图7 所示。

图7 避障逻辑控制流程

3 现场测试与路径规划

3.1 电场值反演距离测试

基于无人机搭载的电场传感器和自带的高度测量仪可以获取无人机所在位置电场值和高度，而固定高度下电场值在输电线路外侧是单调递减的，因此可以据此判断无人机与输电线路的距离。表2 所示为不同位置处无人机的水平距离测量误差。

表2 电场反演无人机位置

结合测试结果和文献资料，可以确定无人机高度测量仪和RTK（实时动态）定位系统的精度在厘米级别[20-23]。表2 给出了3 种具有代表性的测试点。第1 个点处于输电线路中心外侧21.46 m处，距离导线10 m 左右，刚好为无人机安全距离的临界点，该位置的电场值较大，且对微小距离的变化比较敏感，故距离的相对误差也是最小的。第2 个点相对于第1 个点高度上升了30 多m，其电场值也快速下降，由此反演出来的位置信息也相对来说偏离会大一些。第3 个点的高度是82.38 m，远超输电线路60 m 的高度，该高度下整体电场值都比较小且变化相对缓慢，所以测量误差会比较大。但本文的研究区域是输电线路附近，而该点已远远超出了安全距离范围，故其误差不影响避障能力。

3.2 利用安全阈值进行功能测试

测试前设定无人机的电场安全阈值E0=1 800 V/m，验证其避障返航功能，飞行轨迹如图8 所示，其中航点2—4 为铁塔底座所在位置。由图8可知，无人机最初按照预定的路线开展巡检，但是在飞行到航点2 附近检测到电场超出阈值，此时无人机距离输电导线中心水平距离为9.6 m，且后续电场值持续超过阈值，故触发返航功能，沿返航路径返回出发点。

图8 避障返航路径测试

4 结论

（1）在对500 kV 线路电场仿真分析后，本文提出了两种不同的安全距离判别方法：一是设定无人机2 000 V/m 的电场安全阈值，对无人机进行粗略控制；二是将高度与电场值相结合，利用插值算法反演出无人机的精确位置。

（2）介绍了无人机测试系统的硬件设备，并基于输电线路的电场分布规律提出无人机的避障流程和路径规划。

（3）基于电场反演理论，开展了无人机安全距离现场测试。一是引入高度变量，开展无人机精确位置的反演；二是利用电场保护阈值，测试无人机避障返航功能。经现场测试，验证了基于输电线路电磁场分布的避障方法的有效性。该方法可为输电线路无人机巡检距离控制、航向规划和安全避障提供技术支撑。