基于架空输电线路的无人机取电平台设计及仿真

吴远密，奚鑫泽，彭庆军，彭俊臻，许守东，张丽，崔庆用

（1.云南电网有限责任公司西双版纳供电局，云南 景洪 666100；2.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217）

0 前言

随着无人机技术的不断发展，无人机在军用、农业、地质、气象、电力、抢险救灾、视频拍摄、物流等行业已经得到了广泛应用。在电力行业，使用无人机开展电力线路巡检工作逐渐成为电力科研人员的重要研究方向。无人机的动力来源主要为电池和汽油，其中，在电力线路巡检中使用的无人机，其动力来源多为电池，受无人机体积和重量的限制，无人机的电池容量有限，导致进行电力线路巡检的无人机所巡检的电力线路距离较短，相关技术中，需要控制无人机在电力不足时及时控制无人机返航进行充电，充完电后再飞往电力线路附近进行巡检，电力线路巡检工作的效率较低[1]。

目前，感应取电电源的研究主要包括不含蓄电池工作方式和含蓄电池工作方式，相应地有两种工作方式。不含蓄电池方式提取的电能存在很大的电压波动、感应取电电源的输出功率较小，含蓄电池工作方式能给用电设备提供稳定的电源和较大的瞬时电流。本文考虑无人机巡检能耗较大、质量要求较高，故设计采用含蓄电池工作方式[2-5]。

然而，很多基于电磁感应的无线充电技术是将输入的工频交流电压变换为稳定的直流电压，再逆变成高频交流电压发射出去。这种高频感应传输方式传输效率较高，但是对于架空输电线路高空取电平台而言将在线路上增加了很多元器件，如某器件损坏，不仅检修不便而且降低架空输电线路的安全、可靠性，故本文采用50 Hz工频感应传输方式设计[6-7]。

1 架空输电线路电磁特性分析

本文采用模拟电荷法计算架空输电线路电磁场数值，其是目前静电场数值计算的一种主要方法[8]。模拟电荷法数学模型归结为以电位函数φ为未知量的泊松方程或拉普拉斯方程的定解问题。

基本的电位方程，

第一类边界条件，

不同介质的分界面条件，

模拟电荷方程组，

其中，P为电位系数，电位值φ，Q为模拟电荷，ρ为电荷体密度，σ为面电荷密度，ε为常数。

其中，rij为第j个模拟电荷与第i个匹配点之间的距离，Pij为第j个模拟电荷在第i个匹配点产生的电位值，r0为导线半径。

场强与电位关系方程，

设任意一点P(x1，y1)，其电场强度计算公式，

其中，中的EixR是第i根导线的实部模拟电荷在计算场点产生的电场的x分量，Exil是第i根导线的虚部模拟电荷在计算场点产生的电场的x分量；EiyR是第i根导线的实部模拟电荷在计算场点产生的电场的y分量，Eiyl是第i根导线的虚部模拟电荷在计算场点产生的电场的y分量。

2 高压输电线路取电平台的设计

设计原理如图1所示，主要包括架空输电线路原边线圈、取电平台副边线圈、AC/DC整流模块、DC/DC直流变换模块、无人机充电端。其中AC/DC整流模块采用全桥整流电路，DC/DC直流变换模块采用Buck拓扑电路，无人机充电端包括无人机备用电池浮充模块和无人机直充接口。从架空线杆塔上的工频输电线路上取电，通过降压传至无人机补电平台为无人机供电，解决了无人机在电力线路巡检工作时续航不足的技术问题，由于电网已经覆盖各村各户，方便且经济，使得无人机运输距离将得到极大地提升。其中从输电线路上取电的方式包括有线取电和无线取电，有线取电具有取电效率高的优点，无线取电具有安全性高的优点，本文主要以无线感应电取电为研究对象。

图1 设计框图

3 算例分析

3.1 取电端场路耦合仿真

本文运用现有的Comsol有限元仿真软件进行感应线圈设计和仿真，探索架空输电线路感应取电线圈的电磁特性并对线圈传输效率进行优化，证明工频输电线路感应取电的可行性[9-10]。

仿真模型如图2、图3所示，模型参数如下，仿真结果如图4所示。

图2 场路耦合电路图

图3 线圈结构图

图4 电磁场强度仿真图

两线圈大小一样（即原边线圈、副边线圈，无铁芯，各为1匝），两者相距100 mm，为铜线圈材料；每个线圈10绕，每绕间距为20 mm，线圈导体直径为10 mm；向原边线圈加220 kV工频50 Hz交流电压，副边线圈得到感应电压，电源E为220 kV、50Hz，R1为0.000 01 Ω，R2 为 0.1 Ω。

由图5、图6可得220 kV架空输电线路可以用过感应取电方式得到原边线圈功率为6.563e11 W、原边线圈电压为2.2e5 V、副边线圈功率为4.690e10 W、副边线圈电压为0.1e5 V，传输效率为7.15 %，该电压将通过电压变换技术转换为无人机充电的适当直流电压。

图5 感应功率仿真图

图6 感应电压仿真图

然而，架空输电线路感应电取电效率和线圈的匝数、绕数、材料、粗细（半径）、距离等因素有关，改变参数仿真结果如表1。

表1 线圈功率影响因素分析

由表1可知线圈传输功率受匝数、绕数因素影响较大且成正比关系，受距离影响较大且成反比关系，受材料影响较大，受线圈粗细影响较小。故在平台设计时有必要对线圈进行优化，本文对线圈进行优化，线圈距离为50 mm、20圈、10匝、铜材，其仿真结果如图7所示。

图7 优化后磁场强度仿真图

由图8可知线圈优化后原边线圈功率为2.613 35e6 W、副边线圈功率为2.377 65e6 W，传输效率为90.98%。

图8 优化后感应功率仿真图

3.2 充电端直流控制仿真

本文通过PSCAD软件建立架空输电线路模型，并使用电压互感器代替感应线圈电源完成输电线路感应电压变换设计及仿真。采用Buck降压电路闭环控制使得充电端输出电压稳定、可调，不受负载大小变化影响。因为开环的Buck降压电路输出的电压不稳定，会受到负载和外部的干扰，需加入补偿网络，可实现闭环控制[11-12]。模型通过采样环节得到所需电压信号，再与基准值进行比较，然后通过闭环控制器得到反馈信号，与三角波进行比较，得到调制后的开关波形，将其作为开关信号，从而实现Buck电路闭环控制系统。其电路模型如图9所示。

图9 直流闭环稳压控仿真图

其中，Ton为开关通态时间，Toff为开关断态时间，D0为占空比值。

由图10可知，通过占空比调节输出电压控制为5 V，即无人机充电电压。通过调节PI将输出电压稳定，PI调节参数如表2。

图10 充电端输出电压仿真结果图

表2 电压闭环控制参数

4 结束语

为了解决输电线路巡检无人机电池续航不足的问题，本文首次引入架空线路工频感应电取电技术并进行平台设计。文章根据无人机充电需求设计了架空线路高空充电平台，利用COMSOL软件进行电磁场路耦合仿真，利用PSCAD软件进行电压变换仿真，最终验证了平台设计的可行性。