特高壓輸電線路巡檢無人機安全技術(shù)探討

孫 陽，李 魯，王 蔚，呂勃翰

（1.國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟南 250118；2.華北電力大學(xué)電氣與電力工程學(xué)院，北京 102206）

特高壓輸電線路巡檢無人機安全技術(shù)探討

孫 陽1，李 魯1，王 蔚1，呂勃翰2

（1.國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟南 250118；2.華北電力大學(xué)電氣與電力工程學(xué)院，北京 102206）

近年來特高壓輸電工程的逐步建成，對無人機巡檢作業(yè)提出了更高的安全要求。分析特高壓線路無人機巡檢作業(yè)中的安全隱患，從無人機系統(tǒng)電磁干擾防護、多余度飛行控制系統(tǒng)、基于毫米波雷達的無人機避障技術(shù)三方面出發(fā)，對電力巡檢無人機安全技術(shù)的原理、構(gòu)思及實現(xiàn)方式進行討論。

電磁干擾防護；多余度飛控系統(tǒng)；避障技術(shù)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展及能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，以特高壓為重點的跨區(qū)域輸電工程建設(shè)全面展開。這是保障國家能源安全、提高能源效率、服務(wù)清潔能源發(fā)展、促進生態(tài)文明建設(shè)的重要選擇，可有效提升我國長距離、大容量能源轉(zhuǎn)移的能力，對轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生深遠影響。

輸電線路巡檢是及時發(fā)現(xiàn)并消除隱患確保線路安全、可靠運行的必要基礎(chǔ)性工作。在長期的輸電線路運行維護工作中，總結(jié)出多種巡檢方法。除傳統(tǒng)人工巡檢外，還積極將新技術(shù)應(yīng)用于線路巡檢，其中無人機巡檢是近年來大范圍推廣應(yīng)用的一項技術(shù)，在提高巡檢質(zhì)量及效率方面取得顯著成效。

然而相較高壓、超高壓輸電線路，特高壓輸電線路的結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)更高，同時也對無人機巡檢作業(yè)提出了更高的安全要求。電力巡檢多旋翼無人機的作業(yè)區(qū)域主要為環(huán)境復(fù)雜的低空領(lǐng)域，存在交叉跨越線路、道路橋梁、建筑物及樹木等有形障礙，同時會受到線路產(chǎn)生的強電磁場、通信基站無線電信號等無形干擾［1］。若不能處理好無人機與輸電線路及周邊環(huán)境的關(guān)系，輕則無人機故障墜毀，重則造成人身及電網(wǎng)安全事故，導(dǎo)致大規(guī)模停電。因此，研究特高壓輸電線路多旋翼無人機巡檢安全技術(shù)具有重要意義。

1 巡檢安全隱患分析

目前多旋翼無人機巡檢作業(yè)的主要方式為在線路附近空中懸停，通過其搭載的照相機對巡檢目標拍照。為保證巡檢質(zhì)量，無人機作業(yè)時需與帶電導(dǎo)線保持較近的距離。因此，無人機巡檢作業(yè)中面臨的安全隱患主要有電磁場干擾和誤撞障礙物。特高壓輸電線路在其周圍產(chǎn)生強電磁場，干擾無人機飛控、測量模塊等電路元件，甚至致其損壞，導(dǎo)致無人機失控。無人機作業(yè)時與線路保持近距離，且由于特高壓線路為電網(wǎng)中結(jié)構(gòu)高度最高的線路，在線路通道中存在大量與其他線路交叉跨越的情況，大幅增加無人機碰撞鐵塔或?qū)У鼐€的風(fēng)險。

針對電磁場干擾，主要應(yīng)對手段為電磁干擾防護和多余度飛控系統(tǒng)。電磁干擾防護是指無人機加裝電磁屏蔽外殼及對內(nèi)部電路進行優(yōu)化處理，抑制輸電線路電磁場對內(nèi)部電路元件的干擾，有效降低外部因素影響。多余度飛控系統(tǒng)，指多套飛控系統(tǒng)同時運作、互為備用，降低了飛控系統(tǒng)受電磁干擾誤動作的概率，有效提高自身抗干擾能力。

針對誤撞障礙物，主要應(yīng)對手段為雷達測距避障及視覺定位避障技術(shù)，即通過雷達測距或視覺定位等手段確定無人機周圍障礙物位置及相對速度等信息并反饋給飛控系統(tǒng)，由其做出判斷并控制無人機實現(xiàn)避障［2］。

2 無人機系統(tǒng)電磁干擾防護技術(shù)

無人機電源及信號回路如圖1所示，電磁干擾主要由3個要素造成，即干擾源、干擾途徑及被干擾設(shè)備。通過對電力巡檢無人機的工作環(huán)境分析可知，特高壓輸電線路的導(dǎo)線周圍分布著強電磁場，其發(fā)射出的強電磁波為主要干擾源。無人機系統(tǒng)中易受干擾的電子設(shè)備主要有飛行控制系統(tǒng)、各類測量模塊（IMU、GPS定位儀、氣壓計、磁羅盤等）及信號接收機等，受電磁干擾后將對飛行安全造成極大隱患，因此主要考慮對這些設(shè)備的電磁防護。

圖1 無人機電源及信號回路

電力巡檢無人機系統(tǒng)受到干擾的途徑有輻射耦合和傳導(dǎo)耦合兩種：輻射耦合是指電磁波通過無人機機體及設(shè)備外殼上的通風(fēng)散熱窗、線路接口及連接處縫隙等進入機艙內(nèi)部，或機載電子設(shè)備相互間的電磁耦合，對電子設(shè)備及線路造成干擾；傳導(dǎo)耦合是指電磁波在機載天線或外部線路等其他設(shè)備中產(chǎn)生感應(yīng)電流并沿電源及信號回路傳導(dǎo)，導(dǎo)致關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生邏輯錯誤甚至造成硬件損傷。根據(jù)上述干擾途徑，在電力巡檢無人機上主要采取屏蔽和濾波方式進行防護。

2.1 屏蔽

電磁屏蔽是指通過切斷輻射耦合途徑抑制電磁場對關(guān)鍵設(shè)備的干擾，實質(zhì)是將關(guān)鍵設(shè)備用屏蔽體包圍起來，使耦合電磁波通過反射和吸收被衰減。屏蔽干擾源是最直接的防護方式，但實際設(shè)計中無法做到完全屏蔽。通過分析常見的電力巡檢無人機，主要從3個方面進行電磁屏蔽防護。

1）機身面板、設(shè)備外殼等處的接縫、孔洞對于接縫最理想的方式是將其焊接起來，但為保證無人機設(shè)備的可拆裝性，這種做法是不現(xiàn)實的。因此考慮在接縫處使用屏蔽墊，常用的屏蔽墊有：金屬絲網(wǎng)墊；導(dǎo)電布墊；硬度較低易于塑性變形的軟金屬（銅，鋁等），如圖2所示。

圖2 電磁屏蔽墊

設(shè)備出于散熱、接線的需要在外殼上留有孔洞，對于這些部位采取的主要措施為將原有面板或外殼改為穿孔金屬板，即在金屬板上打出供線路通過或通風(fēng)散熱用的孔陣，以減少外殼上的孔洞面積［3］。

2）電子設(shè)備及線路加裝屏蔽層。電子設(shè)備及線路為電磁輻射耦合的主要對象，對其采取的屏蔽措施主要為加裝屏蔽層：對于飛行控制系統(tǒng)、測量元件等電子設(shè)備，可采用錫箔紙整體包覆的方式；信號回路可采用雙屏蔽的雙絞線，即不同的模擬信號線應(yīng)該獨立走線，有各自的屏蔽層，且走線應(yīng)盡量短，以減少線間的耦合；電源回路可采用屏蔽線，屏蔽層的電導(dǎo)至少為每相導(dǎo)線芯電導(dǎo)的1／10，且屏蔽層應(yīng)可靠接地。如圖3所示。

圖3 電子設(shè)備及線路屏蔽層

3）系統(tǒng)布局。通過改善系統(tǒng)布局可有效降低關(guān)鍵設(shè)備受到的電磁干擾，主要遵循以下原則。

關(guān)鍵設(shè)備盡量遠離機身干擾源。飛行控制系統(tǒng)、測量元件是飛行安全的核心，應(yīng)使其遠離電調(diào)、電機線路等大電流設(shè)備及接縫、孔洞等外界干擾源，也可對機體內(nèi)空間進行分割隔離，降低設(shè)備間的電磁干擾。機載電調(diào)不同距離處場強對比如圖4所示。

圖4 機載電調(diào)不同距離處場強對比

合理布線改善電磁干擾。大電流線路應(yīng)獨立于其他線路走線，同時應(yīng)避免與其他電線長距離平行走線，以減少輸出電壓快速變化而產(chǎn)生的電磁干擾。電源回路與信號回路交叉時，應(yīng)使其按 90°角交叉，同時必須用合適的扎帶固定到安裝板上。當(dāng)有線路經(jīng)過孔縫時，應(yīng)盡量使線路沿孔縫方向或平行孔縫布線，避免跨越孔縫，以免孔縫在線路電場作用下發(fā)生天線效應(yīng)，向外輻射干擾對周圍設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。

2.2 濾波

濾波是指將傳導(dǎo)耦合中的電磁干擾能量濾除，并維持線路中工作電平的技術(shù)。針對從天線部分耦合進來的能量，可以在天線等外部接口處使用帶通濾波器，并對接收信號進行濾波匹配；對于從外部線路耦合進來的能量，可采用電源濾波器。常用的電磁干擾濾波器為鐵氧體磁環(huán)濾波器。

鐵氧體磁環(huán)可視為一個阻值隨頻率變化的電阻。根據(jù)電磁波頻率特點可以選用鎳鋅鐵氧體或錳鋅鐵氧體，前者的高頻特性優(yōu)于后者。鐵氧體的磁導(dǎo)率越高，其低頻時的阻抗越大，高頻時的阻抗越小。所以，在抑制高頻干擾時，宜選用鎳鋅鐵氧體；反之則用錳鋅鐵氧體。也可在同一束線路上同時套上錳鋅和鎳鋅鐵氧體，這樣可以抑制的干擾頻段較寬。磁環(huán)的內(nèi)外徑差值越大、縱向高度越大，其阻抗也就越大，但磁環(huán)內(nèi)徑一定要緊包線路，避免漏磁。磁環(huán)的安裝位置應(yīng)盡量靠近干擾源或接口處。PWM信號線加裝鐵氧體磁環(huán)如圖5所示。

圖5 PWM信號線加裝鐵氧體磁環(huán)

3 多余度無人機飛行控制系統(tǒng)

無人機飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性是決定無人機飛行安全的關(guān)鍵因素。多余度飛行控制系統(tǒng)即多套系統(tǒng)同時運轉(zhuǎn)、互為備用，大幅降低單一系統(tǒng)故障時導(dǎo)致飛行事故的概率。以雙余度為例介紹飛控系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)架及工作原理，雙余度飛控系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示。

圖6 雙余度飛控系統(tǒng)架構(gòu)

雙余度飛控系統(tǒng)由兩套相互獨立的傳感器、飛控計算機及一個表決模塊組成，兩套飛行數(shù)據(jù)傳感器及飛控系統(tǒng)采用雙余度熱備份模式［4］。傳感器A、傳感器B同時工作，采集決定飛行控制的同源數(shù)據(jù)（包含GPS坐標、加速度、姿態(tài)角、氣壓高度及磁航向等），并輸出到各飛控計算機的數(shù)據(jù)接口。飛控數(shù)據(jù)接口各通道先后接收到來自傳感器A、B的輸入數(shù)據(jù)后，在CPU中進行分析對比，經(jīng)過控制律程序選出合適的數(shù)據(jù)，作為依據(jù)運算得到輸出給各控制終端的輸出數(shù)據(jù)。兩套飛控的輸出數(shù)據(jù)匯入表決模塊，通過控制律程序最終決定由其中一套飛控系統(tǒng)的輸出值作為整套系統(tǒng)的最終輸出。雙余度飛控系統(tǒng)的工作流程如圖7所示。

圖7 雙余度飛控系統(tǒng)的工作流程

目前，國內(nèi)無人機多余度飛控系統(tǒng)主要采用二余度及三余度，如圖8所示，少數(shù)國外無人機也有采用更高余度的設(shè)計方案，但飛控系統(tǒng)的余度設(shè)計并非越高越好。隨著余度數(shù)增多，相應(yīng)的檢測、判斷和轉(zhuǎn)換模塊也增多，這將一定程度降低系統(tǒng)可靠性。故飛控系統(tǒng)應(yīng)確保多余度設(shè)計所提高的可靠性及安全性不會被其所增加配套裝置的重量、體積及故障率所抵消。

圖8 常見多余度飛控系統(tǒng)

4 基于毫米波雷達測距的無人機避障技術(shù)

電力巡檢無人機作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，為避免無人機飛行中碰撞障礙物或線路，確保飛行安全，必須要考慮無人機自動檢測障礙物并避讓的技術(shù)。目前，電力巡檢無人機避障技術(shù)主要有兩個發(fā)展方向，分別是基于雷達測距及基于視覺定位的無人機避障技術(shù)。

無論是基于雷達測距，是基于視覺定位的避障技術(shù)，都是通過機載雷達或視覺定位裝置對無人機周圍進行掃描探測，得到無人機與障礙物的相對位置及速度等數(shù)據(jù)，并發(fā)送到飛控系統(tǒng)，經(jīng)避障程序處理得到避障解決方案，并控制無人機做出響應(yīng)。目前，視覺定位技術(shù)應(yīng)用剛起步，尚不成熟，且對于輸電線路的導(dǎo)地線等纖細物體，不能有效識別；激光雷達避障技術(shù)在各領(lǐng)域的大型無人機上已取得較為成熟的應(yīng)用效果，但由于激光雷達重量、體積大，難以應(yīng)用于電力巡檢的中小型無人機上。針對這一問題，采用基于毫米波雷達測距的無人機避障技術(shù)。

毫米波雷達在電力巡檢無人機避障測距應(yīng)用中的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下方面［5］。戶

1）雷達采用一路發(fā)射天線和兩路接收天線，收發(fā)天線分離設(shè)計使得雷達收發(fā)鏈路具有高隔離度，提高了雷達目標探測的動態(tài)范圍，有效探測距離可達50 m。

2）多接收天線的設(shè)計使得雷達獲得目標回波細微的相位差，讓雷達具備精準的測角能力，探測精度達±0.1 m，能有效識別導(dǎo)地線。

3）雷達天線在方位面設(shè)計為寬波束，在俯仰面設(shè)計為窄波束，并且采用泰勒算法對方位面進行低副瓣綜合。這樣的設(shè)計使雷達在方位面上具有140°的寬視角，同時低副瓣使雷達不易受地面目標的干擾，顯著提高雷達的探測性能。

4）高精度數(shù)字鎖相電路負責(zé)射頻基帶的調(diào)制與解調(diào)。高性能數(shù)字信號處理芯片負責(zé)完成目標檢測與跟蹤，刷新頻率達50 Hz，能在 20 ms內(nèi)準確地對目標進行定位，并通過CAN接口輸出數(shù)據(jù)。

基于以上優(yōu)勢，高集成度毫米波雷達尤其適于作為電力巡檢中小型無人機避障系統(tǒng)的感測裝置，其毫米波寬帶線性調(diào)頻技術(shù)能實現(xiàn)對導(dǎo)地線等纖細目標的探測，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)為飛控系統(tǒng)做出避障策略提供依據(jù)，避免無人機誤撞輸電線路或其他障礙物的事故發(fā)生。

5 結(jié)語

電力巡檢無人機作業(yè)環(huán)境中的強電磁場對機載電子設(shè)備造成電磁干擾。通過在設(shè)備外殼的接縫、孔洞處加裝電磁屏蔽墊，電子設(shè)備及線路加裝屏蔽層，合理改善系統(tǒng)布局及在線路上加裝濾波器等方式，有效抑制電磁干擾對關(guān)鍵設(shè)備的影響，提高巡檢作業(yè)安全性。

通過升級多余度飛控系統(tǒng)，大大降低了單一飛控系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致無人機事故的概率，提高了無人機巡檢作業(yè)的穩(wěn)定性及可靠性。

采用全新的高集成度毫米波雷達為解決電力巡檢無人機測距避障技術(shù)難題的提供了一種十分高效、優(yōu)質(zhì)的新方案，使無人機誤撞障礙物的安全隱患得到消除，對后續(xù)的研究和裝備極具參考價值。

［1］李勇.無人飛行器在特高壓交流輸電線路巡視中的應(yīng)用模式研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2014.

［2］鄭天茹，王濱海，劉俍，等.電力巡線無人直升機障礙規(guī)避系統(tǒng)［J］.山東電力技術(shù)，2012，39（1）：14-17.

［3］盧育中.小型飛行器復(fù)雜電磁環(huán)境下的電磁干擾耦合及防護研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2013.

［4］柳孔明，黃俊.無人機多余度航空電子系統(tǒng)研究與應(yīng)用［J］.計算機測量與控制，2012，20（5）：1 340-1 343.

［5］喻江波.毫米波雷達對電力線檢測的關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2015.

Discussion on the Safety Engineering of UAV in UHV Transmission Line Routing Inspection

SUN Yang1，LI Lu1，WANG Wei1，LV Bohan2
（1.State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Jinan 250118，China；2.School of Electric and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China）

In recent years，the construction of UHV transmission project has put forward higher security requirements for UAV routing inspection.The potential safety hazard in UHV transmission line routing inspection by UAV is analyzed.The theory，design and implementation of safety engineering of UAV routing inspection are discussed from three aspects of protection against EMI，redundancy flight control system and the obstacle avoiding technology based on millimeter-wave radar.

protection against EMI；redundancy flight control system；obstacle avoiding technology

TM755

A

1007－9904（2017）02－0015－05

2016-10-26

孫 陽（1991），男，從事輸電線路運維及無人機巡檢工作。