孫 陽(yáng)，李 魯，王 蔚，呂勃翰

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟(jì)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(wú)人機(jī)安全技術(shù)探討

孫 陽(yáng)1，李 魯1，王 蔚1，呂勃翰2

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟(jì)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(lái)特高壓輸電工程的逐步建成，對(duì)無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)提出了更高的安全要求。分析特高壓線路無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)中的安全隱患，從無(wú)人機(jī)系統(tǒng)電磁干擾防護(hù)、多余度飛行控制系統(tǒng)、基于毫米波雷達(dá)的無(wú)人機(jī)避障技術(shù)三方面出發(fā)，對(duì)電力巡檢無(wú)人機(jī)安全技術(shù)的原理、構(gòu)思及實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行討論。

電磁干擾防護(hù)；多余度飛控系統(tǒng)；避障技術(shù)

0 引言

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

輸電線路巡檢是及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除隱患確保線路安全、可靠運(yùn)行的必要基礎(chǔ)性工作。在長(zhǎng)期的輸電線路運(yùn)行維護(hù)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(wú)人機(jī)巡檢是近年來(lái)大范圍推廣應(yīng)用的一項(xiàng)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(yùn)行參數(shù)更高，同時(shí)也對(duì)無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)提出了更高的安全要求。電力巡檢多旋翼無(wú)人機(jī)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(shí)會(huì)受到線路產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場(chǎng)、通信基站無(wú)線電信號(hào)等無(wú)形干擾［1］。若不能處理好無(wú)人機(jī)與輸電線路及周邊環(huán)境的關(guān)系，輕則無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)的主要方式為在線路附近空中懸停，通過(guò)其搭載的照相機(jī)對(duì)巡檢目標(biāo)拍照。為保證巡檢質(zhì)量，無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)需與帶電導(dǎo)線保持較近的距離。因此，無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)中面臨的安全隱患主要有電磁場(chǎng)干擾和誤撞障礙物。特高壓輸電線路在其周圍產(chǎn)生強(qiáng)電磁場(chǎng)，干擾無(wú)人機(jī)飛控、測(cè)量模塊等電路元件，甚至致其損壞，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)失控。無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)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(wú)人機(jī)碰撞鐵塔或?qū)У鼐€的風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)電磁場(chǎng)干擾，主要應(yīng)對(duì)手段為電磁干擾防護(hù)和多余度飛控系統(tǒng)。電磁干擾防護(hù)是指無(wú)人機(jī)加裝電磁屏蔽外殼及對(duì)內(nèi)部電路進(jìn)行優(yōu)化處理，抑制輸電線路電磁場(chǎng)對(duì)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(shí)運(yùn)作、互為備用，降低了飛控系統(tǒng)受電磁干擾誤動(dòng)作的概率，有效提高自身抗干擾能力。

針對(duì)誤撞障礙物，主要應(yīng)對(duì)手段為雷達(dá)測(cè)距避障及視覺(jué)定位避障技術(shù)，即通過(guò)雷達(dá)測(cè)距或視覺(jué)定位等手段確定無(wú)人機(jī)周圍障礙物位置及相對(duì)速度等信息并反饋給飛控系統(tǒng)，由其做出判斷并控制無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)避障［2］。

2 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)電磁干擾防護(hù)技術(shù)

無(wú)人機(jī)電源及信號(hào)回路如圖1所示，電磁干擾主要由3個(gè)要素造成，即干擾源、干擾途徑及被干擾設(shè)備。通過(guò)對(duì)電力巡檢無(wú)人機(jī)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(qiáng)電磁場(chǎng)，其發(fā)射出的強(qiáng)電磁波為主要干擾源。無(wú)人機(jī)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(cè)量模塊（IMU、GPS定位儀、氣壓計(jì)、磁羅盤等）及信號(hào)接收機(jī)等，受電磁干擾后將對(duì)飛行安全造成極大隱患，因此主要考慮對(duì)這些設(shè)備的電磁防護(hù)。

圖1 無(wú)人機(jī)電源及信號(hào)回路

電力巡檢無(wú)人機(jī)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(guò)無(wú)人機(jī)機(jī)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(jìn)入機(jī)艙內(nèi)部，或機(jī)載電子設(shè)備相互間的電磁耦合，對(duì)電子設(shè)備及線路造成干擾；傳導(dǎo)耦合是指電磁波在機(jī)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(hào)回路傳導(dǎo)，導(dǎo)致關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生邏輯錯(cuò)誤甚至造成硬件損傷。根據(jù)上述干擾途徑，在電力巡檢無(wú)人機(jī)上主要采取屏蔽和濾波方式進(jìn)行防護(hù)。

2.1 屏蔽

電磁屏蔽是指通過(guò)切斷輻射耦合途徑抑制電磁場(chǎng)對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的干擾，實(shí)質(zhì)是將關(guān)鍵設(shè)備用屏蔽體包圍起來(lái)，使耦合電磁波通過(guò)反射和吸收被衰減。屏蔽干擾源是最直接的防護(hù)方式，但實(shí)際設(shè)計(jì)中無(wú)法做到完全屏蔽。通過(guò)分析常見的電力巡檢無(wú)人機(jī)，主要從3個(gè)方面進(jìn)行電磁屏蔽防護(hù)。

1）機(jī)身面板、設(shè)備外殼等處的接縫、孔洞對(duì)于接縫最理想的方式是將其焊接起來(lái)，但為保證無(wú)人機(jī)設(shè)備的可拆裝性，這種做法是不現(xiàn)實(shí)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?jí)|；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(duì)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(guò)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(duì)象，對(duì)其采取的屏蔽措施主要為加裝屏蔽層：對(duì)于飛行控制系統(tǒng)、測(cè)量元件等電子設(shè)備，可采用錫箔紙整體包覆的方式；信號(hào)回路可采用雙屏蔽的雙絞線，即不同的模擬信號(hào)線應(yīng)該獨(dú)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(guò)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(yuǎn)離機(jī)身干擾源。飛行控制系統(tǒng)、測(cè)量元件是飛行安全的核心，應(yīng)使其遠(yuǎn)離電調(diào)、電機(jī)線路等大電流設(shè)備及接縫、孔洞等外界干擾源，也可對(duì)機(jī)體內(nèi)空間進(jìn)行分割隔離，降低設(shè)備間的電磁干擾。機(jī)載電調(diào)不同距離處場(chǎng)強(qiáng)對(duì)比如圖4所示。

圖4 機(jī)載電調(diào)不同距離處場(chǎng)強(qiáng)對(duì)比

合理布線改善電磁干擾。大電流線路應(yīng)獨(dú)立于其他線路走線，同時(shí)應(yīng)避免與其他電線長(zhǎng)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(hào)回路交叉時(shí)，應(yīng)使其按 90°角交叉，同時(shí)必須用合適的扎帶固定到安裝板上。當(dāng)有線路經(jīng)過(guò)孔縫時(shí)，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(chǎng)作用下發(fā)生天線效應(yīng)，向外輻射干擾對(duì)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(duì)從天線部分耦合進(jìn)來(lái)的能量，可以在天線等外部接口處使用帶通濾波器，并對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行濾波匹配；對(duì)于從外部線路耦合進(jìn)來(lái)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(gè)阻值隨頻率變化的電阻。根據(jù)電磁波頻率特點(diǎn)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(shí)的阻抗越大，高頻時(shí)的阻抗越小。所以，在抑制高頻干擾時(shí)，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(shí)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(hào)線加裝鐵氧體磁環(huán)如圖5所示。

圖5 PWM信號(hào)線加裝鐵氧體磁環(huán)

3 多余度無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性是決定無(wú)人機(jī)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(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)、互為備用，大幅降低單一系統(tǒng)故障時(shí)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(dú)立的傳感器、飛控計(jì)算機(jī)及一個(gè)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(shí)工作，采集決定飛行控制的同源數(shù)據(jù)（包含GPS坐標(biāo)、加速度、姿態(tài)角、氣壓高度及磁航向等），并輸出到各飛控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)接口。飛控?cái)?shù)據(jù)接口各通道先后接收到來(lái)自傳感器A、B的輸入數(shù)據(jù)后，在CPU中進(jìn)行分析對(duì)比，經(jīng)過(guò)控制律程序選出合適的數(shù)據(jù)，作為依據(jù)運(yùn)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(guò)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(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)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(guó)外無(wú)人機(jī)也有采用更高余度的設(shè)計(jì)方案，但飛控系統(tǒng)的余度設(shè)計(jì)并非越高越好。隨著余度數(shù)增多，相應(yīng)的檢測(cè)、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(jì)所提高的可靠性及安全性不會(huì)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(dá)測(cè)距的無(wú)人機(jī)避障技術(shù)

電力巡檢無(wú)人機(jī)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，為避免無(wú)人機(jī)飛行中碰撞障礙物或線路，確保飛行安全，必須要考慮無(wú)人機(jī)自動(dòng)檢測(cè)障礙物并避讓的技術(shù)。目前，電力巡檢無(wú)人機(jī)避障技術(shù)主要有兩個(gè)發(fā)展方向，分別是基于雷達(dá)測(cè)距及基于視覺(jué)定位的無(wú)人機(jī)避障技術(shù)。

無(wú)論是基于雷達(dá)測(cè)距，是基于視覺(jué)定位的避障技術(shù)，都是通過(guò)機(jī)載雷達(dá)或視覺(jué)定位裝置對(duì)無(wú)人機(jī)周圍進(jìn)行掃描探測(cè)，得到無(wú)人機(jī)與障礙物的相對(duì)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(wú)人機(jī)做出響應(yīng)。目前，視覺(jué)定位技術(shù)應(yīng)用剛起步，尚不成熟，且對(duì)于輸電線路的導(dǎo)地線等纖細(xì)物體，不能有效識(shí)別；激光雷達(dá)避障技術(shù)在各領(lǐng)域的大型無(wú)人機(jī)上已取得較為成熟的應(yīng)用效果，但由于激光雷達(dá)重量、體積大，難以應(yīng)用于電力巡檢的中小型無(wú)人機(jī)上。針對(duì)這一問(wèn)題，采用基于毫米波雷達(dá)測(cè)距的無(wú)人機(jī)避障技術(shù)。

毫米波雷達(dá)在電力巡檢無(wú)人機(jī)避障測(cè)距應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下方面［5］。戶

1）雷達(dá)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(jì)使得雷達(dá)收發(fā)鏈路具有高隔離度，提高了雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍，有效探測(cè)距離可達(dá)50 m。

2）多接收天線的設(shè)計(jì)使得雷達(dá)獲得目標(biāo)回波細(xì)微的相位差，讓雷達(dá)具備精準(zhǔn)的測(cè)角能力，探測(cè)精度達(dá)±0.1 m，能有效識(shí)別導(dǎo)地線。

3）雷達(dá)天線在方位面設(shè)計(jì)為寬波束，在俯仰面設(shè)計(jì)為窄波束，并且采用泰勒算法對(duì)方位面進(jìn)行低副瓣綜合。這樣的設(shè)計(jì)使雷達(dá)在方位面上具有140°的寬視角，同時(shí)低副瓣使雷達(dá)不易受地面目標(biāo)的干擾，顯著提高雷達(dá)的探測(cè)性能。

4）高精度數(shù)字鎖相電路負(fù)責(zé)射頻基帶的調(diào)制與解調(diào)。高性能數(shù)字信號(hào)處理芯片負(fù)責(zé)完成目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤，刷新頻率達(dá)50 Hz，能在 20 ms內(nèi)準(zhǔn)確地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，并通過(guò)CAN接口輸出數(shù)據(jù)。

基于以上優(yōu)勢(shì)，高集成度毫米波雷達(dá)尤其適于作為電力巡檢中小型無(wú)人機(jī)避障系統(tǒng)的感測(cè)裝置，其毫米波寬帶線性調(diào)頻技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)地線等纖細(xì)目標(biāo)的探測(cè)，通過(guò)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(wú)人機(jī)誤撞輸電線路或其他障礙物的事故發(fā)生。

5 結(jié)語(yǔ)

電力巡檢無(wú)人機(jī)作業(yè)環(huán)境中的強(qiáng)電磁場(chǎng)對(duì)機(jī)載電子設(shè)備造成電磁干擾。通過(guò)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(duì)關(guān)鍵設(shè)備的影響，提高巡檢作業(yè)安全性。

通過(guò)升級(jí)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(wú)人機(jī)事故的概率，提高了無(wú)人機(jī)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(dá)為解決電力巡檢無(wú)人機(jī)測(cè)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(wú)人機(jī)誤撞障礙物的安全隱患得到消除，對(duì)后續(xù)的研究和裝備極具參考價(jià)值。

［1］李勇.無(wú)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(wú)人直升機(jī)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(hù)研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2013.

［4］柳孔明，黃俊.無(wú)人機(jī)多余度航空電子系統(tǒng)研究與應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，20（5）：1 340-1 343.

［5］喻江波.毫米波雷達(dá)對(duì)電力線檢測(cè)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(yáng)（1991），男，從事輸電線路運(yùn)維及無(wú)人機(jī)巡檢工作。