鄭玉浩，于學(xué)超，梁 剛，張 佳，柳巖妮

（國網(wǎng)山東省電力公司濰坊供電公司輸電運檢中心，山東 濰坊 261000）

架空輸電專業(yè)因搶修、驗收送電、故障巡視等工作通常須要在夜間進行。輸電作業(yè)的主要特點是高空作業(yè)、作業(yè)面積大、人員移動頻繁[1]。傳統(tǒng)的地面探照燈，從地面往高空照射被鐵塔遮擋嚴重，或因距離太遠光線不足，缺乏靈活性且照明續(xù)航能力差[2]。因此，需要一種探照燈，可以從高空自上而下照射且為塔上作業(yè)人員提供不間斷的照明。

文獻[3]提出一種晚間帶霓虹燈廣告的氫氣球，利用氫氣球?qū)⒛藓鐭襞c電線升到空中，從而達到不同顏色的燈光在空中長時間顯示效果，但是該方式照明重量有限，不具備一定重量荷載能力。文獻[4]利用大型無人機將網(wǎng)絡(luò)基站懸停在空中，從而實現(xiàn)災(zāi)害通信應(yīng)急，但無人機要承受線纜、配件等供電系統(tǒng)重量，荷載能力仍有局限性。文獻[5]提出基于多旋翼無人機的系留照明系統(tǒng)，采用高壓供電方式可減小輸送電流，從而減少電源損耗，該方法通過高壓輸電思路減輕線纜重量，但減少高空無人機荷載重量不明顯。

為了解決無人機飛行荷載問題，在借鑒線纜高壓供電方式的基礎(chǔ)上提出長續(xù)航無人機照明虛擬電池技術(shù)，該裝置省去了無人機自身電池重量，大大提高無人機荷載水平，對輕小型無人機、荷載重量大的系留裝置具備很好的應(yīng)用效果。

1 總體設(shè)計

長續(xù)航無人機照明裝置由COB 照明燈組、多旋翼無人機、機載電源、虛擬電池模塊、熒光光電復(fù)合纜和地面供電基站組成。

多旋翼無人機的長續(xù)航照明系統(tǒng)連接整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 多旋翼無人機的長續(xù)航照明系統(tǒng)

電源端為地面供電基站：為飛行和照明提供兩路不同的電壓，實現(xiàn)線纜自動收放功能[6]。線纜部分采用的是熒光光電復(fù)合纜，它由1 根通信光纖和2根正負極導(dǎo)線構(gòu)成，外層由凱夫拉耐磨材料包裹，表面涂熒光粉，可夜間發(fā)光可見。高空探照燈由COB 燈珠串并聯(lián)組成，照明燈組通過卡扣安裝在無人機機臂上，照射角度可以自由遠程控制。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 地面供電基站

照明系統(tǒng)的地面基站由應(yīng)急發(fā)電機、直流開關(guān)電源以及熒光復(fù)合線纜收放盤組成。直流開關(guān)電源與應(yīng)急發(fā)電機連接，熒光復(fù)合線纜收放盤與直流開關(guān)電源連接，高空無人機及大功率COB 探照燈通過機載電源與熒光復(fù)合線纜連接。

直流開關(guān)電源將應(yīng)急發(fā)電機的交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏褐绷麟姡ㄟ^熒光光電復(fù)合線纜將電能輸送至COB 探照燈上，能實現(xiàn)大功率照射效果，地面供電基站采用DSP 數(shù)字控制技術(shù)，交流輸入支持85～300 V，首先經(jīng)過輸入濾波電路，再通過整流電路變換為直流，經(jīng)過輸入緩沖電路進入功率逆變電路?；揪邆溥^壓保護、過流保護、過溫保護、欠壓保護和過載保護，當交流輸入超出或低于額定輸入范圍時或輸入缺相時，則會關(guān)斷功率逆變電路進行保護。

開關(guān)電源選擇全橋整流電路導(dǎo)通電流為10 A，地面供電電源兼容不同UPS 電源，包括應(yīng)急發(fā)電機、市電和車載電源，轉(zhuǎn)換為高壓直流供機載電源使用，具體外觀和參數(shù)如圖2、圖3 和表1 所示。

表1 ZT3K500-S420V10A 全橋整流參數(shù)

圖2 尺寸設(shè)計圖

圖3 實物完整圖

主控制電路通過采集輸入電壓、電流信號來調(diào)節(jié)IGBT 開關(guān)管工作狀態(tài)，輸出穩(wěn)壓直流；接收保護信號、電壓和電流信號，實現(xiàn)對整流電源的保護整定，輸出采集的電壓、電流數(shù)值提供給面板雙顯電能表進行顯示。

熒光光電復(fù)合線纜由1 根光纖和2 根正負極構(gòu)成，外層由凱夫拉耐磨材料加上熒光材料，具有重量輕、載流量大、夜間發(fā)光可視特點。正負極導(dǎo)線為飛行及照明提供電源，光纖為傳輸平臺電子設(shè)備的光電信號提供通路，通過熒光光電復(fù)合線纜保障飛行平臺和照明與地面設(shè)備之間電子信號的連接，可節(jié)省出平臺功率損耗，增加無人機升力。整體設(shè)計如圖4 和圖5 所示。

圖4 自動收線盤

圖5 地面供電基站

2.2 高空探照燈

由于無人機自身尺寸、載重及續(xù)航的原因，不能搭載笨重的大功率燈具。然而，傳統(tǒng)的無人照明燈具，采用LED 驅(qū)動模組和LED 發(fā)光板的方案，加上驅(qū)動和LED 光源散熱，一般重量在10 g/W 左右，小型無人機根本無法搭載，須要載重大的機型，才能把傳統(tǒng)大功率燈具帶上高空[7]。根據(jù)DL/T 5390-2007《發(fā)電廠和變電站照明設(shè)計技術(shù)規(guī)定》中要求探照燈照度大于700 lx[8]。對待選燈珠進行選擇，由于燈珠須要應(yīng)用在野外壞境，且持續(xù)工作時間較長，所以小組成員選擇了特種COB 燈珠，使用電壓130～180 V，使用電流300 mA，每個燈珠照度600 lx。為了保證探照燈在額定功率下輸入電流最小，將燈珠進行先串后并方式進行組裝。組裝平面設(shè)計如圖6 所示。

圖6 COB 串并聯(lián)設(shè)計圖

燈珠組裝之后，探照燈端電壓可以達到300～360 V，COB 探照燈達到400 W。

2.3 高空虛擬電池

高空虛擬電池實質(zhì)是代替原廠無人電池，由機載磚塊開關(guān)、無人機電池管理芯片及若干等值電阻構(gòu)成。等值電阻模擬原廠電池電芯虛擬電池串并聯(lián)方式，輸出端和無人機電池管理芯片平衡線相連，無人機電池管理芯片是虛擬電池和無人機兼容的關(guān)鍵，無人機從虛擬電池的管理芯片上讀取狀態(tài)電壓和電流參數(shù)，磚塊開關(guān)接收地面電源進行整流降壓并在虛擬電阻上產(chǎn)生和原廠電池相同電壓。保證輸出的為無人機額定電壓，虛擬電池結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 虛擬電池結(jié)構(gòu)

機載磚塊開關(guān)基于絕緣柵雙極晶體管（IGBT），選擇輕型鋁板進行焊接和雕洗加工，焊接選擇激光焊接機，誤差在2 mm 范圍內(nèi)；降壓直流單相300 V電壓經(jīng)過降壓后的直流電壓最大值是25.8 V， IGBT額定電壓取輸入電壓的3 倍。開關(guān)輸出電壓等效電路圖如圖8 所示。

圖8 磚塊開關(guān)等效電路

輸出電壓可根據(jù)無人機不同環(huán)境進行微調(diào)，可使輸出電壓在±20%范圍內(nèi)增大或減小，根據(jù)不同微調(diào)結(jié)果，模塊最大運行功率也相應(yīng)發(fā)生改變。上調(diào)電阻公式如下：

式中：R上調(diào)為上調(diào)電阻；V標準為開關(guān)輸出標準電壓；x為上調(diào)電壓百分比；R下調(diào)為下調(diào)電阻。

當標準電壓為24 V 時，輸出電壓須要上調(diào)20%時，上調(diào)電阻約為110 Ω；輸出電壓須要下調(diào)10%時，下調(diào)電阻為8 Ω。

輸入功率為600 W，直流電路的輸入電流過IGBT 開關(guān)管的電流為2.1 A，考慮到電流的波動，電流的最大峰值為3 A。在選擇開關(guān)管時須要考慮到無人機抗風和冗余重量因素，因此選擇大于1300 W開關(guān)電源，經(jīng)過尺寸、重量和容量多方面的考慮，選擇型號為DAF1500-540S 全磚DC-DC 直流電源模塊，重量僅為262.1 g。

3 試驗

3.1 基站測試

基站由自動收線盤、步進電機、PWM 控制器及適配的控制單元等零部件組裝，自動收線盤由步進電機通過聯(lián)軸器進行驅(qū)動，驅(qū)動器采用兩相步進電機驅(qū)動器，可以達到電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加減速及停機等效果。

放線盤的控制單元主控芯片使用C 語言編寫電機控制器程序，并寫入復(fù)雜邏輯可編程器件。

將控制器與電機連接，電路部分基本完成。進行電能轉(zhuǎn)換及驅(qū)動過程，記錄驅(qū)動曲線、轉(zhuǎn)換過程中IGBT 開關(guān)管的狀態(tài)是否正確、電能傳遞效率，如表2 所示。

表2 開關(guān)狀態(tài)驅(qū)動正確率、電能傳遞效率統(tǒng)計表 %

開關(guān)狀態(tài)正確控制100%，電能傳遞效率98%，測試合格。

3.2 照明燈源測試

燈數(shù)選擇2 組；每組由4 個50 W COB 燈芯封裝，并用銅線連接散熱以延長使用壽命；每組可分別掛在無人機機臂上。對8 個燈珠通電測試，通電電壓300 V，使用光照測試儀進行10 組照度測試，如表3 所示。

表3 照度測試照度值匯總表 lx

由表3 可知，燈珠照度值均在700 lx 以上。照明總功率達400 W，光通量不低于30000 lm，聚焦射角，照明范圍可達3500～5000 m2。

3.3 高空虛擬電池測試

將虛擬電池組裝成盒，一端連接供電線纜，一端連接無人機電池端子，輸入電壓為300 V，輸入電壓設(shè)置為25.8 V，通電后通過無人機遙控器顯示器觀察電池電量分布，并對電池模塊整流進行檢測，測量10 次電池輸出和輸入功率轉(zhuǎn)換效率，曲線如圖9 所示。

圖9 全橋整流單元轉(zhuǎn)換效率曲線

可見，全橋整流單元轉(zhuǎn)換效率為99.46%，運行過程器件發(fā)熱溫度恒定在41～43 ℃，滿足無人機供電質(zhì)量要求。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計研究的基于多旋翼無人機的長續(xù)航照明系統(tǒng)，不同于傳統(tǒng)的應(yīng)急照明方式，省掉了無人機自身電池重量，使得空中無人機荷載能力更加靈活，空中自由照明 ，而且通過線纜從地面取電，實現(xiàn)了24 h 不間斷供電的目的。

地面的直流開關(guān)電源支持多種型式電源接入，且轉(zhuǎn)換效率達到99%，采用高壓供電方式減小輸送電流，從而減少電源損耗和線纜面積，減輕了傳輸線纜的重量。由機載磚塊開關(guān)、無人機電池管理芯片及若干等值電阻構(gòu)成虛擬電池，可以產(chǎn)生與原廠電池相同的電壓分布和總電壓，且保持不間斷供電，節(jié)省了高空無人機電池重量、提高了高空照明荷載裕度。照明燈采用高亮COB 燈珠串并聯(lián)方式，實現(xiàn)了照明400 W，照度700 lx，照明范圍可達3500～5000 m2的。該系統(tǒng)具備高空100 m，續(xù)航24 h 照明需求，完全滿足輸電夜間長續(xù)航大功率照明需求，減低了高空檢修作業(yè)風險，工作效率顯著提高，保障了工程進度，從而達到快速送電的目的。