以无人机为基础的高压输电线路路径改进设计

李亮

摘要：文章重点围绕以无人机为基础的高压输电线路路径改进设计，首先对以无人机为基础的高压输电线路路径改进设计的必要性进行了讨论分析，随后探讨了500kV输电线路电场仿真过程，并对以无人机为基础的高压输电线路避障与路径改进规划进行了讨论，最后分析了高压输电线路路径改进规划现场测试过程，希望能够为相关研究提供一定的参考。

关键词：无人机;高压输电线路;路径改进设计

前言：

随着科学信息技术的不断进步，在高压输电线路巡检方面，采用无人机巡检已经 成为一种常态。尤其是针对一些偏远地区的高压线路，地理环境相对复杂，交通不便，因此只有通过无人机进行输电线路巡检，才能有效降低成本，提高巡检效率。但在实际巡检过程中，为避免无人机遭遇障碍，引发“撞击问题”，有必要以无人机基础，加强对其高压输电线路路径改进设计分析，这对于保障无人机安全飞行，提高高压输电线路巡检效率有着重要的现实意义。

一、以无人机为基础的高压输电线路路径改进设计的必要性分析

随着社会经济的发展，工业化水平的不断提升，人们对电力需要量也在不断增加，为保障电力的全面输送供应，各种高压输电线路架设数量也在不断提升。然而由于相应线路巡检人员数量有限，再加上很多高压输电线路多假设在偏远地区、甚至交通条件极差的无人区，因此仅仅依靠传统人工线路巡检方式，已经难以满足实际要求。而无人机的出现，则有效解决了高压输电线路巡检难题，由于无人机能够无视地形，通过搭载摄像机，可进行远程巡检，且摄影精度较高，可灵活穿行于复杂的输电线路之间，节省了大量的人力成本，因此得到了广泛的应用[1]。但同时我们也应认识到，为保证无人机摄影精度，维护飞行安全，做好无人机在高压输电线路中飞行路径规划设计，控制好无人机与输电线路之间的距离非常重要。为达到上述目的，文章通过结合某500kv输电线路，实施建模分析，對线路电场分布与大小进行分析，并以此为依据，提出了一种借助线路电场有效值与高度，实现无人机安全飞行路径的改进设计，确保无人机与输电线路保持安全距离。

二、500kV输电线路电场仿真分析

针对本次高压输电线路电场仿真模拟，采用了某电厂500kV同塔双回输变电通道线路。其中对直线塔而言，采用了型号为 塔，该塔的呼高为33m。在导线排列上，属于典型的正向序排列方式。而针对该高压输电线路的导线，则采用了钢芯铝绞线，型号具体为 ，线路的总截面积为675mm2，导线的外径为33.7mm，导线的直流电阻为0.0458 。在分裂股数方面，则分成了4裂股。而针对地线，则采用了铝包钢绞线，导线的型号为 ，该导线的总截面积为122.32mm2，导线的外径为14.231mm，导线的直流电阻为0.4216 。

在实际进行输电线路仿真时，采用了Maxwell 仿真软件，建立了线路直线塔模型。在模型建立的过程中，选择性忽略了线路上一些配置装置，比如金具、绝缘子等，并对线路本身进行了一定简化，以铝导线为主。为验证模型准确性，还在Maxwell软件的帮助下，建立了线路3D模型。

在不同时时刻下，获得的电场值均为瞬时值，因此在进行电场计算时，针对电压载荷的施加，可以A相初始角为0°为依据，并将求解器设置为静态电场，经过计算，得出H=50.8m，Y=20m处的电场值，具体如图1所示[2]。其中H是指线路高度，Y是指水平距离线路中心处的距离，从中我们能够了解到，铁塔对空间电场分布有效较大的影响。而在本次研究中，重点在于无人机沿输电线路附近的避障路径改进，因此以铁塔为中心，忽略其周围50m处的电场，经过对图1电场值进行平滑处理，最终可得上述位置电场为 。

在计算输电线路二维电场时，可从输电线路三维模型入手，取X、Y坐标，构建三维模型，施加与模型自身相同的电压激励，选择在Y=20m，H=60m位置处，计算得出电场值 。通过对比 与 ，两者电场数值误差小于3%，完全与工程要求相符合，因对输电线路周围的电场而言，可以做出以下假设：即沿着Z轴方向，输电线路无限延长，并以此为有据，实施二维建模分析。

通过该二维电磁场模型，我们可以了解到在输电线路周围，越靠近导线，电场越高，反之，电场越低。比如在距离导线10m处，电场值为20 ，当距离增加至20m时，电场值迅速下降，变成9 。因此可以将导线周围的电场值作为变量，用于改进无人机在高压线路中飞行路径改进，实现无人机与高压输电线路安全距离控制，经过实际计算，在500kV高压线路安全电场阈值 为2000 条件下，无人机距离输电线路最远安全距离为18m，最近为10m。

三、以无人机为基础的高压输电线路避障与路径改进规划

（一）无人机距离控制系统介绍

对一个完整的无人机距离控制系统而言，应包括以下三部分，一是输电线路导线电场测试系统，二是信息处理，三是路径改进规划。其中对输电线路导线电场测试系统而言，主要用于无人机感知外部环境的信息，这为后续无人机飞行路径改进奠定了坚实的基础。而该系统在硬件设备组成方面，相对较为简单，主要由电场传感器组成，合理选择电场传感器，能够为后续电场值计算以及相应数据处理提供良好的硬件支持，这决定了无人机能否准确快速地感知高压输电线路周围的电场，并做出飞行路径的判断与改进，防止造成“撞击事故”。在本次研究中，针对无人机距离控制系统，采用了型号为 电磁场传感器，该传感器的频率范围为4至400kHz;测量误差在5%以内;传感器的类型为三轴全向，磁场线圈，电场平板，同时还配置了电磁场一体化探头;传感器的量程为：0.1V/m至100kV/m（电场），磁场为1nT至20mT。

（二）飞行路径避障以及路径规划改进

在进行飞行路径避障以及路径规划改进时，首先，需要判断无人机当下所处的飞行位置是否在安全区域，然后，如果发现无人机飞行位置号不在安全区域，又该如何对当前的飞行路径进行改进规划，才能有效躲避高压输电线路周围的障碍，保障无人机安全飞行，顺利完成巡检任。从无人机具体的分析流程来看：首先，需要无人机对自身航点安全性做出判断，如果搭载的电场传感器检测的电场值比初始电场安全阈值要低，那么可将无人机设置为安全飞行模式，并结合实际，提供后续的飞行期望航点;反之，则说明无人机当下处于危险飞行区域内，随时都有可能撞击高压输电线路的障碍物，因此需要及时将无人机调整为避障模式，重新进行后续非常路径的改进规划。其次，在无人机飞行路径改进上，可以先尝试向上飞行1m的高度，然后再重新检测输电线路周围的电场，如果高于安全电场阈值，说明处于安全位置，可自动返回上一航点，然后沿着原本的航行路径，安全返回至起点。反之，则继续飞行，到达下一航点。

四、高压输电线路路径改进规划现场测试分析

（一）电场反演距离测试

在无人机之上，搭载电场测试传感器与摄影测量仪，用于实时获取无人机的分析高度以及所处位置的电场值。通过上文叙述可知，在高度不变的情况下，越靠近线路导线，电场值越高，反之则越低。因此可以此为依据，作为判断无人机与输电线路之间的距离大小。一旦距离低于10m，g高于18m，說明无人机处于危险飞行区域。无人机在不同位置中，水平测量距离的误差也各不相同，具体如表1所示。从相关测试结果来看，并参考相应的资料，我们能够了解到，对无人机RTK定位系统与高度测量仪来说，两者的精度均能够达到厘米级别。表1所示的测试点，均是比较典型的测试点，其中对1号测试点而言，处于500kV高压输电线路的中心外侧的21.48m位置处，与导线相距10m左右，这一距离恰好是无人机安全距离临界点[3]。在该位置处，导线周围的电场通常会产生较大的变化，不仅如此，即使是微小的距离变化，也会导致电场出现相应的波动，对距离控制较为敏感，因此距离相对误差也最小。而对2号测试点而言，相较于第一个点，高度明显提升。因此相应的电场值也迅速下降，由此进行反演，推断出的位置信息将会有着更大的偏离。而对3号测试点来说，高度最高，远远超出了500kV输电线路60m的高度。在这一高速数值下，电场的数值不仅更小，而且变化也相对缓慢，因此实际得到的测量误差也就最大。但文章在本次研究过程中，重点在于输电线路附近的区域范围。由于3号点已经远远超出了文章研究范围，因此其误差实际上不会对无人机避障以及路线改进规划带来影响。

（二）借助安全阈值进行功能测试

在正式开展测试前，需要先进行无人机电场安全阈值的设置，本身安全阈值设置为1800V/m，主要目的是验证无人机在避障后，安全返航的功能。本次无人机的飞行轨迹如图2所示。从中我们能够了解到，航点2至4，属于铁塔底座位置。而无人机在最初进行飞行时，先飞到航点2位置，实施电场检查，发现该位置的电场已经超出了安全阈值。在这一背景条件下无人机与输电线路水平距离为9.7m，并且在后续飞行时，经过测量发现，无人机所处航线路径的电场值始终比较高，超出了电场安全阈值，因此会自动触发返航功能，改变原本的飞行路径，原路安全返回出发航点位置。

总结：

综上所述，在无人机巡检过程中，为避免撞机事故的发生，需要对相应飞行路径进行合理改进设计。文章通过以500kV高压输电线路为研究对象，通过对其进行仿真分析，提出了两种无人机安全飞行的方法，一是将电场安全阈值设置为2000V/m，实现无人机飞行路径的粗略控制，二是通过将输电线路的电场值与飞行高度相结合，在插值算法的帮助下，实施反演，从而确定无人机准确位置，避免无人机发生冲撞现象，能够为无人机在高压输电线路的航行路径规划改进奠定坚实的基础。

参考文献：

[1]夏立杰，孙阔腾，潘兴东，等. 基于无人机技术的特高压输电线路路径优化设计[J]. 科技经济导刊，2020.710（12）：76-76.

[2]汤坚，杨骥. 无人机倾斜摄影技术在特高压输电线路路径优化中的应用研究[J]. 南方能源建设，2015 6（S1）：211-214.

[3]李俊杰. 无人机航测技术在输电线路设计中的应用[J]. 红水河，2017，36（004）：83-86.