摘要：针对架空线路接地故障检测人工巡查劳动强度大、作业效率低的问题，研究了一种基于共轴多旋翼无人机接地故障检测系统，文章介绍了研制背景、方案要求、系统架构、设备选型与设计、软件系统开发情况。
关键词：共轴多旋翼无人机；接地故障；检测；架空线路
配网架空线路覆盖范围广、穿越区域复杂，在运行过程中暴露于自然环境中，不断受到风吹、日晒、雨淋、雷击、污秽等不良因素影响，容易引发各种故障，若不及时发现和修复，最终会演变为严重事故，威胁电网安全和可靠供电。在配电网各类故障中，发生频率最高的是单相接地故障，约占各类故障总数的80%左右，因而检测接地故障也成为架空线路维护的主要任务。排查架空线路故障隐患的主要手段是巡线，当前应用比较广泛的巡线方法包括人工巡线、机器人巡线、直升机巡线等。人工巡线劳动强度大，巡线效率低，而且还面临一定的安全风险。机器人巡线成本高，并且工作效率较低。直升机巡线效率较高，但需申请航路，成本不低，但效果仍不尽人意。无人机巡线可释放人力资源，巡线效率高，所以近年来应用渐广[1]。因此本文探讨了基于无人机平台的接地故障检测技术及应用。
1 基于无人机的接地故障检测系统研制背景及要求
1.1 研制背景
我国6～66kV配电网广泛采用中性点不接地系统（NUS）、中性点经消弧线圈接地系统（NES）、中性点经高阻接地系统（NRS）。这些系统与中性点经小电阻接地系统、中性点直接接地系统相比，前者发生单相接地故障时形成高阻抗短路回路，短路电流很小（统称为小电流接地系统或中性点不直接接地系统，NUGS），而且不影响线电压的对称性，所以规程规定可带故障运行1～2h，从而提高了供电可靠性。但单相接地故障会使非故障相电压升高为正常相电压的
倍，时间长了可能会在系统绝缘薄弱处击穿，这对电网而言是不小的威胁。对于NUGS来说，尽快而准确定位故障线路是非常重要的。然而因为NUGS单相接地故障电流小，故障特征不明显，定位故障有相当难度[2]。目前，NUGS接地故障定位技术分为主动式定位法和被动式定位法两大类。主动式定位法是在线路发生接地故障后向系统中注入特定信号，通过检测系统中被注入信号的分布特征来定位故障点，此类方法的优点是不受系统运行方式、拓扑结构、接地方式、故障随机因素等影响，但需产生信号源的设备，所以投资相对高些。被动式定位法是利用故障本身的电气量特征定位故障点，优点是无需信号源设备，可以省去这部分投资，然而故障电气量特征受系统运行方式、接地方式等多种因素影响，容易受到干扰影响[3]。
图1 注入信号法检测接地故障原理
本研究之前采用的接地故障检测方法为主动式定位法中的信号注入法。该方法检测原理是发生接地故障后，利用主机（信号注入装置）向线路中注入特定特征的调频电流信号，被注入信号将沿着故障线路故障相经接地点流入大地，巡检人员手持探测器沿故障线路巡视，根据探测器显示信息确定故障点。例如在某杆左侧30m显示“下游”，而在此杆右侧30m显示“上游”，那么故障点就在此杆上，如图1所示。
如前所述，信号注入法适合各种结构与接线方式（如NUS、NES），而且不必在线路上装设零序互感器。但巡检人员手持探测器沿故障线路查找故障点，存在的问题也很明显：一是通过人工巡线定位故障时间较长，在巡线过程中还可能发生第二点接地，造成线路跳闸；二是劳动强度大，且因野外环境复杂，存在一定安全风险；三是故障点存在弧光接地情况时，由于接地特征不稳定，给故障定位带来不少困难。
解决上述问题的一个办法是将移动探测器改为固定安装的故障指示器，但这样一来就要安装大量的故障指示器，不仅投资大，而且需要很多人力进行安装，时间进度也是问题。另一个办法就是将探测器装到无人机上，由无人机携带探测器巡线，这样可以节省大量人力，同时也减少了安全风险。经过反复比较和论证，决定采用无人机方案。
1.2 方案要求
该方案需要解决的问题包括无人机选型、接地检测装置改进、无人机飞控系统研发等问题。本研究对无人机的要求是体积小、携带方便，有良好的抗风能力，同时具有防水、抗电磁干扰能力，而无人机携带接地检测装置的方式也是需要考虑的。接地检测装置要适应无人机携带，需重量轻、体积小。无人机飞控系统除了具备智能自主飞行能力以外，还要将监测图像和接地检测装置故障定位信息发送给工作人员。
2 基于无人机的接地故障检测系统的研制
2.1 无人机接地故障检测系统架构
无人机接地故障检测系统由无人机平台、飞控系统、接地故障检测系统、无线通信系统和地面监控系统五部分组成，如图2所示。
图2 无人机接地故障检测系统架构
无人机平台是接地故障检测系统的载体，其飞行稳定性、续航能力及抗风、耐雨、抗电磁干扰能力决定架空线路接地故障检测系统的可行性。云台是视频图像监控设备工作时用于调整左右、俯仰的机构。接地检测装置吊舱专为放置机载接地检测装置而设。飞控系统主要用于控制无人机飞行姿态以及导航定位用的系统。在惯性导航系统中，利用3个相互垂直的角速率陀螺仪获得飞行姿态数据，利用气压测量获得飞行高度数据。RTK模块用于获取地理位置信息，本研究没有采用传统的GPS定位方式，主要是考虑到GPS定位容易受到强电磁干扰，造成定位失准乃至无人机失控，而采用RTK地面差分定位方式，无人机不采集GPS卫星数据，不受强电磁干扰影响，而且采用GPS RTK与北斗RTK双模定位方式，进一步提高了定位可靠性。飞控系统需要采集的数据包括气压、飞行速度、飞行姿态等，由各种传感器获得。接地故障检测系统由可见光巡检系统、接地检测装置和数据传输系统组成。可见光巡检系统用于架空线路通道检测和接地故障检测装置定位用。机载接地故障检测器用于采集注入架空线路中的接地故障信息并对故障进行定位，体积小，抗电磁干扰。数据存储系统用于存储接地故障检测时采集的视频数据和接地信息。无线通信系统用于实时传输飞行数据、视频图像监控数据和接地故障信息，同时也用于发送控制指令。由于架空线路附近电磁干扰较强，要求通信可靠性较高，所以采用数字通信链路保障无人机与地面站之间通信的稳定性。地面监控系统用于对飞行数据、光学影像、接地故障信息进行高精度处理，实现架空线路通道巡视故障的查找和定位。
2.2设备选型与设计
2.2.1 无人机平台
目前，巡线无人机主要有固定翼无人机、无人直升机和多旋翼无人机三种类型。固定翼无人机飞行速度快、续航时间长、载重大，但不能悬停和近距观测，所以不适合接地故障检测。多旋翼无人机结构简单，可悬停，易操作，可做接地故障检测，但飞行速度慢、巡航时间短，且因动力小和重量轻，抗风能力较弱，通常风力超过3级就会对飞行有明显影响。无人直升机可悬停、载重大，飞行速度比固定翼无人机慢，抗风能力比多旋翼无人机强，可以做接地故障检测，其结构比多旋翼无人机复杂，价格也更高。本研究对无人机体积、携带方便性有要求，在满足接地故障检测条件后价格也是需要考虑的因素，所以三类无人机中多旋翼无人机最符合本研究要求。
多旋翼无人机的旋翼数量以4旋翼、6旋翼、8旋翼为主，它们的差别在于稳定性。从控制角度分析，4旋翼机是欠驱动系统，6旋翼机达到完全驱动系统。对于4旋翼机来说，只要1个发动机失效就可能摔机（除非旋翼可周期变距，通常多旋翼无人机不具这种功能），而6旋翼机单发失效或8旋翼机双发失效，仍然可以继续飞行。当然旋翼数量越多，无人机尺寸也越大。显然，基于本研究要求，最好是4旋翼机的体积和8旋翼机的稳定性，现在有这样一种无人机可以满足要求，这就是共轴8旋翼无人机，如图3所示。由图可见，共轴8旋翼无人机有4组旋翼，每组2个旋翼共轴，它们的旋向正好相反；同时相邻两组旋翼的旋向也相反。与4旋翼机相比，共轴8旋翼机多了4个旋翼，相应地升力是4旋翼机的1.6倍（共轴效率损失约20%），但重量远小于4旋翼机的1.6倍，所以8旋翼机体积与4旋翼机相当，带载能力明显增加，同时抗风能力也显著增强。
图3 共轴8旋翼无人机
最终选用10kg级共轴8旋翼无人机，其展开尺寸（长×宽×高，mm）为608×608×461，折叠后为450×450×461，飞行速度为80km/h，轻载续航能力达50min，可抗7级风。常规无人机多以拍照目的开发，并不具备防水能力，所以本研究提出采用进口防水无刷电机，机体为全封闭形式，无外露线材，飞控、定位部件等均置于封闭的机体内，外置定位模块也采用防水胶封处理。机体内还刷胶密闭，可增强无人机抗电磁干扰能力。为了使飞控系统同时接收巡检数据和故障信息，飞控计算机处理芯片采用了处理能力更强的芯片。
2.2.2 可见光巡检系统
采用无人机专业数码相机，拍照2080万像素，录制4K超清视频30帧，可变焦镜头28～72mm。云台为可拆卸式，能作俯仰+30°~‐90°、平移±320°的控制。
2.2.3 接地故障检测系统
主机可最大输出3500V电压，最大输出1500W功率，并以调频方式注入信号。机载探测器通过吊舱置于无人机底部，采用无人机电源供电（12V），允许故障线路长度不超过80km，定位误差为20m，重量不超过700g。探测器数据输出由液晶屏改到数据采集系统，与巡视监控数据一并经通信系统发至地面监控系统。
2.2.4 地面监控站
常规无人机一般通过遥控器进行控制，飞行距离不超过5km，而且受地形影响操控距离还会缩短，为此本研究采用智能控制，使飞行距离轻松突破10km，同时还要实时获取接地检测信息，这就需要完善的地面监控站。为适应复杂的野外工作环境，地面站还必须满足耐碰撞、高低温、高防水等要求。本研究采用工业级计算机、无线传输电台、视频与数据接收站组成的地面监控站。
2.4 软件系统开发
图4 无人机接地故障智能监控系统软件方案
通过整合无人机飞控系统和接地故障检测系统开发了无人机接地故障智能监控系统，该系统方案如图4所示。该系统由通信链路、电子地图、数据显示、飞行控制和任务规划5个模块构成。通信链路用于通讯方式的选择和数据传输内容的定义。电子地图模块可显示航迹、航路规划和禁飞区，通过下载离线地图和网络更新可保持地图数据时新。数据显示模块除显示飞行参数与姿态以外，还可实时显示接地故障检测信息。飞行控制模块可对无人机进行实时控制。任务规划可对航线、机头方向、云台指示方向、飞行速度、飞行高度进行最优规划，不仅提高巡检效率，也节省电池电量，增加巡检量。
3 结语
接地故障是配网架空线路主要故障，虽然采用信号注入法提高了选线的准确率，但仍然需要通过人工巡检定位故障点，本项研究将人工巡检工作交由无人机完成，不仅加快了故障定位的速度，提高了供电可靠性，而且节约人力资源，降低了安全风险，具有良好的应用前景。
参考文献：
[1] 李高磊.基于机器视觉的无人机电力巡线技术研究[D].淮南：安徽理工大学，2016.
[2] 张志霞.小电流接地系统单相接地故障选线理论研究[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2014.
[3] 朱建宝，刘建平.10kV线路故障指示器单相接地故障检测原理分析[J].电气应用，2015（4）：93-96.
论文作者:张容菠,李华鹏,李定强,国良彬,钱程
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/1/8
标签：无人机论文; 故障论文; 旋翼机论文; 系统论文; 旋翼论文; 线路论文; 数据论文; 《电力设备》2018年第24期论文;