专利名称：无人机电力巡线安全距离检测方法
技术领域：
本发明涉及一种无人机电力巡线安全性的技术，特别涉及一种ZN-2型无人机电力巡线安全距离检测方法。
背景技术：
现今的无人机不光仅是在军事上的运用，它更为广泛运用与诸如电力、地面交通管制、海港监控、自然资源遥感、气象服务等方面。由于无人机系统必须依靠数据通信来完成任务，实际中复杂电磁环境所形成的干扰对其使用范围和性能有着决定性的影响。如何判断无人机及其搭载的使用设备在一定的电磁环境下能否安全无误地工作，成为一个亟待解决的重要课题。目前，国内外对高压输电导线电磁环境的研究和分析已取得了一定的成果，但主要的研究方向是高压输电导线电磁环境对离地2m范围内人体和线路查修维护等接触高压输电导线的工作人员的影响，以及对地面部分电子仪器等的干扰情况。高压输电导线电磁环境对于有人机、无人机的影响还停留在文字说明和概述分析的层面，尤其对用于电力巡线的无人机在进行巡线作业时的安全可靠性的影响、所搭载的电子设备的干扰及巡线作业安全距离的评测，尚未有相关专利、论文发表。无人机上搭载各种电子设备，如卫星定位系统、惯性组合导航系统等，及用来传输检测数据信息和规划控制指令的数据传输系统，均可能受到电磁干扰，受强烈电磁干扰后， 会出现杂波导致数据不准备甚至设备失灵，无法完成对输电线路的巡检任务，甚至有可能发生坠机事故，后果不堪设想。而无人机的起飞升空、空中飞行、执行任务、完成任务返航、 降落等所有过程均需要机组操控人员完成，没有驾驶员但又要完成各项检测任务，并需要适应地形、气象、电磁等环境，是非常复杂的。尤其电力巡线的无人机在进行电力巡线作业时，为了巡线所得的图像和视频清晰，距离带电线路相对较近，由于高压导线产生强电磁场，若无人机飞行距线路超过一定的范围则会产生极大影响，存在无法预测的安全隐患，因此如何选择无人机的安全飞行区域，保障其巡检安全性，对无人机和电网系统来讲一个非常重要且需要迫切解决的问题。
发明内容
本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种无人机电力巡线安全距离检测方法，它主要针对不同电压等级的输电线路，建立不同的电磁场分析模型，进而计算无人机对不同电压等级输电线路进行巡线作业时，在距输电导线一定距离时电磁环境的异同，从而能够给出无人机对不同电压等级输电线路进行巡线作业时，与输电导线的安全距离的范围，降低无人机电力巡线作业时的危险系数，提高无人机电力巡线的可靠稳定性，保证人身、电网和设备的安全。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种无人机电力巡线安全距离检测方法，它的步骤为
(I)根据不同电压等级的待检高压输电线路的电磁场特点进行分析，建立相应的电磁场仿真计算模型；(2)确定ZN-2型电力巡线无人机所搭载易受电磁干扰的电子设备，以及巡检前做航路规划时所用测量设备的最大误差；(3)根据所确定的电子设备正常工作时对电磁场的要求，利用不同电压等级高压输电线路的电磁场仿真计算模型及电磁场仿真计算软件，计算无人机对各高压输电线路进行巡线作业时，在距输电导线不同距离时电磁环境的异同，从而确定无人机对该输电线路进行巡线作业时，与输电导线的安全距离的范围；(4)无人机根据确定好的各待检输电线路的安全距离，进行巡线。所述步骤(I)中，电磁场仿真计算模型为，根据实际输电线路所用典型塔型，对其进行简化1-1)大地为无穷大导体面，电位为O ;1-2)导线为无限长直平行地面的光滑圆柱体，导线表面为等位面；1-3)忽略杆塔的影响，忽略导线、避雷线的端部效应和弧垂影响。简化后，计算架空输电线路导线周围电场强度问题转化为平行多导体系统的二维交变电场计算问题，即对输电导线在导线横截面方向上建立二维模型。上述简化模型可参见IEEE Corona and Field Effects Subcommittee Report， Radio Noise Working G roup. A survey of methods for calculating transmission line conductor surface gradients[J]. IEEE Transactions on Apparatus and Systems，1979，PAS-98 (6) 1996-2007.国际大电网会议第36. 01工作组.输电系统产生的电场和磁场[M].邵方殷等译·北京:水利电力出版社，1984.所述步骤(2)中，ZN-2型无人机上易受电磁干扰的电子设备主要包括三轴数字磁场计、转速计、飞行平台飞控定位系统、陀螺仪、舵机；巡检前做航路规划时所用测量设备主要包括线路打点GPS定位仪、测距仪等。总结无人机上易受电磁干扰的电子设备正常工作时对电磁场的要求，即得到保证无人机安全可靠地进行电力巡线作业的电磁场的范围； 总结无人机搭载设备和航路规划时测量设备的误差，累计可得到实际应用中规划航路时所需考虑的最大距尚偏差。所述步骤(3)中，根据电力巡线无人机需离开导线一定距离进行巡检飞行的要求，在导线横截面所在平面上取若干平行于大地方向的水平线段，与导线同高度的线段上电磁场强度数值应为最大；在分析高压输电线路电磁环境对无人机巡线作业产生的影响时，在所建电磁场仿真计算模型中导线的同高度上取垂直于导线横截面的水平方向上一定长度的线段，导线位于该线段的中间位置，计算该线段上的电磁场强度数值；再结合电子设备正常工作时对电磁场的要求，对以上结果进行分析确定无人机的安全距离。所述步骤(3)中，安全距离的范围为，D = max (I1, I2, I3, I4I +x1+x2+x3+x4+vX t+max {aj, a2, a3}所得数据均采用进一取整法计数；其中，Ip I2分别为根据无人机搭载电子设备正常工作时要求的磁场强度，通过查找两边相导线外侧达到此磁场强度处，距离对应边相导线的水平距离；13、I4为根据无人机搭载电子设备正常工作时要求的电场强度，查找两边相导线外侧达到此磁场强度处，距离对应边相导线的水平距离；Xl为无人机飞行平台飞控定位系统误差造成与规划线路偏差距离；x2为最大允许飞行风力造成偏离航线偏差距离；x3为测距仪的测距误差(航路规划时可采用望远镜式测距仪);X4为线路打点GPS定位仪数据误差造成规划线路与实际预设位置距离偏差为无人机巡检的飞行速度；t为无线通讯系统最长延时；&1为单片机翼长度； a2为机头与主轴间距离；a3为机尾与主轴间距离。更进一步的，本发明的无人机电力巡线作业时与输电导线的安全距离分析方法主要分为以下几个步骤(I)根据输电线路的电磁场特点做简单分析，主要针对电力巡线无人机的应用建立电磁场模型，仿真计算；(2)分析电力巡线无人机所搭载易受电磁干扰的电子设备，以及巡检前做航路规划时所用测量设备的最大误差；(3)结合电子设备正常工作时对电磁场的要求，分析高压输电线路电磁环境对用于电力巡线的无人机的巡线作业产生的影响；(4)安全距离预测公式推导，根据确定的安全距离，完成巡线飞行。其中，步骤(I)中模型建立与仿真计算结合实际输电线路所用典型塔型，对输电导线做仿真建模，并设定线路参数。仿真计算利用Ansoft Maxwell电磁场计算软件,为便于计算,做如下的简化1-1)大地为无穷大导体面，电位为O ;1-2)导线为无限长直平行地面的光滑圆柱体，导线表面为等位面；1-3)忽略杆塔等临近物体的影响，忽略导线、避雷线的端部效应和弧垂影响。简化后，计算架空输电线路导线周围电场强度问题可转化为平行多导体系统的二维交变电场计算问题，即可对输电导线在导线横截面方向上建立二维模型。步骤(2)中对各类设备的分析对电力巡线无人机所搭载易受电磁干扰的电子设备进行分析，主要包括以下设备三轴数字磁场计、转速计、飞行平台飞控定位系统、陀螺仪、舵机等。总结各电子设备正常工作时对电磁场的要求，即得到可保证无人机安全可靠地进行电力巡线作业的电磁场的范围(对各型号的电力巡线无人机，所分析的电子设备及做的结果可能存在差异)。确定巡检前做航路规划时所用测量设备，主要包括线路打点GPS定位仪、测距仪等，及其分别最大误差；总结无人机搭载设备和航路规划时测量设备的误差，累计可得到实际应用中规划航路时所需考虑的最大距尚偏差。步骤(3)中电磁环境对电力巡线无人机的影响分析电力巡线无人机一般要离开导线一定距离进行巡检飞行。若在导线横截面上取若干水平方向的线段，与导线同高度的线段上电磁场强度数值应为最大。因此，在分析高压输电线路电磁环境对用于电力巡线的无人机的巡线作业产生的影响时，可在所建模型中导线的同高度上取垂直于导线横截面的水平方向上一定长度的线段，导线可位于该线段的中间位置，计算该线段上的电磁场强度数值。再结合电子设备正常工作时对电磁场的要求，对以上结果进行分析。A安全距离预测公式推导a巡线各个步骤及外界环境影响的误差分析分析无人机本身、巡线准备各个步骤及外界环境影响造成的各项误差，为尽可能保证飞行区域的安全性，将各部分误差均取最大值，主要包括无人机飞行平台飞控定位系统误差造成与规划线路偏差距离(步骤(2)分析，记为 χ )；最大允许飞行风力造成偏离航线偏差距离(记为x2)；测距仪的测距误差(步骤⑵分析，记为x3)；线路打点GPS定位仪数据误差造成规划线路与实际预设位置距离偏差(步骤(2) 分析，记为x4)；无线通讯系统最长延时(记为t);无人机巡检的飞行速度(记为V)。B仿真结果分析仿真结果分析主要有以下两个部分根据无人机搭载电子设备正常工作时要求的磁场强度，假定仿真计算结果有 100%的偏差(考虑仿真线路与实际线路可能在线路高度、相间距、排列方式、相序等方面有差别，尽可能叠加其参数偏差，理论上不超过100% )，查找两边相导线外侧达到此磁场强度处，距离对应边相导线的水平距离，分别记为11、12。根据无人机搭载电子设备正常工作时要求的电场强度，假定仿真计算结果有 100 %的偏差，查找两边相导线外侧达到此磁场强度处，距离对应边相导线的水平距离，分别记为13、14。其中，11、12、13、14均采用进一取整法计数。C其它数据除以上数据外，还需要测量飞行平台的一些尺寸单片机翼长度(记为B1)、机头与主轴间距离(记为a2)、机尾与主轴间距离(记为a3)。此类数据主要针对无人机体积较大，保持其整体均处于安全飞行区域内。安全距离预测公式推导由以上数据推断电力巡线无人机巡检时的基本安全距离为(所得数据均采用进一取整法计数)D = max (I1, I2, I3, I4I +x1+x2+x3+x4+vX t+max {aj, a2, a3}本发明的有益效果是(I)使用该方法计算巡线时的安全距离，并应用于电力巡检工程中，能够基本避免由于输电导线电磁场影响而造成的设备工作失常、飞行通讯干扰、飞行任务失败等情况。降低无人机电力巡线作业时的危险系数，提高无人机电力巡线的可靠稳定性，保证人身、电网和设备的安全。(2)在无人机进行电力巡线前，按照“建模仿真一设备分析一数据处理计算一安全距离”的步骤，可得到无人机巡线时的安全飞行区域，进而确保无人机电力巡线工程化应用的安全。(3)本发明包含不同的电磁场分析模型，这些模型主要针对不同电压等级的输电导线而建立，所建模型的优点在于模型中导线的同高度上取垂直于导线横截面的水平方向上一定长度的线段进行计算，可以得到无人机与导线水平方向距离对应的最大电磁场强度，即在此模型下得到的安全距离适用于无人机相对该带电线路任意位置飞行时的安全保障，具有现场应用意义。(4)发明总结了可用于ZN-2型无人直升机在巡检多种电压等级导线时的基本安全距离计算方法，提出了相应计算公式，该计算公式不仅可适用于ZN-2型无人直升机巡检实施例中所述电压等级线路，亦可根据其他选用的巡检系统的具体参数和所搭载设备仪器的正常工作电磁场范围要求，带入公式内相应参数进行计算，具有可扩展应用性。
图I为实际500kV交流输电线路所用典型直线塔；图2为500kV交流输电线路的典型电磁场仿真计算模型(导线与计算空间尺寸参数非等比例)；图3为500kV交流输电线路某项导线单子导线周围空间磁场强度计算结果放大图，图左上方图示为空间颜色与磁场强度大小的对应关系；图4为500kV交流输电线路某项导线单子导线周围空间电场强度计算结果放大图，图左上方图示为空间颜色与电场强度大小的对应关系；图5为与500kV导线等高的某点处，与导线距离和磁场强度大小的关系曲线；图6为与500kV导线等高的某点处，与导线距离和电场强度大小的关系曲线；图7为实际IlOkV交流输电线路所用典型直线塔；图8为IlOkV交流输电线路某项导线单子导线周围空间磁场强度计算结果放大图，图左上方图示为空间颜色与磁场强度大小的对应关系；图9为IlOkV交流输电线路某项导线单子导线周围空间电场强度计算结果放大图，图左上方图示为空间颜色与电场强度大小的对应关系；图10为与IlOkV导线等高的某点处，与导线距离和磁场强度大小的关系曲线；图11为与IlOkV导线等高的某点处，与导线距离和电场强度大小的关系曲线；图12为实际220kV交流输电线路所用典型直线塔；图13为220kV交流输电线路某项导线周围空间磁场强度计算结果放大图，图左上方图示为空间颜色与磁场强度大小的对应关系；图14为220kV交流输电线路某项导线周围空间电场强度计算结果放大图，图左上方图示为空间颜色与电场强度大小的对应关系；图15为与220kV导线等高的某点处，与导线距离和磁场强度大小的关系曲线；图16为与220kV导线等高的某点处，与导线距离和电场强度大小的关系曲线；图17为实际±660kV直流输电线路所用典型直线塔；图18为±660kV直流输电线路某极导线单子导线周围空间磁场强度计算结果放大图，图左上方图示为空间颜色与磁场强度大小的对应关系；图19为±660kV直流输电线路某项导线单子导线周围空间电场强度计算结果放大图，图左上方图示为空间颜色与电场强度大小的对应关系；图20为与±660kV导线等高的某点处，与导线距离和磁场强度大小的关系曲线；图21为与±660kV导线等高的某点处，与导线距离和电场强度大小的关系曲线；图22为实际750kV交流输电线路所用典型直线塔；图23为750kV交流输电线路某项导线单子导线周围空间磁场强度计算结果放大图，图左上方图示为空间颜色与磁场强度大小的对应关系；图24为750kV交流输电线路某项导线单子导线周围空间电场强度计算结果放大图，图左上方图示为空间颜色与电场强度大小的对应关系；图25为与750kV导线等高的某点处，与导线距离和磁场强度大小的关系曲线；图26为与750kV导线等高的某点处，与导线距离和电场强度大小的关系曲线；图27为实际±800kV直流输电线路所用典型直线塔；图28为±800kV直流输电线路某极导线单子导线周围空间磁场强度计算结果放大图，图左上方图示为空间颜色与磁场强度大小的对应关系；图29为±800kV直流输电线路某项导线单子导线周围空间电场强度计算结果放大图，图左上方图示为空间颜色与电场强度大小的对应关系；图30为与±800kV导线等高的某点处，与导线距离和磁场强度大小的关系曲线；图31为与±800kV导线等高的某点处，与导线距离和电场强度大小的关系曲线；图32为实际IOOOkV交流输电线路所用典型直线塔；图33为IOOOkV交流输电线路某项导线单子导线周围空间磁场强度计算结果放大图，图左上方图示为空间颜色与磁场强度大小的对应关系；图34为IOOOkV交流输电线路某项导线单子导线周围空间电场强度计算结果放大图，图左上方图示为空间颜色与电场强度大小的对应关系；图35为与IOOOkV导线等高的某点处，与导线距离和磁场强度大小的关系曲线；图36为与IOOOkV导线等高的某点处，与导线距离和电场强度大小的关系曲线。图37为本发明的流程图。
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。实施例I :图I-图6所示，以ZN-2型无人机巡检500kV输电导线为例，参照上述安全距离分析方法说明，计算其安全飞行区域。其中，所述ZN-2型无人机采用专利号为ZL200920029519. 7所述巡检架空线路线和杆塔用无人机直升机系统结构。(I) 500kV交流线路周围空间电磁场模型的建立选择如图I所示实际500kV交流输电线路所用典型直线塔见的输电导线做仿真建模。设定参数如下a)输电导线相间距12400mm、12400mm ;b)输电导线距地高度30000_ ；
c)地线间距20550mm ；d)地线距输电导线垂直高度7800mm ；e)导线采用4XLGJ-400/35型号，导线半径13. 4mm ;分裂间距450mm ;电导率 3. 183 X 107S/m ；f)地线采用GJ-80型号，导线半径5. 7mm;电导率:5. 075 X 106S/m。g)仿真计算时，为了得到此电压等级输电线路可能会产生的最大电磁场影响，设定输电导线的输电电流为型号导线可承受最大电流值，为3460A。利用Ansoft Maxwell电磁场计算软件仿真计算,二维模型如图2所示。图2所示为500kV交流输电线路的典型电磁场仿真计算模型。其中，I为计算边界，2为计算空间，3为过各项导线中心足够长线段，4为四分裂导线边项，5为四分裂导线中项，6为简化大地模型。为了清楚可见各项导线和简化大地模型，图中导线与计算空间尺寸参数非等比例绘制；图中过各项导线中心足够长线段是为了辅助分析计算仿真结果，仅在结果分析时存在。(2)ZN-2型用于电力巡线无人机所搭载易受电磁干扰的电子设备分析ZN-2型用于电力巡线无人机所搭载易受电磁干扰的电子设备主要包括a)三轴数字磁场计三轴智能数字磁场计是采用磁阻传感器原理测量磁场的强度和方向，在无人机上主要用于航向测量。其使用量程要求为正负2高斯(2X 10_4T)。b)转速计转速计在无人机上主要用来测量旋翼的旋转速度。其工作原理基本等同于霍尔传感器，即利用磁力线切割产生电流的方法测量转速。其工作点的感应强度一般在十几到几十mT的数量级，选取飞机安全飞行区域内的磁场强度应小于5 X 10_5T。c)飞行平台飞控定位系统飞行平台飞控定位系统接收信号的频率一般大于1000MHZ,远大于我国一般输电线路采用的50HZ。因此输电线路正常情况下周围的电磁场辐射不会影响飞行平台飞控定位系统的工作。d)陀螺仪陀螺仪是测量飞机相对惯性空间的转角或角速度的装置，主要用来展示飞机的飞行姿态和航向。陀螺仪是利用磁场的动态变化获得飞机飞行的数据，其要求的工作磁场动态范围为正负1.9高斯(I. 9X 10_4T)。e)舵机舵机是飞行控制系统的重要组成部分，也是飞机的执行机构，飞机的各种运动都要靠舵机带动舵面偏转来实现。舵机中易受电磁场干扰的部分为无刷电机中的磁阻传感器，其工作要求的磁场范围为正负6高斯(6X 10_4T)。f)电流变效应(各设备的组成材料，尤其是液体材料，均可能受到此效应影响。)电流变液在电场的作用下，其粘度会产生明显的变化，不只使流体变稠，甚至凝固而变成塑性体，并具有抗剪切降伏能力。当电场消失时，电流变液立即变稀并迅速恢复原有的液体状态，这种变化成为电流变效应。其广泛应用于航空工业、汽车工业、控制工程、机器人及液压工程等行业，应用于避震器、减震阻尼器、制动器、离合器、机械臂、液压控制阀等元件。使用电流也变的装置系统重量轻、反应快、噪音小、耗能低，且容易控制，在工程应用上是极具价值的新材料。无人机的元器件目前尚未引进电流变液，但电流变效应说明，电场强度达到一定数值，会影响材料的特性，引起一定性能变化，无人机飞行的首要条件为稳定，不希望出现性能波动。为保证其安全飞行，需选择电场强度小于lkV/mm(S卩lX106V/m)的区域，不会发生电流液变效应。综上所述，电子设备正常工作时要求磁场强度小于5X10_5T，电场强度小于 I X 106v/m(不包括搭载其他系统或另作他用的无人机飞行平台)。(3)仿真计算及结果说明选取仿真区域为240mX 100m,即距离输电导线最大距离a)水平方向:107. 6m ；b)垂直方向高于输电导线70m。利用Ansoft Maxwell电磁场计算软件进行仿真计算，得到以下结果图3、图4所示为一项导线单子导线周围电磁场强度的放大图，由图3、图4可知整个计算空间内，磁场强度B的最大值为1.3462X10_2T，电场强度E的最大值为
2.7861X 106V/m，均主要出现在子导线表面处；B最小值为2. 5766 X IO^8T, E最小值为
7.7064V/m，均分布在离导线较远的空间。进而计算水平方向与导线一定距离范围内的电磁场强度。在导线的同高度上取水平方向220m的线段(即图2中所示过各项导线中心足够长线段)，三相导线位于该线段的中间位置，计算该线段上的B、E值。得到下图5、图6。图5、图6中，横轴为水平方向上坐标，三相导线的位置分别处于下图97. 6m、110m、122. 4m处；纵轴为电场强度值。可得与导线水平方向距离处电磁场强度的具体数值对应关系(数据量过大，不一一列举)。(4)ZN-2型无人机巡检500kV输电导线时安全飞行区域的建议a)对ZN-2型用于电力巡线无人机巡线各个步骤及外界环境影响的误差分析(大量巡检试验数据总结)x!+x2 = 7mx3+x4 = lm+3m = 4mvX t = 10m/sX300ms = 3mb)分析仿真数据结果,对500kV输电线路对应的I1^ 12、13、I4 的值分别为 8m、8m、lm、lm。c)对ZN-2型用于电力巡线无人机分析B1 = 106cm, a2 = 68cm, a3 = 144cm.d)安全距离推算由以上数据推断ZN-2型无人机对500kV交流输电线路巡检的基本安全距离为 (式 I):D = max (I1, I2, I3, I4I +x1+x2+x3+x4+vX t+max {aj, a2, a3} = 24m此距离仅适用于ZN-2型无人直升机巡检500kV无严重放电现象输电导线时，在严格按照操作流程使用精密仪器对实地线路考察后，且无人直升机各分系统正常工作时，规划线路与导线间的最小安全距离。
实施例2 图7-图11中，以ZN-2型无人机巡检IlOkV输电导线为例，参照安全距离分析方法说明，计算其安全飞行区域。(I) IlOkV交流线路周围空间电磁场模型的建立选择如图7所示实际IlOkV交流输电线路所用典型直线塔见的输电导线做仿真建模。设定参数如下a)输电导线相间距6500mm、6500mm ;b)输电导线距地高度10500mm ；c)地线间距9800mm ；d)地线距输电导线垂直高度3400mm ；e)导线采用LGJ-150型号，导线半径8mm;电导率3.29*107S/m;f)地线采用GJ-35型号，导线半径3. 9mm ;电导率-J. 353*106S/m。g)仿真计算时，为了得到此电压等级输电线路可能会产生的最大电磁场影响，设定输电导线的输电电流为型号导线可承受最大电流值，为445A。同实施例I中所示二维模型，利用Ansoft Maxwell电磁场计算软件仿真计算。(2)ZN-2型用于电力巡线无人机所搭载易受电磁干扰的电子设备分析同实施例I中所述，电子设备正常工作时要求磁场强度小于5 X 10_5T，电场强度小于 I X 106V/m。(3)仿真计算及结果说明选取仿真区域为160mX50m，即距离输电导线最大距离a)水平方向73. 5m ;b)垂直方向高于输电导线39.5m。利用Ansoft Maxwell电磁场计算软件进行仿真计算，得到以下结果图8、图9所示为一项导线周围电磁场强度的放大图，由图8、图9可知整个计算空间内，磁场强度B的最大值为I. 0930 X 10_2T，电场强度E的最大值为2. 1375 X 106V/m,均主要出现在子导线表面处出最小值为2. 7826 X 1(Γ9Τ，E最小值为2. 2920 X l(T2V/m，均分布在离导线较远的空间。进而计算水平方向与导线一定距离范围内的电磁场强度。在导线的同高度上取水平方向150m的线段，三相导线位于该线段的中间位置，计算该线段上的B、E值。得到下图 10、图11。图10、图11中，横轴为水平方向上坐标，三相导线的位置分别处于下图68. 5m、 75m、81. 5m处；纵轴为电场强度值。可得与导线水平方向距离处电磁场强度的具体数值对应关系(数据量过大，不一一列举)。(4)ZN-2型无人机巡检IlOkV输电导线时安全飞行区域的建议a)对ZN-2型用于电力巡线无人机巡线各个步骤及外界环境影响的误差分析，及电力巡线无人机分析(同实施例I)x!+x2 = 7mx3+x4 = lm+3m = 4mvX t = 10m/sX300ms = 3m
ax = 106cm，a2 = 68cm，a3 = 144cm.b)分析仿真数据结果，对IlOkV输电线路对应的I1' 12、13、I4 的值分别为 2m、2m、lm、lm。c)安全距离推算由以上数据推断ZN-2型无人机对IlOkV交流输电线路巡检的基本安全距离为D = max(I1, I2, I3, I4I +x1+x2+x3+x4+vX t+maxIal, a2, a3} = 18m此距离仅适用于ZN-2型无人直升机巡检I IOkV无严重放电现象输电导线时，在严格按照操作流程使用精密仪器对实地线路考察后，且无人直升机各分系统正常工作时，规划线路与导线间的最小安全距离。实施例3:图12-图16中，以ZN-2型无人机巡检220kV输电导线为例，参照安全距离分析方法说明，计算其安全飞行区域。(l)220kV交流线路周围空间电磁场模型的建立选择如图12所示实际220kV交流输电线路所用典型直线塔见的输电导线做仿真建模。设定参数如下a)输电导线相间距11000mm、10992mm ;b)输电导线距地高度14500mm ；c)地线间距17300_ ；d)地线距输电导线垂直高度4900mm ；e)导线采用2*LGJ-240型号，导线半径10. 8mm ;分裂间距400mm ;电导率 3. 068*107S/m ；f)地线采用GJ-50型号，导线半径4. 5mm ；电导率9. 8964*106S/m。g)仿真计算时，为了得到此电压等级输电线路可能会产生的最大电磁场影响，设定输电导线的输电电流为型号导线可承受最大电流值，为1220A。同实施例I中所示二维模型，利用Ansoft Maxwell电磁场计算软件仿真计算。(2)ZN-2型用于电力巡线无人机所搭载易受电磁干扰的电子设备分析同实施例I中所述，电子设备正常工作时要求磁场强度小于5 X 10_5T，电场强度小于 I X 106V/m。(3)仿真计算及结果说明选取仿真区域为240m*100m，即距离输电导线最大距离a)水平方向109m;b)垂直方向高于输电导线85.5m。利用Ansoft Maxwell电磁场计算软件进行仿真计算，得到以下结果图13、图14所示为一项导线周围电磁场强度的放大图，由图13、图14可知整个计算空间内，磁场强度B的最大值为I. 1465X 10_2T，电场强度E的最大值为2. 1579 X IO6V/ m,均主要出现在子导线表面处；B最小值为4. 4205 X IO^9T7E最小值为9. 2965 X lOl/m，均分布在离导线较远的空间。进而计算水平方向与导线一定距离范围内的电磁场强度。在导线的同高度上取水平方向220m的线段，三相导线位于该线段的中间位置，计算该线段上的B、E值。得到下图15、图16。图15、图16中，横轴为水平方向上坐标,三相导线的位置分别处于下图99m、 110m、121m处；纵轴为电场强度值。可得与导线水平方向距离处电磁场强度的具体数值对应关系(数据量过大，不一一列举)。(4)ZN-2型无人机巡检220kV输电导线时安全飞行区域的建议
a)对ZN-2型用于电力巡线无人机巡线各个步骤及外界环境影响的误差分析，及电力巡线无人机分析(同实施例I)
X1+X2 — 7 m
x3+x4 = lm+3m = 4m
vX t = 10m/sX300ms = 3m
ax = 106cm，a2 = 68cm，a3 = 144cm.
b)分析仿真数据结果，对220kV输电线路
对应的I1' 12> 13> I4的值分别为4m、4m、lm、lm。
c)安全距离推算
由以上数据推断ZN-2型无人机对220kV交流输电线路巡检的基本安全距离为
D = max (I1, I2, I3, I4I +x1+x2+x3+x4+vX t+max {aj, a2, a3} = 20m
此距离仅适用于ZN-2型无人直升机巡检220kV无严重放电现象输电导线时，在严格按照操作流程使用精密仪器对实地线路考察后，且无人直升机各分系统正常工作时，规划线路与导线间的最小安全距离。
实施例4
图17-图21中，以ZN-2型无人机巡检±660kV输电导线为例，参照安全距离分析方法说明，计算其安全飞行区域。
(I) ±660kV直流线路周围空间电磁场模型的建立
选择如图17所示实际±660kV直流输电线路所用典型直线塔见的输电导线做仿真建模。
设定参数如下
a)输电导线极间距20500mm ；
b)输电导线距地高度45070mm ；
c)地线间距10700mm ；
d)地线距输电导线垂直高度14930mm(忽略地线绝缘子串长度)；
e)导线采用4*JL/G3A-1000/45型号，导线半径21. 4mm ;分裂间距:500mm ；电导率3. 342*107S/m ；
f)地线采用 LBGJ-150-20AC 及 OPGff-150 两种型号，导线半径7. 875mm、8. 15mm ；r4zf FzlI、各/ 电守率I. 161*107S/m、2. 161*107S/m。
g)由于±660kV直流线路的唯一性，仿真计算时，设定输电导线的输电电流为该线路计划设定的最大电流值，为3030A。
同实施例I中所示二维模型，利用Ansoft Maxwell电磁场计算软件仿真计算。
(2)ZN-2型用于电力巡线无人机所搭载易受电磁干扰的电子设备分析
同实施例I中所述，电子设备正常工作时要求磁场强度小于5 X 10_5T，电场强度小于 I X 106V/m。(3)仿真计算及结果说明选取仿真区域为240m*100m，即距离输电导线最大距离a)水平方向:109. 75m ；b)垂直方向高于输电导线55m。利用Ansoft Maxwell电磁场计算软件进行仿真计算，得到以下结果图18、图19所示为一极导线周围电磁场强度的放大图，由图18、图19可知整个计算空间内，磁场强度B的最大值为7. 5169X 10_3T，电场强度E的最大值为2. 1674X IO6V/ m，均主要出现在子导线表面处出最小值为5. 1265 X IO^7T, E最小值为3. 3067V/m，均分布在离导线较远的空间。进而计算水平方向与导线一定距离范围内的电磁场强度。在导线的同高度上取水平方向220m的线段，两极导线位于该线段的中间位置，计算该线段上的B、E值。得到下图 20、图21。图20、图21中，横轴为水平方向上坐标，两极导线的位置分别处于下图99. 75m、
120.25m处；纵轴为电场强度值。可得与导线水平方向距离处电磁场强度的具体数值对应关系(数据量过大，不一一列举)。(4) ZN-2型无人机巡检±660kV输电导线时安全飞行区域的建议a)对ZN-2型用于电力巡线无人机巡线各个步骤及外界环境影响的误差分析，及电力巡线无人机分析(同实施例I)x!+x2 = 7mx3+x4 = lm+3m = 4mvX t = 10m/sX300ms = 3mH1 = 106cm，a2 = 68cm，a3 = 144cm.b)分析仿真数据结果，对±660kV输电线路对应的I!、12、13、I4 的值分别为 4m、4m、lm、lm。c)安全距离推算由以上数据推断ZN-2型无人机对±660kV交流输电线路巡检的基本安全距离为D = max (I1, I2, I3, I4I +x1+x2+x3+x4+vX t+max Ial, a2, a3} = 20m此距离仅适用于ZN-2型无人直升机巡检土 660kV无严重放电现象输电导线时，在严格按照操作流程使用精密仪器对实地线路考察后，且无人直升机各分系统正常工作时， 规划线路与导线间的最小安全距离。实施例5 图22-图26中，以ZN_2型无人机巡检750kV输电导线为例，参照安全距离分析方法说明，计算其安全飞行区域。(I) 750kV交流线路周围空间电磁场模型的建立选择如图22所示实际750kV交流输电线路所用典型直线塔见的输电导线做仿真建模。设定参数如下a)输电导线相间距17400mm、17400mm ;
b)输电导线距地高度44800mm ；c)地线间距30400mm ；d)地线距输电导线垂直高度11800mm ；e)导线采用6*LGJ-400/50型号，导线半径13. 815mm ;分裂间距400mm ;电导率 3.0622*107S/m ；f)地线采用GJ-80型号，导线半径5. 7mm ；电导率5. 075*106S/m。g)仿真计算时，为了得到此电压等级输电线路可能会产生的最大电磁场影响，设定输电导线的输电电流为型号导线可承受最大电流值，为5190A。同实施例I中所示二维模型，利用Ansoft Maxwell电磁场计算软件仿真计算。(2)ZN-2型用于电力巡线无人机所搭载易受电磁干扰的电子设备分析同实施例I中所述，电子设备正常工作时要求磁场强度小于5 X 10_5T，电场强度小于 I X 106V/m。(3)仿真计算及结果说明选取仿真区域为240m*100m，即距离输电导线最大距离a)水平方向102.6m;b)垂直方向高于输电导线55.2m。利用Ansoft Maxwell电磁场计算软件进行仿真计算，得到以下结果图23、图24所示为一项导线周围电磁场强度的放大图，由图23、图24可知整个计算空间内，磁场强度B的最大值为I. 3371X 10_2T，电场强度E的最大值为2. 7319 X IO6V/ m，均主要出现在子导线表面处出最小值为1.0321X10_7T，E最小值为3. 5249V/m，均分布在离导线较远的空间。进而计算水平方向与导线一定距离范围内的电磁场强度。在导线的同高度上取水平方向220m的线段，三相导线位于该线段的中间位置，计算该线段上的B、E值。得到下图 25、图26。图25、图26中，横轴为水平方向上坐标，三相导线的位置分别处于下图92.6m、 110m、127.4m处；纵轴为电场强度值。可得与导线水平方向距离处电磁场强度的具体数值对应关系(数据量过大，不一一列举)。(4)ZN-2型无人机巡检750kV输电导线时安全飞行区域的建议a)对ZN-2型用于电力巡线无人机巡线各个步骤及外界环境影响的误差分析，及电力巡线无人机分析(同实施例I)x!+x2 = 7mx3+x4 = lm+3m = 4mvX t = 10m/sX300ms = 3mH1 = 106cm，a2 = 68cm，a3 = 144cm.b)分析仿真数据结果,对750kV输电线路对应的I!、12、13、I4 的值分别为 11m、11m、lm、lm。c)安全距离推算由以上数据推断ZN-2型无人机对750kV交流输电线路巡检的基本安全距离为D = max (I1, I2, I3, I4I +x1+x2+x3+x4+vX t+max Ial, a2, a3} = 27m此距离仅适用于ZN-2型无人直升机巡检750kV无严重放电现象输电导线时，在严格按照操作流程使用精密仪器对实地线路考察后，且无人直升机各分系统正常工作时，规划线路与导线间的最小安全距离。实施例6
图27-图31中，以ZN-2型无人机巡检±800kV输电导线为例，参照安全距离分析方法说明，计算其安全飞行区域。
(I) ±800kV直流线路周围空间电磁场模型的建立
选择如图27所示实际±800kV直流输电线路所用典型直线塔见的输电导线做仿真建模。
设定参数如下
a)输电导线极间距23800mm ；
b)输电导线距地高度66000mm ；
c)地线间距28800mm ；
d)地线距输电导线垂直高度15000mm(忽略地线绝缘子串长度)；
e)导线采用6*ACSR-720/50型号，导线半径18. 12mm ;分裂间距450mm ;电导率3. 242*107S/m ；
f)地线采用LBGJ-180-20AC及OPGW两种型号，导线半径8. 75mm、8. 75mm ；电导率1. 165*107S/m、l. 7637*107S/m。
g)为了得到此电压等级输电线路可能会产生的最大电磁场影响，设定输电导线的输电电流为型号导线可承受最大电流值，为4000A。
同实施例I中所示二维模型，利用Ansoft Maxwell电磁场计算软件仿真计算。
(2)ZN-2型用于电力巡线无人机所搭载易受电磁干扰的电子设备分析
同实施例I中所述，电子设备正常工作时要求磁场强度小于5 X 10_5T，电场强度小于 1X106V/m。
(3)仿真计算及结果说明
选取仿真区域为240m*100m，即距离输电导线最大距离
a)水平方向:108. Im ；
b)垂直方向高于输电导线44m。
利用Ansoft Maxwell电磁场计算软件进行仿真计算，得到以下结果
图28、图29所示为一极导线周围电磁场强度的放大图，由图28、图29可知整个
计算空间内，磁场强度B的最大值为7. 8722X 10_3T，电场强度E的最大值为2. 1173 X IO6V/ m,均主要出现在子导线表面处；B最小值为I. 0221 X 1(Γ6Τ，Ε最小值为6. 8586 X l(T4V/m，均分布在离导线较远的空间。进而计算水平方向与导线一定距离范围内的电磁场强度。在导线的同高度上取水平方向220m的线段，两极导线位于该线段的中间位置，计算该线段上的B、E值。得到下图 30、图31。图30、图31中，横轴为水平方向上坐标，两极导线的位置分别处于下图98. lm、
121.9m处；纵轴为电场强度值。可得与导线水平方向距离处电磁场强度的具体数值对应关系(数据量过大，不一一列举)。(4) ZN-2型无人机巡检±800kV输电导线时安全飞行区域的建议a)对ZN-2型用于电力巡线无人机巡线各个步骤及外界环境影响的误差分析，及电力巡线无人机分析(同实施例I)x!+x2 = 7mx3+x4 = lm+3m = 4mvX t = 10m/sX300ms = 3mH1 = 106cm，a2 = 68cm，a3 = 144cm.b)分析仿真数据结果，对±800kV输电线路对应的I1' 12、13、I4 的值分别为 19m、19m、lm、lm。c)安全距离推算由以上数据推断ZN-2型无人机对±800kV交流输电线路巡检的基本安全距离为D = max (I1, I2, I3, I4I +x1+x2+x3+x4+vX t+max {aj, a2, a3} = 35m此距离仅适用于ZN-2型无人直升机巡检土 SOOkV无严重放电现象输电导线时，在严格按照操作流程使用精密仪器对实地线路考察后，且无人直升机各分系统正常工作时， 规划线路与导线间的最小安全距离。实施例7 图32-图36中，以ZN-2型无人机巡检IOOOkV输电导线为例，参照安全距离分析方法说明，计算其安全飞行区域。(I) IOOOkV交流线路周围空间电磁场模型的建立选择如图32所示实际IOOOkV交流输电线路所用典型直线塔见的输电导线做仿真建模。设定参数如下a)输电导线相间距23150mm、23150mm ；b)输电导线距地高度58000mm ；c)地线间距58900mm ；d)地线距输电导线垂直高度13000mm ；e)导线采用8*LGJ-500/35型号，导线半径15mm ;分裂间距400mm ;电导率
3.238*107S/m ；f)地线采用 0PGW-175 型号，导线半径8. 75mm ;电导率1. 7637*10TS/m。g)仿真计算时，为了得到此电压等级输电线路可能会产生的最大电磁场影响，设定输电导线的输电电流为型号导线可承受最大电流值，为7728A。同实施例I中所示二维模型，利用Ansoft Maxwell电磁场计算软件仿真计算。(2)ZN-2型用于电力巡线无人机所搭载易受电磁干扰的电子设备分析同实施例I中所述，电子设备正常工作时要求磁场强度小于5 X 10_5T，电场强度小于 I X 106V/m。(3)仿真计算及结果说明选取仿真区域为240m*100m，即距离输电导线最大距离a)水平方向96. 85m ；b)垂直方向高于输电导线42m。利用Ansoft Maxwell电磁场计算软件进行仿真计算，得到以下结果
图33、图34所示为一项导线周围电磁场强度的放大图，由图33、图34可知整个计算空间内，磁场强度B的最大值为I. 8141 X 10_2T，电场强度E的最大值为2. 5144X IO6V/ m,均主要出现在子导线表面处；B最小值为2. 3943 X 10_nT，E最小值为OV/m，均分布在离导线较远的空间。进而计算水平方向与导线一定距离范围内的电磁场强度。在导线的同高度上取水平方向220m的线段，三相导线位于该线段的中间位置，计算该线段上的B、E值。得到下图 35、图36。图35、图36中，横轴为水平方向上坐标，三相导线的位置分别处于下图86.85m、 110m、133. 15m处；纵轴为电场强度值。可得与导线水平方向距离处电磁场强度的具体数值对应关系(数据量过大，不一一列举)。(4) ZN-2型无人机巡检IOOOkV输电导线时安全飞行区域的建议a)对ZN-2型用于电力巡线无人机巡线各个步骤及外界环境影响的误差分析，及电力巡线无人机分析(同实施例I)x!+x2 = 7mx3+x4 = lm+3m = 4mvX t = 10m/sX300ms = 3mH1 = 106cm，a2 = 68cm，a3 = 144cm.b)分析仿真数据结果，对IOOOkV输电线路对应的1丨、12、13、I4 的值分别为 16m、16m、lm、lm。c)安全距离推算由以上数据推断ZN-2型无人机对IOOOkV交流输电线路巡检的基本安全距离为D = max (I1, I2, 13，I4I +x1+x2+x3+x4+vX t+max {aj, a2, a3} = 32m此距离仅适用于ZN-2型无人直升机巡检IOOOkV无严重放电现象输电导线时，在严格按照操作流程使用精密仪器对实地线路考察后，且无人直升机各分系统正常工作时， 规划线路与导线间的最小安全距离。
权利要求
1.一种无人机电力巡线安全距离检测方法，其特征是，它的步骤为(1)根据不同电压等级的待检高压输电线路的电磁场特点进行分析，建立相应的电磁场仿真计算模型；(2)确定电力巡线无人机所搭载易受电磁干扰的电子设备以及巡检前做航路规划时所用测量设备的最大误差；(3)根据所确定的电子设备正常工作时对电磁场的要求，利用不同电压等级高压输电线路的电磁场仿真计算模型及电磁场仿真计算软件，计算无人机对各高压输电线路进行巡线作业时，在距输电导线不同距离时电磁环境的异同，从而确定无人机对该输电线路进行巡线作业时，与输电导线的安全距离的范围；(4)无人机择根据确定好的各待检输电线路的安全距离，进行巡线。
2.如权利要求I所述的无人机电力巡线安全距离检测方法，其特征是，所述步骤I)中， 电磁场仿真计算模型为，根据实际输电线路所用典型塔型，对其进行简化1-1)大地为无穷大导体面，电位为O ;1-2)导线为无限长直平行地面的光滑圆柱体，导线表面为等位面；1-3)忽略杆塔的影响，忽略导线、避雷线的端部效应和弧垂影响；简化后，计算架空输电线路导线周围电场强度问题转化为平行多导体系统的二维交变电场计算问题，即对输电导线在导线横截面方向上建立二维模型。
3.如权利要求I所述的无人机电力巡线安全距离检测方法，其特征是，所述步骤(2) 中，ZN-2型无人机上易受电磁干扰的电子设备主要包括三轴数字磁场计、转速计、飞行平台飞控定位系统、陀螺仪、舵机；巡检前做航路规划时所用测量设备主要包括线路打点 GPS定位仪、测距仪；总结无人机上易受电磁干扰的电子设备正常工作时对电磁场的要求， 即得到保证无人机安全可靠地进行电力巡线作业的电磁场的范围；总结无人机搭载设备和航路规划时测量设备的误差，累计得到实际应用中规划航路时所需考虑的最大距离偏差。
4.如权利要求I所述的无人机电力巡线安全距离检测方法，其特征是，所述步骤(3) 中，根据电力巡线无人机需离开导线一定距离进行巡检飞行的要求，在导线横截面所在平面上取若干平行于大地方向的水平线段，与导线同高度的线段上电磁场强度数值应为最大；在分析高压输电线路电磁环境对用于电力巡线的无人机的巡线作业产生的影响时，在所建电磁场仿真计算模型中导线的同高度上取垂直于导线横截面的水平方向上一定长度的线段，导线位于该线段的中间位置，计算该线段上的电磁场强度数值；再结合电子设备正常工作时对电磁场的要求，对以上结果进行分析确定安全距离。
5.如权利要求4所述的无人机电力巡线安全距离检测方法，其特征是，所述步骤(3) 中，安全距离的范围为，D = max(I1, I2, I3, I4I +x1+x2+x3+x4+vX t+max{aj, a2, a3, a4}所得数据均采用进一取整法计数；其中，I:、I2分别为根据无人机搭载电子设备正常工作时要求的磁场强度，通过查找两边相导线外侧达到此磁场强度处，距离对应边相导线的水平距离；13、I4为根据无人机搭载电子设备正常工作时要求的电场强度，查找两边相导线外侧达到此磁场强度处，距离对应边相导线的水平距离；X1为无人机飞行平台飞控定位系统误差造成与规划线路偏差距离； X2为最大允许飞行风力造成偏离航线偏差距离；x3为测距仪的测距误差；χ4为线路打点GPS定位仪数据误差造成规划线路与实际预设位置距离偏差为无人机巡检的飞行速度；t为无线通讯系统最长延时&为单片机翼长度；a2为机头与主轴间距离；a3为机尾与主轴间距离。
全文摘要
本发明公开了一种无人机电力巡线安全距离检测方法(1)根据不同电压等级的待检高压输电线路的电磁场特点进行分析，建立相应的电磁场仿真计算模型；(2)确定电力巡线无人机所搭载易受电磁干扰的电子设备，以及巡检前做航路规划时所用测量设备的最大误差；(3)根据所确定的电子设备正常工作时对电磁场的要求，利用不同电压等级高压输电线路的电磁场仿真计算模型及电磁场仿真计算软件，计算无人机对各高压输电线路进行巡线作业时，在距输电导线不同距离时电磁环境的异同，从而确定无人机与输电导线的安全距离的范围；(4)无人机择根据确定好的各待检输电线路的安全距离，进行巡线，避免输电导线电磁场造成设备工作失常、飞行通讯干扰、飞行任务失败等情况，保证飞行的安全、稳定、可靠。
文档编号H02G1/02GK102591355SQ20121004412
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月24日 优先权日2012年2月24日
发明者刘俍, 张晶晶, 王滨海, 王骞, 郑天茹 申请人:山东电力研究院