一种架空线路无人机验电方法及装置与流程

本发明属于输电线路运行检修
技术领域：
，具体为一种架空线路无人机验电方法及装置。
背景技术：
：国家电网公司电力安全工作规程(电力线路部分)明确规定：在停电线路工作地段装接地线前，应先验电，验明线路确无电压。目前我国高/超高压输电线路均是使用接触式验电器进行验电，且已有相关标准(iec61243-1《带电作业用验电器用于交流1kv及以上电压的电容型验电器》、dl/t740-2014《电容型验电器》、dl/t1183-2012《1000kv非接触式验电器》)对接触式、非接触式验电器设计、制造、使用导则及试验方法进行了规范。但现有的接触式验电器仅适用于500kv及以下电压等级交流，非接触式验电器仅适用于平原地区交流线路验电，无法满足线路跨越河流、山谷等区域，作业人员无法抵达或线路架设高度提升时的验电需求。国内外相关技术现状如下：专利申请(cn110275057a)公开了一种非接触式高压直流输电线路验电装置及验电方法，采用绝缘杆与传感器探头相结合的方式实现验电，验电点一般位于与导线等高或导线正上方塔上，见图8所示，该验电方法仍需登塔作业，线路跨越河流、山谷等区域，作业人员无法抵达时验电问题仍然无法解决。专利申请(cn108519507a)公开了一种基于双频双路无线触发输电线路验电装置，基于315m和433m短程数据通信方式的验电装置，从如何保障数据传输稳定和可靠性方面进行了说明，如何触发，报警阈值，如何设置等均未进行说明。专利申请(cn107478894a)公开了电压值可测量的非接触式智能型高压验电器，提出了一种用于输电线路验电作业电压可测量的非接触式高压验电器，该装置与专利申请(cn110275057a)相同，均需登塔作业，并且仅适用于低电压等级线路。专利申请(cn110854739a)公开了一种基于无人机的架空输电线路验电接地方法，重点介绍了使用无人机开展接地线挂接方法，对无人机验电实现并未过多介绍。论文：mems非接触式特高压直流验电器报警阈值设定与实测，文中设计了一种mems非接触式特高压直流验电器，对验电器的验电位置和电场强度进行了仿真分析，研究表明，在导线上方的横担处验电更为合理，并计算了横担外1m处的电场强度，结合离子流场和标称电场的计算结果对比进行了修正，设定了不同运行方式下验电器的预警阈值。该装置验电方式仍需人工登塔作业，并且测试过程可能会受到人体影响。论文：基于柔性导体的高压输电线路无人机新型验电装置的研究，提出一种基于柔性导体的高压输电线路无人机新型验电装置，并设计出主要结构框图和主要控制电路。该装置利用高压验电技术原理、柔性导体技术原理、信号远程传输技术原理等，将传统高压输电线路验电器msp进行改进，在便携式无人机上安装后，可快速检验高压输电线路是否带电，同时可以在地面端采集验电结果。仅是一个比较粗糙的实施方案，对于交流和直流分别怎么处理，如果靠近导线，与杆塔应保持多远间距等等均未涉及。综上所述，虽然国内外相关单位开展了验电技术及无人机验电技术研究，但是无人机验电如何实施、如何实现安全距离保持、如何精准验电等方面尚无涉及，因此在线路跨越河流、山谷等区域，作业人员无法抵达或线路架设高度提升时尚无有效的验电方法。技术实现要素：针对线路跨越河流、山谷等区域，作业人员无法抵达或线路架设高度提升时尚无有效的验电方法问题，本发明目的是提出一种架空输电线路无人机验电方法及装置。本发明是采用如下技术方案实现的：一种架空线路无人机验电装置，包括无人机、无人机遥控，无人机和无人机遥控之间通过无人机飞控链路进行无线通信；所述无人机遥通过wifi通信方式与手持app终端进行数据交互，所述手持app终端通过wifi通信方式与pc系统进行数据交互。所述无人机上安装验电器，所述验电器包括电源模块、电场测量模块、激光测距模块、温湿度传感器、mcu、urat接口，所述电源模块采用xt30接口与无人机电源连接后为电场测量模块、激光测距模块、温湿度传感器、mcu供电，所述电场测量模块、激光测距模块、温湿度传感器、urat接口分别与mcu双向连接，所述urat接口与无人机的通信单元连接；其中，电源模块、温湿度传感器、mcu及urat接口作为信号处理单元位于器件i中，电场测量模块和激光测距模块作为电场测量传感单元位于器件ii中，所述器件i安装于无人机底部，所述器件i和器件ii之间通过碳纤维管支撑杆连接，所述碳纤维管支撑杆位于无人机的机头方向，所述器件ii位于无人机的旋翼范围外。上述装置应用于如下所述的架空线路无人机验电方法中，包括如下步骤：(1)、无人机摆放将无人机摆放在离线路地面投影距离20～30m范围，机头方向与线路垂直；(2)、定高无人机起飞，由手持app终端触发，飞机垂直上升至预先设置的高度并悬停；(3)、机头定位由手持app终端触发机头定位，无人机机头左右摆动12次并测距，通过机头定位算法确定机头方向；具体如下：3.1、自动测距3.1.1、无人机到达指定高度后，以此刻机头方向为中心，激光测距模块进行连续三次测距，即向左15°测距、向右10°测距、向右5°测距，同时记录距离值和航偏角；3.1.2、以第一次机头方向为中心，激光测距模块再次进行连续三次测距，即向右15°测距、向左10°测距、向左5°测距，同时记录距离值和航偏角；3.1.3、以第一次机头方向为中心，激光测距模块再次进行连续三次测距，即向左30°测距、向右25°测距、向右20°测距，同时记录距离值和航偏角；3.1.4、以第一次机头方向为中心，激光测距模块再次进行连续三次测距，即向右30°测距、向左25°测距、向左20°测距，同时记录距离值和航偏角；3.2、可靠数据选取3.2.1、对超过激光角度-25°～+25°范围的数据进行过滤；3.2.2、在12个距离值中选取距离差值最小的两个距离值，该两个距离值对应待测导线上的点i和点ii；3.3、机头方向定位点i在左、点ii在右，点i在无人机的激光测距模块所在平面的投影点为点i、点ii在无人机的激光测距模块所在平面的投影点为点ii，无人机的激光测距模块所在位置记为点o；则最终确定的无人机机头方向为：点o与直线iii的垂线oo；记：无人机上验电器的激光测距模块位置点o与待测导线上点i的距离d1，无人机上验电器的激光测距模块位置点o与待测导线上点ii的距离d2，无人机上验电器的激光测距模块位置点o与点i的距离d1，无人机上验电器的激光测距模块位置点o与点ii的距离d2，直线oi和直线oi之间的夹角为α1，直线oii和直线oii之间的夹角为α2，机头在点i与点ii之间的转动夹角为a，则：d1＝d1×cosα1d2＝d2×cosα2无人机机头方向与点i方向的夹角为b，无人机机头方向与点ii方向的夹角为c，无人机机头方向确定分为以下三种情况：当a＞b、a＞c，垂线oo在三角形oiii中，b+c＝a，即无人机机头方向为：记录的点i对应的航偏角基础上向右偏转b，或者，记录的点ii对应的航偏角基础上向左偏转c；当b＞a，垂线oo在三角形oiii右边，即无人机机头方向为：记录的点i对应的航偏角基础上向右偏转b，或者，记录的点ii对应的航偏角基础上向右偏转c；当c＞a，垂线oo在三角形oiii左边，即无人机机头方向为：记录的点i对应的航偏角基础上向左偏转b，或者，记录的点ii对应的航偏角基础上向左偏转c；(4)、生成航线获取了无人机机头方向，结合线路电压等级及飞行安全距离，以固定间距设置航点并生成航线；(5)、由手持app终端触发航线模式，无人机按照生成的航线逐点飞行，在每一个航点悬停时，验电器完成温湿度、距离测量、电磁场信息采集，并发送至手持app终端生成曲线，在超过阈值时发出声光告警；(6)、同一区域重复验电，手持app终端自动识别并推送航线，提醒作业人员是否使用历史航线作业，若使用历史航线，无人机起飞后切换为航线模式，无人机按照历史航线完成验电操作。本发明设计合理，构建了无人机验电装置结构与功能，攻克了无人机安全距离保持技术，并实现了验电作业一键式操作，具有很好的实际应用价值。附图说明图1表示无人机验电装置框图。图2表示验电器内部模块连接示意图。图3表示无人机验电装置结构示意图。图4表示无人机验电时安全距离示意图；图中：m代表无人机与输电线路导线的安全距离，n代表无人机的机头方向。图5表示无人机的机头方向定位示意图。图5a表示无人机的机头方向定位中垂线oo在三角形oiii中示意图。图5b表示无人机的机头方向定位中垂线oo在三角形oiii右边示意图。图5c表示无人机的机头方向定位中垂线oo在三角形oiii左边示意图。图6表示具体实例中通过点i(d1＝15.03对应的点)和点ii(d2＝15.33对应的点)确定的无人机机头方向。图7表示具体实例中输电线路导线的场强分布曲线(图中横坐标为距离、纵坐标为电场强度)。图8表示现有的非接触式高压直流输电线路验电方式示意图。图中：1-无人机，2-无人机遥控，3-手持app(基于安卓系统开发的小程序)终端，4-pc系统(服务器)，5-验电器；51-器件i，52-器件ii，53-碳纤维管支撑杆，501-电源模块，502-电场测量模块，503-激光测距模块，504-温湿度传感器，505-mcu，506-urat接口；10-输电线路导线(待测导线)，11-输电线路导线在无人机上验电器的激光测距模块所在平面内的投影。具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。一种架空线路无人机验电装置，主要包括无人机1、无人机遥控2、手持安卓app终端3及pc系统(或者服务器)4及验电器5等，用于其连接及数据交互方式如图1所示，各部分数据交互方式：无人机1与无人机遥控2为常见无线通信方式，也即无人机飞控链路；无人机遥控2通过wifi通信方式与手持安卓app终端3进行数据交互，手持安卓app终端3与pc系统4数据交互采用wifi或者其他无线通信方式实现数据交互。无人机1上安装验电器5，如图2所示，验电器包括电源模块501、电场测量模块502、激光测距模块503、温湿度传感器504、mcu505、urat接口506，电源模块501采用xt30接口与无人机电源连接后为电场测量模块502、激光测距模块503、温湿度传感器504、mcu505供电，电场测量模块502、激光测距模块503、温湿度传感器504、urat接口506分别与mcu505双向连接，urat接口506与无人机的通信单元连接。具体应用时，无人机和验电器采用一体化设计，无人机与验电器之间通过urat接口进行数据交互，通过xt30接口为验电器提供电源。电源模块与无人机采用xt30连接，将无人机12v电源转化为电场测量模块、激光测距模块及温湿度传感器mcu所需的5v及3.3v直流电压；电场测量模块用于测量无人机本体电场分布；激光测距模块用于测量无人机与线路之间的距离；温湿度传感器用于测量作业环境温湿度；mcu用于采集电场测量模块、激光测距模块、温湿度传感器数据进行综合运算判断；urat接口为与无人机连接，用于与无人机飞控进行数据交互的接口。验电器5与手持安卓app终端3之间的数据传输借助于无人机飞控链路，即验电器5通过urat接口506发送数据至无人机1，无人机1通过飞控链路将数据发送至无人机遥控2，无人机遥控2通过wifi方式将数据发送至手持安卓app终端3，手持安卓app终端3需对验电器5发送数据时，数据链路与上面过程相反。考虑到无人机本身及旋翼对验电结果的影响，在无人机与验电器一体化设计时对数据(信号)处理单元及传感单元的布局进行了处理，如图3所示，电源模块501、温湿度传感器504、mcu505及urat接口506作为信号处理单元位于器件i51中，电场测量模块502和激光测距模块503作为电场测量传感单元位于器件ii52中，器件i51安装于无人机1底部，器件i51和器件ii52之间通过碳纤维管支撑杆53连接，器件i51和器件ii52位于同一平面中，电场测量模块502和激光测距模块503的数据通过碳纤维管内部的屏蔽信号线传输至信号处理单元的中mcu505进行处理，处理结果通过urat接口506与无人机1进行数据交互。而且，碳纤维管支撑杆53位于无人机1的机头方向，目的是器件ii52位于无人机1的机头方向，在下述的无人机验电安全距离保持方法中，确定了最终机头方向后，也就是器件ii52的轴线与待测导线垂直。考虑到无人机机身及旋翼对验电结果的影响，采用碳纤维管将激光及电场测量传感器伸出机身及旋翼外，即器件ii52位于无人机1的旋翼范围外，离旋翼在验电器平面投影距离5cm。无人机与验电器在机械接口方面采用快拆结构连接(方便传感器更换)，在电气接口方面与无人机采用urat及xt30连接。本实施例提出一种无人机验电安全距离保持方法，通过自动测距及计算实现验电过程无人机飞行方向(机头定位算法)、飞行距离的精确控制及安全距离保持。一、机头定位算法包括以下步骤：1、自动测距(1)、无人机机到达指定高度后，以该机头方向(第一次机头方向)为中心进行连续三次测距，即向左15°测距、向右10°测距、向右5°测距，同时记录距离值和航偏角。(2)、以第一次机头方向为中心再进行连续三次测距，即向右15°测距、向左10°测距、向左5°测距，同时记录距离值和航偏角。(3)、以第一次机头方向为中心再进行连续三次测距，即向左30°测距、向右25°测距、向右20°测距，同时记录距离值和航偏角。(4)、以第一次机头方向为中心再进行连续三次测距，即向右30°测距、向左25°测距、向左20°测距，同时记录距离值和航偏角。2、可靠数据选取(1)、对超过激光角度-25°～+25°范围的数据进行过滤，因激光角度范围为-45°～+45°，超过范围激光测距对准要么地面，要么填空，因此以-25°～+25°范围，对超过范围的角度值进行过滤。(2)、在12个距离值中选取距离差值最小的两个距离值，该两个距离值对应待测导线上的点i和点ii。(3)、机头方向定位如图5所示，点i在左、点ii在右，点i在无人机的激光测距模块所在平面(即器件ii所在平面，等同于无人机所在平面)的投影点为点i、点ii在无人机上验电器的激光测距模块所在平面的投影点为点ii，无人机的激光测距模块所在位置记为点o；则无人机最终要确定的机头方向为：点o与直线iii的垂线oo；记：无人机上验电器的激光测距模块位置点o与待测导线上点i的距离为d1，无人机上验电器的激光测距模块位置点o与待测导线上点ii的距离为d2，无人机上验电器的激光测距模块位置点o与点i的距离为d1，无人机上验电器的激光测距模块位置点o与点ii的距离为d2，直线oi和直线oi之间的夹角为α1，直线oii和直线oii之间的夹角为α2，机头在点i与点ii之间的转动夹角为a(直线oi和直线oi之间的夹角)，直线oi和垂线oo之间的夹角为b，直线oii和垂线oo之间的夹角为c，三角形oiii所在平面即为无人机上验电器的激光测距模块所在平面，也就是等同于本实施例中所指的无人机所在平面。则：d1＝d1×cosα1，d2＝d2×cosα2，无人机机头方向与点i方向的夹角无人机机头方向与点ii方向的夹角无人机机头方向确定分为以下三种情况：如图5a所示，当a＞b、a＞c，垂线oo在三角形oiii中，b+c＝a，即无人机机头方向为：记录的点i对应的航偏角基础上向右偏转b，或者，记录的点ii对应的航偏角基础上向左偏转c；两个角度二选一。如图5b所示，当b＞a，垂线oo在三角形oiii右边，即无人机机头方向为：记录的点i对应的航偏角基础上向右偏转b，或者，记录的点ii对应的航偏角基础上向右偏转c；两个角度二选一。如图5c所示，当c＞a，垂线oo在三角形oiii左边，即无人机机头方向为：记录的点i对应的航偏角基础上向左偏转b，或者，记录的点ii对应的航偏角基础上向左偏转c；两个角度二选一。二、安全距离获取无人机与待测导线距离如图4所示，应符合下表规定最小要求，在无人机与导线距离小于表1规定距离时，应及时告警并反馈地面飞手。表1各电压等级安全距离电压等级/(kv)最小安全距离/(m)5003.07504.010005.5±5003.0±6603.5±8004.0本实施例提出一种架空线路无人机验电方法，具体如下：1)、无人机摆放将无人机摆放在离线路地面投影距离20～30m范围，机头方向与线路垂直。2)、定高无人机起飞，由手持安卓app终端触发，无人机垂直上升至预先设置的高度并悬停。3)、机头定位由手持安卓app终端触发机头定位，无人机机头左右摆动并测距，通过上述机头定位算法确定机头方向。4)、生成航线获取了无人机机头方向后，结合线路电压等级及飞行安全距离，以固定间距设置航点(waypoint)并生成航线。5)、由手持安卓app终端触发航线模式，无人机按照生成的航线逐点飞行，在每一个航点悬停时，验电模块完成温湿度、距离测量、电磁场信息采集，并发送至手持安卓app端生成曲线，在超过阈值时发出声光告警。6)、同一区域重复验电，手持安卓app终端自动识别并推送航线，提醒作业人员是否使用历史航线作业，若使用历史航线，无人机起飞后切换为航线模式，无人机按照历史航线完成验电操作。注：手持安卓app终端根据实际情况及具有要求进行开发，在目前现有技术条件下不存在技术难度，不再赘述。下面以500kv交流现场试验数据各技术特征在技术方案中的作业进行说明。1、系统登陆手持安卓app终端(选用手机)使用授权账号及密码进行登陆(该账号及密码已在pc系统设置)，登录时账号信息通过wifi或其他无线通信方式发送至pc系统进行验证，若为预设的授权账号和密码则允许登陆，否则提醒为未授权账号，不允许登陆。2、新建作业任务设置作业任务，设置为咸宁二回500千伏线路线路，170#～171#。3、无人机摆放将无人机摆放在离线路地面投影距离20m～30m，机头方向与待测线路垂直。4、定高无人机起飞，根据设计规范及统计，500kv线路离地高度约25m(预先在系统中进行了设置)，若现场有交叉跨越或其他因素杆塔增高，可根据现场实际高度进行设置，并由手持安卓app终端触发定高，飞机垂直上升至预先设置的高度25m并悬停。5、机头定位由手机app终端触发机头定位，无人机机头左右摆动12次并测距，通过机头定位算法确定机头方向，如图6所示，通过点i(d1＝15.03对应的点)和点ii(d2＝15.33对应的点)确定的无人机机头方向。6、生成航线获取了无人机机头方向后结合线路电压等级及飞行安全距离，以固定间距(0.5m)设置航点(waypoint)并生成航线。7、由手机app终端触发航线模式，无人机按照生成的航线逐点飞行，在每一个航点悬停时，验电模块完成温湿度、距离测量、电磁场信息采集，并发送至手机app终端生成曲线(如图7所示)，在超过阈值时发出声光告警。8、第二次重复验电时，手机app终端自动识别并推送航线，提醒作业人员是否使用历史航线作业，若使用历史航线，无人机起飞后切换为航线模式，无人机按照历史航线完成验电操作。9、系统可统计查看历史验电记录。本发明具有如下优点：第一、无人机验电器与手持安卓app终端之间的交互数据通过无人机链路进行传输，在不增加通信方式提高了验电数据及控制传输距离及可靠性。第二、通过激光测距获取的无人机与输电线路的距离，并结合任意两点距离差值最小，对样本数据进行过滤，确定用于机头方向计算的两个点。这两个点与输电线路的距离值，结合无人机机头转动夹角而形成的三角形计算验电机头方向及飞行距离，从而实现无人机验电飞行安全保持。第三、系统通过查询历史作业任务及杆塔编号并自动匹配验电航线，可实现一键式触发验电，实现了不同时间验电作业的精准复现，提高了验电结果可靠性。凡本
技术领域：
的技术人员依据本发明在现有的技术基础上通过逻辑分析、推理得到的技术方案，均应该在本发明的权利要求书所保护的范围之内。当前第1页12