CN104459285B - 一种基于无人机的验电系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于无人机的验电系统和方法，验电系统包括模拟信号处理模块、数字信号处理模块、存储模块、通信模块和供电模块；模拟信号处理模块和通信模块均通过I2C总线与数字信号处理模块单向连接，数字信号处理模块通过SPI总线与通信模块双向连接，供电模块为模拟信号处理模块、数字信号处理模块、存储模块和通信模块分别供电。本发明利用无人机携带验电系统的方式，近距离采集线路信息，判断线路是否带电运行、是否存在感应电压。有效解决接触式无法满足超、特高压输电工程验电问题，以及地面非接触验电器无法满足同塔双回及交叉跨越线路验电问题，大大提高了验电可靠性，确保检修作业安全。
Description
技术领域
本发明属于电网运行维护检修技术领域，具体涉及一种基于无人机的验电系统和方法。
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：在部分停电的电气设备上工作或停电线路工作地段装接地线前，要先验电，验明设备或线路确无电压。验电器即是用来检测电力设备上是否存在电压的常用工具之一，通过验电器明确验证被检修设备上是否确无电压，再进行其他操作，以防出现带电装接地线(合接地刀闸)、误碰有电设备等恶性事故的发生。目前，使用的验电器大多为接触式验电器，在验电时需使用绝缘操作杆将金属探针触碰被验电设备或线路，绝缘杆的长度不得小于对应电压等级的最小有效绝缘长度。由于超、特高压输电工程线路的杆塔高，相－地距离大，需要的绝缘操作杆长度太长，因此超、特高压输电工程验电无法采用接触式验电方式。特高压交流输电线路工频电磁场的分布规律，在正三角、水平排列方式下，离地1.5m高度处，线路产生的工频电场随与线路中心的距离增大而先增大后减小，在边线路外不远处达到最大。地面非接触式验电器利用这一特点采用感应方式(采集地面空间电场信息)验电，可有效解决交/直流超、特高输电工程单回线路验电问题。而对于同塔双回线路，经常出现一回带电，一回停电情况，在停电测验电时可能会采集到带电测信号，因此若不选择好阈值，无法较好的确定被测线路带电状态。综上所述，要解决同塔双回验电问题就是要解决一回带电、一回停电时空间电场区分。
2013年3月，为推进大检修体系建设，进一步提升输电线路运检管理水平，国家电网公司开展了输电线路直升机、无人机和人工协同巡检模式试点工作。试点方案中明确指出：建立“无人机规范化巡检应用体系”，建立“直升机、无人机和人工巡检相互协同的输电线路新型巡检模式”，实现提高输电线路运检质量、效率和效益的工作目标。在国网公司“十二五”生产规划中也指出：“到2015年，在特高压线路、跨区长距离输电线路、主干线路以及人工巡检无法到达地区推广应用直升机、无人机、机器人巡线等智能巡检，显著提高输电线路安全运行可控、能控、在控水平。”由此可见，无人机巡检已经成为一种必要的巡检手段，与直升机巡检、人工巡检协同构建起新型的巡检体系，彻底改变现有的巡检工作模式。
目前我国输电线路基本采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》、DL740－2000《电容性验电器》)对接触式验电器的设计、制造、操作导则以及试验方法进行了规范。接触式验电器采用金属探针(钩)、信号处理及绝缘操作杆组成。
由于超、特高压输电工程线路的杆塔高、塔头尺寸大、绝缘子串长、如果不分场合均使用接触式验电器进行验电，则由于相－地距离大，要求绝缘操作杆具有较长的长度(其长度至少超过8m)，这样一方面操作杆的重量大，会极大地增加作业人员的劳动强度；另一方面较长的绝缘操作杆容易挠曲，不便于操作，再加上高空作业的因素，甚至有可能使验电操作无法实现。
非接触式验电器(适用于1000kV交流特高压及以下、±800kV直流特高压及以下电压等级)。由于带电设备周围都有电场存在，该种类感应式非接触式验电器通过检测电场方式而研制。可在地面实现验电操作，极大的减轻了工作人员的劳动强度，并确保了检修作业安全。该类型验电器主要针对单回线路验电，对于多回线路由于地面电场分布复杂，及影响因素多，并不能完全适用。
综上所述，接触式验电技术可解决500kV及以下电压等级交流输电工程验电，工作人员劳动强度大，并且无法满足超、特高压输电工程。地面非接触式验电技术可有效解决超、特高压输电工程单回线路验电，对同塔双回及交叉跨越线路验电无法完全适用。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于无人机的验电系统和方法，利用无人机携带验电系统的方式，近距离采集线路信息，判断线路是否带电运行、是否存在感应电压。有效解决接触式无法满足超、特高压输电工程验电问题，以及地面非接触验电器无法满足同塔双回及交叉跨越线路验电问题，大大提高了验电可靠性，确保检修作业安全。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种基于无人机的验电系统，所述验电系统包括模拟信号处理模块、数字信号处理模块、存储模块、通信模块和供电模块；所述模拟信号处理模块和通信模块均通过I2C总线与数字信号处理模块单向连接，所述数字信号处理模块通过SPI总线与通信模块双向连接，所述供电模块为模拟信号处理模块、数字信号处理模块、存储模块和通信模块分别供电。
所述模拟信号处理模块包括采集模块、放大模块、滤波模块和A/D转换模块；所述采集模块将采集的电压信号传输给放大模块，经放大的电压信号通过滤波模块进行滤波，并通过A/D转换模块转换为数字信号。
所述数字信号处理模块包括数字信号处理器和二次滤波模块；所述数字信号处理器将A/D转换模块发送的数字信号进行处理后，通过二次滤波模块进行二次滤波，二次滤波后的数字信号存储至所述存储模块中。
所述存储模块包括SRAM存储器和FLASH存储器；所述SRAM存储器用于存储标准曲线数据，所述FLASH存储器用于存储经二次滤波后的数字信号。
所述通信模块包括第一通信模块和第二通信模块；所述验电系统通过第一通信模块与无人机进行通信，所述无人机通过第二通信模块与地面控制后台通信。
所述电源模块包括第一电源模块、第二电源模块和第三电源模块；所述第一电源模块为所述验电系统提供+5V和-5V的工作电压；所述第二电源模块和第三电源模块分别为所述验电系统提供3.3V和1.8V的工作电压。
所述采集模块将采集的电压信号来源于高压发生装置。
所述放大模块采用TLC2652放大器，放大倍数至少为100倍；所述滤波模块采用LM358低通滤波器，所述低通滤波器的截止频率为200Hz；所述A/D转换模块采用12位MAX187模数转换器。
本发明提供一种采用验电系统对线路进行验电的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：验电系统自检；
步骤2：无人机携带验电系统平稳起飞，对线路进行巡检；
步骤3：对线路进行验电；
步骤4：验电结果回传给地面控制后台。
所述步骤1包括以下步骤：
步骤1-1：从经过二次滤波后的数字信号中提取特征值，所述特征值采用串口通信方式输入至第一通讯模块，第二通信模块将数字信号进行调制，之后以无线通信方式发送至地面控制后台；所述特征值包括频率、幅值和占比；
步骤1-2：调整高压发生装置输出的电压信号，观察所述地面控制后台的显示曲线与高压发生装置输出的电压信号变化趋势是否一致，若不一致则重复自检，直至使所述地面控制后台的显示曲线与高压发生装置输出的电压信号变化趋势一致。
所述步骤2中，操控无人机，使其携带所述验电系统平稳起飞，采用一键式操作方式，无人机根据预设的飞行航迹自主飞行并靠近线路。
所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤3-1：采用模拟电荷法建立杆塔及线路的三维架空线路模型，并根据三维架空线路模型计算线路周围三维电场，得到理论结果；
步骤3-2：在与计算相同线路空间现场实测x、y、z三个方向电场分布，得到现场实测结果；
步骤3-3：比较理论结果及现场实测结果，分析得出理论结果与现场实测结果产生差别的影响因素，并通过修正三维架空线路模型或调整现场布置使理论结果与现场实测结果保持一致；
步骤3-4：利用修正后的三维架空线路模型计算单回线路带电运行时，在离线路水平方向3～8m距离处x、y、z三个方向电场分布，并结合现场实测结果，选取某距离范围作为验电区域，确定验电区域对应的电场分布特征曲线；
步骤3-5：无人机携带验电系统在同一区域获取三维电场，得到现场实测曲线；
步骤3-6：将现场实测曲线与电场分布特征曲线进行比较，若现场实测曲线的频率与特征曲线的频率相同，而其幅值大于特征曲线的幅值，则可判断线路带电，否则线路不带电。
所述步骤4具体包括以下步骤：
步骤4-1：线路带电时，将变量r赋值为1，否则赋值为0，变量r的赋值通过RS232串口输入至第一通信模块，第二通信模块以无线通信方式将变量r的赋值发送至地面控制后台；
步骤4-2：地面控制后台接收到的变量r的赋值后，对其进行分析判断，若判断得出变量r为1，则在地面控制后台的屏幕上显示线路带电运行，否则显示线路停电。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
附图说明
图1是本发明实施例中基于无人机的验电系统结构框图；
图2是本发明实施例中第一电源模块电路图；
图3是本发明实施例中第二电源模块电路图；
图4是本发明实施例中第三电源模块电路图；
图5是本发明实施例中数字信号处理模块处理数字信号的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1，本发明提供一种基于无人机的验电系统，所述验电系统包括模拟信号处理模块、数字信号处理模块、存储模块、通信模块和供电模块；所述模拟信号处理模块和通信模块均通过I2C总线与数字信号处理模块单向连接，所述数字信号处理模块通过SPI总线与通信模块双向连接，所述供电模块为模拟信号处理模块、数字信号处理模块、存储模块和通信模块分别供电。
所述模拟信号处理模块包括采集模块、放大模块、滤波模块和A/D转换模块；所述采集模块将采集的电压信号传输给放大模块，经放大的电压信号通过滤波模块进行滤波，并通过A/D转换模块转换为数字信号。
所述数字信号处理模块包括数字信号处理器和二次滤波模块；所述数字信号处理器将A/D转换模块发送的数字信号进行处理后，通过二次滤波模块进行二次滤波，二次滤波后的数字信号存储至所述存储模块中。
所述存储模块包括SRAM存储器和FLASH存储器；所述SRAM存储器用于存储标准曲线数据，所述FLASH存储器用于存储经二次滤波后的数字信号。
所述通信模块包括第一通信模块和第二通信模块；所述验电系统通过第一通信模块与无人机进行通信，所述无人机通过第二通信模块与地面控制后台通信。
所述电源模块包括第一电源模块、第二电源模块和第三电源模块；
如图2，所述第一电源模块为所述验电系统提供+5V和-5V的工作电压，包括ZY_AS-1W及C1＝100uF、C2＝10uF、C3＝10uF的三个电容。C1并联在ZY_AS-1输入两端，C2并联在+5V输出与GND之间，C3并联在-5V与地之间。
如图3，所述第二电源模块为所述验电系统提供3.3V工作电压，包括spx1117-3.3、10uF电解电容EC1、EC2，EC1并联在输入端，EC2并联在输出端，R1及R2串联，作为电压调节。
如图4，所述第三电源模块为所述验电系统提供1.8V工作电压，包括spx1117-1.8、10uF电解电容EC3并联在输入端，EC4并联在输出端，R3及R4串联，作为电压调节。
所述采集模块将采集的电压信号来源于高压发生装置。
所述放大模块采用TLC2652放大器，放大倍数至少为100倍；所述滤波模块采用LM358低通滤波器，所述低通滤波器的截止频率为200Hz；所述A/D转换模块采用12位MAX187模数转换器。
本发明提供一种采用验电系统对线路进行验电的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：验电系统自检；
步骤2：无人机携带验电系统平稳起飞，对线路进行巡检；
步骤3：对线路进行验电；
步骤4：验电结果回传给地面控制后台。
所述步骤1包括以下步骤：
步骤1-1：数字信号处理器将A/D转换模块发送的数字信号进行处理后，通过低通滤波器进行二次滤波，从经过二次滤波后的数字信号中提取特征值，所述特征值采用串口通信方式输入至第一通讯模块，第二通信模块将数字信号进行调制，之后以无线通信方式发送至地面控制后台；所述特征值包括频率、幅值和占比；
因为是线性时不变系统，低通滤波器输出信号y(n)可用卷积形式表示：
h(i)为滤波的冲激响应，x(n)为输入信号，N为低通滤波器抽头数；
设Hd(ejω)为理想线性相位滤波器，其频率响应为：
求此滤波器的单位冲激响应hd(n)：
由于Hd(ejω)是矩形频率特性，故hd(n)是无限长序列，且是非因果的。而低通滤波器的单位冲激响应h(n)是有限长的，用有限长的h(n)来逼近无限长的hd(n)，最有效的方法是截断，即用一个有限长的窗口函数序列ω(n)来截取hd(n)，即：
h(n)＝hd(n)·ω(n)
将得到的h(n)系数存入数字信号处理器中，与采样得到的数字信号累乘就可以得到最终输出的经过滤波后的信号，流程图如图5。
步骤1-2：调整高压发生装置输出的电压信号，观察所述地面控制后台的显示曲线与高压发生装置输出的电压信号变化趋势是否一致，若不一致则重复自检，直至使所述地面控制后台的显示曲线与高压发生装置输出的电压信号变化趋势一致。
所述步骤2中，操控无人机，使其携带所述验电系统平稳起飞，采用一键式操作方式，无人机根据预设的飞行航迹自主飞行并靠近线路。
所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤3-1：采用模拟电荷法建立杆塔及线路的三维架空线路模型，并根据三维架空线路模型计算线路周围三维电场，得到理论结果；特高压大跨越架空线路三维工频电场计算记载于期刊2008年9月出版的《高电压技术》第34卷第9期中，作者为文武、彭磊、张小武、刘媛、阮江军、赵全江和李翔。
步骤3-2：在与计算相同线路空间现场实测x、y、z三个方向电场分布，得到现场实测结果；
步骤3-3：比较理论结果及现场实测结果，分析得出理论结果与现场实测结果产生差别的影响因素，并通过修正三维架空线路模型或调整现场布置使理论结果与现场实测结果保持一致；
步骤3-4：利用修正后的三维架空线路模型计算单回线路带电运行时，在离线路水平方向3～8m距离处x、y、z三个方向电场分布，并结合现场实测结果，选取某距离范围作为验电区域，确定验电区域对应的电场分布特征曲线(具有波峰或波谷段)；
步骤3-5：无人机携带验电系统在同一区域获取三维电场，得到现场实测曲线；
步骤3-6：将现场实测曲线与电场分布特征曲线进行比较，若现场实测曲线的频率与特征曲线的频率相同，而其幅值大于特征曲线的幅值，则可判断线路带电，否则线路不带电。
所述步骤4具体包括以下步骤：
步骤4-1：线路带电时，将变量r赋值为1，否则赋值为0，变量r的赋值通过RS232串口输入至第一通信模块，第二通信模块以无线通信方式将变量r的赋值发送至地面控制后台；
步骤4-2：地面控制后台接收到的变量r的赋值后，对其进行分析判断，若判断得出变量r为1，则在地面控制后台的屏幕上显示线路带电运行，否则显示线路停电。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (12)
1.一种采用验电系统对线路进行验电的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1：验电系统自检；
步骤2：无人机携带验电系统平稳起飞，对线路进行巡检；
步骤3：对线路进行验电；
步骤4：验电结果回传给地面控制后台；
所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤3-1：采用模拟电荷法建立杆塔及线路的三维架空线路模型，并根据三维架空线路模型计算线路周围三维电场，得到理论结果；
步骤3-2：在与计算相同线路空间现场实测x、y、z三个方向电场分布，得到现场实测结果；
步骤3-3：比较理论结果及现场实测结果，分析得出理论结果与现场实测结果产生差别的影响因素，并通过修正三维架空线路模型或调整现场布置使理论结果与现场实测结果保持一致；
步骤3-4：利用修正后的三维架空线路模型计算单回线路带电运行时，在离线路水平方向3～8m距离处x、y、z三个方向电场分布，并结合现场实测结果，选取某距离范围作为验电区域，确定验电区域对应的电场分布特征曲线；
步骤3-5：无人机携带验电系统在同一区域获取三维电场，得到现场实测曲线；
步骤3-6：将现场实测曲线与电场分布特征曲线进行比较，若现场实测曲线的频率与特征曲线的频率相同，而其幅值大于特征曲线的幅值，则可判断线路带电，否则线路不带电。
2.根据权利要求1所述的采用验电系统对线路进行验电的方法，其特征在于：所述步骤1包括以下步骤：
步骤1-1：从经过二次滤波后的数字信号中提取特征值，所述特征值采用串口通信方式输入至第一通讯模块，第二通信模块将数字信号进行调制，之后以无线通信方式发送至地面控制后台；所述特征值包括频率、幅值和占比；
步骤1-2：调整高压发生装置输出的电压信号，观察所述地面控制后台的显示曲线与高压发生装置输出的电压信号变化趋势是否一致，若不一致则重复自检，直至使所述地面控制后台的显示曲线与高压发生装置输出的电压信号变化趋势一致。
3.根据权利要求1所述的采用验电系统对线路进行验电的方法，其特征在于：所述步骤2中，操控无人机，使其携带所述验电系统平稳起飞，采用一键式操作方式，无人机根据预设的飞行航迹自主飞行并靠近线路。
4.根据权利要求1所述的采用验电系统对线路进行验电的方法，其特征在于：所述步骤4具体包括以下步骤：
步骤4-1：线路带电时，将变量r赋值为1，否则赋值为0，变量r的赋值通过RS232串口输入至第一通信模块，第二通信模块以无线通信方式将变量r的赋值发送至地面控制后台；
步骤4-2：地面控制后台接收到的变量r的赋值后，对其进行分析判断，若判断得出变量r为1，则在地面控制后台的屏幕上显示线路带电运行，否则显示线路停电。
5.根据权利要求1所述的采用验电系统对线路进行验电的方法，其特征在于：所述验电系统包括模拟信号处理模块、数字信号处理模块、存储模块、通信模块和供电模块；所述模拟信号处理模块和通信模块均通过I2C总线与数字信号处理模块单向连接，所述数字信号处理模块通过SPI总线与通信模块双向连接，所述供电模块为模拟信号处理模块、数字信号处理模块、存储模块和通信模块分别供电。
6.根据权利要求5所述的采用验电系统对线路进行验电的方法，其特征在于：所述模拟信号处理模块包括采集模块、放大模块、滤波模块和A/D转换模块；所述采集模块将采集的电压信号传输给放大模块，经放大的电压信号通过滤波模块进行滤波，并通过A/D转换模块转换为数字信号。
7.根据权利要求5所述的采用验电系统对线路进行验电的方法，其特征在于：所述数字信号处理模块包括数字信号处理器和二次滤波模块；所述数字信号处理器将A/D转换模块发送的数字信号进行处理后，通过二次滤波模块进行二次滤波，二次滤波后的数字信号存储至所述存储模块中。
8.根据权利要求5所述的采用验电系统对线路进行验电的方法，其特征在于：所述存储模块包括SRAM存储器和FLASH存储器；所述SRAM存储器用于存储标准曲线数据，所述FLASH存储器用于存储经二次滤波后的数字信号。
9.根据权利要求5所述的采用验电系统对线路进行验电的方法，其特征在于：所述通信模块包括第一通信模块和第二通信模块；所述验电系统通过第一通信模块与无人机进行通信，所述无人机通过第二通信模块与地面控制后台通信。
10.根据权利要求5所述的采用验电系统对线路进行验电的方法，其特征在于：所述供电模块包括第一电源模块、第二电源模块和第三电源模块；所述第一电源模块为所述验电系统提供+5V和-5V的工作电压；所述第二电源模块和第三电源模块分别为所述验电系统提供3.3V和1.8V的工作电压。
11.根据权利要求6所述的采用验电系统对线路进行验电的方法，其特征在于：所述采集模块将采集的电压信号来源于高压发生装置。
12.根据权利要求6所述的采用验电系统对线路进行验电的方法，其特征在于：所述放大模块采用TLC2652放大器，放大倍数至少为100倍；所述滤波模块采用LM358低通滤波器，所述低通滤波器的截止频率为200Hz；所述A/D转换模块采用12位MAX187模数转换器。
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