CN112946371A - 一种高压带电体下电场强度检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压带电体下电场强度检测方法及系统，所述系统包括布设在无人机上多个探头，以及与所述多个探头分别连接的无人机电场强度检测装置，其中，所述多个探头的探测方向均不相同；所述无人机电场强度检测装置实时接收所述多个探头的感测信号，确定无人机周围电场分布。本发明能够在无人机对高压带电设备进行巡检过程中，更准确地感测附近电场强度，以避免发生触线事故。

Description

一种高压带电体下电场强度检测方法及系统

技术领域

本发明属于无人机巡检技术领域，尤其涉及一种高压带电体下电场强度检测方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

为了避免无人机在巡检过程中发生触线事故，可通过电场检测原理判断与架空线的距离，一般来说，越靠近高压带电体，电场强度E越大，但是实际中高压带电体周围的电场受到地面高度、场内带电体分布等多种因素的影响，分布并不均衡。因此需要分析无人机在高压带电体周围的电场分布规律。根据对高压电场分布的分析，高压现场电磁环境非常复杂。一般与单一带电体的“帐篷”型分布趋势相同。现场电场及磁场的分布与设备的工作状态有极大的关联性，所以简单的测量场强并不能有效地起到预警监护作用。

据发明人了解，目前的电场检测方法至少存在以下问题：

由于无人机周围的电场分布与架空带电体的三维相对位置相关，但是由于无人机处于三维空间中，与高压带电体的相对位置是随机和时变的。如果探头与架空带电体较远或者方向不合适，电场场强采集精度下降。为了能够进一步识别出电场梯度信号，常规的单电极方案也无法实现。

在高压带电体的周围，其电场梯度更稳定，以往的电场强度检测是以人体为参考的电场梯度信号检测机理，该方法极易受人体感应电场的干扰，难以分辨200V与10kV以上的强电场，所以虚警率非常高，以致没有实际使用价值。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种高压带电体下电场强度检测系统，能够在无人机对高压带电设备进行巡检过程中，更准确地感测附近电场强度，以避免发生触线事故。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

一种高压带电体下电场强度检测系统，包括布设在无人机上多个探头，以及与所述多个探头分别连接的无人机电场强度检测装置，其中，所述多个探头的探测方向均不相同；

所述无人机电场强度检测装置实时接收所述多个探头的感测信号，确定无人机周围电场分布。

进一步地，所述探头包括：依次连接的金属板、下极板、绝缘杆和上极板，其中，金属板的一端与固定端连接；所述探头通过固定端安装在无人机上。

进一步地，所述多个探头为四个，分布布设在无人机的顶部中心，以及无人机周向上方向夹角为120°的三个位置。

进一步地，所述无人机电场检测装置包括多个探头信号采集单元、多个信号放大电路和信号整理电路，所述多个探头信号采集单元分别经由一个信号放大电路与信号整理电路的输入端连接。

进一步地，所述信号整理电路的输出端还依次连接报警电路和接口电路。

进一步地，所述无人机电场检测装置还包括电源模块，分别与信号整理电路、多个信号放大电路和报警电路连接。

进一步地，所述信号整理电路被配置为：

实时获取各个探头中各电极上的感应电动势，并计算电位差；

根据各个探头测得的电压差，确定无人机各个方向上的电场分布。

进一步地，所述信号整理电路还被配置为：

确定电压差最大的探头，若该探头得到的电场梯度大于预警值，表示无人机在该探头附近与高电压带电设备超出安全规程，发出警示信息。

一个或多个实施例提供了一种高压带电体下电场强度检测方法，包括：

实时获取布设在无人机上的各个探头中各电极上的感应电动势，并计算电位差；所述探头均为双电极设计；

根据各个探头测得的电压差，确定无人机各个方向上的电场分布。

进一步地，确定电压差最大的探头，若该探头得到的电场梯度大于预警值，表示无人机在该探头附近与高电压带电设备超出安全规程，发出警示信息。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

通过采用立体布置的探头布置方式，能够对无人机周围进行充分探测，在各种状态下均能够提前预警无人机与带电体的距离；并且，根据各个探头探测的不同场强大小，还可以预估无人机与周围高压带电设备之间的相对位置关系。

通过采用双电极的探头设计，能够将电场的检测范围限制在两个极板中间，避免无人机电位和外形的影响，从而使得各个探头之间的数值具有一定的可比性，有利于提高无人机电场的检测灵敏度；通过金属板实现双电极与无人机之间的隔离，使得极板受突出金属外物的影响减小，探头的极板之间的电位差增加，探头的灵敏度提高了。

通过同时采集各个探头电极上的感应电动势，加上双电极结构，可还原无人机在各个方向上的电场场强梯度，根据梯度值的变化来判断具体电场场强大小。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例中探头的双层电极设计示意图；

图2为本发明实施例中高灵敏度探头结构示意图；

图3(a)和图3(b)分别为在配件影响下的无人机电场分布以及采用本发明实施例高灵敏度探头结构的无人机电场分布示意图；

图4为本发明实施例中探头内部电场分布仿真结果示意图；

图5为本发明实施例中无人机周围偶极子探头分布示意图；

图6为本发明实施例中无人机多探头分布模型示意图；

图7为本发明实施例中无人机探头布置方案示意图；

图8为本发明实施例中无人机上部探头电场分布示意图；

图9为本发明实施例中无人机侧面探头的电场分布示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例根据无人机的工作特点和高压带电体周围在无人机周围产生的电场分布特征，构建了无人机电场感应方式，并提出了一种高压带电体下电场强度检测系统，包括布设在无人机上多个探头，以及与所述多个探头分别连接的无人机电场强度检测装置，其中，所述多个探头的探测方向均不相同。所述无人机电场强度检测装置实时接收所述多个探头的感测信号，确定无人机周围电场分布。

在探头的设计方面，针对高压施工现场复杂的电场环境，载体的体积限制，以及实现的便利性，所述方法在探头的电极结构设计上采用多电极，用于对电场的场强梯度进行特征识别。具体地，本实施例中的探头电机结构设计采用基于悬浮体法的双层电极设计，优点是不需要参考地平面，而地参考法是需要以地平面作为参考，不利于在便携式设备上进行使用，而悬浮体法利于在便携式设备上实现搭载。

基于悬浮体法的双层电极设计如图1，采用特定的极板之间的电位差来检测无人机周围的电场分布，以等电位极板作为参考电位零点。能够将电场的检测范围限制在极板1和极板2中间，避免无人机电位和外形的影响，从而使得各个探头之间的数值具有一定的可比性，有利于提高无人机电场的检测灵敏度。

实际中无人机还有其他配件，此时在电场中会出现电场向金属配件尖端积聚。如图3(a)所示。在这种情况下，探头灵敏度降低。本实施例提供了一种改进的探头结构，如图2所示，包括：依次连接的金属板、下极板、绝缘杆和上极板，其中，金属板的一端与固定端连接；且，依次连接的金属板、下极板、绝缘杆和上极板设置于外壳内。所述探头通过固定端安装在无人机上。其中，上极板和下极板用来检测电场，绝缘杆用来固定上极板和下极板，金属板的作用是将上、下极板固定在距离无人机较远的位置；同时利用金属板的电场尖端效应，使得电场集中在金属板的顶端，就可以提高极板检测电场的灵敏度。在电场中，采用金属板后的电场分布如图3(b)所示。图中由于金属板的加入，使得极板受突出金属外物的影响减小。进一步通过限元仿真研究探头内部的电场分布，如图4所示。通过仿真可以看到，在加入了金属板之后，金属板所在的部分电场基本保持不变，而探头的极板之间的电位差增加，探头的灵敏度提高了。在实际中可以进一步减少金属柱的直径，进一步提升探头的灵敏度。

在探头的布置方面，由于无人机处于三维空间中，高压带电体与无人机的相对位置有可能处于任何方位。但是一般来说，无人机在发生碰线主要是在上升段及带电体侧面飞行段发生碰线。因此主要避免无人机在带电体下方和侧面的防碰线。因此将探头的两个极板看做电偶极子p，则根据几何学三维空间中至少需要三个偶极子p1、p2、p2，才能够保证在三个方向上的电场检测(如图5所示)。理论上，一个方向的偶极子探头能够测量该方向的电场强度。但是由于无人机在空间电场中受到自身的影响，其周围的电场会发生电场畸变，在坐标轴一个方向的探头无法探测反方向的电场分布，需要在反方向增加影响的偶极子探头。

因此，根据无人机的应用特点，并从使用角度，构建的偶极子探测模型如图6所示：该模型包括4个偶极子探头，p1探头放置在Z轴方向，另外三个探头p2、p3、p4分布在XOY平面内，相互交叉120°。

根据上述分析，提出了无人机防触探头在无人机上的布置方案如图7所示。在无人机的顶端、圆周三个相差120°角度的方向各放置一个探头，分别检测无人机周围的电场。本实施例对上述无人机探头布置方案探测到的电场分布进行了仿真，结果如图8、9所示。

在采用以上探头结构以及布设方案的基础上，无人机电场检测装置被配置为执行所述高压带电体下电场强度检测方法，具体包括：

(1)实时获取各个探头中各电极上的感应电动势，并计算电位差；

(2)根据各个探头测得的电压差，确定无人机各个方向上的电场分布；

(3)确定电压差最大的探头，若该探头得到的电场梯度大于预警值时，表示该探头附近有超出安全规程的高电压带电设备，生成警示信息并发送至终端，从而更有效的保护无人机避免与高压带电体碰撞。

无人机电场检测装置的结构包括：电源模块、多个探头信号采集单元、多个信号放大电路、信号整理电路、报警电路和接口电路；其中，电源模块的输出端分别与信号整理电路、多个信号放大电路和报警电路的输入端连接；每个探头信号采集单元的输出端均与一个信号放大电路的输入端连接，进而连接至信号整理电路的输入端；信号整理电路的输出端连接至报警电路的输入端，报警电路的输出端连接至接口电路。

其中，电源模块向总系统进行供电，将无人机提供的电压等级转换为系统需要的电压，并进行稳定。探头信号通过从偶极子探头提取的电压信号。在实际测量中发现，收到探头尺寸和空间电场功率的限制，探头的测量信号往往功率和幅值往往较小，因此需要通过信号放大电路对微弱的信号进行隔离和放大，将微弱的探头信号转化为较大的信号，并将信号输入信号整理电路，进行分析和比较。信号整理电路将信号放电电路的输入信号进行整理和汇总，通过与阈值进行比较，将报警值输入报警电路。报警电路将报警信号进行显示就输出，通过接口电路将报警信号进行上报。

信号放大电路：在实际测量中发现，收到探头尺寸和空间电场功率的限制，探头的测量信号往往功率和幅值往往较小，因此需要通过信号放大电路对微弱的信号进行隔离和放大。信号采集单元还需要一个低通滤波器用以滤除干扰噪声。根据工作时是否需要供电，滤波器可以分为无源和有源两种。无源滤波器由电阻、电容、电感组成，通过电感和电容的感抗特性实现对某些频率分量的抑制作用，从而实现滤波。该系统采用的是截止频率为150Hz的低通滤波器，对于无源滤波电路，如果截止频率太低，需要采用电感量很大的电感量很大的电感以保证滤波性能，如此一来必然使电感的重量和体积过大，导致电路体积和成本的增加。因此在低频信号传输电路中总是尽量避免使用电感，而有源滤波器电路刚好满足这样的需求。有源滤波器是由电阻、电容和集成运放组成的滤波电路，其不需要电感，因而较无源滤波器其体积更小，重量更轻。理想条件下，运放具有输入阻抗无限大、增益无限大、输出阻抗为零的特点，因此在滤波电路中加入电压串联负反馈可以使滤波电路具有高输入阻抗、低输出阻抗、输入输出之间隔离好、信号放大倍数易于调节等优点，而且将几个低阶滤波电路串联起来就可以得到高阶滤波电路。实际上，运放在一定的频率范围内非常接近其理想性能，该频率范围因具体型号的运放性能而异。

信号整理电路：本系统采用有源低通滤波电路。按照滤波电路在特征频率处的幅频特点，有源低通滤波器可以分为巴特沃斯、切比雪夫和贝塞尔三种类型，且各有优缺点。本系统设定低通滤波器的截止频率为150Hz，综合考虑电路的复杂度和滤波性能，选择用两个二阶压控电压源低通滤波器串联而成的四阶巴特沃斯低通滤波器作为本系统的滤波电路。设级联的两个二阶滤波器具有相同的参数，且每个回路中滤波电容、电阻使用相同的参数，即满足以下条件：

C1＝C2＝C3＝C4＝C

R3＝R4＝R7＝R8＝R

R2＝R6＝R₀

R1＝R5＝R_f

初步设定单个二阶滤波器带通放大倍数为1.2，品质因数则为0.56。因两个二阶滤波器级联，故系统滤波器传递函数为两个二阶滤波器传递函数相乘的结果。本系统滤波电路采用的运放芯片为LMV358。LMV358具有轨到轨输出、低功耗的特点，特别适用于低供电电压的应用场合，完全符合系统要求。同LMV358一块芯片里封装了两个运放，刚好满足本系统滤波器的需求，在一定程度上减小了电路复杂度和体积。

工频电场信号经前级电路放大之后直接输入滤波电路进行滤波处理，滤波后的信号还需经下级电路放大后才能采样提取。通过之前对高压线电场分布仿真分析可知，对于同一高压线，其近距离处和远距离处电场强度很大差别；对于不同电压等级高压线，距其相同距离处的电场强度也具有很大的差别。这种较大的场强梯度对测量设备有限的测量区间是一个考验，容易超出测量设备的测量范围。为增大测量的动态范围，系统在滤波电路后面接入了一级增益可控放大器。增益可控放大单元电路选用TI公司THS7530压控运放芯片。

报警电路：报警电路的目的是将报警信号进行上传并在检测模块这里进行显示。上报信号将报警信号传递给无人机，供无人机的控制电路对报警信号进行处理。显示功能是供无人机调试过程中对报警系统进行测试时便于调试者对输出报警信号进行观察。工作过程是在内部处理电路输出报警信号后，通过数字模拟电路的输出高电平。这个高电平一方面通过二极管进行视觉显示。同时高电平通过外部连接线与无人机的控制电路相连接。在无人机脱离高电场位置后，高电平信号消失，LED管熄灭，高电平变为低电平。通过显示电路达到了设计目的。此外，为了避免外部的干扰信号进入电路内部，在输出接口初还增加了TVS管，防止外部高电平窜入，对低压控制电路干扰或者造成损坏。

鉴于无人机电场检测装置用于施工现场安全危险预警，需要满足便携性的要求，故而在原件布局的时候应合理布置原件位置，减小电路体积。各原器件之间连线尽量短，以减少干扰。因系统工作的电磁环境复杂，故而需要考虑抗干扰措施。电路中应在顶层和底层多用铺铜，同时使用过孔链接，保证原器件充分接地。同时电路中还使用金属屏蔽罩对整个电路进行频闭，以减少干扰。无人机电场检测装置的外部结构包括半封闭的壳体和两个盖板。在一侧盖板设有多个孔，用以接出相应的引线与极板或者输出端连接，同时LED灯通过一个孔洞用以显示。

本实施例通过采用双电极的探头设计，能够将电场的检测范围限制在两个极板中间，避免无人机电位和外形的影响，从而使得各个探头之间的数值具有一定的可比性，有利于提高无人机电场的检测灵敏度。

本实施例通过金属板实现双电极与无人机之间的隔离，使得极板受突出金属外物的影响减小，探头的极板之间的电位差增加，探头的灵敏度提高了。

本实施例通过采用立体布置的探头布置方式，能够在各种状态下提前预警无人机与带电体的距离。

本实施例通过同时采集各个电极上的感应电动势，可计算各电极之间的差值来屏蔽电阻，获得较为精准的电场场强梯度值。根据梯度值的变化来判断具体电场场强大小。并且，由于各个采集电极分布的区域不尽相同，其在电场中所处的位置也不相同，借此可以通过多电极的不同场强来预估电场发生源的方向。

实施例二

在实施例一提供了一种高压带电体下电场强度检测系统的基础上，本实施例提供了一种高压带电体下电场强度检测方法，具体包括：

(1)实时获取布设在无人机上的各个探头中各电极上的感应电动势，并计算电位差；所述探头均为双电极设计；

(2)根据各个探头测得的电压差，确定无人机各个方向上的电场梯度分布；具体地，根据每个探头双电极之间的电压差，可以还原该方向上的电场梯度，结合多个方向的电场梯度，能够得到无人机周围电场的梯度分布。

(3)确定电压差最大的探头，若该探头得到的电场梯度大于预警值时，表示该探头附近有超出安全规程的高电压带电设备，生成警示信息并发送至终端，从而更有效的保护无人机避免与高压带电体碰撞。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种高压带电体下电场强度检测系统，其特征在于，包括布设在无人机上多个探头，以及与所述多个探头分别连接的无人机电场强度检测装置，其中，所述多个探头的探测方向均不相同；

所述无人机电场强度检测装置实时接收所述多个探头的感测信号，确定无人机周围电场分布。

2.如权利要求1所述的一种高压带电体下电场强度检测系统，其特征在于，所述探头包括：依次连接的金属板、下极板、绝缘杆和上极板，其中，金属板的一端与固定端连接；所述探头通过固定端安装在无人机上。

3.如权利要求1所述的一种高压带电体下电场强度检测系统，其特征在于，所述多个探头为四个，分布布设在无人机的顶部中心，以及无人机周向上方向夹角为120°的三个位置。

4.如权利要求2所述的一种高压带电体下电场强度检测系统，其特征在于，所述无人机电场检测装置包括多个探头信号采集单元、多个信号放大电路和信号整理电路，所述多个探头信号采集单元分别经由一个信号放大电路与信号整理电路的输入端连接。

5.如权利要求4所述的一种高压带电体下电场强度检测系统，其特征在于，所述信号整理电路的输出端还依次连接报警电路和接口电路。

6.如权利要求5所述的一种高压带电体下电场强度检测系统，其特征在于，所述无人机电场检测装置还包括电源模块，分别与信号整理电路、多个信号放大电路和报警电路连接。

7.如权利要求4所述的一种高压带电体下电场强度检测系统，其特征在于，所述信号整理电路被配置为：

实时获取各个探头中各电极上的感应电动势，并计算电位差；

根据各个探头测得的电压差，确定无人机各个方向上的电场分布。

8.如权利要求7所述的一种高压带电体下电场强度检测系统，其特征在于，所述信号整理电路还被配置为：

确定电压差最大的探头，若该探头得到的电场梯度大于预警值，表示无人机在该探头附近与高电压带电设备超出安全规程，发出警示信息。

9.一种高压带电体下电场强度检测方法，其特征在于，包括：

实时获取布设在无人机上的各个探头中各电极上的感应电动势，并计算电位差；所述探头均为双电极设计；

根据各个探头测得的电压差，确定无人机各个方向上的电场分布。

10.如权利要求9所述的一种高压带电体下电场强度检测方法，其特征在于，确定电压差最大的探头，若该探头得到的电场梯度大于预警值，表示无人机在该探头附近与高电压带电设备超出安全规程，发出警示信息。

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