曹浩楠,王 彬,鄒國(guó)平,鐘素鵬,董建洋
(1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司檢修分公司,杭州 311232;2.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,杭州 310027;3.杭州艾參崴電力科技有限公司,杭州 310019)
近年來(lái),隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展,中國(guó)電網(wǎng)的規(guī)模和輸送能力日益壯大。以浙江為例,2010—2017年國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司110~1 000 kV架空輸電線路總長(zhǎng)從28 000多km增長(zhǎng)到50 000多km,整體增長(zhǎng)超過(guò)70%。
架空線路運(yùn)維工作日益繁重,運(yùn)檢部門(mén)迫切需要更自動(dòng)化、現(xiàn)代化、高效率的巡線技術(shù)和手段。通過(guò)多年的技術(shù)研發(fā)和實(shí)踐,無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成一種高效、低成本、低風(fēng)險(xiǎn)的空中巡檢技術(shù),是提升輸電線路運(yùn)行可靠性的重要手段之一。與傳統(tǒng)人工巡檢相比,無(wú)人機(jī)輸電線路巡檢不受地形環(huán)境限制、視角寬廣、精度高、安全性好,經(jīng)過(guò)數(shù)年推廣應(yīng)用,無(wú)人機(jī)巡檢已在電力公司得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。但從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況來(lái)看,無(wú)人機(jī)巡線過(guò)程中缺少對(duì)輸電線路的精確測(cè)距技術(shù)、預(yù)警技術(shù)與自動(dòng)避障技術(shù)。
目前無(wú)人機(jī)的可用測(cè)距技術(shù)包括GPS定位、激光測(cè)距、超聲波測(cè)距、可見(jiàn)光測(cè)距等技術(shù)[3-6]。GPS定位是生活和生產(chǎn)中常用的距離判斷方法,基于GPS的無(wú)人機(jī)測(cè)距技術(shù)一般利用地理坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換和GPS信息計(jì)算兩點(diǎn)間距離,并基于GPS信息實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)云臺(tái)角度的自動(dòng)調(diào)節(jié),從而達(dá)到巡檢過(guò)程中各個(gè)相機(jī)對(duì)巡檢線路中桿塔的跟蹤拍攝[3]。但民用級(jí)GPS本身存在精度誤差,一般系統(tǒng)定位偏差在2.5 m左右,但在復(fù)雜山區(qū)地形中GPS信號(hào)較弱、容易受干擾,其定位誤差較大。激光測(cè)距是精度比較高的測(cè)量方式,常見(jiàn)的激光測(cè)距傳感器有效測(cè)量距離在200 m內(nèi),最高精度達(dá)毫米級(jí)。文獻(xiàn)[4]利用無(wú)人機(jī)-地面激光測(cè)距技術(shù)和DMC-PID串級(jí)控制算法,實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)根據(jù)地形自主匹配飛行。但由于高壓輸電線路導(dǎo)線為多分裂結(jié)構(gòu),其激光反射面并不連續(xù),且當(dāng)無(wú)人機(jī)在線路側(cè)面巡視時(shí),多相導(dǎo)線疊加在同一背景下,激光測(cè)距難以分辨具體導(dǎo)線。超聲波測(cè)距傳感器具備聲波的扇形發(fā)射特性,可利用無(wú)人機(jī)搭載超聲波測(cè)距傳感器的方式實(shí)現(xiàn)輸電線路與地面樹(shù)木之間凈空距離的測(cè)量[5],但由于超聲波傳感器的測(cè)距范圍有限,一般不超過(guò)10 m,無(wú)法滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)和輸電線路的安全距離要求。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于成像模型的單目視覺(jué)的測(cè)量方法,首先通過(guò)圖像處理技術(shù)識(shí)別出輸電線路圖像中的輸電線桿塔,建立了輸電線路的成像模型,據(jù)此模型推導(dǎo)計(jì)算出了無(wú)人機(jī)與輸電線路豎直平面的安全距離。該方法具有較低的運(yùn)算復(fù)雜度和較高的精度,但該方法需要提前輸入桿塔的高度,這一參數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)巡檢中難以獲得。
由于現(xiàn)有的測(cè)距技術(shù)在應(yīng)用中都有一定的難度,因此在目前的無(wú)人機(jī)巡檢中,大多還是現(xiàn)場(chǎng)操控人員通過(guò)肉眼判斷與輸電線路的距離,這對(duì)工作人員的要求極高,同時(shí)存在一定安全隱患。針對(duì)此問(wèn)題,本文提出了一種考慮輸電線路電磁場(chǎng)分布特性的測(cè)距方法。利用有限元算法建立了特高壓輸電線路的仿真計(jì)算模型,分析了特高壓輸電線路周邊的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電場(chǎng)梯度、磁場(chǎng)梯度等電磁分量的分布特性,提出了選用電場(chǎng)有效值結(jié)合高度來(lái)確定無(wú)人機(jī)與輸電線路真實(shí)距離的方法。
輸電線路正常運(yùn)行時(shí),高壓交流輸電線路對(duì)環(huán)境的影響主要包括工頻電場(chǎng)、工頻磁場(chǎng)、電暈放電造成的無(wú)線電干擾和可聽(tīng)噪聲等。由于架空輸電線路產(chǎn)生的工頻電磁場(chǎng)主要存在于線路周?chē)目臻g,且工頻電磁場(chǎng)為場(chǎng)點(diǎn)到導(dǎo)線的距離遠(yuǎn)小于相應(yīng)電磁波的波長(zhǎng),為準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)。因此可應(yīng)用靜態(tài)電磁場(chǎng)的分析方法進(jìn)行相應(yīng)的分析與計(jì)算。可以得到準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)所滿(mǎn)足的麥克斯韋方程[7:
在電磁場(chǎng)微分方程的求解中,只有通過(guò)邊界條件和初始條件的限制,方程才能有定解,因此需要設(shè)置邊值和初值。輸電線路周邊電磁場(chǎng)分布問(wèn)題構(gòu)成第一類(lèi)邊界條件,如式(4)所示條件:
式中:rb為相應(yīng)邊界條件的位矢;φ(r)為給定場(chǎng)域邊界S上的點(diǎn)位置,它與泛定方程構(gòu)成第一類(lèi)邊值問(wèn)題。
有限元算法是以變分原理為基礎(chǔ),首先將所求的邊值問(wèn)題轉(zhuǎn)化成泛函求極值問(wèn)題;然后進(jìn)行剖分插值,將變分問(wèn)題離散化普通多元函數(shù)求極值問(wèn)題,最后產(chǎn)生一組多元的代數(shù)方程組,求解即得待求邊值問(wèn)題的數(shù)值解。靜電場(chǎng)的邊值問(wèn)題等價(jià)的變分問(wèn)題如式(5)所示[8]。
在實(shí)際計(jì)算中,將場(chǎng)域剖分為有限個(gè)單元,每個(gè)離散化的單元能量求和,然后求總能量的極小值條件,最后導(dǎo)出線性方程即有限元方程。求解此方程組就可得到電場(chǎng)的近似分布。
Ansoft軟件是由John Swanskon教授基于有限元理論首先開(kāi)發(fā)的軟件,經(jīng)過(guò)多年完善,Ansoft軟件將電磁、熱、流體等融為一體,現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用于機(jī)械加工制造、電子電氣、交通、土木、教學(xué)科研等眾多領(lǐng)域[9-10],是應(yīng)用最廣泛的有限元軟件。其主要計(jì)算流程如圖1所示。本文的數(shù)值計(jì)算工作基于Ansoft完成。
圖1 Ansoft有限元分析流程
1 000 kV皖電東送特高壓南線起于淮南站,經(jīng)蕪湖、安吉,止于練塘站,線路桿塔為鋼管塔,具有多種型號(hào)和尺寸。圖2是應(yīng)用最多的SZ322塔形結(jié)構(gòu)圖,考慮了多類(lèi)型桿塔結(jié)構(gòu)參數(shù)和相緣子串長(zhǎng)度與弧垂情況下,仿真計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。
仿真計(jì)算采用Ansys的2D Extractor軟件,依次計(jì)算了輸電線路周邊的電場(chǎng)、磁場(chǎng)的分布情況。計(jì)算中假設(shè)輸電線沿z方向無(wú)限長(zhǎng),故場(chǎng)計(jì)算采用沿導(dǎo)線方向的二維場(chǎng),計(jì)算時(shí)雙回導(dǎo)線相序?yàn)橥嘈颍旊娋€路線電壓取1 000 kV,電流取100 A。計(jì)算邊界為高300 m,寬500 m。
從圖3—圖5中可以看出,其等電場(chǎng)值線為環(huán)繞輸電線的封閉曲線。遠(yuǎn)離輸電線時(shí),等電場(chǎng)值線趨向于半圓形;而接近輸電線時(shí),等電場(chǎng)值線為不規(guī)則形狀。因此無(wú)法單純從檢測(cè)電場(chǎng)值得到觀察點(diǎn)離輸電線的距離。
表1 特高壓線路典型線路結(jié)構(gòu)
圖2 特高壓線路典型桿塔結(jié)構(gòu)
磁場(chǎng)分布如圖6—圖8所示。與電場(chǎng)分布類(lèi)似,遠(yuǎn)離輸電線時(shí),等磁場(chǎng)值線趨向于半圓形;而接近輸電線時(shí),等磁場(chǎng)值線為不規(guī)則形狀。因此無(wú)法單純從檢測(cè)磁場(chǎng)值得到觀察點(diǎn)離輸電線的距離。
圖3 電場(chǎng)有效值
圖4 電場(chǎng)水平分量
圖5 電場(chǎng)垂直分量
圖6 磁場(chǎng)有效值
圖7 磁場(chǎng)水平分量
圖8 磁場(chǎng)水平分量
文獻(xiàn)[11]介紹了以電場(chǎng)梯度作為判斷距離遠(yuǎn)近的方法,但要求無(wú)人機(jī)到達(dá)某一固定高度后只能水平移動(dòng),適應(yīng)性較差。因此本節(jié)計(jì)算分析了XY平面中電位梯度的變化,電場(chǎng)梯度分布如圖圖9、圖10所示。為了便于分析,使用MATLAB對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。設(shè)梯度值為a,取其對(duì)數(shù)值,如果 a>0,則為 20loga;如果 a<0,則為-20log(-a);如果a=0,則為0。觀察圖9和圖10發(fā)現(xiàn)在XY坐標(biāo)系內(nèi)電場(chǎng)梯度沒(méi)有明顯的單調(diào)性,不適合作為測(cè)距的特征量。
圖9 電場(chǎng)水平方向梯度
圖10 電場(chǎng)垂直方向梯度
通過(guò)觀察圖11、圖12,發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)梯度與電場(chǎng)梯度類(lèi)似,沒(méi)有明顯的單調(diào)性,同樣不適合作測(cè)距的特征量。
圖11 電場(chǎng)水平方向梯度
圖12 磁場(chǎng)垂直方向梯度
通過(guò)3.3-3.5節(jié)計(jì)算發(fā)現(xiàn),目前單一的電場(chǎng)、磁場(chǎng)及電場(chǎng)、磁場(chǎng)梯度在正負(fù)半軸兩側(cè)都沒(méi)有嚴(yán)格的單調(diào)性,因此無(wú)法作為距離的有效特征量。但觀察圖2—圖4發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)值雖在正負(fù)半軸兩側(cè)沒(méi)有嚴(yán)格單調(diào),但在不同高度,電場(chǎng)值是隨著距離增加單調(diào)減小的;觀察圖5、圖6的磁場(chǎng)分布可以得到相似結(jié)論。
因此,可以通過(guò)不同高度的電場(chǎng)或磁場(chǎng)值作為判斷輸電線路距離的特征量。由于線路周邊的磁場(chǎng)和線路負(fù)荷的密切相關(guān),因此采用電場(chǎng)能更好的反映無(wú)人機(jī)測(cè)點(diǎn)和線路的距離。同時(shí)電場(chǎng)的有效值測(cè)量更為方便,因此可采用不同高度下電場(chǎng)有效值作為反應(yīng)無(wú)人機(jī)和線路的距離的特征量。圖13是不同高度下電場(chǎng)的分布圖。由圖可知在不同高度下,電場(chǎng)強(qiáng)度隨水平距離的變化是單調(diào)的(除去觀察點(diǎn)在桿塔區(qū)域的情況),因此結(jié)合電場(chǎng)強(qiáng)度和高度檢測(cè)是有效的檢測(cè)觀察點(diǎn)離輸電線距離的方法。實(shí)際中,可以先通過(guò)仿真測(cè)試得到典型桿塔不同高度下電場(chǎng)分布曲線,測(cè)距時(shí)再利用插值方法預(yù)測(cè)觀察點(diǎn)離輸電線的距離。如水平高度為60 m時(shí),測(cè)得的電場(chǎng)值為24 675 V/m,則對(duì)應(yīng)圖13中的A點(diǎn),其距離桿塔中心為25 m;水平高度為30 m時(shí),測(cè)得的電場(chǎng)值為6 989 V/m,則對(duì)應(yīng)圖13中的B點(diǎn),其距離桿塔中心為35 m。測(cè)距系統(tǒng)精度主要受電場(chǎng)傳感器、仿真建模精度、高度測(cè)試精度的影響,總體誤差可控制在0.5 m以?xún)?nèi)。
圖13 不同高度下電場(chǎng)有效值
本文基于有限元算法及ANSYS軟件建立了特高壓架空線路的電磁仿真模型,計(jì)算了輸電線路周邊區(qū)域電場(chǎng)有效值、電場(chǎng)分量、磁場(chǎng)有效值、磁場(chǎng)分量、電場(chǎng)梯度、磁場(chǎng)梯度等參數(shù)的分布規(guī)律,分析了電磁分量與導(dǎo)線距離的關(guān)系,提出了選用電場(chǎng)有效值結(jié)合高度來(lái)確定無(wú)人機(jī)與輸電線路真實(shí)距離的方法??蔀檩旊娋€路無(wú)人機(jī)巡檢距離檢測(cè)、航向規(guī)劃、避障設(shè)計(jì)提供參考。