无人机在电力系统中的远距离通信支持分析

引言

无人机技术的快速发展使其应用范围更广,在电力行业也得到了有效应用。不同类型的无人机用于电力隐患排查、信息采集,能够提升电力巡视实效。但在电力巡视中,无人机也存在着超视距飞行方面的短板问题。此外,考虑到输电线路多分布在崇山峻岭之间,无人机作为重要应用,采取传统点对点通信方式无法满足巡视通信要求,由此中继通信系统应运而生。因此,对应用对象的特性进行分析,根据不同场合选择最佳的中继通信方式,能够保证无人机电力巡检的效果。

1无人机在电力巡检中的应用

我国输电线路分布广泛,且部分输电线路所处区域地形复杂,多为崇山峻岭,跨越河流、湖泊。这些输电线路长期暴露在自然环境中,经常出现断股、断线、磨损等情况,严重影响电网运行可靠性,也带来了不必要的经济损失。传统的人工电力巡检在面对复杂的地理环境时较为无奈,增加了巡检人员巡检的危险性,且人力成本较高。

实现输电线路自动化巡检是输电线路运维管理的重点研究课题,近几年无人机凭借重量轻、体积小、成本低、灵活性高、自动飞行等优点,在电力巡检中发挥了实效,可实现对电力线路网络高效率、全方位的巡检。无人机支持搭载机载设备,如双光热成像相机、轻型光学相机、激光扫描仪等高精度和轻量化设备,能够完成特定的巡检任务,有效克服环境制约,让巡检更高质高效。但无人机应用中也常常受到通信困扰,且巡检无人机通信距离短,无法远距离接收地面站的数传和图传信号,无法实现长距离的线路巡检。此外,处于复杂地形环境中的输电线路会存在大量的通信干扰要素,影响无人机正常作业,甚至会导致无人机坠毁的情况。

因此,研究一种有效的通信技术,保障无人机飞行控制命令与航拍图像数据的稳定传输具有现实必要性。只有消除通信干扰,促成无人机与远距离地面站数据链路的畅通,才能真正让无人机在输电线路巡检中发挥应用价值。

2无人机在电力巡视中的常见通信方式

2.1卫星通信方式

该方式主要是让无人机将采集到的信息通过车载卫星转发系统进行中转,然后发回到指挥中心。其能做到远距离通信传输,但也存在自身的应用局限。如卫星通信误码率较高,且信息传输延迟较大,也容易出现通信中断风险,会危及无人机飞行安全[1]。目前,民用卫星通信链路偏少,资源有限,导致卫星通信成本较高,也不利于在电力系统中推广应用。

2.2中继基站通信方式

该方式主要是选择制高点建设通信中继基站,以通信中继基站实现地面与无人机信息的双向传输,主要应用于地势起伏的山区输电线路中。其整体通信比较稳定,质量较高,覆盖面广,但受地形和通信距离限制明显,需要投入大量的资金用于基站建设,保障线路通信畅通。目前,地面基站建设导致通信线路节点较多,链路复杂,后期运维难度大:且通信中继基站一旦建成,更新换代难,灵活性差,当无人机巡检设备系统更新后,无法与之有效兼容。

2.33G公共网络通信方式

目前,3G公共网络通信应用比较普遍,主要是无人机将采集到的信息通过3G接入模块和无线网络进行实时传输,地面的控制人员通过远程实时浏览视频并遥控操作无人机。这种通信方式成本较低,支持远距离传输,相对来说是经济高效的通信方式。但目前3G信号覆盖不够完善,在一些偏远地区尤其明显,存在较多的通信盲区,使其在电力巡检中的应用有一定的局限性。

3电力巡检无人机通信中继系统

分析电力巡检中无人机通信方式可知,无论是卫星通信、中继基站通信还是公共网络通信都存在自身应用的局限性,且都不适用于山区、森林等地形复杂区域。因此,研究一种应用更灵活、成本控制更理想的无人机电力巡检通信系统具有现实必要性。电力巡检无人机通信中继系统就是创新的通信技术之一,其工作原理如图1所示。

图1基于中继系统的无人机通信原理

电力巡检无人机通信中继系统主要包括电力巡检无人机、中继无人机、数据传输电台、图像传输设备、地面控制中心、通信中继设备。选择小型多旋翼无人机作为巡检无人机,在无人机上搭载高清相机、红外相机、数据传输、图像发射等任务设备。再选择一架小型多旋翼无人机,将其作为中继无人机,主要负责搭载通信中继设备,而地面计算机控制中心则集成了数据传输设备和图像接收设备。此时,中继无人机携带的中继设备作为传输媒介,实现了巡检无人机与地面控制中心数据的有效传输[3]。巡检无人机搭载有图像发射设备,地面计算机控制中心集成图像接收设备,当巡检无人机巡检过程中采集到图像和视频信号后,可通过中继系统及时发送到地面计算机控制中心。中继无人机扮演载体角色,处于高空架设通信中继基站,且基站可移动,使电力巡检无人机与地面站信息传输更便捷稳定,实现远距离可靠通信。

4用于电力巡检的无人机通信中继系统设计

4.1飞行器气动外形设计

电力巡检过程中,无人机所处工作环境较为恶劣,温度、湿度变化明显,也容易受电磁环境干扰,受不规则气流威胁。常规多旋翼无人机多采用低速桨、大轴距、旋翼数少的布局模式,动力损耗低,但拆装复杂,运输不便,抗风性能不佳,将其运用到电力巡检中,在快速部署及作业实施方面限制明显。而另一种多旋翼无人机采用高速桨、小轴距、旋翼数多的布局模式,抗风性能更强,机动性更强,也能有效节省运输空间,便于携带,支持巡检作业的快速部署,能有效应对复杂的巡检环境考验,即便是在气流环境较复杂的山区地带,此类多旋翼无人机也表现出了气动布局适应性强、载荷能力突出的优势。但这类多旋翼无人机多选用柔性材料制作而成,这意味着其刚性不足,很容易在侧风天气下出现机体形变,影响飞行控制系统数据测量的准确性,也容易出现无人机坠毁现象。

因此,应进行飞行器气动外形的设计改进,通过机体材料的甄选,选择刚性较大的材料,并以材料特性的重新定义进行机体结构的改进。综合考虑电磁、飞行质量、速度、振动、耐用度等考核指标,确定电力巡检无人机机体制作的最佳材料。

4.2明确能源配置

相同的作业环境下,同样布局的无人机,动力能源配置不同,远距离通信效果也就不同,对应的载荷能力、驱动动力、损失率等也不相同,应根据各要素评估测试,选出最适宜用于电力巡检作业的无人机能源配置模式。

4.3中继系统通信信号研究设计

中继系统通信信号研究设计应围绕复杂的工作环境和远距离通信的需求展开,同时考虑到输电线路电磁干扰、气流威胁等,致力于信号传输的稳定、远距离和抗干扰。在研究设计中应增大信号强度,从硬件上提高信号接收机的灵敏度,增大射频发射端功率,使用有效的编码方式,降低编码和解码延迟,并进行多次室内衰减测试与室外拉距测试。通过增大发射功率,提高基带信号处理速度,使用特殊编码方式增加编码校验功能,减少误码率,提高通信信号抗干扰性能。因中继无人机与电力巡检无人机有着较大的相对移动速度,应展开多次相对运动实验,明确不同相对移动速度下的通信情况,通过专用信号测试仪测试信号质量,指导系统通信信号设计。

4.4输电线路巡检系统应用设计

使用电力巡检无人机通信中继系统进行远距离的通信,完成输电线路巡检,要确保系统设计到位,确保无人机巡检安全可靠,使得无人机飞行符合操作规程要求,需要研究系统各功能模块的工作机制,对无人机数据采集系统、数据存储系统、飞行控制系统、图传系统、云台系统、通信中继系统等功能模块进行集成设计,提升各模块综合协调工作能力,且不影响其独立工作性能。无人机工作过程及各模块关联性如图2所示。因无人机巡检多涉及山区、森林,上述区域的地理信息采集难度较大:且无人机巡检中也常常需要对地貌、地表物体分布和电磁环境进行分析,因此系统优化的同时应结合电力线路走向和杆塔GPS数据,推出适用于复杂情境的无人机中继通信方案。

5电力系统巡检中无人机中继通信方式应用效果

中继系统在空中搭建中继平台,使得电力系统中无人机巡检实效明显提升。通过增设中继无人机,无人机又搭载小型中继转发设备,创设了更为灵活的空中中继平台。中继飞机可快速移动,可任意机动到所需工作的空域,明显不受地形限制,增加了中继通信的灵活性,扩大了通信范围。中继转发设备仅需一套,维护及采购成本相对固定,无人机可长时间于海拔数千米高空自由盘旋,高效高质地完成中继通信任务,最大范围内创造地面站与中继无人机、巡检无人机之间的通信条件,降低中继设备及前端发射机功率,减少设备重量和功率损耗,目前已经能够实现2W前端发射、5W中继、100km的通信测控,通信时延能够控制在200ms以内,这是传统无人机通信方式所不具备的优势。

中继通信方式在应用中也能结合地面中继通信基站,在通信光缆等支持下演变为光纤加无线混合中继的通信模式,不仅可以利用电力系统自身的设备资源,减少前期成本投入及地面中继节点数目,而且还能发挥光纤通信延时低的优势,扩大空中中继方式的巡视范围,克服通信延时限制,在电力系统无人机巡检中得到有效应用。

6结语

当前无人机技术在电力系统中的应用愈加成熟,带来了电力线路巡检的持续优化,也切实发挥了防灾减灾作用,实现了超视距大范围飞行。中继系统在其中发挥了重要作用,弥补了传统地面中继通信的不足,使得无人机实现了远距离通信,且通信更灵活,实现了更大范围的通信覆盖,也有效减少了地面中继安装数量,节约了成本。中继通信系统带来的无人机远距离通信已成为电力系统无人机应用的重要推动力。