郑玉浩，于学超，梁 刚，张 佳，柳岩妮
（国网山东省电力公司潍坊供电公司输电运检中心，山东 潍坊 261000）
架空输电专业因抢修、验收送电、故障巡视等工作通常须要在夜间进行。输电作业的主要特点是高空作业、作业面积大、人员移动频繁[1]。传统的地面探照灯，从地面往高空照射被铁塔遮挡严重，或因距离太远光线不足，缺乏灵活性且照明续航能力差[2]。因此，需要一种探照灯，可以从高空自上而下照射且为塔上作业人员提供不间断的照明。
文献[3]提出一种晚间带霓虹灯广告的氢气球，利用氢气球将霓虹灯与电线升到空中，从而达到不同颜色的灯光在空中长时间显示效果，但是该方式照明重量有限，不具备一定重量荷载能力。文献[4]利用大型无人机将网络基站悬停在空中，从而实现灾害通信应急，但无人机要承受线缆、配件等供电系统重量，荷载能力仍有局限性。文献[5]提出基于多旋翼无人机的系留照明系统，采用高压供电方式可减小输送电流，从而减少电源损耗，该方法通过高压输电思路减轻线缆重量，但减少高空无人机荷载重量不明显。
为了解决无人机飞行荷载问题，在借鉴线缆高压供电方式的基础上提出长续航无人机照明虚拟电池技术，该装置省去了无人机自身电池重量，大大提高无人机荷载水平，对轻小型无人机、荷载重量大的系留装置具备很好的应用效果。
长续航无人机照明装置由COB 照明灯组、多旋翼无人机、机载电源、虚拟电池模块、荧光光电复合缆和地面供电基站组成。
多旋翼无人机的长续航照明系统连接整体结构如图1 所示。
图1 多旋翼无人机的长续航照明系统
电源端为地面供电基站：为飞行和照明提供两路不同的电压，实现线缆自动收放功能[6]。线缆部分采用的是荧光光电复合缆，它由1 根通信光纤和2根正负极导线构成，外层由凯夫拉耐磨材料包裹，表面涂荧光粉，可夜间发光可见。高空探照灯由COB 灯珠串并联组成，照明灯组通过卡扣安装在无人机机臂上，照射角度可以自由远程控制。
2.1 地面供电基站
照明系统的地面基站由应急发电机、直流开关电源以及荧光复合线缆收放盘组成。直流开关电源与应急发电机连接，荧光复合线缆收放盘与直流开关电源连接，高空无人机及大功率COB 探照灯通过机载电源与荧光复合线缆连接。
直流开关电源将应急发电机的交流电压转变为高压直流电，通过荧光光电复合线缆将电能输送至COB 探照灯上，能实现大功率照射效果，地面供电基站采用DSP 数字控制技术，交流输入支持85～300 V，首先经过输入滤波电路，再通过整流电路变换为直流，经过输入缓冲电路进入功率逆变电路。基站具备过压保护、过流保护、过温保护、欠压保护和过载保护，当交流输入超出或低于额定输入范围时或输入缺相时，则会关断功率逆变电路进行保护。
开关电源选择全桥整流电路导通电流为10 A，地面供电电源兼容不同UPS 电源，包括应急发电机、市电和车载电源，转换为高压直流供机载电源使用，具体外观和参数如图2、图3 和表1 所示。
表1 ZT3K500-S420V10A 全桥整流参数
图2 尺寸设计图
图3 实物完整图
主控制电路通过采集输入电压、电流信号来调节IGBT 开关管工作状态，输出稳压直流；
接收保护信号、电压和电流信号，实现对整流电源的保护整定，输出采集的电压、电流数值提供给面板双显电能表进行显示。
荧光光电复合线缆由1 根光纤和2 根正负极构成，外层由凯夫拉耐磨材料加上荧光材料，具有重量轻、载流量大、夜间发光可视特点。正负极导线为飞行及照明提供电源，光纤为传输平台电子设备的光电信号提供通路，通过荧光光电复合线缆保障飞行平台和照明与地面设备之间电子信号的连接，可节省出平台功率损耗，增加无人机升力。整体设计如图4 和图5 所示。
图4 自动收线盘
图5 地面供电基站
2.2 高空探照灯
由于无人机自身尺寸、载重及续航的原因，不能搭载笨重的大功率灯具。然而，传统的无人照明灯具，采用LED 驱动模组和LED 发光板的方案，加上驱动和LED 光源散热，一般重量在10 g/W 左右，小型无人机根本无法搭载，须要载重大的机型，才能把传统大功率灯具带上高空[7]。根据DL/T 5390-2007《发电厂和变电站照明设计技术规定》中要求探照灯照度大于700 lx[8]。对待选灯珠进行选择，由于灯珠须要应用在野外坏境，且持续工作时间较长，所以小组成员选择了特种COB 灯珠，使用电压130～180 V，使用电流300 mA，每个灯珠照度600 lx。为了保证探照灯在额定功率下输入电流最小，将灯珠进行先串后并方式进行组装。组装平面设计如图6 所示。
图6 COB 串并联设计图
灯珠组装之后，探照灯端电压可以达到300～360 V，COB 探照灯达到400 W。
2.3 高空虚拟电池
高空虚拟电池实质是代替原厂无人电池，由机载砖块开关、无人机电池管理芯片及若干等值电阻构成。等值电阻模拟原厂电池电芯虚拟电池串并联方式，输出端和无人机电池管理芯片平衡线相连，无人机电池管理芯片是虚拟电池和无人机兼容的关键，无人机从虚拟电池的管理芯片上读取状态电压和电流参数，砖块开关接收地面电源进行整流降压并在虚拟电阻上产生和原厂电池相同电压。保证输出的为无人机额定电压，虚拟电池结构如图7所示。
图7 虚拟电池结构
机载砖块开关基于绝缘栅双极晶体管（IGBT），选择轻型铝板进行焊接和雕洗加工，焊接选择激光焊接机，误差在2 mm 范围内；
降压直流单相300 V电压经过降压后的直流电压最大值是25.8 V， IGBT额定电压取输入电压的3 倍。开关输出电压等效电路图如图8 所示。
图8 砖块开关等效电路
输出电压可根据无人机不同环境进行微调，可使输出电压在±20%范围内增大或减小，根据不同微调结果，模块最大运行功率也相应发生改变。上调电阻公式如下：
式中：R上调为上调电阻；
V标准为开关输出标准电压；
x为上调电压百分比；
R下调为下调电阻。
当标准电压为24 V 时，输出电压须要上调20%时，上调电阻约为110 Ω；
输出电压须要下调10%时，下调电阻为8 Ω。
输入功率为600 W，直流电路的输入电流过IGBT 开关管的电流为2.1 A，考虑到电流的波动，电流的最大峰值为3 A。在选择开关管时须要考虑到无人机抗风和冗余重量因素，因此选择大于1300 W开关电源，经过尺寸、重量和容量多方面的考虑，选择型号为DAF1500-540S 全砖DC-DC 直流电源模块，重量仅为262.1 g。
3.1 基站测试
基站由自动收线盘、步进电机、PWM 控制器及适配的控制单元等零部件组装，自动收线盘由步进电机通过联轴器进行驱动，驱动器采用两相步进电机驱动器，可以达到电机正转、反转、加减速及停机等效果。
放线盘的控制单元主控芯片使用C 语言编写电机控制器程序，并写入复杂逻辑可编程器件。
将控制器与电机连接，电路部分基本完成。进行电能转换及驱动过程，记录驱动曲线、转换过程中IGBT 开关管的状态是否正确、电能传递效率，如表2 所示。
表2 开关状态驱动正确率、电能传递效率统计表 %
开关状态正确控制100%，电能传递效率98%，测试合格。
3.2 照明灯源测试
灯数选择2 组；
每组由4 个50 W COB 灯芯封装，并用铜线连接散热以延长使用寿命；
每组可分别挂在无人机机臂上。对8 个灯珠通电测试，通电电压300 V，使用光照测试仪进行10 组照度测试，如表3 所示。
表3 照度测试照度值汇总表 lx
由表3 可知，灯珠照度值均在700 lx 以上。照明总功率达400 W，光通量不低于30000 lm，聚焦射角，照明范围可达3500～5000 m2。
3.3 高空虚拟电池测试
将虚拟电池组装成盒，一端连接供电线缆，一端连接无人机电池端子，输入电压为300 V，输入电压设置为25.8 V，通电后通过无人机遥控器显示器观察电池电量分布，并对电池模块整流进行检测，测量10 次电池输出和输入功率转换效率，曲线如图9 所示。
图9 全桥整流单元转换效率曲线
可见，全桥整流单元转换效率为99.46%，运行过程器件发热温度恒定在41～43 ℃，满足无人机供电质量要求。
本文设计研究的基于多旋翼无人机的长续航照明系统，不同于传统的应急照明方式，省掉了无人机自身电池重量，使得空中无人机荷载能力更加灵活，空中自由照明 ，而且通过线缆从地面取电，实现了24 h 不间断供电的目的。
地面的直流开关电源支持多种型式电源接入，且转换效率达到99%，采用高压供电方式减小输送电流，从而减少电源损耗和线缆面积，减轻了传输线缆的重量。由机载砖块开关、无人机电池管理芯片及若干等值电阻构成虚拟电池，可以产生与原厂电池相同的电压分布和总电压，且保持不间断供电，节省了高空无人机电池重量、提高了高空照明荷载裕度。照明灯采用高亮COB 灯珠串并联方式，实现了照明400 W，照度700 lx，照明范围可达3500～5000 m2的。该系统具备高空100 m，续航24 h 照明需求，完全满足输电夜间长续航大功率照明需求，减低了高空检修作业风险，工作效率显著提高，保障了工程进度，从而达到快速送电的目的。
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