[发明专利]智能电网中一种高效节能的无人机电力巡线方法

说明书

本发明是一种应用在智能电网中的高效节能的无人机电力巡线方案，首先无人机能耗最小化问题被建模成一个联合优化问题，包括大尺度优化和小尺度优化。其中大尺度优化包含轨迹调度，速度控制，频率调节三部分，小尺度优化包括中继选择和功率控制这两部分。其次，本发明采用动态规划算法来解决大尺度优化问题，同时联合拍卖理论和匹配算法来解决小尺度优化问题。最后，本发明在真实的电网拓扑结构下验证所提方案性能。

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种应用智能电网中的高效节能的无人机电力巡线方法，能够在综合考虑无人机轨迹调度，速度控制，频率调节，中继选择和功率优化的情况下实现无人机能耗最小化。

背景技术：

随着智能电网的发展，预计2020年美国输电线路总长将增加到59万公里以上。美国输电线路总长年复合增长率4％，而全球年增长率为3％。大规模增长的输电线路对线路检修和维护带来了新的挑战。传统电力线路检查主要通过工作人员巡视进行，主要存在以下问题：1)安全问题：数百千伏的高电压电力线产生的电磁场辐射对人体是有害的健康；2)准确性问题：由于电力线规模大，分布复杂，检查准确度不高；3)成本问题：劳动力，运输和设备成本可能会非常高。因此，开发一种高效节能的无人机电力巡线方法具有很重大的研究意义。

发明内容：

本发明是一种应用智能电网中的高效节能的无人机电力巡线方法，首先无人机能耗最小化问题被建模成一个联合优化问题，包括大尺度优化和小尺度优化。其中大尺度优化包含轨迹调度，速度控制，频率调节三部分，小尺度优化包括中继选择和功率控制这两部分。其次，本发明采用动态规划算法来解决大尺度优化问题，同时联合拍卖理论和匹配算法来解决小尺度优化问题。最后，本发明在真实的电网拓扑结构下验证所提方法性能。其具体实施过程如下：

1)图1为无人机巡线模型示意图，模型中包括了发电厂，输电塔，无人机，基站，用户等多个部分。用K＝{0，…，k，…，K}表示电网拓扑结构里的节点，表示现实中的输电塔或可再生能源发电厂。用l_kk′和d_kk′分别表示节点k和k′之间的输电线路和距离，一群巡检无人机从节点k＝0处开始巡检，遍历巡检完K个节点之后，回到源节点。在巡检过程中，无人机有两个任务，一是避免碰撞，二是完成对基站的图片内容传输。当巡检无人机离基站较远时，由于信道条件较差，此时需要借助其他正在执行任务的无人机作为中继进行内容传输。巡检无人机和中继无人机分别表示为N＝{0，…，n，…，N}和M＝{0，…，m，…，M}。巡检无人机在整个巡检过程中所产生的能耗有三部分，分别是飞行能耗，防碰撞能耗和内容传输能耗。

a)飞行能耗

巡检无人机在飞行过程中的能耗可以建模为

其中为无人机推进功率，表达式为

表达式中和是与无人机自身及环境有关的参数。

b)防碰撞能耗

巡检无人机在飞行过程中，会不断向四周传输信号，避免产生碰撞。

其碰撞概率模型可表示为

其中，Pr^c(f_k，k′)表示碰撞概率。其发送信令的能耗可表示为

其中P^c，f_k，k′，t_c分别表示发送信令的功率，频率和时间。

c)内容传输能耗模型

假设巡检无人机n通过中继无人机m对基站进行内容传递。中继无人机把接收到的内容转发给基站，这两跳链路的SNR可表示为