CN104197873B - 基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量方法，利用超声波测距，避免了电磁信号对测量精度的影响，加上其算法简单，使得覆冰厚度的测量更为容易，测量结果也就相对来说更为准确。本发明还涉及专用的装置，包括有两个超声波装置，两个超声波装置分别设置于两根分裂导线上，两个超声波装置呈相对设置，两个超声波装置分别与核心处理器连接，核心处理器分别通过导线与人机交互模块、碳纤维加热模块、温度测量电路、电源模块连接。本发明基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量方法及装置，能保障电网安全可靠的运行，防止输电导线严重覆冰，大面积出现导线舞动、电线断裂、电杆倒塌、供电中断等冰灾事故频繁发生。

Description

基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量方法及装置

技术领域

本发明属于输电线路在线监测方法技术领域，涉及一种基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量方法，本发明还涉及上述测量方法中采用的装置。

背景技术

输电线路的可靠性和稳定性直接关系着整个电网的安全性。近年来，我国由于极端恶劣天气影响，冰灾事故频频发生，造成了巨大的经济损失和人员安全事故。在2008年，一场特大冰雪灾害席卷全国，特别是华中、华东、南方地区，导致输电导线严重覆冰，大面积出现导线舞动、电线断裂、电杆倒塌、供电中断等冰灾事故，严重影响电网安全和人民生活秩序。

目前，基于输电线路覆冰厚度的测量主要有人工巡检法、重量法及图像法。采用人工巡检法时，由于输电导线点多面大，地形地貌各异，所以施工难度较大；此外，由于单纯依靠人力，所以劳动强度较大且维护成本较高。重量法：虽然可靠性高、误差小，但是数学建模复杂、计算难度较大。图像法：固然简单易行，可以直观看到输电线路的覆冰情况，但是在恶劣的极端环境下很可能使得镜头模糊不清，影响测量结果的准确性和有效性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量方法，采用超声波测距原理，实现了输电线路多分裂导线覆冰厚度的准确测量。

本发明的另一目的在于提供基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量方法中采用的测量装置。

本发明采用的第一种技术方案是，基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、待核心处理器完成系统初始化后，下达数据采集命令，由上位机发送数据采集命令至两个超声波装置；

步骤2、经步骤1后，通过核心处理器对接收到的数据采集命令进行如下解析：

若数据采集命令下达正确，则进入核心处理器内定时器中断函数，启动定时器计时，并在超声波发射器驱动电路的作用下启动超声波信号发送，直到超声波信号发送结束后停止超声波信号发送；

反之，若数据采集命令下达不正确，则重新请求数据采集命令并下发数据采集命令；

步骤3、经步骤2处理后，核心处理器判断超声波装置接收镜头是否接收到反射信号，在超声波接收器调理电路的作用下，对接收到的信号进行相应的放大和滤波：

若超声波装置接收镜头接收到反射信号，则关闭定时器停止计时并进入外部中断函数，在外部中断函数中提取相应的温度信息和时间间隔，温度信息为-50℃～420℃，时间间隔为2.4ms～3.5ms；

反之，若超过5s～7s没有接收到反射信号，则再次重新请求数据采集命令下发；

步骤4、借助核心处理器对提取到的数据进行取均值、求方差处理，还要进行温度和衰减补偿，最终通过计算得到输电导线的覆冰厚度；

步骤5、将测量结果显示到人机交互模块连接的LED显示屏上，并上传数据给人机交互模块；

步骤6、往复循环步骤1～步骤5。

本发明第一种技术方案的特点还在于：

步骤3中对接收到的信号进行相应的放大和滤波时，放大倍数为500～1000倍，经滤波后得到频率为38kHz～42kHz的接收信号。

步骤4具体按照以下步骤实施：

步骤4.1、在多分裂输电线路中的一条分裂导线上安装超声波装置，利用回声探测法达到既定目标；超声波发射器驱动电路内的超声波装置发射镜头向另一根分裂导线方向发射超声波，同时启动计数器开始计时；超声波在空气中传播，一遇到障碍物便立即返回，一旦超声波接收器调理电路内的超声波装置接收镜头接收到反射波，就立即停止计数器计时；

步骤4.2、计算覆冰厚度，具体按照以下方法实施：

H＝L*cosθ (1)；

θ＝arctg(K/H) (2)；

由以上所有算法得到：

式中，H为待测距离，L为发射端到障碍物之间的距离，K为超声波装置发射镜头和超声波装置接收镜头间距离的一半，θ为L和H之间的夹角，v为声速，T为温度；

若待测距离H远大于超声波装置发射镜头和超声波装置接收镜头之间的距离的一半，则得到以下算法：

v＝331.4+0.607*T (6)；

ΔH＝H₀-H (7)；

式中：H₀指的是未覆冰时的分裂导线间距；ΔH就是待测的覆冰厚度。

本发明采用的第二种技术方案是，基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量方法中采用的测量装置，包括有两个相同的超声波装置，两个超声波装置分别设置于两根分裂导线上，两个超声波装置呈相对设置，两个超声波装置分别与核心处理器连接，核心处理器分别通过导线与人机交互模块、碳纤维加热模块、温度测量电路、电源模块连接。

超声波装置，包括有超声波发射器驱动电路和超声波接收器调理电路，超声波发射器驱动电路和超声波接收器调理电路分别通过导线与核心处理器连接；

超声波发射器驱动电路连接有超声波装置发射镜头，超声波接收器调理电路连接有超声波装置接收镜头，超声波装置发射镜头和超声波装置接收镜头的侧壁各附有一个碳纤维加热模块。

核心处理器的型号为STM32F103VET6。

温度测量电路外接有温度传感器。

温度传感器为Pt100温度传感器。

电源模块分别通过导线与太阳能光板、互感取能线圈连接。

本发明的特点还在于，

本发明的有益效果在于：

(1)本发明基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量方法，利用超声波良好的机械特性，可以很好的避开电磁干扰；同时在灰尘、雨雪等不良环境下，同样可以稳定地运行工作。

(2)本发明基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量方法中，利用Pt100温度传感器测量分裂导线附近的环境温度，避免了温度对超声波波速的影响，进而克服了测量精度误差，起到超声波温度补偿的作用。

(3)本发明基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量方法针对多分裂导线覆冰厚度测量，将该方法中使用到的测量装置安装于阻尼间隔棒25cm处，避免了导线扭转、振动导致的测距镜头的偏移。

(4)本发明基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量装置中，超声波装置的发射镜头和接收镜头周围采用碳纤维加热片，避免了发射镜头和接收镜头结冰影响最终的测量精度。

(5)本发明基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量装置采用柔性太阳能光板、互感取能线圈及蓄电池结合的电源方案，可以保障供电系统的稳定可靠。

(6)本发明基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量中，对测量的两个覆冰厚度进行均值和方差处理，减小最终的测量误差；其中还涉及软件程序，为了实现远程操作和多任务操作，采用GPRS无线通信方式，并在核心处理器中嵌入了操作系统，加上必要的应用程序，就可以实现下发命令和接收数据的既定目的。

附图说明：

图1本发明基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量方法中采用的超声波装置的安装示意图；

图2本发明基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量方法中采用的装置的结构示意图；

图3本发明基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量方法中采用的装置的工作原理图；

图4本发明基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量方法的工作流程图。

图中，1.核心处理器，2.超声波发射器驱动电路，3.超声波接收器调理电路，4.人机交互模块，5.碳纤维加热模块，6.温度测量电路，7.电源模块，8.太阳能光板，9.互感取能线圈，10.温度传感器，11.分裂导线，12.超声波装置，13.超声波装置发射镜头，14.超声波装置接收镜头。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量方法中采用了专用的测量装置，该测量装置的结构如图1及图2所示，包括有两个相同的超声波装置12，两个超声波装置12分别设置于两根分裂导线11上，两个超声波装置12呈相对设置，两个超声波装置12分别与核心处理器1连接，核心处理器1分别通过导线与人机交互模块4、碳纤维加热模块5、温度测量电路6、电源模块7连接。

超声波装置12，包括有超声波发射器驱动电路2和超声波接收器调理电路3，超声波发射器驱动电路2和超声波接收器调理电路3分别通过导线与核心处理器1连接；超声波发射器驱动电路2连接有超声波装置发射镜头13，超声波接收器调理电路3连接有超声波装置接收镜头14，超声波装置发射镜头13和超声波装置接收镜头14侧壁各附有一个碳纤维加热模块5，可以有效防止镜头因冰雪覆盖导致测距误差，影响最终的测量结果。

超声波发射器驱动电路2采用555定时器为核心，搭建振荡电路，可以产生40kHz的振荡频率；继而经过放大电路，进行相应的信号放大，最后驱动超声波发射器产生超声波信号。

超声波接收器调理电路3主要由放大电路、有源带通滤波器、电压比较器三部分组成；其中，放大电路和滤波电路主要完成信号的放大和选择；而电压比较电路，主要负责将信号转换成数字信号，以便送至核心处理器1。

核心处理器1的型号为STM32F103VET6，可实现多任务实时操作，还涉及软件程序，为了实现远程操作和多任务操作，采用GPRS无线通信方式，并在核心处理器1中嵌入了嵌入操作系统μc/os-II，加上必要的应用程序，就可以实现下发命令和接收数据的既定目的。

人机交互模块4能够完成上位机命令的下达和终端数据的上传，还通过LED显示屏显示数据。

温度测量电路6外接有温度传感器10，温度传感器10为Pt100温度传感器。

电源模块7分别通过导线与太阳能光板8、互感取能线圈9连接，互感取能线圈9设置于分裂导线11上，如图2所示，采用太阳能光板8与互感取能线圈9结合，锂电池储能的供电方式，这样就解决了固定电源安装困难的问题，克服了供电不稳的缺陷，提高了覆冰厚度监测的可靠性和稳定性。

超声波装置12内的超声波装置发射镜头13和超声波装置接收镜头14分别形成了发射端和接收端。本发明的测量方法是针对多分裂导线11，在测量的时候，将超声波装置12安装到其中一根分裂导线11上，然后对另一根分裂导线11发射超声波，如图3所示。

由于温度和超声波波速存在v＝331.4+0.607*T这样的关系，因此需要温度补偿。该温度补偿装置采用温度传感器Pt100，其实质是一个热敏电阻。利用桥接法，将电阻转化成电压，继而通过运算放大器对信号进行必要的调理，满足核心处理器1ADC的电压要求，最后再进行相应的算法补偿。(衰减补偿：超声波在传播中出现的扩散、散射、粘滞以及被测物的吸收等衰减现象，可利用算法进行相应的补偿。)

本发明基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量方法，如图4所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1、待核心处理器1完成系统初始化后，下达数据采集命令，由上位机发送数据采集命令至两个超声波装置12；

步骤2、经步骤1后，通过核心处理器1对接收到的数据采集命令进行如下解析：

若数据采集命令下达正确，则进入核心处理器1内定时器中断函数，启动定时器计时，并在超声波发射器驱动电路2的作用下启动超声波信号发送，直到超声波信号发送结束后停止超声波信号发送；

反之，若数据采集命令下达不正确，则重新请求数据采集命令并下发数据采集命令；

步骤3、经步骤2处理后，核心处理器1判断超声波装置接收镜头14是否接收到反射信号，在超声波接收器调理电路3的作用下，对接收到的信号进行相应的放大、滤波，放大倍数为500～1000倍，经滤波后得到频率为38kHz～42kHz接收信号；

具体的判断方法如下：

若超声波装置接收镜头14接收到反射信号，则关闭定时器停止计时并进入外部中断函数，在外部中断函数中提取相应的温度信息和时间间隔，温度信息为-50℃～420℃，时间间隔为2.4ms～3.5ms；

反之，若超过5s～7s没有接收到反射信号，则再次重新请求数据采集命令下发；

步骤4、借助核心处理器1对提取到的数据进行取均值、求方差的处理，以及进行温度和衰减补偿，最终通过计算得到输电导线的覆冰厚度，具体按照以下方法实施：

主要借助超声波测距原理,实现多分裂导线覆冰厚度的测量，如图1所示，在多分裂输电线路中的某一条分裂导线上安装超声波装置12，利用回声探测法达到既定目标；超声波发射器驱动电路2内的超声波装置发射镜头13向另一条分裂导线11方向发射超声波，同时启动计数器开始计时；超声波在空气中传播，一遇到障碍物便立即返回，一旦超声波接收器调理电路3内的超声波装置接收镜头14接收到反射波，就立即停止计数器计时。测距原理如图3所示，其中H为待测距离，L为发射端到障碍物之间的距离，K为超声波装置发射镜头13和超声波装置接收镜头14间距离的一半，θ为L和H之间的夹角，v为声速，T为温度，则具体按照以下算法实施：

H＝L*cosθ (1)；

θ＝arctg(K/H) (2)；

由以上所有算法得到：

显然，当待测距离H远大于超声波装置发射镜头13和超声波装置接收镜头14之间的距离的一半(即远大于K)时，则得到以下算法：

v＝331.4+0.607*T (6)；

ΔH＝H₀-H (7)；

式(7)中：H₀指的是未覆冰时的分裂导线间距；ΔH就是待测的覆冰厚度。

介于超声波速度和温度存在公式(6)的线性关系，所以必须进行相应的温度补偿，来提高最终的测量精度。所以在设计中通过温度传感器Pt100，对温度进行在线监测，将温度数据同时送入核心处理器1实现温度补偿；同时由于超声波在传播途中由于各种原因会出现衰减，所以在算法中又加上了衰减补偿。

步骤5、将测量结果显示到人机交互模块4连接的LED显示屏上，并上传数据给人机交互模块4，实现远程操作的目的，如此，就可以使得测量结果更为实时、准确和可靠。

步骤6、往复循环步骤1～步骤5，以便于实时监测数据。

本发明基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量方法，首先，供电方面采用互感取能和太阳能取能并举的方式，从多分裂导线通过互感器和柔性太阳能光板获取能量并储存在锂电池中；其次，借助555定时器构建振荡电路产生40kHz的超声波信号来驱动超声波发射器驱动电路2，与此同时启动定时器，开始计时；而后将超声波接收器调理电路3接收到的信号依次通过放大器、有源带通滤波器对信号进行放大和滤波，紧接着通过比较器将模拟信号转换成数字信号，并送入核心处理器1，此刻关闭定时器，停止计时。最后，就是通过根据超声波测距原理实现数据处理，实现多分裂导线厚度测量的终极目标。

本发明基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量方法中，将超声波装置12通过间隔棒安装在多分裂导线11上，避免了导线舞动带来的装置偏西后果；采用两超声波装置12对测，取均值，求方差的方式，提高测量精度；介于超声波的传播速度受温度影响很大，继而影响到最终的分析结果，所以通过Pt100进行了温度采集并在算法中加入了必要的温度补偿程序；同时，由于超声波在传播途中遇到的各种衰减也影响到测量精度，故而加入了衰减补偿程序代码。通过以上所做的工作，可以很好的监测输电导线覆冰厚度，尽可能的减少不必要的经济损失和人身财产安全，起到维护电网安全的目的，保障电网有条不紊的运行下去。

本发明基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量方法与以往的测量方法相比，超声波可以准确、可靠的测出覆冰厚度，而且投入的人力、财力相对较少，具有很好的市场前景。

Claims (9)

1.基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、待核心处理器(1)完成系统初始化后，下达数据采集命令，由上位机发送数据采集命令至两个超声波装置(12)；

步骤2、经步骤1后，通过核心处理器(1)对接收到的数据采集命令进行如下解析：

若数据采集命令下达正确，则进入核心处理器(1)内定时器中断函数，启动定时器计时，并在超声波发射器驱动电路(2)的作用下启动超声波信号发送，直到超声波信号发送结束后停止超声波信号发送；

反之，若数据采集命令下达不正确，则重新请求数据采集命令并下发数据采集命令；

步骤3、经步骤2处理后，核心处理器(1)判断超声波装置接收镜头(14)是否接收到反射信号，在超声波接收器调理电路(3)的作用下，对接收到的信号进行相应的放大和滤波，

若超声波装置接收镜头(14)接收到反射信号，则关闭定时器停止计时并进入外部中断函数，在外部中断函数中提取相应的温度信息和时间间隔，温度信息为-50℃～420℃，时间间隔为2.4ms～3.5ms；

反之，若超过5s～7s没有接收到反射信号，则再次重新请求数据采集命令下发；

步骤4、借助核心处理器(1)对提取到的数据进行取均值、求方差的处理，还要进行温度和衰减补偿，最终通过计算得到输电导线的覆冰厚度；

步骤5、将测量结果显示到人机交互模块(4)连接的LED显示屏上，并上传数据给人机交互模块(4)；

步骤6、往复循环步骤1～步骤5。

2.根据权利要求1所述的基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量方法，其特征在于，所述步骤3中对接收到的信号进行相应的放大和滤波时，放大倍数为500～1000倍，经滤波后得到频率为38kHz～42kHz的接收信号。

3.根据权利要求1所述的基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量方法，其特征在于，所述步骤4具体按照以下步骤实施：

步骤4.1、在多分裂输电线路中的一条分裂导线(11)上安装超声波装置(12)，利用回声探测法达到既定目标；

超声波发射器驱动电路(2)内的超声波装置发射镜头(13)向另一根分裂导线(11)方向发射超声波，同时启动计数器开始计时；超声波在空气中传播，一遇到障碍物便立即返回，一旦超声波接收器调理电路(3)内的超声波装置接收镜头(14)接收到反射波，就立即停止计数器计时；

步骤4.2、计算覆冰厚度，具体按照以下方法实施：

H＝L*cosθ (1)；

θ＝arctg(K/H) (2)；

$L=\frac{1}{2}*v*t---\left(3\right);$

由以上所有算法得到：

$H=\frac{1}{2}*v*t*cos\[arctg(K/H)\]---\left(4\right);$

式中，H为待测距离，L为发射端到障碍物之间的距离，K为超声波装置发射镜头(13)和超声波装置接收镜头(14)间距离的一半，θ为L和H之间的夹角，v为声速，T为温度；

若待测距离H远大于超声波装置发射镜头(13)和超声波装置接收镜头(14)之间的距离的一半，则得到以下算法：

$H=\frac{1}{2}*v*t---\left(5\right);$

v＝331.4+0.607*T (6)；

ΔH＝H₀-H (7)；

式中：H₀指的是未覆冰时的分裂导线间距；ΔH就是待测的覆冰厚度。

4.一种如权利要求1所述的基于超声波测距的多分裂输电线覆冰厚度测量方法中采用的装置，其特征在于，包括有两个相同的超声波装置(12)，两个超声波装置(12)分别设置于两根分裂导线(11)上，两个超声波装置(12)呈相对设置，两个超声波装置(12)分别与核心处理器(1)连接，所述核心处理器(1)分别通过导线与人机交互模块(4)、碳纤维加热模块(5)、温度测量电路(6)、电源模块(7)连接。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述超声波装置(12)，包括有超声波发射器驱动电路(2)和超声波接收器调理电路(3)，所述超声波发射器驱动电路(2)和超声波接收器调理电路(3)分别通过导线与所述核心处理器(1)连接；

所述超声波发射器驱动电路(2)连接有超声波装置发射镜头(13)，所述超声波接收器调理电路(3)连接有超声波装置接收镜头(14)，所述超声波装置发射镜头(13)和超声波装置接收镜头(14)的侧壁各附有一个碳纤维加热模块(5)。

6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述核心处理器(1)的型号为STM32F103VET6。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述温度测量电路(6)外接有温度传感器(10)。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所温度传感器(10)为Pt100温度传感器。

9.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述电源模块(7)分别通过导线与太阳能光板(8)、互感取能线圈(9)连接；

所述互感取能线圈(9)设置于分裂导线(11)上。