CN104819695A - 基于次声波原理的输电线路弧垂测量系统 - Google Patents

Abstract

基于次声波原理的输电线路弧垂测量系统，包括设置于输电导线上的、位于线路最低处的发射装置A，安装在塔杆上的第一接收装置B、第二接收装置C，所述发射装置A包括第一处理器模块，第一处理器模块连接第一无线传输模块、次声波发生模块。所述第一接收装置B包括第二处理器模块，第二处理器模块连接第二无线传输模块、第一次声波接收模块、GPRS移动通讯模块。所述第二接收装置C包括第三处理器模块，第三处理器模块连接第三无线传输模块、第二次声波接收模块。本发明能实时监测高压输电线路的弧垂变化，并能将监测数据传输到后台监测中心，确保电力线路安全运行。

Description

基于次声波原理的输电线路弧垂测量系统

技术领域

本发明一种基于次声波原理的输电线路弧垂测量系统，涉及输电线路设计领域。

背景技术

弧垂是线路设计及运行维护中的重要参数之一，随着电力系统建设的发展，对高压架空线路弧垂测量精度要求越来越高。当输电线路弧垂达到一定程度，会发生对地闪络严重危害输电系统的安全。弧垂是指在平坦地面上，相邻两基电杆上导线悬挂高度相同时，导线最低点与两悬挂点间连线的垂直距离。如果导线在相邻两电杆上的悬挂点高度不相同，此时，在一个档距内将出现两个弧垂，即导线的两个悬挂点至导线最低点有两个垂直距离，称为最大弧垂和最小弧垂。

现有技术中线路弧垂测量主要有四种方式：

1）、通过测量线路受力来计算线路弧垂。如使用光纤光栅应力传感器测量受力，光纤光栅传感器置于应变连接件内，该应变连接件设置于耐张塔和绝缘子串之间。通过光纤光栅应力传感器能精确测量应变连接件所受张力，再通过计算公式计算相应弧垂。这种方式使能够计算出弧垂，但是弧垂的精度与张力和转换公式的准确信密切相关，在线路受到风吹或覆冰的情况下，张力会发生变化，这会对线路测量造成一定影响。

 2）、使用搭载GPS、高度计、测距仪的飞机测量线路的对地距离等数据。避免了徒步地面作业，减小了弧垂测量的工时和劳动强度；相对于原始测量方式，较大简化了弧垂测量操作，提高了效率和准确性。但是这种方式对操作员要求较高，而且在运动过程中进行测量，还是会有一定误差。

3）、采用激光或者超声波测距来测量线路对地高度的方式进行弧垂测量。该方法，能够很精确的测量线路最低点到水平地面的距离，再用杆塔的高度与测量高度算出弧垂。但是在两个杆塔之间的地段不是水平的，而是低洼或者小高地，那么测量就会有误差，从而算出的弧垂会有误差。

4）、利用图像分析来计算弧垂。该方法就是利用摄像设备对线路进行拍照，再通过一定算法来计算弧垂的高度。该方法对拍摄的图片角度要求很高，适应性不是很好，而且计算精度与算法选取有很大关系。

发明内容

本发明公开了一种基于次声波原理的输电线路弧垂测量系统，利用次声波发生装置、次声波接收装置，将采集到的弧垂信息传递给中央处理单元，再由中央处理单元进行计算获得输电导线弧垂值。本发明能实时监测高压输电线路的弧垂变化，并能将监测数据传输到后台监测中心，确保电力线路安全运行。

基于次声波原理的输电线路弧垂测量系统，包括设置于输电线路上的、位于线路最低处的发射装置A，安装在塔杆上的第一接收装置B、第二接收装置C，所述发射装置A包括第一处理器模块，第一处理器模块连接第一无线传输模块、次声波发生模块。所述第一接收装置B包括第二处理器模块，第二处理器模块连接第二无线传输模块、第一次声波接收模块、GPRS移动通讯模块。所述第二接收装置C包括第三处理器模块，第三处理器模块连接第三无线传输模块、第二次声波接收模块。

所述次声波发生模块用于产生18HZ的次声波，该次声波发生模块包括555芯片U1、功率放大芯片U2、电阻R1~R7、电容C1~ C8、扬声器LXS1，555芯片U1、电阻R1~R5、电容C1~ C5连接组成18HZ的正弦波发生电路；功率放大芯片U2、电阻R6、电阻R7、电容C6~ C8连接组成功率放大电路，该功率放大电路用于放大18HZ的正弦波信号，放大18HZ的正弦波信号驱动扬声器LXS1产生18HZ的次声波。

所述第一次声波接收模块接收到18HZ的次声波时，将正弦的次声信号转换为方波信号，方波信号传输到第二处理器模块中，第二处理器模块检测到方波信号的高电平，判断次声信号接受成功。

所述第一次声波接收模块、第二次声波接收模块均包括依次连接的：次声波接受传感器电路、第一级放大电路、带通滤波电路、第二级放大电路、比较器电路。

所述GPRS移动通讯模块连接监控中心，第二处理器模块通过GPRS移动通讯模块与监控中心进行数据交换。

所述第一处理器模块连接外围指示灯电路，外围指示灯电路包括电阻R9、三极管Q1、电阻R11、发光二极管D1依次连接构成的红色指示灯电路；以及电阻R10、三极管Q2、电阻R12、发光二极管D2依次连接构成的绿色指示灯电路。

所述第二处理器模块连接外围指示灯电路，外围指示灯电路包括电阻R13、三极管Q3、电阻R14、发光二极管D3依次连接构成的红色指示灯电路；以及电阻R15、三极管Q4、电阻R16、发光二极管D4依次连接构成的绿色指示灯电路。

所述第一处理器模块、第二处理器模块、第三处理器模块均为Atmega16微处理器。

所述第一无线传输模块、第二无线传输模块、第三无线传输模块均为NRF903无线传输模块。

本发明一种基于次声波原理的输电线路弧垂测量系统，技术效果如下：

1）、测量灵活，在线路最低处安装发射装置后，而接收装置可以安装在杆塔上的任意位置；

2、测量准确性好，由于次声波可以穿透大气、海水、土壤，而且还能穿透坚固的钢筋水泥构成的建筑物，不易发生反射，可以不用考测量点是否有障碍物和波反射对测量造成的干扰；

3）、采用三个点，以三角形原理计算弧垂，有比较高的计算精度，而不会受地形影响4）、能够实时在线检测，上述测量的数据会通过GPRS移动数据上传到监控中心。

附图说明

图1为本发明的测量原理图；

图2为本发明的测量系统结构示意图；

图3为本发明的发射装置内部连接示意图；

图4为本发明的发射装置电路图；

图5为本发明的次声波发生模块电路图；

图6为本发明的第一接收装置B内部连接示意图；

图7为本发明的第二接收装置C内部连接示意图。

图8为本发明的第一接收装置B电路图；

图9为本发明的第一次声波接收模块、第二次声波接收模块电路图；

图10为本发明的GPRS移动通讯模块电路图。

具体实施方式

        原理分析：

基于次声波原理的输电线路弧垂测量系统，能够在多变的环境下，准确测量线路的弧垂。本发明采用三角形模型，通过测量每个边的长度来计算线路弧垂。并采用次声波结合无线电波的技术测量任意两个点之间的距离。采用次声波而非超声波是因为次声波由于频率低、波长长，因此次声波具有极强的穿透力，不仅可以穿透大气、海水、土壤，而且还能穿透坚固的钢筋水泥构成的建筑物，不易发生反射，而且方向性不强。所以有利于A、B两点之间直线测距，而不用考虑A、B两点之间障碍，而且不需要将声波发射点和接收点的设在同一条线上。还可以设置多个接收点C、D等，同时接收A的次声波，可以同时测量距离L_AB、L_AC、L_AD。所以这非常有利于本发明装置，同时要测量1个点到另外两个点的距离。A、B两点距离测量原理是在A点处装设发射装置A，在B点处装设接收装置。A点处装置同时发射无线电波和次声波，由于无线电波传播以光速传播，所以在B点处装置在瞬间就接收到无线电波信号，然后启动计时，直到接收到次声波，停止计时，得到时间t，再利用公式t*340得到A、B两点之间的距离。

实施例：

如图1所示，本发明采用三角形关系，在输电线路2上设置了A、B、C三个点。A点位于线路最低处，安装了发射装置A， B、C位于杆塔1任意两点安装了第一接收装置B、第二接收装置C。B、C两点之间长度L_BC、L_CO、L_BO、H在是已知的长度量。L_AB、L_AC为未知量，通过A、B、C三个装置测量得到。

则对于三角形ABC，已知三边长度，可得到：

cosB=(L_AB ²+L_CB ²-L_AC ²)/(2*L_AB*L_CB)                     （1）

然后再求：

L_BD=L_AB*cosB=(L_AB ²+L_CB ²-L_AC ²)/(2*L_CB)                 （2）

然后可求得弧垂：

H_HC=H- L_BO+ L_BD                                                        （3）

（在图1中AD为以A点作到边BC上的垂线）。

整个测量系统结构示意图如图2。A发出声波信号，第一接收装置B测得发射装置A到第一接收装置B传播时间t_AB，第二接收装置C测得A到C的传播时间t_AC，然后第二接收装置C将时间t_AC数据通过NRF903无线传输传到第一接收装置B。然后第一接收装置B再计算出L_AB、L_AC，然后在利用公式（1）、（2）、（3）计算出弧垂，最后第一接收装置B通过GPRS移动通讯将弧垂值上传到电脑（监控中心），电脑（监控中心）也可以通过GPRS移动通讯网络给第一接收装置B传送数据（如图1中的长度L_BC、L_CO、L_BO、H）。选用的NRF903无线传输模块其传输距离可达500m，可以满足目前国内一般500kV一下电压等级的输电线路。

发射装置A内部结构示意图如图3。该装置由Atmega16微处理器、NRF903无线传输模块和次声波发生器三部分组成。发射装置主要原理就是微处理器Atmega16控制NRF903无线传输模块给接收装置发送“开始计时标志信号”，然后同时控制次声波发生器发射18Hz次声波。

图4为发射装置A电路图，包括Atmega16微处理器和NRF903无线传输电路。该电路主要由Atmega16微处理器及其外围指示灯电路和NRF903无线传输模块组成。主要功能就是Atmega16微处理器通过端口控制次声波发生模块（图5）和NRF903无线传输模块。该电路由Atmega16微处理器U3，NRF903无线传输模块N1，三极管Q1、Q2，电阻R8~R12，发光二极管D1、D2，按键B1组成。 按键B1和电阻R8组成的按键电路主要功能是用于整个发射装置复位重启，其电路连接到Atmega16微处理器U3的9号引脚。 三极管Q1、发光二极管D1、电阻R9、R11组成红色指示灯电路，用于装置在异常情况下闪速指示。 三极管Q2、发光二极管D2、电阻R10、R12组成绿色指示灯电路，用于装置在正常情况下常亮指示。Atmega16微处理器U3的40号（PA0）引脚通过端口“EN”连接到“次声波发生电路（图5）”，通过该端口控制次声波产生和关闭。  Atmega16微处理器U3的22~28号（PC0~PC6）引脚连接到NRF903无线传输模块N1，控制其发射“开始计时标志信号”给接收装置。

图5为次声波发生模块电路图， 次声波发生模块的主要功能是产生18Hz的次生波。该电路由555芯片U1，LM386功率放大芯片U2，电阻R1~R7，电容C1~C8，扬声器LS1组成。通过555芯片U1，电阻R1、R2、R3、R4、R5，电容C1、C2、C3、C4、C5组成18Hz的正弦波发生电路，555芯片U1的4号引脚通过端口“EN”连接到“图4”中Atemega16微处理器U3的40号引脚，该引脚为高电平时，正弦波产生，为低电平时，正弦波停止。 上述产生的正弦波功率很小，还需要通过功率放大进行放大处理。 LM386功率放大芯片U2，电阻R6、R7，电容C6、C7、C8组成功率放大电路，用于放大18Hz的正弦波信号，正弦波信号通过U2的3号引脚输入，由U2的5号引脚输出，输出的大功率正弦波信号通过一个电容C8去除掉直流偏置，然后驱动扬声器LS1，产生18Hz的次声波。

第一接收装置B内部结构示意图如图6。第一接收装置B主要原理就是NRF903无线传输模块接收到发射装置发射的开始计时标志信号，然后传送到自身的微处理器Atmega16，Atmega16开始计时，直到次声波接收器接收18Hz的次声波，停止计时，得到时间t。从而算出发射装置到接收装置的距离t*340（m）。

第二接收装置C内部结构示意图如图7。第二接收装置C与第一接收装置B的结构区别仅在于没有“GPRS移动通讯”部分。所以下面只对第一接收装置B的电路进行解释说明。

图8为第一接收装置B电路图，包括Atmega16微处理器和NRF903无线传输电路。该电路与发射装置A的“Atmega16微处理器和NRF903无线传输电路（图4）”的结构大部分相同，都包含复位按键电路、指示灯电路和NRF903无线传输模块。图8与图5的区别在于，图8中Atmega16微处理器U4不需要控制次声波电路，而是需要接受次声波信号，如Atmega16微处理器U4的3号引脚通过接口INT连接到“次声波接受电路（图9）”，当“次声波接受电路”接受到18Hz的次声波时，会将正弦的次声波信号转换成方波信号，通过端口INT传到Atmega16微处理器U4中，U4通过检测到方波信号的高电平，判断次声波信号接受成功。还需要控制“GPRS移动通讯电路”，如Atmega16微处理器U4的14、15、16好引脚通过端口RXD、TXD、DI连接到“GPRS移动通讯电路（图10）”，通过该电路与电脑（监控中心）进行数据交换。

图9为次声波接收模块电路图。该电路的主要作用是接受18Hz的次声波，并将18Hz次声波转化成18Hz的方波信号，传送给图8中Atmega16微处理器U4。该电路可分为次声波接受传感器电路、第一级放大电路、带通滤波电路、第二级放大电路、比较器电路五个部分。如：

1）、次声波接受传感器电路，包括电阻R21、R22、R23，电容C11、C12和传感器LS1。该电路是给传感器施加电源激励。5V电源通过电阻R21、R22接到的正极，再通过传感器负极接R23到地。当传感器感受到次声波后，振动使其内部的电容值发生变化，然后传感器两端形成电流的充放电，从而产生电流信号。电容C11与电阻R21组成简单50Hz电源滤波，减少纹波对信号的干扰。C12是隔直电容，用于将电流信号中的直流分量去除。

2）、第一级信号放大电路，包括AD620仪表放大器UA1，电阻R24。该电路的主要功能是将微弱的电流信号转换成幅值很大的电压信号，放大倍数可以达到1000倍而不会失真。

3）、带通滤波电路，包括6片OP37A运算放大器UB1、UC1，电阻R25、R26、R27、R28、R29、R30、R31、R32，电容C13、C14、C15、C16。该电路是50Hz~300Hz带通滤波器，主要滤除信号中干扰信号，提高信号的纯净度。通过滤波器出来的信号有两个去向，一个是直接通过端子A1的 PA0的AD引脚，另一个送至比较电路。

4）、第二级信号放大电路，包括OP37A运算放大器UD1，电阻R33、R34、R35组成。该电路的主要功能是对滤波后的信号进行放大，因为滤波对信号有一定的衰减。

5）、比较电路，由三个LM393比较器UE1组成。每个比较器处理一路经放大滤波后的传感器信号，将信号整理成5V的方波信号。比较电路产生的方波信号通过INT端口送至图8中Atmega16微处理器U3的3号引脚。

图10为GPRS移动通讯模块电路图。GPRS移动通讯电路的作用是将计算出来的弧垂等数据上传到电脑中。该电路由非门U5，串口转485芯片U6（SP3485），USR-GPRS DTU-710移动通讯模块P1，电容C9、C10组成。 SP3485是协议转换芯片，将USART串行协议转换成RS485半双工协议，USR-GPRS DTU-710也移动通讯模块，可将RS485数据转换成GPRS无线数据发送处处。U6（SP3485）的1、4号引脚（发送、接收）分别通过端口RXD、TXD接到图8中Atmega16微处理器U3的14、15号引脚(该引脚为Atmega16微处理器的USART串行接口)。 U6（SP3485）的2、3号引脚连接到非门U4的输入输出引脚，非门U4输入引脚通过端口CRL连接到图8中Atmega16微处理器U3的16号引脚。 U6（SP3485）的2、3号引脚为RS485半双工通讯收发功能的使能控制引脚。由于RS485是半双工通讯，收数据和发数据不能同时进行，所以采用非门电路U5，可使图8中Atmega16微处理器U3只通过一个引脚就可以控制U6（SP3485）的接收和发送功能切换使能，优化资源利用。U6（SP3485）的6、7号引脚连接到USR-GPRSDTU-710移动通讯模块P1的2、3号引脚，通过P1的2、3两个引脚就可以将RS485数据转换到GPRS数据。完成数据传送。

Claims (10)

1.基于次声波原理的输电线路弧垂测量系统，包括设置于输电线路（2）上的、位于线路最低处的发射装置A，安装在塔杆（1）上的第一接收装置B、第二接收装置C，其特征在于，所述发射装置A包括第一处理器模块，第一处理器模块连接第一无线传输模块、次声波发生模块；

所述第一接收装置B包括第二处理器模块，第二处理器模块连接第二无线传输模块、第一次声波接收模块、GPRS移动通讯模块；

所述第二接收装置C包括第三处理器模块，第三处理器模块连接第三无线传输模块、

第二次声波接收模块。

2.根据权利要求1所述基于次声波原理的输电线路弧垂测量系统，其特征在于，次声波发生模块用于产生18HZ的次声波，该次声波发生模块包括555芯片U1、功率放大芯片U2、电阻R1~R7、电容C1~ C8、扬声器LXS1，555芯片U1、电阻R1~R5、电容C1~ C5连接组成18HZ的正弦波发生电路；功率放大芯片U2、电阻R6、电阻R7、电容C6~ C8连接组成功率放大电路，该功率放大电路用于放大18HZ的正弦波信号，放大18HZ的正弦波信号驱动扬声器LXS1产生18HZ的次声波。

3.根据权利要求1所述基于次声波原理的输电线路弧垂测量系统，其特征在于，所述第一次声波接收模块接收到18HZ的次声波时，将正弦的次声信号转换为方波信号，方波信号传输到第二处理器模块中，第二处理器模块检测到方波信号的高电平，判断次声信号接受成功。

4.根据权利要求1所述基于次声波原理的输电线路弧垂测量系统，其特征在于，所述第一次声波接收模块、第二次声波接收模块均包括依次连接的：次声波接受传感器电路、第一级放大电路、带通滤波电路、第二级放大电路、比较器电路。

5.根据权利要求1所述基于次声波原理的输电线路弧垂测量系统，其特征在于，所述GPRS移动通讯模块连接监控中心，第二处理器模块通过GPRS移动通讯模块与监控中心进行数据交换。

6.根据权利要求1所述基于次声波原理的输电线路弧垂测量系统，其特征在于，所述第一处理器模块连接外围指示灯电路，外围指示灯电路包括电阻R9、三极管Q1、电阻R11、发光二极管D1依次连接构成的红色指示灯电路；以及电阻R10、三极管Q2、电阻R12、发光二极管D2依次连接构成的绿色指示灯电路。

7.根据权利要求1所述基于次声波原理的输电线路弧垂测量系统，其特征在于，所述第二处理器模块连接外围指示灯电路，外围指示灯电路包括电阻R13、三极管Q3、电阻R14、发光二极管D3依次连接构成的红色指示灯电路；以及电阻R15、三极管Q4、电阻R16、发光二极管D4依次连接构成的绿色指示灯电路。

8.根据权利要求1所述基于次声波原理的输电线路弧垂测量系统，其特征在于，所述第一处理器模块、第二处理器模块、第三处理器模块均为Atmega16微处理器。

9.根据权利要求1所述基于次声波原理的输电线路弧垂测量系统，其特征在于，所述第一无线传输模块、第二无线传输模块、第三无线传输模块均为NRF903无线传输模块。

10.一种基于次声波原理的输电线路弧垂测量方法，其特征在于，

在输电线路上设置了A、B、C三个点，A点位于线路最低处，安装了发射装置A， B、C位于杆塔任意两点安装了第一接收装置B、第二接收装置C；

B、C两点之间长度L_BC、L_CO、L_BO、H在是已知的长度量；L_AB、L_AC为未知量，通过A、B、C三个装置测量得到；

则对于三角形ABC，已知三边长度，可得到：

cosB=(L_AB ²+L_CB ²-L_AC ²)/(2*L_AB*L_CB)                     （1）

然后再求：

L_BD=L_AB*cosB=(L_AB ²+L_CB ²-L_AC ²)/(2*L_CB)                 （2）

然后可求得弧垂：

H_HC=H- L_BO+ L_BD                                                        （3）

发射装置A发出声波信号，第一接收装置B测得发射装置A到第一接收装置B传播时间t_AB，第二接收装置C测得发射装置A到第二接收装置C的传播时间t_AC，然后第二接收装置C将时间t_AC数据，通过无线传输传到第一接收装置B，然后第一接收装置B再计算出L_AB、L_AC，然后在利用公式（1）、（2）、（3）计算出弧垂，最后第一接收装置B通过GPRS移动通讯将弧垂值上传到监控中心；监控中心也可以通过GPRS移动通讯网络给第一接收装置B传送数据。