CN105865612A - 一种基于超声换能器的输电线路舞动轨迹监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于超声换能器的输电线路舞动轨迹监测系统及方法，所述系统包括：超声换能器发射系统，用于接收信号控制系统发出的测试信号并将测试信号转化为机械波信号，并通过全向发射的方式传输到周围空气中；超声换能器接收系统，用于接收超声换能器发射系统发出的机械波，并将接收的新号传输给信号控制系统；信号控制系统，用于控制超声换能器发射系统发出机械波信号，接收超声换能器接收系统输出的信号并传送给信号采集系统；信号采集系统，用于对接收的信号进行处理并分析，获取输电线路的实际位置；电源系统，用于供电。本发明不需要经过加速度传感系统的积分过程，简化了测试原理，使得测量方法更加简单易懂。

Description

一种基于超声换能器的输电线路舞动轨迹监测系统及方法

技术领域

本发明涉及输变电设备检测技术领域，尤其涉及一种输电线路舞动轨迹检测系统及方法。

背景技术

输电线路舞动是指在外界非平衡应力的作用下，输电线路产生低频率(0.1Hz-5Hz)、大幅度(可达10m以上)的振动现象。当室外的输电线路发生舞动时，经常会造成输电杆塔上的金具损毁、输电线路相间闪络等事故，严重时输电线路的舞动会造成输电杆塔倒塌等大型事故。因此，对输电线路舞动进行监测具有重要的实用价值与经济意义。

现阶段输电线路舞动主流的监测手段有三种：加速度传感系统、视频监控系统和光纤监测系统。加速度传感系统，它的作用机理是采用加速度传感器将舞动信号转化成电信号，并由单片机内部集成的AD转换器进行数字化采集，再进行简单的信号处理，然后将测量数据通过GSM模块将测量数据无线传输到监控机上进行综合评判。进而根据加速度和位移的关系计算出导线舞动的振幅数据，将此数据与监控机上数据库的数据比较判断是否应该发出预警。视频监控系统，它的作用机理是根据生产输电线坐标系和安装摄像头以后的新坐标系之间的坐标平移参数和零度图像拟合参数及相关算法推导出舞动旋转角度。光纤监测系统，该系统作用机理是将多个光纤传感器均布在输电导线上，构成准分布式光纤传感器网络，荷载变化经金属板传入光纤光栅，将采集的应力、温度信息传回计算机控制中心。该技术需要采用频分复用技术对光栅反射信号进行解调，同时采用时分复用技术将采集数据通过无线网络设备传输导计算机监控中心。

但就目前而言，上述三种监测手段均存在一定的缺陷：加速度传感系统的测试精度并不能满足要求，由于加速度传感器是将加速度信息进行二次积分转化为位移信息，在此过程中随着时间的延长积分的误差会逐渐增大，且输电线路的舞动过程中伴随着线路的轴向扭转，产生的角加速度会对加速度传感器的测量产生较大影响；视频监测系统需要较高的能见度的情况下才能对输电线路的舞动进行监测，当有大雾等极端天气或夜间时，视频监测系统不能有效的监测输电线路舞动；光纤监测系统需要在输电线路上布置大量分布式光纤监测传感器，安装过程周期长，且损坏后难以更换。

综上所述，现阶段的输电线路舞动监测方法都有一定的缺陷。为了能够准确掌握线路舞动轨迹信息，亟需一种采用直接位移量手段的线路舞动轨迹测量系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于超声换能器的输电线路舞动轨迹监测系统及方法，以解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于超声换能器的输电线路舞动轨迹监测系统，包括超声换能器发射系统、超声换能器接收系统、信号控制系统、信号采集系统和电源系统；

超声换能器发射系统，用于接收信号控制系统发出的测试信号并将测试信号转化为机械波信号，并通过全向发射的方式传输到周围空气中；

超声换能器接收系统，用于接收超声换能器发射系统发出的机械波，并将接收的新号传输给信号控制系统；

信号控制系统，用于控制超声换能器发射系统发出机械波信号，接收超声换能器接收系统输出的信号并传送给信号采集系统；

信号采集系统，用于对接收的信号进行处理并分析，获取输电线路的实际位置；

电源系统，用于给超声换能器发射系统和信号控制系统供电。

进一步的，超声换能器发射系统包括第一超声换能器及驱动板；第一超声换能器通过法兰固定在分裂导线的间隔棒上，其输入端与驱动板输出端相连接；驱动板安装在间隔棒内的安装槽内，其输入端与信号控制系统的主控板输出端相连接。

进一步的，超声换能器接收系统包括第二超声换能器、第三超声换能器及信号放大电路；第二超声换能器及第三超声换能器分别安装在地面支架上，与第一超声换能器的空间距离分别为l₂和l₃，第二超声换能器与第三超声换能器之间的距离为l₁；第二超声换能器、第三超声换能器输出端分别与信号放大电路输入端相连接，信号放大电路输出端与信号控制系统主控板输入端相连接。

进一步的，信号控制系统包括主控板和信号隔离栅；主控板输入端与超声换能器接收系统中的信号放大电路输出端相连接，主控板输出端与超声换能器发射系统的驱动板及信号隔离栅相连接，主控板电源端与电源系统相连接；信号隔离栅输入端与主控板输出端相连接，信号隔离栅输出端与信号采集系统数据采集卡相连接。

进一步的，信号采集系统包括数据采集卡与上位机；数据采集卡输入端与信号控制系统的信号隔离栅想连接，输出端与上位机系统连接；上位机系统输入端与数据采集卡通过上位机的PCI-E卡槽连接。

进一步的，当安装在输电线路间隔棒上的第一超声换能器工作时，其在t₀时刻发出的机械波分别在t₁时刻和t₂时刻被第二超声换能器及第三超声换能器接收到；此时，第一超声换能器与第二超声换能器之间的距离l₂及第一超声换能器与第三超声换能器之间的距离l₃分别表示为：

l₂＝v(t₁-t₀)

l₃＝v(t₂-t₀)

式中v为声波传递的速度；

已知第二超声换能器与第三超声换能器之间的距离l₁，则此时刻输电线路及第一超声换能器的位置(X,Y)表示为：

$p=\frac{l_1+l_2+l_3}{2}$

$S=\sqrt{p(p-l_1)(p-l_2)(p-l_3)}$

$Y=\frac{2S}{l_1}$

$X=\sqrt{{l_2}^2-Y_2}-\frac{l_1}{2}$

式中S为第一超声换能器、第二超声换能器及第三超声换能器围成的三角形的面积，p为海伦公式计算三角形面积的中间变量；

输电线路及第一超声换能器的位置轨迹(X,Y)与预设最大位移轨迹比较后即能够判断输电线路是否舞动。

一种基于超声换能器的输电线路舞动轨迹监测方法，具体包括以下步骤：

第一步、外部线路舞动测试信号输入信号控制系统主控板中，信号控制系统主控板输入电信号至超声换能器发射系统的驱动板，驱动板将此电信号放大抬升后将此电信号输入第一超声换能器；

第二步、第一超声换能器将超声换能器发射系统驱动板传输的电信号在内部进行转化，将电信号通过内部特制的压电陶瓷转化为相应的机械波信号，并向周围空间全向发射此机械波信号；

第三步、超声换能器接收系统中的第二超声换能器及第三超声换能器接收到超声换能器发射系统中第一超声换能器发射的机械波信号，并分别在第二超声换能器及第三超声换能器中将此机械波信号转化为电信号；

第四步、第二超声换能器及第三超声换能器接收到的电信号分别输入超声换能器接收系统中的信号放大电路，将其接收到的电信号放大；

第五步、经过放大的电信号传输至信号控制系统的主控板，主控板将此电信号传输至信号控制系统的信号隔离栅，信号隔离栅对此电信号进行隔离，并光电耦合传输至信号采集系统的数据采集卡；

第六步、数据采集卡对接收到的电信号进行分时离散采集，采集得到的数据输入上位机软件中进行分析；分析后获得输电线路舞动的位移轨迹，将此位移轨迹与预设最大位移轨迹比较判断输电线路是否舞动。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

1、测量方法更加简明。相较于电网线路舞动测试应用最为广泛的加速度传感系统，基于超声换能器的输电线路舞动轨迹监测系统直接对输电线路的舞动位置通过声波信号进行监测，并通过两超声换能器的数据信息直接获取输电线路的位置信息，不需要经过加速度传感系统的积分过程，简化了测试原理，使得测量方法更加简单易懂。

2、测试结果更加准确。传统的加速度传感系统需要经过二次积分且无法避免因输电线路扭转带来的角加速度等问题，故其测量精度较差；而视频监测系统的监测频率较低，高频率舞动无法分辨，更多用于定性判断输电线路的舞动。相较于上述两种方式，基于超声换能器的输电线路舞动轨迹监测系统是对输电线路的位移量直接测量，随后只进行简单运算即可获得输电线路的空间坐标，测试结果因此也更加准确。

3、测试系统基本不受外界条件影响。视频监测系统在大雾天气等能见度较低的情况及夜间无法有效识别输电线路的舞动位移，且视频监测系统的摄像头在裸露条件下易出现老化割裂等损坏状态。相较于视频监测系统，基于超声换能器的输电线路舞动轨迹测试系统依靠超声测距，几乎不受外界条件影响，适用范围更广且更加耐用。

4、测量实时性好。基于超声换能器的输电线路舞动轨迹测试系统在判断输电线路起舞后，可迅速根据输电线路的舞动状态进行判断，确定输电线路的舞动位置。并根据其舞动幅值由上位机进行判断是否进行报警。此种测试及警戒方式的实时性高于由人工判断的视频监测系统及光纤监测系统，测量速度及反应都更具有优势。

附图说明

图1为本发明的原理系统框图；

图2为本发明的测试原理图；

图3为发明的实际安装示意图；

图4为本发明的系统测试流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明作以详细的描述：

请参阅图1所示，本发明一种基于超声换能器的输电线路舞动轨迹监测系统，包括超声换能器发射系统、超声换能器接收系统、信号控制系统、信号采集系统和电源系统。

超声换能器发射系统包括第一超声换能器及驱动板。第一超声换能器1通过法兰固定在分裂导线4的间隔棒5上，其输入端与驱动板输出端相连接；驱动板安装在间隔棒内的安装槽内，其输入端与信号控制系统的主控板输出端相连接，输出端与第一超声换能器输入端相连接。当输电线路舞动时，分裂导线上的间隔棒跟随输电线路开始舞动，驱动板接收到主控板发出的测试信号后驱动第一超声换能器开始测试。第一超声换能器将驱动板发出的电信号转化为机械波信号，并通过全向发射的方式传输到周围空气中。

超声换能器接收系统包括第二超声换能器2、第三超声换能器3及信号放大电路。第二超声换能器及第三超声换能器分别安装在地面支架上，与第一超声换能器的空间距离分别为l₂和l₃，第二超声换能器与第三超声换能器之间的距离为l₁。第二超声换能器、第三超声换能器输出端分别与信号放大电路输入端相连接，信号放大电路输出端与信号控制系统主控板输入端相连接。第二超声换能器及第三超声换能器的作用是接收第一超声换能器发出的机械波信号并将此信号转换为电信号，并将此信号传输至信号放大电路。信号放大电路的作用是将第二超声换能器和第三超声换能器传输的电信号放大，并将放大后的结果传输至信号控制系统的主控板。

信号控制系统包括主控板和信号隔离栅。主控板输入端与超声换能器接收系统中的信号放大电路输出端相连接，主控板输出端与超声换能器发射系统的驱动板及信号隔离栅相连接，主控板电源端与电源系统相连接；信号隔离栅输入端与主控板输出端相连接，信号隔离栅输出端与信号采集系统数据采集卡相连接。信号控制系统中，主控板的作用是控制第一超声换能器发射机械波、接收第二超声换能器和第三超声换能器传输的电信号并将此电信号传输给信号采集系统；信号隔离栅的作用是将主控板传输的电信号传递给信号采集系统，并在其间进行电气隔离与光电耦合，保证数据采集系统的安全。

信号采集系统包括数据采集卡与上位机。数据采集卡输入端与信号控制系统的信号隔离栅想连接，输出端与上位机系统连接；上位机系统输入端与数据采集卡通过上位机的PCI-E卡槽连接。数据采集卡的作用是对第二超声换能器和第三超声换能器传输的电信号高速离散采集，上位机系统的作用是对数据采集卡采集到的数据进行处理并分析，获取输电线路的实际位置。

电源系统分别与超声换能器发射系统的驱动板和信号控制系统的主控板相连接，分别为驱动板和主控板供电。

基于超声换能器的输电线路舞动轨迹监测系统的测试原理与如图2所示。当安装在输电线路间隔棒上的第一超声换能器工作时，其在t₀时刻发出的机械波分别在t₁时刻和t₂时刻被第二超声换能器及第三超声换能器接收到。此时，第一超声换能器与第二超声换能器之间的距离l₂及第一超声换能器与第三超声换能器之间的距离l₃可分别表示为：

l₂＝v(t₁-t₀)

l₃＝v(t₂-t₀)

式中v为声波传递的速度。分别考虑风速及温度对声波传递速度的影响后，即可得到该时刻第一超声换能器与第二超声换能器及第三超声换能器之间的距离l₂与l₃。已知第二超声换能器与第三超声换能器之间的距离l₁，则此时刻输电线路及第一超声换能器的位置(X,Y)可表示为：

$p=\frac{l_1+l_2+l_3}{2}$

$S=\sqrt{p(p-l_1)(p-l_2)(p-l_3)}$

$Y=\frac{2S}{l_1}$

$X=\sqrt{{l_2}^2-Y_2}-\frac{l_1}{2}$

式中S为第一超声换能器、第二超声换能器及第三超声换能器围成的三角形的面积，p为海伦公式计算三角形面积的中间变量。输电线路及第一超声换能器的位置轨迹(X,Y)，与预设最大位移轨迹比较后即可判断输电线路是否舞动。

请参阅图4所示，本发明一种基于超声换能器的输电线路舞动轨迹监测系统及方法，包括以下步骤。

第一步、外部线路舞动测试信号输入信号控制系统主控板中，信号控制系统主控板输入电信号至超声换能器发射系统的驱动板，驱动板将此电信号放大抬升后将此电信号输入第一超声换能器。

第二步，第一超声换能器将超声换能器发射系统驱动板传输的电信号在内部进行转化，将电信号通过内部特制的压电陶瓷转化为相应的机械波信号，并向周围空间全向发射此机械波信号。

第三步，布置过的超声换能器接收系统中的第二超声换能器及第三超声换能器接收到超声换能器发射系统中第一超声换能器发射的机械波信号，并分别在第二超声换能器及第三超声换能器中将此机械波信号转化为电信号。

第四步，第二超声换能器及第三超声换能器接收到的电信号分别输入超声换能器接收系统中的信号放大电路，将其接收到的电信号按照20倍率放大，方便系统后端的计算分析及处理。

第五步，经过放大的电信号传输至信号控制系统的主控板，主控板将此电信号传输至信号控制系统的信号隔离栅，信号隔离栅对此电信号进行隔离，并光电耦合传输至信号采集系统的数据采集卡。

第六步，数据采集卡对接收到的电信号进行分时离散采集，采集得到的数据输入上位机软件中进行分析。分析后即可获得输电线路舞动的位移轨迹，将此位移轨迹与预设最大位移轨迹比较后即可判断输电线路是否舞动。

Claims (7)

1.一种基于超声换能器的输电线路舞动轨迹监测系统，其特征在于，包括超声换能器发射系统、超声换能器接收系统、信号控制系统、信号采集系统和电源系统；

超声换能器发射系统，用于接收信号控制系统发出的测试信号并将测试信号转化为机械波信号，并通过全向发射的方式传输到周围空气中；

超声换能器接收系统，用于接收超声换能器发射系统发出的机械波，并将接收的新号传输给信号控制系统；

信号控制系统，用于控制超声换能器发射系统发出机械波信号，接收超声换能器接收系统输出的信号并传送给信号采集系统；

信号采集系统，用于对接收的信号进行处理并分析，获取输电线路的实际位置；

电源系统，用于给超声换能器发射系统和信号控制系统供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声换能器的输电线路舞动轨迹监测系统，其特征在于，超声换能器发射系统包括第一超声换能器及驱动板；第一超声换能器通过法兰固定在分裂导线的间隔棒上，其输入端与驱动板输出端相连接；驱动板安装在间隔棒内的安装槽内，其输入端与信号控制系统的主控板输出端相连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于超声换能器的输电线路舞动轨迹监测系统，其特征在于，超声换能器接收系统包括第二超声换能器、第三超声换能器及信号放大电路；第二超声换能器及第三超声换能器分别安装在地面支架上，与第一超声换能器的空间距离分别为l₂和l₃，第二超声换能器与第三超声换能器之间的距离为l₁；第二超声换能器、第三超声换能器输出端分别与信号放大电路输入端相连接，信号放大电路输出端与信号控制系统主控板输入端相连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于超声换能器的输电线路舞动轨迹监测系统，其特征在于，信号控制系统包括主控板和信号隔离栅；主控板输入端与超声换能器接收系统中的信号放大电路输出端相连接，主控板输出端与超声换能器发射系统的驱动板及信号隔离栅相连接，主控板电源端与电源系统相连接；信号隔离栅输入端与主控板输出端相连接，信号隔离栅输出端与信号采集系统数据采集卡相连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于超声换能器的输电线路舞动轨迹监测系统，其特征在于，信号采集系统包括数据采集卡与上位机；数据采集卡输入端与信号控制系统的信号隔离栅想连接，输出端与上位机系统连接；上位机系统输入端与数据采集卡通过上位机的PCI-E卡槽连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于超声换能器的输电线路舞动轨迹监测系统，其特征在于，当安装在输电线路间隔棒上的第一超声换能器工作时，其在t₀时刻发出的机械波分别在t₁时刻和t₂时刻被第二超声换能器及第三超声换能器接收到；此时，第一超声换能器与第二超声换能器之间的距离l₂及第一超声换能器与第三超声换能器之间的距离l₃分别表示为：

l₂＝v(t₁-t₀)

l₃＝v(t₂-t₀)

式中v为声波传递的速度；

已知第二超声换能器与第三超声换能器之间的距离l₁，则此时刻输电线路及第一超声换能器的位置(X,Y)表示为：

$p=\frac{l_1+l_2+l_3}{2}$

$S=\sqrt{p(p-l_1)(p-l_2)(p-l_3)}$

$Y=\frac{2S}{l_1}$

$X=\sqrt{{l_2}^2-Y_2}-\frac{l_1}{2}$

式中S为第一超声换能器、第二超声换能器及第三超声换能器围成的三角形的面积，p为海伦公式计算三角形面积的中间变量；

输电线路及第一超声换能器的位置轨迹(X,Y)与预设最大位移轨迹比较后即能够判断输电线路是否舞动。

7.一种基于超声换能器的输电线路舞动轨迹监测方法，其特征在于，基于权利要求1至6中任一项所述的一种基于超声换能器的输电线路舞动轨迹监测系统，具体包括以下步骤：

第一步、外部线路舞动测试信号输入信号控制系统主控板中，信号控制系统主控板输入电信号至超声换能器发射系统的驱动板，驱动板将此电信号放大抬升后将此电信号输入第一超声换能器；

第二步、第一超声换能器将超声换能器发射系统驱动板传输的电信号在内部进行转化，将电信号通过内部特制的压电陶瓷转化为相应的机械波信号，并向周围空间全向发射此机械波信号；

第三步、超声换能器接收系统中的第二超声换能器及第三超声换能器接收到超声换能器发射系统中第一超声换能器发射的机械波信号，并分别在第二超声换能器及第三超声换能器中将此机械波信号转化为电信号；

第四步、第二超声换能器及第三超声换能器接收到的电信号分别输入超声换能器接收系统中的信号放大电路，将其接收到的电信号放大；

第五步、经过放大的电信号传输至信号控制系统的主控板，主控板将此电信号传输至信号控制系统的信号隔离栅，信号隔离栅对此电信号进行隔离，并光电耦合传输至信号采集系统的数据采集卡；

第六步、数据采集卡对接收到的电信号进行分时离散采集，采集得到的数据输入上位机软件中进行分析；分析后获得输电线路舞动的位移轨迹，将此位移轨迹与预设最大位移轨迹比较判断输电线路是否舞动。