CN110412419A - 一种基于德尔菲法的多传感融合输电线路无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于德尔菲法的多传感融合输电线路无损检测方法，利用磁传感器获得初始电压的同时，也利用湿度传感器获得初始空气湿度，从而自适应的确定了检测环境的阈值，当超出正常阈值后，初步确认为线缆的外表面破损（有断裂或者毛刺），再根据磁传感器监测的磁场强度，光传感器得到的光强，声传感器得到的频率和响度，剔除空气湿度和固有电压感应电晕的干扰，通过信号调理模块，先送入处理器归一化处理，再利用德尔菲法加权处理，确认并记录破损点。执行多传感融合输电线路无损检测方法的是挂载于飞行器或巡检机器人的复合无损探测装置，最后把记录数据通过数据处理与传输单元传到智能电网控制端，更精准地服务于智能电网领域。

Description

一种基于德尔菲法的多传感融合输电线路无损检测方法

技术领域

本发明涉及一种利用智能电网高压输电线路破损处的阶跃电晕，电晕效应伴随磁、光、声的变化，进而通过复合无损探测装置内部磁探测、光探测、声探测传感器捕捉到信号的应用于智能电网的方法，具体是一种基于电晕效应的输电线路磁光声复合无损探测方法。

背景技术

电晕效应是强电场作用下导线周围空气的电离现象，它的产生与导线本身和导线周围空气的条件有关。电晕的产生是因为不平滑的导体产生不均匀的电场，在不均匀的电场周围曲率半径小的电极附近当电压升高到一定值时，由于空气游离就会发生放电，形成电晕。电晕是电力系统中重要的电能损耗原因之一。电晕的放电电流与天气湿度以及空气的流动速度有关。

输电线路暴露在大气中运行，直接受到大气环境的影响。工业企业排放的大量酸性气体和固体颗粒在水分、氧气的长期作用下，和输电线路外层的铝导线发生一系列理化反应，引起导线外层状态的变化，直接导致了氧化膜的破坏和裸露的金属铝的溶解。我国南方地区温度、大气相对湿度高，降雨时间长，工业污染较重等因素是引起铝导线表面腐蚀程度较高的原因，进而导致其粗糙程度升高。沿海地区海洋大气含盐粒子的增多和湿度的升高引起其附近铝导线表面腐蚀加剧，进而导致其粗糙程度进一步升高。就同型号的导线而言，在施加相同的电压下，长期运行导线的电晕放电程度比新导线剧烈。沿海地区的导线由于腐蚀程度和粗糙程度比内陆地区导线有更大提高，因此放电剧烈程度也更为明显。所以，充分利用电晕效应对线缆状态及时检测，成为了必不可少的研究内容。

无损检测技术不会对构件造成任何损伤。无损检测是在不破坏构件的条件下，利用材料的物理性质因有缺陷发生变化的现象，来判断构件内部和表面是否存在缺陷，而不会对材料、工件和设备造成任何损伤。查找缺陷的位置、大小及其危害程度，并要对缺陷的发展进行预测和预报。无损检测为此提供了一种有效的方法。

多传感器信息融合技术，将各种传感器进行多层次、多空间的信息互补和优化组合处理，最终产生对观测环境的一致性解释。在这个过程中要充分地利用多源数据进行合理支配与使用，而信息融合的最终目标则是基于各传感器获得的分离观测信息，通过对信息多级别、多方面组合导出更多有用信息。这不仅是利用了多个传感器相互协同操作的优势，而且也综合处理了其它信息源的数据来提高整个传感器系统的智能化。

发明内容

本发明旨在提供一种基于德尔菲法的多传感融合输电线路无损检测方法，利用高压输电线路破损处的阶跃电晕（高强度电晕，即大于正常电离空气时发出的电晕），电晕效应伴随磁、光、声的变化，进而通过复合无损探测装置内部磁探测、光探测、声探测传感器捕捉到信号，从而确定破损位置和破损强度。

本发明提供了一种基于电晕效应的输电线路磁光声复合无损探测装置，包括机械结构部分和数据处理部分；

所述机械结构部分包括：屏蔽壳体和安装座，在屏蔽壳体的两个侧面安装屏蔽体，屏蔽壳体顶部设有上盖，上盖下方两侧分别设有安装座，两个安装座分别位于屏蔽体的上方，在安装座上均匀分布有安装孔，上盖的一端设有进气通道和排气通道；进气通道和排气通道贯穿屏蔽套，并且分布在屏蔽套两侧，与屏蔽套相切；屏蔽套与屏蔽壳体都采用由外及内分别为铝、硅钢、铜组成的屏蔽层。

所述数据处理部分包括一对光传感模组、一对磁传感模组、一个声传感模组、一个湿度传感模组、一个微处理器、一套信号调理与传输单元和一个内部电源管理模组；其中，每一个光传感模组包含光探测头、光纤传输通道、光电耦合模块，后接信号调理与传输单元；每一个磁传感模组包含一个磁传感器，后接限幅电路、电压比较器、信号调理电路；声传感模组主要是用来检测电晕效应下发出的声音的响度和频率，后接滤波、放大、限幅信号调理电路；湿度传感模组用来检测空气的相对湿度，从而保证自适应的设定识别因破损而发出的电晕的阈值；四组传感模组的电压传入信号调理与转换模组，继而传送到最小系统做决策判断或存储、传输；

声传感模组，内部电源管理模组，微处理器，声、光、磁、湿度、内部电压各路信号的调理与传输单元依次固定在底面的中轴线上，从左到右依次等间隔排列，与壳体左、右内壁也保持相同间隔；第一磁传感器紧贴在壳体内壁的后壁上，靠左侧固定，但不与左侧内壁相切；第二磁传感器紧贴在壳体内壁的前壁上，靠右侧固定，但不与右侧内壁相切；两侧保持同一水平高度；湿度传感模组固定在屏蔽壳体的上盖底部，紧贴上盖，用螺丝固定，进气通道通过屏蔽套穿入壳体内部，与湿度传感模组相连；湿度传感模组与排气通道相连，排气通道通过屏蔽套穿出壳体，该模组内部包含一个能通过正负脉冲控制的风机（小风机嵌入在模组内部，封装在里面了，没有在图中画出），在正脉冲时，风机正转，进气通道进气，排气通道排气；在负脉冲时，风机反转，进气通道排气，排气通道进气，这样设计的目的是防止尘埃把进排气通道的防尘罩堵塞，影响湿度传感器对环境相对湿度检测的准确度。

所述磁传感器为感应线圈。在复合无损探测装置前后两内壁各有一个固定在同一水平高度成中心对称的磁感应线圈，形成差分信号输入给信号调理端。之所以这样设定，是因为当竖直挂载在高压线路的正下方或者正上方时，如果没有破损电晕，屏蔽体内的差分信号经过调理后输出为0伏，当挂载的该装置绕高压线摇摆，只要挂载的装置（无人机，巡检机器人），绕轴线旋转，线圈中心点距离高压轴线的距离只要相等，仍然可以忽略摇摆的影响，所以此处对挂载设备的安装方式有一定要求。如果出现破损电晕，左侧（前方）的线圈先感应到阶跃信号，右侧（后方）信号还没有到达破损电晕发生处，所以差分信号调理会输出一定的信号（大于0伏，随着破损的程度而成正相关变化），这一信号的输出是判断是否有破损线缆引起的强烈电晕的判据之一。

此处不同规格的输电线路会有对应不同的屏蔽效能的计算，屏蔽体的设计也是不同的，所以为了防止电晕产生过电压或者应用到了不同规格的输电线路中，应该在应用前进行校准（安装位置校准，输出为0电位；感应校准，输出的电晕值不能低于也不能高于对应的检测阈值）。磁传感模组不仅可以用来检测电晕发出的阶跃磁场（差分信号），还能在初始时不同线缆规格电场下屏蔽壳体内磁场的大小，从而调节感应敏感区的上下限。

复合无损探测装置中的内部电源管理模组是对进来的电源进行稳压和保证内部电路正常运行的。同时电源模组设有正负电源和PWM发生器，专门给湿度传感模组内的抽排气泵供电。正负电源还要给内部的信号调理与传输单元（内含放大器）供电，正电源给声传感模组、湿度传感模组、光传感模组、微处理器、信号调理与传输单元供电。

声传感模组主要用来捕捉电离空气产生的频率和固有环境频率的差值，以及电晕产生的噪声响度和固有环境中噪声响度的差值，这一信号的输出是判断是否有破损线缆引起的强烈电晕的判据之一。

在复合无损探测装置左右两侧有外加的屏蔽体，屏蔽体内部有专用的消磁S形光路通道，留给光纤用来传播光束，复合无损探测装置内部光耦的输出是判断是否有破损线缆引起的强烈电晕的判据之一。如果直接穿孔连接装置内外，会有磁感线和电场线通过装置空隙穿进屏蔽体，所以采用S形嵌入设计，可以有效防止漏磁对内部电路的干扰。

进气通道与排气通道贯穿屏蔽套，在进气通道和排气通道之间的屏蔽套内，进气通道和排气通道与屏蔽套弯曲部分相切，剩余空隙是给装置内外连接的线路留有的专用通道，装置内部电源管理模组所需的电源通常由挂载复合无损探测装置的设备（如无人机，巡检机器人等）提供，检测的数据也需要传出去，传给挂载装置。挂载该装置的固定孔和支架是按照国家标准设计，具有一定的通用性。

为了减少次级电磁干扰和提高可靠性，内部重要信号调理与传输单元、电源管理模组、微处理器，为了保证信号可靠和降低干扰，应该再加局部屏蔽隔离层（在每个分立模块外侧添加）。

本发明提供了上述装置的实施方法，利用磁传感器获得初始电压的同时，也利用湿度传感器获得初始空气湿度，从而自适应的确定了检测环境的阈值，当超出正常阈值后，初步确认为线缆的外表面破损（有断裂或者毛刺），再根据磁传感器监测的磁场强度，光传感器得到的光强，声传感器得到的频率和响度，剔除空气湿度和固有电压感应电晕的干扰，通过信号调理模块，先送入处理器归一化处理，再利用德尔菲法加权处理，确认并记录破损点。具体的可分为以下步骤：

为了降低无损探测的功耗，先开启磁传感器和湿度传感器以及相应的信号调理与传输单元。

首先，利用磁传感器获得初始电压，第一磁传感器获得感应电压为V1，第二磁传感器获得感应电压V2，由此我们可以获得差分电压V=V2-V1。本步骤测出的磁感应差分信号V，归一化后设为c，权值设为C。

再次利用湿度传感器获得实时周围空气湿度，从而把湿度传感器传出的电压信号，利用微处理器自适应的确定了检测环境的阈值，当超出正常阈值后，初步确认为线缆的外表面破损（有断裂或者毛刺）。湿度传感器传出的信号归一化的值为d，权值D为在调试过程中人为设定敏感系数。

根据以上步骤，可以确认是否有线路破损的可能。如果c在空气湿度d时，没有超出预先设定的阈值F，则沿着高压线路继续巡检。如果值异常，超出了阈值，则进行以下步骤的检测。

然后，声传感模组主要用来捕捉电离空气产生的频率，以及电晕产生的噪声响度和固有环境中噪声响度的差值，并将上述频率和响度转换为电压量。本步骤声传感模组检测到的频率归一化（把测得值除以测量的范围）后的值设为b1，权值设为B1；检测到的响度归一化（把测得值除以测量的范围）后的值设为b2，权值设为B2，令B=B1+B2。

其次，在复合无损探测装置左右两侧有外加的屏蔽体，屏蔽体内部有专用的消磁S形光路通道，留给光纤用来传播光束，本步骤光传感模组会接收到电晕光，通过光传感模组内部光耦转换为电压量，其归一化（把测得值除以测量的范围）后的值为a，权值定为A；

最后，利用德尔菲法加权处理，确认并记录破损点。其中A+B+C=1，且A>B>C>D>0。令，损坏的确定参数为e，若通过微处理器解算e>f，则不做损伤 告警；反之，发出告警信号，并传输f的值，同时通过挂载（飞行器或巡检机器人）的传感装置 实时记录破损点。

本发明所述基于电晕效应的输电线路磁光声复合无损探测方法的有益效果是：

（1）采用磁、光、声等多传感器信息融合技术，将各种传感器进行多层次、多空间的信息互补和优化组合处理，最终产生对观测环境的一致性解释。在这个过程中要充分地利用多源数据进行合理支配与使用，而信息融合的最终目标则是基于各传感器获得的分离观测信息，通过对信息多级别、多方面组合导出更多有用信息。这不仅是利用了多个传感器相互协同操作的优势，而且也综合处理了其它信息源的数据来提高整个传感器系统的智能化。

（2）由于经过屏蔽效能的计算和屏蔽体的设计，能够在屏蔽与感应之间找到平衡点，既能利用电晕效应实现无损探测，又能实现带电在线监测。

（3）发明中采用了一系列屏蔽措施、散热措施，保证了系统的稳定运行。

附图说明

图1为复合无损探测装置的三视图。

图2为复合无损探测装置的三维外观示意图。

图3为复合无损探测装置的三维内部示意图。

图4为复合无损探测装置的主视图在A-A方向的剖视图。

图5为D部分的局部视图。

图6为复合无损探测装置的俯视图在B-B方向的剖视图。

图7为复合无损探测装置的左视图在C-C方向的剖视图。

图中：1-安装座，2-安装孔，3-进气通道，4-排气通道，5-屏蔽套，6-上盖，7-屏蔽壳体，8-光路屏蔽体，9-湿度传感模组，10-声传感模组，11-内部电源管理模组，12-微处理器，13-信号的调理与传输单元，14-S形光路专用通道，15-光路穿入屏蔽壳体的孔，16a-第一光传感器探头、16b-第二光传感器探头，17a-第一磁传感器、17b-第二磁传感器。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1~7所示，一种基于电晕效应的输电线路磁光声复合无损探测装置，包括机械结构部分和数据处理部分；

所述机械结构部分包括：屏蔽壳体7和安装座1，在屏蔽壳体7的两个侧面安装光路屏蔽体8，屏蔽壳体7顶部设有上盖6，上盖6下方两侧分别设有安装座1，两个安装座1分别位于光路屏蔽体8的上方，在安装座1上均匀分布有安装孔2，上盖6的一端设有进气通道3和排气通道4；进气通道3和排气通道4贯穿屏蔽套5，并且分布在屏蔽套两侧，与屏蔽套相切；屏蔽套与屏蔽壳体都采用由外及内分别为铝、硅钢、铜组成的屏蔽层。

所述数据处理部分包括一对光传感模组、一对磁传感模组、一个声传感模组、一个湿度传感模组、一个微处理器、一套信号调理与传输单元和一个内部电源管理模组；其中，每一个光传感模组包含光探测头、光纤传输通道、光电耦合模块，后接信号调理与传输单元；每一个磁传感模组包含一个磁传感器，后接限幅电路、电压比较器、信号调理电路；声传感模组主要是用来检测电晕效应下发出的声音的响度和频率，后接滤波、放大、限幅信号调理电路；湿度传感模组用来检测空气的相对湿度，从而保证自适应的设定识别因破损而发出的电晕的阈值；四组传感模组的电压传入信号调理与转换模组，继而传送到最小系统做决策判断或存储、传输；

声传感模组10、内部电源管理模组11、微处理器12、声、光、磁、湿度、内部电压各路信号的调理与传输单元13依次固定在底面的中轴线上，从左到右依次等间隔排列，与壳体左、右内壁也保持相同间隔；第一磁传感器17a紧贴在屏蔽壳体7内壁的后壁上，靠左侧固定但不与左侧内壁相切；第二磁传感器17b紧贴在屏蔽壳体7内壁的前壁上，靠右侧固定但不与右侧内壁相切；两侧保持同一水平高度；湿度传感模组9固定在屏蔽壳体的上盖6底部，紧贴上盖6，用螺丝固定，进气通道3通过屏蔽套5穿入壳体内部，与湿度传感模组9相连；湿度传感模组9与排气通道4相连，排气通道4通过屏蔽套5穿出壳体，该模组内部包含一个能通过正负脉冲控制的风机（小风机嵌入在模组内部，封装在里面了，没有在图中画出），在正脉冲时，风机正转，进气通道进气，排气通道排气；在负脉冲时，风机反转，进气通道排气，排气通道进气，这样设计的目的是防止尘埃把进排气通道的防尘罩堵塞，影响湿度传感器对环境相对湿度检测的准确度。

①屏蔽设计：进气通道与排气通道贯穿屏蔽套，在进气通道和排气通道之间的屏蔽套内，进气通道和排气通道与屏蔽套弯曲部分相切，剩余空隙是给装置内外连接的线路留有的专用通道，装置内部电源管理模组所需的电源通常由挂载复合无损探测装置的设备（如无人机，巡检机器人等）提供，检测的数据也需要传出去，传给挂载装置。挂载该装置的固定孔和支架是按照国家标准设计，具有一定的通用性。

为了减少次级电磁干扰和提高可靠性，内部重要信号调理单元、电源管理模组、微处理器，为了保证信号可靠和降低干扰，应该再加局部屏蔽隔离层（在每个分立模块外侧添加）。

②装置供电：复合无损探测装置中的内部电源管理模组是对进来的电源进行稳压和保证内部电路正常运行的。同时电源模组设有正负电源和PWM发生器，专门给湿度传感模组内的抽排气泵供电。正负电源还要给内部的信号调理与传输单元（内含放大器）供电，正电源给声传感模组、湿度传感模组、光传感模组、微处理器、信号调理与传输单元供电。

③磁传感器校准：所述磁传感器为感应线圈。此处不同规格的输电线路会有对应不同的屏蔽效能的计算，屏蔽体的设计也是不同的，所以为了防止电晕产生过电压（本领域人员公知）或者应用到了不同规格的输电线路中，应该在应用前进行校准（安装位置校准，输出为0电位；感应校准，输出的感应电压值不能低于也不能高于对应的检测阈值）。

④磁传感器判断：磁传感模组不仅可以用来检测电晕发出的阶跃磁场（差分信号），还能在初始时不同线缆规格电场下屏蔽壳体内磁场的大小，从而调节感应敏感区的上下限。在复合无损探测装置前后两内壁各有一个固定在同一水平高度成中心对称的磁感应线圈，形成差分信号输入给信号调理端。之所以这样设定，是因为当竖直挂载在高压线路的正下方或者正上方时，如果没有破损电晕，屏蔽体内的差分信号经过调理后输出为0伏，当挂载的该装置绕高压线摇摆，只要挂载的装置（无人机，巡检机器人），绕轴线旋转，线圈中心点距离高压轴线的距离只要相等，仍然可以忽略摇摆的影响。

既然要实现忽略上述摇摆影响的条件，此处对挂载设备的安装方式有一定要求，挂载的本装置要保持轴线方向和装置运动方向（线路方向）一致。如果出现破损电晕，左侧（前方）的线圈先感应到阶跃信号，右侧（后方）信号还没有到达破损电晕发生处，所以差分信号调理会输出一定的信号（大于0伏，随着破损的程度而成正相关变化），这一信号的输出是判断是否有破损线缆引起的强烈电晕的判据之一。

⑤声传感器判断：声传感模组主要用来捕捉电离空气产生的频率，以及电晕产生的噪声响度和固有环境中噪声响度的差值，这一信号的输出是判断是否有破损线缆引起的强烈电晕的判据之一。

本步骤声传感模组检测到的频率归一化后的值设为b1，权值设为B1；检测到的响度归一化后的值设为b2，权值设为B2。其中，令B=B1+B2。

⑥光传感器判断：在复合无损探测装置左右两侧有外加的屏蔽体，屏蔽体内部有专用的消磁S形光路通道，留给光纤用来传播光束，复合无损探测装置内部光耦的输出是判断是否有破损线缆引起的强烈电晕的判据之一。如果直接穿孔连接装置内外，会有磁感线和电场线通过装置空隙穿进屏蔽体，所以采用S形嵌入设计，可以有效防止漏磁对内部电路的干扰。本步骤光传感模组会接收到电晕光，通过光传感模组内部光耦转换为电压量，其归一化（把测得值除以测量的范围）后的值为a，权值定为A；

⑦湿度传感器判断：由于电晕强度与环境的空气湿度密切相关，所以利用湿度传感器获得实时周围空气湿度，从而把湿度传感器传出的电压信号，利用微处理器自适应的确定了检测环境的阈值，当超出正常阈值后，初步确认为线缆的外表面破损（有断裂或者毛刺）。湿度传感器传出的信号归一化的值为d，D为人为设定敏感系数。

⑧综合处理：利用德尔菲法加权处理，确认并记录破损点。其中A+B+C=1，且A>B>C> D>0。令，损坏的确定参数为e，若通过微处理器解算e>f，则不 做损伤告警；反之，发出告警信号，并传输f的值，同时通过挂载（飞行器或巡检机器人）的传 感装置实时记录破损点。

Claims (4)

1.一种基于德尔菲法的多传感融合输电线路无损检测方法，其特征在于：

利用磁传感器获得初始电压，利用湿度传感器获得初始空气湿度，从而自适应确定了检测环境的阈值，当超出正常阈值后，初步确认为线缆的外表面破损，再根据磁传感器监测的磁场强度，光传感器得到的光强，声传感器得到的频率和响度，剔除空气湿度和固有电压感应电晕的干扰，通过信号调理与传输单元，先送入处理器归一化处理，再利用德尔菲法加权处理，确认并记录破损点。

2.根据权利要求1所述的基于德尔菲法的多传感融合输电线路无损检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）先开启磁传感器和湿度传感器以及相应的信号调理与传输单元；

（2）利用磁传感器获得初始电压，第一磁传感器获得感应电压为V1，第二磁传感器获得感应电压V2，由此获得差分电压V=V2-V1；本步骤测出的磁感应差分信号V，归一化后设为c，权值设为C；

（3）利用湿度传感器获得实时周围空气湿度，从而把湿度传感器传出的电压信号，利用微处理器自适应的确定了检测环境的阈值，当超出正常阈值后，初步确认为线缆的外表面破损：有断裂或者毛刺；湿度传感器传出的信号归一化的值为d，权值D为在调试过程中人为设定敏感系数；

（4）根据以上步骤，确认是否有线路破损的可能：如果c在空气湿度d时，没有超出预先设定的阈值F，则沿着高压线路继续巡检；如果值异常，超出了阈值，则进行以下步骤的检测；

（5）声传感模组检测到的频率归一化后的值设为b1，权值设为B1；检测到的响度归一化后的值设为b2，权值设为B2，令B=B1+B2；

（6）光传感模组会接收到电晕光，通过光传感模组内部光耦转换为电压量，其归一化后的值为a，权值定为A；

（7）利用德尔菲法加权处理，确认并记录破损点，其中A+B+C=1，且A>B>C>D>0；令，损坏的确定参数为e，若通过微处理器解算e>f，则不做损伤告警；反之，发出告警信号，并传输f的值，同时通过挂载的传感装置实时记录破损点。

3.根据权利要求2所述的基于德尔菲法的多传感融合输电线路无损检测方法，其特征在于：步骤（1）中，先开启两种传感器进行检测：湿度传感器和磁传感器阈值的获取后，初步判断线路是否破损；如果此类方法判定有破损的可能，再开启光传感器、声传感器以及对应的信号调理单元获取阈值，再利用德尔菲法进行加权验证，同时记录破损点。

4.根据权利要求2所述的基于德尔菲法的多传感融合输电线路无损检测方法，其特征在于：所述多种传感模组的挂载装置是指飞行器或巡检机器人。