CN111006658A - 一种架空通信光缆偏移多维传感器监测模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种架空通信光缆偏移多维传感器监测模块,涉及光缆监测技术领域,包括陀螺阵列、数据采集、最优滤波器、随机漂移误差模型以及Allam方差分析,陀螺阵列通过数据采集使得采集数据与最优滤波器以及Allam方差分析相互连接,Allam方差分析通过随机漂移误差模型与最优滤波器相互连接,最优滤波器将虚拟陀螺信息输出,本专利采用MEMS陀螺作为方位传感器,利用陀螺的定轴性来测量方位,实现对ADSS光缆在输电杆塔上连接金具的纵向和横向的偏移进行监测,预警ADSS光缆弧垂和对地距离的状态,基于偏移多维传感器监测的检测数据可以对全介质自承式光缆在各种气象条件下的静态特性和动态特性、对ASS光缆风摆问题进行评估。
Description
技术领域
本发明涉及光缆监测技术领域,具体为一种架空通信光缆偏移多维传感器监测模块。
背景技术
随着电力系统的快速发展,全介质自承式光缆(ADSS)以其独特的结构,良好的绝缘性和耐高温性及抗拉强度高等特点,已广泛应用于电力通信线路,电网中110kV及以下电力线路架设的光缆大多为ADSS光缆,由于电力ADSS光缆的挂点比较低,如果光缆金具老化,弧垂降低,很容易发生由于外力破坏造成光缆中断,影响光纤承载的保护、自动化,网络等业务,因此,如果能够对ADSS光缆弧垂状态进行在线监测。
由于ADSS光缆的全介质的材料特性引起的特殊的机械强度问题。它主要有以下几个方面的表现:
1、微风振动
当光缆受到风速不大,稳定均匀的横向风力作用时,光缆背风面形成以一定频率变化且上下交替的风力涡流。这个涡流使光缆受到同一频率上下交变的冲力作用,当涡流的冲击频率与光缆的固有频率接近或相等时,便在光缆垂直平面内产生谐振,从而引起光缆的振动。光缆长时间的振动会使光缆本身疲劳断股,也会引起杆塔和金具螺栓松动或金具零件损坏。
2、气象条件对ADSS光缆的影响
由于ADSS光缆和相线具有不一样的材质,二者对天气变化的反应是不同的,因为相线是金属材质,所以热胀冷缩比较明显;但是它抗拉伸性能比较好,又比较重,所以覆冰以及风载对它的影响要小一些,而ADSS光缆是非金属材质,比较轻,所以温度的变化对它影响不大,但是其上的覆冰或者风载会使光缆伸长很多。二者对天气不一样的反应可能会使相线与ADSS光缆靠近,在极端天气状况下,可能会因过分靠近而引发线路闪络。当地的气候条件对ADSS光缆和相线的距离可能会产生多大影响,这是设计和施工时需要考虑的。
3、风摆问题
在大风天气,光缆和相线都会被风吹起摆动。因为光缆重量较轻,所以它更容易被风吹起,并且具有更大的摆幅。风速为30nl/s时,并且二者在较大的风载中都会产生一定的拉伸,但程度不一,所以光缆和相线在摆动过程中有可能相互靠近,乃至发生碰撞,就有可能发生闪络,引起继电保护动作。
风摆问题更常见于大弧垂架设光缆的情况下,特别是架设于山头的杆塔。因为杆塔在山顶上,限于施工条件,杆塔所能承受的水平拉力相对平地上的杆塔要小的多,为了避免给杆塔太大的水平拉力,相线和光缆都设计有相当大的弧垂,使相线和光缆因本身重力所引起的对杆塔的拉力的水平分力要小,这样,大风从山谷中吹过时,ADSS光缆比较轻,就会先被风吹起,相线比较重,后被风吹起,二者有可能在摆动中相互接近乃至碰撞,这就是ADSS光缆的风摆问题。
ADSS光缆和相线的风摆问题,结合它们对气候不同的应力应变问题是一个有实际意义,研究风摆问题主要是研究ADSS光缆和相线之间相对位置的距离关系,在实际施工中对风摆问题的考虑很多是基于经验判断,缺少科学准确的计算数据,所以研究在各种气候条件下缆线的摆动规律,再开发对应的计算程序和应用软件,对于ADSS光缆工程设计和施工是有帮助的
此外,由于电力ADSS光缆的挂点比较低,如果光缆金具老化,弧垂降低,与地面距离缩短,很容易发生由于吊车等工程车辆挂线造成光缆中断,影响光纤承载的保护、自动化等业务,本专利采用MEMS陀螺作为方位传感器,利用陀螺的定轴性来测量方位,实现对ADSS光缆在输电杆塔上连接金具的纵向和横向的偏移进行监测,预警ADSS光缆弧垂和对地距离的状态,基于偏移多维传感器监测的检测数据可以对全介质自承式光缆(ASS在各种气象条件下的静态特性和动态特性、对ASS光缆风摆问题进行评估。
发明内容
本发明提供一种架空通信光缆偏移多维传感器监测模块,采用无人机上使用的IMU技术设计架空光缆偏移监测的多维传感器,利用MEMS陀螺角速度测量技术解决架空光缆线路的纵向状态和横向偏移进行监测,实现对架空通信线路对地距离进行测量,本发明提供如下技术方案:一种架空通信光缆偏移多维传感器监测模块,包括陀螺阵列、数据采集、最优滤波器、随机漂移误差模型以及Allam方差分析,所述陀螺阵列通过数据采集使得采集数据与最优滤波器以及Allam方差分析相互连接,所述Allam方差分析通过随机漂移误差模型与最优滤波器相互连接,所述最优滤波器将虚拟陀螺信息输出;
所述多维传感监测模块将多个普通精度的陀螺组成一个阵列,对光缆在杆塔上金具的位移信号进行冗余监测,通过对陀螺阵列的测量信息的进行分析辨识,设计最优滤波器,估计出陀螺各项误差的大小,并对测量信息补偿校正,得到对输入角速率的高精度估计值,首先确定陀螺随机误差模型,可以采用Allan方差的误差建模方法,获得随机误差方差大小;然后设计最优滤波器对采样的N个陀螺信号进行同类传感器信息融合。
作为本发明的一种优选技术方案,所述架空通信光缆偏移监测传感器模块是主要采用IMU技术,IMU即为惯性测量单元,惯性测量单元是测量物体三轴姿态角以及加速度的装置。
作为本发明的一种优选技术方案,所述IMU的主要元件为陀螺仪及加速度计,其精度直接影响到惯性系统的精度,一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺仪,加速度计监测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号,而陀螺仪监测载体相对于导航坐标系的角速度信号,测量物体在三维空间中的角速度和加速度,并以此解算出物体的姿态。
作为本发明的一种优选技术方案,所述惯性测量单元是自由度陀螺仪,具有两个主要特性,即定轴性和进动性,方位测量主要利用陀螺的定轴性。
作为本发明的一种优选技术方案,陀螺信号采样需要用到多通道模拟开关和AD转换芯片,所以使同一个测量轴的陀螺采用同一个选择通道,同一个AD转换通道。
作为本发明的一种优选技术方案,所述多维传感监测模块将多个普通精度的陀螺组成一个阵列,对光缆在杆塔上金具的位移信号进行冗余监测,并采用数据融合技术对这些监测值进行分析综合,得到对输入角速率的最优估计值,最终形成一个精度相对较高的陀螺,其核心在于软件滤波器的设计。
作为本发明的一种优选技术方案,多维传感器监测模块采集的数据经过智能算法,就可以精确测量弧垂和相邻物体的状态,从而实现架空通信光缆对地距离、弧垂的动态在线监测。
有益效果
与现有技术相比,本发明提供了一种架空通信光缆偏移多维传感器监测模块,具备以下有益效果:
该架空通信光缆偏移多维传感器监测模块,本专利采用MEMS陀螺作为方位传感器,利用陀螺的定轴性来测量方位,实现对ADSS光缆在输电杆塔上连接金具的纵向和横向的偏移进行监测,预警ADSS光缆弧垂和对地距离的状态,基于偏移多维传感器监测的检测数据可以对全介质自承式光缆在各种气象条件下的静态特性和动态特性、对ASS光缆风摆问题进行评估。
附图说明
图1为本发明基于MEMS陀螺阵列的多维传感检测模块系统方案图;
图2为本发明框架陀螺控制及方位采集电路原理方框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2,本发明公开了一种架空通信光缆偏移多维传感器监测模块,包括陀螺阵列、数据采集、最优滤波器、随机漂移误差模型以及Allam方差分析,所述陀螺阵列通过数据采集使得采集数据与最优滤波器以及Allam方差分析相互连接,所述Allam方差分析通过随机漂移误差模型与最优滤波器相互连接,所述最优滤波器将虚拟陀螺信息输出;
所述多维传感监测模块将多个普通精度的陀螺组成一个阵列,对光缆在杆塔上金具的位移信号进行冗余监测,通过对陀螺阵列的测量信息的进行分析辨识,设计最优滤波器,估计出陀螺各项误差的大小,并对测量信息补偿校正,得到对输入角速率的高精度估计值,首先确定陀螺随机误差模型,可以采用Allan方差的误差建模方法,获得随机误差方差大小;然后设计最优滤波器对采样的N个陀螺信号进行同类传感器信息融合。
具体的,所述架空通信光缆偏移监测传感器模块是主要采用IMU技术,IMU即为惯性测量单元,(英文:Inertial measurement unit,简称IMU)惯性测量单元是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。
具体的,所述IMU的主要元件为陀螺仪及加速度计,其精度直接影响到惯性系统的精度,在实际工作中,由于不可避免的各种干扰因素,而导致陀螺仪及加速度计产生误差,从初始对准开始,其导航误差就随时间而增长,尤其是位置误差,这是惯导系统的主要缺点。所以需要利用外部信息进行辅助,实现组合导航,使其有效地减小误差随时间积累的问题。为了提高可靠性,还可以为每个轴配备更多的传感器。一般而言IMU要安装在被测物体的重心上,一般情况,一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺仪,加速度计监测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号,而陀螺仪监测载体相对于导航坐标系的角速度信号,测量物体在三维空间中的角速度和加速度,并以此解算出物体的姿态,本方案中在构造MEMS IMU时,每个测量轴上放置了3个ADI公司的ADXRL150微机械陀螺,并设计了相应的信号采集电路,然后在分析陀螺采样信号相关性的基础上,设计一个Kalman滤波器作为状态估计器,估计出真实的角速度和每个陀螺的零偏,完成对多陀螺信息的融合,以提高MEMS IMU的角速度测量精度。
具体的,所述惯性测量单元是自由度陀螺仪,具有两个主要特性,即定轴性和进动性,方位测量主要利用陀螺的定轴性,陀螺启动后,转子轴的方向不变,连接在陀螺仪外框架轴上的方位电刷也相对陀螺转子轴的方向不动,而环形方位电位器线绕电阻与仪器相固连,当架空光缆在输电杆塔上的连接固定金具发生偏移时,方位电刷相对方位电位器线绕电阻划过一定的角度,这一角度即为仪器旋转的角度,由方位电位器可读取方位角信号。
请参考图2所示,MEMS陀螺控制及方位采集电路,MEMS框架陀螺控制及方位采集电路如图所示。当单片机系统将陀螺启动/停止控制信号(ON/OFF)置低电平时,陀螺将自由控制信号(F- FREE)置高电平,锁紧自由电机工作,将陀螺处于自由状态。陀螺自由后,利用陀螺的定轴性,方位信号采集电路即可采集到仪器所处的方位角。同时,水平修正电路自动检测、修正陀螺自转轴的状态,使它处于水平状态。状态检测电路采集陀螺所处状态,提供给单片机。
1、方位采集:方位电位器的阻值变化对应方位角的变化,方位电位器作为放大器的反馈电阻,将方位电位器的阻值Rx变化转变为电压的变化。
2、锁紧自由控制:①控制陀螺转/停(ON/OFF),当ON/OFF= 0,陀螺电源三相方波输出,陀螺开始旋转;当ON/OFF= 1,陀螺电源无三相方波输出,陀螺停止旋转;②锁紧控制(F-LOCK),当F- LOCK= 1时,锁紧自由电机工作,陀螺锁紧;当F- LOCK= 0时,陀螺锁紧工作停止;③自由控制(F- FREE),当F- FREE= 1时,锁紧自由电机工作,陀螺自由;当F- FREE= 0时,陀螺自由工作停止;④检测陀螺状态(JC- FREE、JC- LOCK),当JC- FREE= 1、JC- LOCK=0时,陀螺在自由状态,陀螺状态显示“自由”;当JC- LOCK= 1、JC-FREE= 0时,陀螺在锁定状态,陀螺状态显示“锁定”;当JC- FREE= 0、JC- LOCK= 0时,陀螺处在中间状态,陀螺状态显示“中间”;当JC- FREE= 1、JC-LOCK= 1时,陀螺状态显示“错误”。
具体的,陀螺信号采样需要用到多通道模拟开关和AD转换芯片,所以使同一个测量轴的陀螺采用同一个选择通道,同一个AD转换通道。
具体的,所述多维传感监测模块将多个普通精度的陀螺组成一个阵列,对光缆在杆塔上金具的位移信号进行冗余监测,并采用数据融合技术对这些监测值进行分析综合,得到对输入角速率的最优估计值,最终形成一个精度相对较高的陀螺,其核心在于软件滤波器的设计。
具体的,多维传感器监测模块采集的数据经过智能算法,就可以精确测量弧垂和相邻物体的状态,从而实现架空通信光缆对地距离、弧垂的动态在线监测。
综上所述,该架空通信光缆偏移多维传感器监测模块,该架空通信光缆偏移多维传感器监测模块,本专利采用MEMS陀螺作为方位传感器,利用陀螺的定轴性来测量方位,实现对ADSS光缆在输电杆塔上连接金具的纵向和横向的偏移进行监测,预警ADSS光缆弧垂和对地距离的状态,基于偏移多维传感器监测的检测数据可以对全介质自承式光缆在各种气象条件下的静态特性和动态特性、对ASS光缆风摆问题进行评估。
需要说明的是,在本文中,诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种架空通信光缆偏移多维传感器监测模块,包括陀螺阵列、数据采集、最优滤波器、随机漂移误差模型以及Allam方差分析,其特征在于:所述陀螺阵列通过数据采集使得采集数据与最优滤波器以及Allam方差分析相互连接,所述Allam方差分析通过随机漂移误差模型与最优滤波器相互连接,所述最优滤波器将虚拟陀螺信息输出;所述多维传感监测模块将多个普通精度的陀螺组成一个阵列,对光缆在杆塔上金具的位移信号进行冗余监测,通过对陀螺阵列的测量信息的进行分析辨识,设计最优滤波器, 估计出陀螺各项误差的大小,并对测量信息补偿校正,得到对输入角速率的高精度估计值,首先确定陀螺随机误差模型,可以采用Allan方差的误差建模方法,获得随机误差方差大小;然后设计最优滤波器对采样的N个陀螺信号进行同类传感器信息融合。
2.根据权利要求1所述的一种架空通信光缆偏移多维传感器监测模块,其特征在于:所述架空通信光缆偏移监测传感器模块是主要采用IMU技术,IMU即为惯性测量单元,惯性测量单元是测量物体三轴姿态角以及加速度的装置。
3.根据权利要求2所述的一种架空通信光缆偏移多维传感器监测模块,其特征在于:所述IMU的主要元件为陀螺仪及加速度计,其精度直接影响到惯性系统的精度,一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺仪,加速度计监测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号,而陀螺仪监测载体相对于导航坐标系的角速度信号,测量物体在三维空间中的角速度和加速度,并以此解算出物体的姿态。
4.根据权利要求2所述的一种架空通信光缆偏移多维传感器监测模块,其特征在于:所述惯性测量单元是自由度陀螺仪,具有两个主要特性,即定轴性和进动性,方位测量主要利用陀螺的定轴性。
5.根据权利要求1所述的一种架空通信光缆偏移多维传感器监测模块,其特征在于:陀螺信号采样需要用到多通道模拟开关和AD转换芯片,所以使同一个测量轴的陀螺采用同一个选择通道,同一个AD转换通道。
6.根据权利要求1所述的一种架空通信光缆偏移多维传感器监测模块,其特征在于:所述多维传感监测模块将多个普通精度的陀螺组成一个阵列,对光缆在杆塔上金具的位移信号进行冗余监测,并采用数据融合技术对这些监测值进行分析综合,得到对输入角速率的最优估计值,最终形成一个精度相对较高的陀螺,其核心在于软件滤波器的设计。
7.根据权利要求1所述的一种架空通信光缆偏移多维传感器监测模块,其特征在于:多维传感器监测模块采集的数据经过智能算法,就可以精确测量弧垂和相邻物体的状态,从而实现架空通信光缆对地距离、弧垂的动态在线监测。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200414 |