CN112130035B - 基于无人机的绝缘子放电声波和电磁波的检测方法及设备 - Google Patents

基于无人机的绝缘子放电声波和电磁波的检测方法及设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于无人机的绝缘子放电声波和电磁波的检测方法，包括以下步骤：使用两台搭载相同测量装置的同型号无人机进行同步测量，一台在被测绝缘子所处线路附近测量干扰电磁波、干扰声波，另一台在被测绝缘子附近测量绝缘子电磁波、绝缘子声波；对干扰电磁波和干扰声波进行的修正；通过修正后的干扰电磁波对绝缘子电磁波进行过滤，得到不含干扰的绝缘子电磁波；通过修正后的干扰声波对绝缘子声波进行过滤，得到不含干扰的绝缘子声波。

Description

基于无人机的绝缘子放电声波和电磁波的检测方法及设备
技术领域
本发明涉及基于无人机的绝缘子放电声波和电磁波的检测方法及设备，属于电力设备检测领域。
背景技术
架空线路的外绝缘性能主要由线路绝缘子决定，但绝缘子会在粉尘、盐碱、水汽等环境因素的作用下出现污秽，导致绝缘能力降低，出现绝缘子放电现象。运行中的带有污秽的绝缘子放电时会向外发射具有一定特征的电磁波信号和声信号，对这类信号进行有效检测可实现对绝缘子污秽程度的非接触式检测。绝缘子污秽放电发射的电磁波频率集中在1GHz以下；绝缘子污秽放电发射的声波频率主要集中在10～15KHz。(可参见《基于声发射技术的绝缘子污秽放电检测》、《污秽绝缘子的超高频放电频谱及其指纹特征研究》)并且，在测量过程中，自然界、工业、通讯甚至检测装置本身产生的电磁波和声波均会干扰检测,尤其是对声波检测的影响较大。
发明内容
本发明解决的技术问题为提供一种适用于架空线路的利用无人机搭载测量工具实现对绝缘子放电发出的电磁波和声波的检测方法。本发明根据被测量的特性(易受干扰)对测量方法进行相应的调整,结合二者的优势，使用两台搭载相同测量装置的同型号无人机进行同步测量，滤去干扰电磁波及干扰声波，极大程度地减少了测量误差。
本发明的技术方案如下：
技术方案一：
基于无人机的绝缘子放电声波和电磁波的检测方法，包括以下步骤：
使用两台搭载相同测量装置的同型号无人机进行同步测量，一台在被测绝缘子所处线路附近测量干扰电磁波、干扰声波，另一台在被测绝缘子附近测量绝缘子电磁波、绝缘子声波；
对干扰电磁波和干扰声波进行的修正，得到修正后的干扰电磁波和修正后的干扰声波；
通过修正后的干扰电磁波对绝缘子电磁波进行过滤，得到不含干扰的绝缘子电磁波；通过修正后的干扰声波对绝缘子声波进行过滤，得到不含干扰的绝缘子声波。
进一步的，测量干扰电磁波和干扰声波时，无人机应位于被测绝缘子所处线路档距的中点；测量绝缘子电磁波和绝缘子声波时，无人机应尽量靠近被测绝缘子。
进一步的，对干扰电磁波的强度进行修正，具体步骤为：
当绝缘子所处海拔不超过1000米时，无需修正；
当绝缘子所处海拔超过1000米时，根据公式计算修正强度，其中h1为测量干扰电磁波的无人机高度，h2为测量绝缘子电磁波的无人机高度；根据N修＝N+ΔNH，计算修正后干扰电磁波的信号强度，其中N为测量得到的绝缘子电磁波强度，单位为dB。
进一步的，对干扰声波的声能进行修正，具体步骤为：
测量得到干扰声波的声压P，根据公式计算得到干扰声波的声能J；
根据公式ΔJ＝e-αΔd计算声能的修正系数，其中α为声衰减常数，Δd为两台无人机间的直线距离；
根据公式J修＝ΔJ*J计算修正后的声能。
进一步的，通过修正后的干扰电磁波对绝缘子电磁波进行过滤的具体步骤为：
分别对绝缘子电磁波、修正后的干扰电磁波进行快速傅里叶变换，得到对应的频域信号；
在频域中用绝缘子电磁波模值减去修正后的干扰电磁波模值，得到一组新的幅频参数；
用新的幅频参数和绝缘子电磁波初始的相频参数进行傅里叶反变换，得到不含干扰电磁波的绝缘子电磁波时域参数。
进一步的，通过修正后的干扰声波对绝缘子声波进行过滤的具体步骤为：
分别对绝缘子声波、修正后的干扰声波进行快速傅里叶变换，得到对应的频域信号；
在频域中用绝缘子声波模值减去修正后的干扰声波模值，得到一组新的幅频参数；
用新的幅频参数和绝缘子声波初始的相频参数进行傅里叶反变换，得到不含干扰声波的绝缘子声波时域参数。
技术方案二：
基于无人机的绝缘子放电声波和电磁波的检测方法的设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有指令，所述指令适于由处理器加载并执行以下步骤：
使用两台搭载相同测量装置的同型号无人机进行同步测量，一台在被测绝缘子所处线路附近测量干扰电磁波、干扰声波，另一台在被测绝缘子附近测量绝缘子电磁波、绝缘子声波；
对干扰电磁波和干扰声波进行的修正，得到修正后的干扰电磁波和修正后的干扰声波；
通过修正后的干扰电磁波对绝缘子电磁波进行过滤，得到不含干扰的绝缘子电磁波；通过修正后的干扰声波对绝缘子声波进行过滤，得到不含干扰的绝缘子声波。
进一步的，测量干扰电磁波和干扰声波时，无人机应位于被测绝缘子所处线路档距的中点；测量绝缘子电磁波和绝缘子声波时，无人机应尽量靠近被测绝缘子。
进一步的，对干扰电磁波的强度进行修正，具体步骤为：
当绝缘子所处海拔不超过1000米时，无需修正；
当绝缘子所处海拔超过1000米时，根据公式计算修正强度，其中h1为测量干扰电磁波的无人机高度，h2为测量绝缘子电磁波的无人机高度；根据N修＝N+ΔNH，计算修正后干扰电磁波的信号强度，其中N为测量得到的绝缘子电磁波强度，单位为dB。
进一步的，对干扰声波的声能进行修正，具体步骤为：
测量得到干扰声波的声压P，根据公式计算得到干扰声波的声能J；
根据公式ΔJ＝e-αΔd计算声能的修正系数，其中α为声衰减常数，Δd为两台无人机间的直线距离；
根据公式J修＝ΔJ*J计算修正后的声能。
进一步的，通过修正后的干扰电磁波对绝缘子电磁波进行过滤的具体步骤为：
分别对绝缘子电磁波、修正后的干扰电磁波进行快速傅里叶变换，得到对应的频域信号；
在频域中用绝缘子电磁波模值减去修正后的干扰电磁波模值，得到一组新的幅频参数；
用新的幅频参数和绝缘子电磁波初始的相频参数进行傅里叶反变换，得到不含干扰电磁波的绝缘子电磁波时域参数。
进一步的，通过修正后的干扰声波对绝缘子声波进行过滤的具体步骤为：
分别对绝缘子声波、修正后的干扰声波进行快速傅里叶变换，得到对应的频域信号；
在频域中用绝缘子声波模值减去修正后的干扰声波模值，得到一组新的幅频参数；
用新的幅频参数和绝缘子声波初始的相频参数进行傅里叶反变换，得到不含干扰声波的绝缘子声波时域参数。
本发明具有如下有益效果：
1、架空线路作业危险度高，尤其是对于地势险峻的偏远地区，使用无人机作业可有效杜绝此种风险，降低作业难度，提升作业效率；
2、单个测量装置得到的电磁波及声波中包含大量周围环境、无人机以及测量装置本身产生的干扰电磁波及干扰声波，本发明使用两台搭载相同测量装置的同型号无人机进行同步测量，滤去干扰电磁波及干扰声波，极大程度地减少了测量误差，测量精准度高，有利于数据分析过程；
3、本发明实现了对处于正常工作状态的绝缘子的污秽程度的非接触检测，无需对绝缘子进行改造，也不用停电停产进行检查；
4、本发明基于绝缘子电磁波和声波的共同特性，电磁波与声波发生都在绝缘子放电阶段，随绝缘子放电电流的强度而增强；并结合电磁波检测和声波检测的优势，两者之间互为补充，相互对照；
5、本发明对干扰声波和干扰电磁波进行修正，提高电磁波检测精度，保证声波检测准确度。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
实施例一
参见图1，基于无人机的绝缘子放电声波和电磁波的检测方法，包括以下步骤：
使用两台搭载相同测量装置(包括电磁波信号接收天线、声发射信号传感器、GPS定位模块、测距模块、数模转换模块以及数据存储模块)的同型号无人机进行同步测量，一台在被测绝缘子所处线路附近测量干扰电磁波、干扰声波，另一台在被测绝缘子附近测量绝缘子电磁波，绝缘子声波；此时测量所得的绝缘子电磁波中包含干扰电磁波，绝缘子声波中包含干扰声波；
对干扰电磁波和干扰声波进行相应的修正，得到修正后的干扰电磁波和修正后的干扰声波；
通过修正后的干扰电磁波对绝缘子电磁波进行过滤，得到不含干扰的绝缘子电磁波；通过修正后的干扰声波对绝缘子声波进行过滤，得到不含干扰的绝缘子声波。
本实施例的有益效果在于：
1、架空线路作业危险度高，尤其是对于地势险峻的偏远地区，使用无人机作业可有效杜绝此种风险，降低作业难度，提升作业效率；
2、单个测量装置得到的电磁波及声波中包含大量周围环境、无人机以及测量装置本身产生的干扰电磁波及干扰声波，本发明使用两台搭载相同测量装置的同型号无人机进行同步测量，滤去干扰电磁波及干扰声波，极大程度地减少了测量误差，测量精准度高，有利于数据分析过程；
3、实现了对处于正常工作状态的绝缘子的污秽程度的非接触检测，无需对绝缘子进行改造，也不用停电停产进行检查；
4、基于绝缘子电磁波和声波的共同特性，电磁波与声波发生都在绝缘子放电阶段，随绝缘子放电电流的强度而增强；并结合电磁波检测和声波检测的优势，两者之间互为补充，相互对照，例如：
(1)声波检测比起电磁波检测更具有直观性，有利于现场作业，通过外差技术，技术人员可以在耳机中听到放电声音，并根据放电声音初步判断是否存在绝缘子放电现象以及严重度；
(2)绝缘子发射声波频谱很宽，其中频段越高的声波衰减速度越快，对测量距离有一定要求，电磁波检测在一定程度上弥补了这个缺陷，电磁波衰减速度慢，可在较远距离内进行测量。
实施例二
线路两端均设有绝缘子，容易对干扰电磁波及干扰声波的测量产生影响，故将测量干扰电磁波和干扰声波的无人机设置在被测绝缘子所处线路档距的中点；
根据电磁波衰减公式L＝20*log(f)+20*log(d/1000)+32.4，其中：f为频率，单位为MHz；d为距离，单位为m；可知高频信号衰减较快，故使测量绝缘子电磁波和绝缘子声波的无人机尽可能靠近绝缘子。
实施例三
进一步的，对干扰电磁波的强度进行修正，具体步骤为：
当绝缘子所处海拔不超过1000米时，无需修正；
当绝缘子所处海拔超过1000米时，根据公式计算修正强度，其中h1为测量干扰电磁波的无人机高度，h2为测量绝缘子发射信号的无人机高度；根据N修＝N+ΔNH，计算修正后干扰电磁波的信号强度，其中N为测量得到的绝缘子电磁波强度，单位为dB。
进一步的，对干扰声波的声能进行修正，具体步骤为：
测量得到干扰声波的声压P，根据公式计算得到干扰声波的声能J；
根据公式ΔJ＝e-αΔd计算声能的修正系数，其中α为衰减常数，Δd为两台无人机间的直线距离；
根据公式J修＝ΔJ*J计算修正后的声能。
本实施例的进步之处在于对干扰声波和干扰电磁波进行修正，高海拔区域空气稀薄,昼夜温差大,一方面由于空气密度降低使得高海拔地区电子平均自由程增加，绝缘子污秽闪络更易发生；另一方面，电磁波信号的传播与海拔高度有关，当高度超过1000m时，高度对电磁波信号强度的影响就不可忽略，故根据海拔作出修正，提高检测精度。此外，频段越高的声波衰减速度越快，故对干扰声波的声能进行修正，保证检测准确度。
实施例四
一种基于无人机平台的绝缘子污秽检测设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有指令，所述指令适于由处理器加载并执行以下步骤：
使用两台搭载相同测量装置(包括电磁波信号接收天线、声发射信号传感器、GPS定位模块、测距模块、数模转换模块以及数据存储模块)的同型号无人机进行同步测量，一台在被测绝缘子所处线路附近测量干扰电磁波、干扰声波，另一台在被测绝缘子附近测量绝缘子电磁波，绝缘子声波；此时测量所得的绝缘子电磁波中包含干扰电磁波，绝缘子声波中包含干扰声波；
对干扰电磁波和干扰声波进行相应的修正，得到修正后的干扰电磁波和修正后的干扰声波；
通过修正后的干扰电磁波对绝缘子电磁波进行过滤，得到不含干扰的绝缘子电磁波；通过修正后的干扰声波对绝缘子声波进行过滤，得到不含干扰的绝缘子声波。
本实施例的有益效果在于：
1、架空线路作业危险度高，尤其是对于地势险峻的偏远地区，使用无人机作业可有效杜绝此种风险，降低作业难度，提升作业效率；
2、单个测量装置得到的电磁波及声波中包含大量周围环境、无人机以及测量装置本身产生的干扰电磁波及干扰声波，本发明使用两台搭载相同测量装置的同型号无人机进行同步测量，滤去干扰电磁波及干扰声波，极大程度地减少了测量误差，测量精准度高，有利于数据分析过程；
3、实现了对处于正常工作状态的绝缘子的污秽程度的非接触检测，无需对绝缘子进行改造，也不用停电停产进行检查；
4、基于绝缘子电磁波和声波的共同特性，电磁波与声波发生都在绝缘子放电阶段，随绝缘子放电电流的强度而增强；并结合电磁波检测和声波检测的优势，两者之间互为补充，相互对照，例如：
(1)声波检测比起电磁波检测更具有直观性，有利于现场作业，通过外差技术，技术人员可以在耳机中听到放电声音，并根据放电声音初步判断是否存在绝缘子放电现象以及严重度；
(2)绝缘子发射声波频谱很宽，其中频段越高的声波衰减速度越快，对测量距离有一定要求，电磁波检测在一定程度上弥补了这个缺陷，电磁波衰减速度慢，可在较远距离内进行测量。
实施例五
线路两端均设有绝缘子，容易对干扰电磁波及干扰声波的测量产生影响，故将测量干扰电磁波和干扰声波的无人机设置在被测绝缘子所处线路档距的中点；
根据电磁波衰减公式L＝20*log(f)+20*log(d/1000)+32.4，其中：f为频率，单位为MHz；d为距离，单位为m；可知高频信号衰减较快，故使测量绝缘子电磁波和绝缘子声波的无人机尽可能靠近绝缘子。
实施例六
进一步的，对干扰电磁波的强度进行修正，具体步骤为：
当绝缘子所处海拔不超过1000米时，无需修正；
当绝缘子所处海拔超过1000米时，根据公式计算修正强度，其中h1为测量干扰电磁波的无人机高度，h2为测量绝缘子发射信号的无人机高度；根据N修＝N+ΔNH，计算修正后干扰电磁波的信号强度，其中N为测量得到的绝缘子电磁波强度，单位为dB。
进一步的，对干扰声波的声能进行修正，具体步骤为：
测量得到干扰声波的声压P，根据公式计算得到干扰声波的声能J；
根据公式ΔJ＝e-αΔd计算声能的修正系数，其中α为衰减常数，Δd为两台无人机间的直线距离；
根据公式J修＝ΔJ*J计算修正后的声能。
本实施例的进步之处在于对干扰声波和干扰电磁波进行修正，高海拔区域空气稀薄,昼夜温差大,一方面由于空气密度降低使得高海拔地区电子平均自由程增加，绝缘子污秽闪络更易发生；另一方面，电磁波信号的传播与海拔高度有关，当高度超过1000m时，高度对电磁波信号强度的影响就不可忽略，故根据海拔作出修正，提高检测精度。此外，频段越高的声波衰减速度越快，故对干扰声波的声能进行修正，保证检测准确度。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.基于无人机的绝缘子放电声波和电磁波的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
使用两台搭载相同测量装置的同型号无人机进行同步测量，一台在被测绝缘子所处线路附近测量干扰电磁波、干扰声波，另一台在被测绝缘子附近测量绝缘子电磁波、绝缘子声波；测量干扰电磁波和干扰声波时，无人机应位于被测绝缘子所处线路档距的中点；
对干扰电磁波和干扰声波进行的修正，得到修正后的干扰电磁波和修正后的干扰声波；
对干扰电磁波的强度进行修正，具体步骤为：当绝缘子所处海拔不超过1000米时，无需修正；当绝缘子所处海拔超过1000米时，根据公式计算修正强度，其中h1为测量干扰电磁波的无人机高度，h2为测量绝缘子电磁波的无人机高度；根据N修＝N+ΔNH，计算修正后干扰电磁波的信号强度，其中N为测量得到的绝缘子电磁波强度，单位为dB；
对干扰声波的声能进行修正，具体步骤为：测量得到干扰声波的声压P，根据公式计算得到干扰声波的声能J；根据公式ΔJ＝e-αΔd计算声能的修正系数，其中α为声衰减常数，Δd为两台无人机间的直线距离；根据公式J修＝ΔJ*J计算修正后的声能；
通过修正后的干扰电磁波对绝缘子电磁波进行过滤，得到不含干扰的绝缘子电磁波；通过修正后的干扰声波对绝缘子声波进行过滤，得到不含干扰的绝缘子声波。
2.根据权利要求1所述的基于无人机的绝缘子放电声波和电磁波的检测方法，其特征在于，测量绝缘子电磁波和绝缘子声波时，无人机应靠近被测绝缘子。
3.根据权利要求1所述的基于无人机的绝缘子放电声波和电磁波的检测方法，其特征在于，通过修正后的干扰电磁波对绝缘子电磁波进行过滤的具体步骤为：
分别对绝缘子电磁波、修正后的干扰电磁波进行快速傅里叶变换，得到对应的频域信号；
在频域中用绝缘子电磁波模值减去修正后的干扰电磁波模值，得到一组新的幅频参数；
用新的幅频参数和绝缘子电磁波初始的相频参数进行傅里叶反变换，得到不含干扰电磁波的绝缘子电磁波时域参数。
4.根据权利要求1所述的基于无人机的绝缘子放电声波和电磁波的检测方法，其特征在于，通过修正后的干扰声波对绝缘子声波进行过滤的具体步骤为：
分别对绝缘子声波、修正后的干扰声波进行快速傅里叶变换，得到对应的频域信号；
在频域中用绝缘子声波模值减去修正后的干扰声波模值，得到一组新的幅频参数；
用新的幅频参数和绝缘子声波初始的相频参数进行傅里叶反变换，得到不含干扰声波的绝缘子声波时域参数。
5.基于无人机的绝缘子放电声波和电磁波的检测设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储有指令，所述指令适于由处理器加载并执行如权利要求1-4任一所述的基于无人机的绝缘子放电声波和电磁波的检测方法。
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