CN113267149A - 一种等值覆冰厚度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种等值覆冰厚度测量系统及方法。该系统包括：自行载体和声音传感模块；自行载体包括测距模块和声源模块；自行载体沿待测线路运动；测距模块，用于确定自行载体与待测线路之间的距离；声源模块，用于当测距结果达到预设距离时，向待测线路发射特定频率的声波信号；声音传感模块，用于通过无线方式接收测距结果和声波信号的初始声波强度，以及通过光纤接收特定频率的声波信号和确定声波信号的接收声波强度；并用于根据测距结果、声波信号的初始声波强度以及接收声波强度，计算等值覆冰厚度。本发明实施例提供的等值覆冰厚度测量系统，具有档内空间分辨能力，提高了测量结果的准确性，有益于运维人员准确评估线路风险。

Description

一种等值覆冰厚度测量系统及方法

技术领域

本发明实施例涉及电力电子技术，尤其涉及一种等值覆冰厚度测量系统及方法。

背景技术

在电力系统中，输电线路上的覆冰是影响线路运行的重要因素之一，运维部门需要及时掌握线路覆冰情况以采取恰当措施。如果采用人工测量模拟导线或现场观测等方式来获知覆冰严重程度，则存在人力耗费巨大、环境危险等问题。

现有技术中，存在基于分布式光纤温度传感器或者基于应力传感器的远程等值覆冰厚度测量技术。具有测量范围广、不耗费人工、理论依据强的优点。

但是，现有技术中利用温度和应力传感器的测量技术，测量的空间分辨率差，通常只提供以单档甚至耐张段长度内的等值覆冰厚度测量，具有一定的应用局限，测量结果也不够准确，不利于运维人员准确评估线路风险。

发明内容

本发明实施例提供一种等值覆冰厚度测量系统及方法，可以通过采集测距结果、声波信号的初始声波强度以及接收声波强度，来确定等值覆冰厚度，从而提高了等值覆冰厚度测量的准确性。

第一方面，本发明实施例提供了一种等值覆冰厚度测量系统，所述系统包括：自行载体和声音传感模块；所述自行载体包括测距模块和声源模块；

所述自行载体，用于沿待测线路运动；其中，所述待测线路包含光纤；

所述测距模块，设置于所述自行载体中，用于确定所述自行载体与待测线路之间的距离，得到测距结果；

所述声源模块，设置于所述自行载体中，用于当所述测距结果达到预设距离时，向所述待测线路发射特定频率的声波信号，记录所述声波信号的初始强度；

所述声音传感模块，采用分布方式设置于待测线路中，与所述待测线路的光纤连接，并通过无线方式与所述自行载体连接，用于通过无线方式接收所述测距结果和所述声波信号的初始声波强度，以及通过所述光纤接收特定频率的声波信号和确定所述声波信号的接收声波强度；并用于根据所述测距结果、声波信号的初始声波强度以及接收声波强度，计算等值覆冰厚度。

第二方面，本发明实施例还提供了一种等值覆冰厚度测量方法，所述方法由等值覆冰厚度计算系统执行，所述系统包括：自行载体和声音传感模块；所述自行载体包括测距模块和声源模块；自行载体，用于沿待测线路运动；其中，所述待测线路包含光纤；所述方法包括：

确定所述自行载体与待测线路之间的距离，得到测距结果；

当所述测距结果达到预设距离时，向所述待测线路发射特定频率的声波信号，记录所述声波信号的初始强度；

通过无线方式接收所述测距结果和所述声波信号的初始声波强度，以及通过所述光纤接收特定频率的声波信号和确定所述声波信号的接收声波强度；并用于根据所述测距结果、声波信号的初始声波强度以及接收声波强度，计算等值覆冰厚度。

本申请实施例所提供的技术方案，通过自行载体进行沿待测线路运动；通过测距模块确定自行载体与待测线路之间的距离；当测距结果达到预设距离时，通过声源模块向待测线路发射特定频率的声波信号；通过声音传感模块接收测距结果和声波信号的初始声波强度，并确定声波信号的接收声波强度；等值覆冰厚度测量系统根据测距结果、声波信号的初始声波强度以及接收声波强度，实现准确的等值覆冰厚度计算。克服了等值覆冰厚度测量系统的应用局限，具有档内空间分辨能力，提高了等值覆冰厚度测量的准确性。

附图说明

图1是本申请实施例一提供的等值覆冰厚度测量系统的结构框图；

图2是本发明实施例二提供的等值覆冰厚度测量系统的结构框图；

图3是本发明实施例二提供的等值覆冰厚度测量系统的工作原理示意图；

图4是本发明实施例三提供的等值覆冰厚度测量方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明实施例作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明实施例，而非对本发明实施例的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明实施例相关的部分而非全部结构。

在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各步骤描述成顺序的处理，但是其中的许多步骤可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各步骤的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的等值覆冰厚度测量系统的结构框图，本实施例为一种等值覆冰厚度测量系统，该系统可以应用于线路风险评估场景中，该系统包括：自行载体100和声音传感模块200；所述自行载体包括测距模块110和声源模块120。

自行载体100，用于沿待测线路运动；其中，所述待测线路包含光纤；

测距模块110，设置于所述自行载体中，用于确定所述自行载体与待测线路之间的距离，得到测距结果；

声源模块120，设置于所述自行载体中，用于当所述测距结果达到预设距离时，向所述待测线路发射特定频率的声波信号，记录所述声波信号的初始强度；

声音传感模块200，采用分布方式设置于待测线路中，与所述待测线路的光纤连接，并通过无线方式与所述自行载体连接，用于通过无线方式接收所述测距结果和所述声波信号的初始声波强度，以及通过所述光纤接收特定频率的声波信号和确定所述声波信号的接收声波强度；并用于根据所述测距结果、声波信号的初始声波强度以及接收声波强度，计算等值覆冰厚度。

其中，所述自行载体是可以沿待测线路运动的硬件结构，例如可以是无人机、线路爬行机器人等。所述待测线路可以包括光纤，例如电力系统中常用的光纤复合地线，除此之外也可以包括其他可以对声波信号进行传感的缆线。

可以理解的，测距模块用于确定自行载体与待测线路之间的距离，得到测距结果。测距模块可以包括激光测距传感器，也可以包括雷达，还可以包括红外测距传感器。确定自行载体与待测线路之间的距离可以是在自行载体到达待测线路附近之后，测距模块对待测线路进行瞄准，然后测得自行载体与待测线路之间的距离；也可以是测距模块持续测距生成测距结果，当到达待测线路附近时，通过发射信号是否被待测线路阻碍来判定测距结果是否可用。所述发射信号可以是激光、红外线和电磁波等。

自行载体除了负载测距模块之外，还负载声源模块，声源模块可以发射声波信号，例如可以包括声波发生器。声源模块所发射的声波信号具有特定频率，这样可以实现与实际环境中其他声波信号的有效区分，例如在进行等值覆冰测量现场，存在人员说话，声源模块以特定频率发射声波信号就可以在接收端屏蔽其他声波的干扰。声源模块可以记录声波信号发射时的初始强度。声源模块在发射特定频率的声波信号时，应当使待测线路能够接收到这个特定频率的声波信号。

为了实现准确的等值覆冰厚度测量，尽量减小误差。在本方案中，可选的，所述测距模块的测距的方向与所述特定频率的声波信号的发射方向平行。

要实现测距模块的测距方向与特定频率的声波信号的发射方向平行，可以是特定频率的声波信号依据测距模块的瞄准路线进行发射，也可以是测距模块与声源模块平行布置在自行载体上，在测距模块测得可用测距结构之后保持自行载体的所在位置，声源模块在自行载体的所在位置不便的时间范围内发射特定频率的声波信号。

所述声音传感模块，可以对声波信号传感，例如可以是分布式光纤声音传感器。声音传感模块采用分布方式设置于待测线路中，例如可以是将声音传感模块部署于待测线路的杆塔上，也可以是将声音传感模块部署于待测线路中的变电箱中。声音传感模块可以与待测线路的光纤直接连接，也可以通过采集装置与待测线路的光纤连接。声音传感模块可以通过无线方式与自行载体连接。通过无线方式，声音传感模块可以接收由自行载体传输来的测距结果和声波信号的初始声波强度。

除此之外，待测线路中的光纤可以接收由声源模块发射的特定频率的声波信号，声源模块发射的特定频率的声波信号先后经过空气介质、覆冰介质传递到待测线路上，声源模块发射的特定频率的声波信号在介质中传播存在一定的强度衰减，声音传感模块可以通过待测线路中的光纤接收到的特定频率的声波信号来确定该特定频率声波信号的接收声波强度。

根据自行载体传输来的测距结果和声波信号的初始声波强度，以及光纤接收到的特定频率声波信号的接收声波强度，声音传感模块可以计算等值覆冰厚度。

本实施例的技术方案，通过自行载体进行沿待测线路运动；通过测距模块确定自行载体与待测线路之间的距离；当测距结果达到预设距离时，通过声源模块向待测线路发射特定频率的声波信号；通过声音传感模块接收测距结果和声波信号的初始声波强度，并确定声波信号的接收声波强度；等值覆冰厚度测量系统根据测距结果、声波信号的初始声波强度以及接收声波强度，实现准确的等值覆冰厚度计算。克服了等值覆冰厚度测量系统的应用局限，具有档内空间分辨能力，提高了等值覆冰厚度测量的准确性。

实施例二

本实施例是在上述实施例的基础上，提供的优选实施例。图2为本发明实施例二提供的等值覆冰厚度测量系统的结构框图，如图2所示，原自行载体的组件模块不变，新增控制模块130、运动模块140和通信模块150。

控制模块130，与所述测距模块连接，用于接收所述测距结果，并将所述测距结果于预设距离对比，生成运动控制指令；

运动模块140，与所述控制模块连接，用于接收所述运动控制指令，并根据所述运动控制指令控制所述自行载体与所述待测线路等间距运动。

其中，控制模块布置于自行载体中，与测距模块连接，可以主动采集测距模块所得到的测距结果，也可以由测距模块发送所测得的测距结果。控制模块在主动采集或者测距模块发送测距结果之前可以对测距结果进行筛选，还可以对一个测量点的多个测距结果进行优化处理，例如对一个测量点的多个测距结果进行判断筛选然后取平均值。通过优化方式处理后的测距结果可以增加系统的稳定性，使测量结果更加准确。

在得到测距结果之后，控制模块将测距结果与预设距离进行对比，如果测距结果大于预设距离，则生成缩小距离的运动控制指令；如果测距结果小于预设距离，则生成扩大距离的运动控制指令；如果测距结果等于预设距离，则生成保持距离的运动控制指令。运动模块与控制模块连接，可以接收控制模块发出的运动控制指令，运动模块根据运动控制指令驱动自行载体与的待测线路进行等间距的运动。

通信模块150，与所述控制模块连接，用于将所述特定频率的声波信号的初始声波强度以及测距结果通过无线方式发送至所述声音传感模块。

除此之外，控制模块还可以将声源模块记录的特定频率的声波信号的初始声波强度以及测距模块得到的测距结果，通过通信模块以无线传输的方式发送至声音传感模块，这样声音传感模块就可以根据测距结果、特定频率声波信号的初始声波强度，以及光纤接收到的特定频率声波信号的接收声波强度，计算等值覆冰厚度。

在本方案中，所述声源模块的开口采用圆形设置，所述开口的半径为预设长度。

声源模块采用圆形开口，可以使声波信号更加集中的发射，减少能量损失。

其中，所述声源模块开口的圆形半径可以通过无线方式发送至所述声音传感模块。

声源模块可以读取自身的设备信息，将声源模块的开口口径通过无线传输的方式发送给声音传感模块，方便声音传感模块针对不同口径的声源模块进行计算。

在本实施例中，可选的，等值覆冰厚度的计算公式为：

d＝[ln(I₀×r²/L²/I₂)]/c；

其中，d为所述待测线路的等值覆冰厚度，I₀为所述声源模块开口单位面积上发射的特定频率的声波信号的初始声波强度，r为所述声源模块的开口的半径，L为测距结果，I₂为所述特定频率的声波信号的接收声波强度，c为单位厚度的冰对声波衰减的常数。

具体的，由于光纤的横截面积相对于生源模块发射口径来说非常小，因此，I₂可以认为是单位面积上的特定频率的声波信号的接收声波强度。相应的，I₀为声源模块发射出的特定频率的声波信号在单位面积上的初始声波强度，特定频率的声波信号在声源模块的圆形开口上均匀发射，声源模块可以实时采集到声波信号的初始声波信号。

在一个具体的实施例中，等值覆冰厚度测量系统中的测距模块为激光测距仪，声源模块为声波发生器，控制模块为单片机，声音传感模块为分布式光纤声音传感器。图3是该等值覆冰厚度测量系统工作原理示意图。

其中，激光测距仪配置自动瞄准程序，从自行载体出发时自动瞄准程序设置为锁定对焦在待测线路的光纤复合地线上，用云台等机械结构实现方向调整，测距仪向单片机传输实时距离。

声波发生器基于磁致伸缩等技术，其发射方向与激光测距瞄准方向保持平行，用机械结构实现方向联动，由单片机控制可发射某个设定频率F的声波信号。分布式光纤声音传感器不间断测量全线所有位置的声音时序数据并转换成频谱数据P(X,F,t)进行存储，其中X是位置距离标识，F是频率标识，t是时间标识。

运维人员可以操纵自行载体运动到距离待测线路预设距离附近，例如遥控无人机飞至距离待测光纤复合地线L_s附近。随后启动测距模块瞄准待测线路的光纤复合地线并进行测距，如果自行载体离预设距离L_s差别过大，则控制自行载体运动到距离待测线路的预设距离L_s附近，随后启动声源模块向待测光纤复合地线发送频率F的声波信号。

自行载体的控制模块收集测距结果L(t)和频率为F的声波信号的初始声波强度I₀(t)，加上时间标签后形成信息包{t,L(t),I₀(t)}，由无线通信模块向声音传感模块发送。

声音传感模块每次收到信息包，都从其对应时刻t监测并存储的全线声音数据中寻找具有特定频率F且声音频谱数据P(X,F,t)超出噪声水平的所有位置集合{X_i}，取其单频声音频谱最强位置作为本次测量对应的空间位置X，完成测量点距离定位。如果已知自行载体和声音传感模块的各自地理位置，可换算出二者之间的距离以校验空间位置定位正确与否。

声音传感模块通过声音频谱数据采集到光纤复合地线接收到的频率为F的声波信号的接收声波强度I₂(t)，并将信息包中的测距结果L(t)和频率为F的声波信号的初始声波强度I₀(t)分别代入，则可计算当前时间下该位置的等值覆冰厚度为d(t,X)＝[ln(I₀(t)×r²/L(t)²/I₂(t))]/c。

本方案，利用声源模块进行扫描式覆冰测量，声波通过覆冰介质透射损失的强度与冰的物质的量具有对应关系，因此可以用于等值覆冰厚度的计算。由于声波的方向选择性，使本方案等值覆冰测量系统具有空间分辨率高，扫描速度快的特点。全线扫描时间主要依赖于自行载体的移动速度，满足电力系统覆冰动态测量的需求。

本实施例的技术方案，通过自行载体进行沿待测线路运动；通过测距模块确定自行载体与待测线路之间的距离；当测距结果达到预设距离时，通过声源模块向待测线路发射特定频率的声波信号；通过声音传感模块接收测距结果和声波信号的初始声波强度，并确定声波信号的接收声波强度；等值覆冰厚度测量系统根据测距结果、声波信号的初始声波强度以及接收声波强度，实现准确的等值覆冰厚度计算。克服了等值覆冰厚度测量系统的应用局限，具有档内空间分辨能力，提高了等值覆冰厚度测量的准确性。

实施例三

图4是本发明实施例三提供的等值覆冰厚度测量方法的流程图，该方法可以由本发明实施例提供的等值覆冰厚度测量系统来实现。其中，所述方法包括：

S310、确定所述自行载体与待测线路之间的距离，得到测距结果。

在本方案中，确定自行载体与待测线路之间的距离可以是在自行载体到达待测线路附近之后，测距模块对待测线路进行瞄准，然后测得自行载体与待测线路之间的距离；也可以是测距模块持续测距生成测距结果，当到达待测线路附近时，通过发射信号是否被待测线路阻碍来判定测距结果是否可用。所述发射信号可以是激光、红外线和电磁波等。

S320、当所述测距结果达到预设距离时，向所述待测线路发射特定频率的声波信号，记录所述声波信号的初始强度。

所述预设距离可以是一个确定的长度数值，也可以是具有误差范围限定的长度范围。当自行载体检测到测距结果达到预先设定的距离时，声源模块可以向待测线路发射特定频率的声波信号，并且声源模块具有记录功能，可以实时存储声波信号的初始强度。由于温度、工作时长以及器件属性等因素的影响，声源模块的声波信号发生器功率会在一定范围内浮动，进而影响声波信号的初始强度，因此实时采集声波信号的初始强度可以更好的实现覆冰厚度的准确计算。

S330、通过无线方式接收所述测距结果和所述声波信号的初始声波强度，以及通过所述光纤接收特定频率的声波信号和确定所述声波信号的接收声波强度；并用于根据所述测距结果、声波信号的初始声波强度以及接收声波强度，计算等值覆冰厚度。

自行载体可以通过无线传输方式，将测距结果和声波信号的初始声波强度发送，相应的，声音传感模块可以接收到测距结果和声波信号的初始声波强度。同时，声音传感模块可以通过实时采集整条待测线路上的光纤接收到的特定频率的声波信号来获取声波信号的接收声波强度。根据所述测距结果、声波信号的初始声波强度以及接收声波强度，计算等值覆冰厚度。

在本方案实施例中，可选的，所述方法还包括：所述测距模块的测距的方向与所述特定频率的声波信号的发射方向平行；所述声源模块的开口采用圆形设置，所述开口的半径为预设长度；

在本方案实施例中，可选的，通过无线方式接收所述声源模块开口的圆形半径。

由于声波通过覆冰介质透射损失的强度与冰的物质的量具有对应关系，因此可以用于等值覆冰厚度的计算。在本方案实施例中，可选的，等值覆冰厚度的计算公式为：

d＝[ln(I₀×r²/L²/I₂)]/c；

其中，d为所述待测线路的等值覆冰厚度，I₀为所述声源模块开口单位面积上发射的特定频率的声波信号的初始声波强度，r为所述声源模块的开口的半径，L为测距结果，I₂为所述特定频率的声波信号的接收声波强度，c为单位厚度的冰对声波衰减的常数。

本实施例的技术方案，通过测距模块确定自行载体与待测线路之间的距离；当测距结果达到预设距离时，通过声源模块向待测线路发射特定频率的声波信号；通过声音传感模块接收测距结果和声波信号的初始声波强度，并确定声波信号的接收声波强度；等值覆冰厚度测量系统根据测距结果、声波信号的初始声波强度以及接收声波强度，实现准确的等值覆冰厚度计算。克服了等值覆冰厚度测量系统的应用局限，具有档内空间分辨能力，提高了等值覆冰厚度测量的准确性。

注意，上述仅为本发明实施例的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明实施例不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明实施例的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明实施例进行了较为详细的说明，但是本发明实施例不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明实施例构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明实施例的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种等值覆冰厚度测量系统，其特征在于，所述系统包括：自行载体和声音传感模块；所述自行载体包括测距模块和声源模块；

所述自行载体，用于沿待测线路运动；其中，所述待测线路包含光纤；

所述测距模块，设置于所述自行载体中，用于确定所述自行载体与待测线路之间的距离，得到测距结果；

所述声源模块，设置于所述自行载体中，用于当所述测距结果达到预设距离时，向所述待测线路发射特定频率的声波信号，记录所述声波信号的初始强度；

所述声音传感模块，采用分布方式设置于待测线路中，与所述待测线路的光纤连接，并通过无线方式与所述自行载体连接，用于通过无线方式接收所述测距结果和所述声波信号的初始声波强度，以及通过所述光纤接收特定频率的声波信号和确定所述声波信号的接收声波强度；并用于根据所述测距结果、声波信号的初始声波强度以及接收声波强度，计算等值覆冰厚度。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述自行载体，还包括：

运动模块，控制模块；

所述控制模块，与所述测距模块连接，用于接收所述测距结果，并将所述测距结果于预设距离对比，生成运动控制指令；

所述运动模块，与所述控制模块连接，用于接收所述运动控制指令，并根据所述运动控制指令控制所述自行载体与所述待测线路等间距运动。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述自行载体，还包括：

通信模块，与所述控制模块连接，用于将所述特定频率的声波信号的初始声波强度以及测距结果通过无线方式发送至所述声音传感模块。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述测距模块的测距的方向与所述特定频率的声波信号的发射方向平行。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述声源模块的开口采用圆形设置，所述开口的半径为预设长度。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述通信模块，还用于：

将所述声源模块开口的圆形半径通过无线方式发送至所述声音传感模块。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，等值覆冰厚度的计算公式为：

d＝[ln(I₀×r²/L²/I₂)]/c；

其中，d为所述待测线路的等值覆冰厚度，I₀为所述声源模块开口单位面积上发射的特定频率的声波信号的初始声波强度，r为所述声源模块的开口的半径，L为测距结果，I₂为所述特定频率的声波信号的接收声波强度，c为单位厚度的冰对声波衰减的常数。

8.一种等值覆冰厚度测量方法，其特征在于，所述方法由等值覆冰厚度计算系统执行，所述系统包括：自行载体和声音传感模块；所述自行载体包括测距模块和声源模块；自行载体，用于沿待测线路运动；其中，所述待测线路包含光纤；所述方法包括：

确定所述自行载体与待测线路之间的距离，得到测距结果；

当所述测距结果达到预设距离时，向所述待测线路发射特定频率的声波信号，记录所述声波信号的初始强度；

通过无线方式接收所述测距结果和所述声波信号的初始声波强度，以及通过所述光纤接收特定频率的声波信号和确定所述声波信号的接收声波强度；并用于根据所述测距结果、声波信号的初始声波强度以及接收声波强度，计算等值覆冰厚度。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：所述测距模块的测距的方向与所述特定频率的声波信号的发射方向平行；所述声源模块的开口采用圆形设置，所述开口的半径为预设长度；

通过无线方式接收所述声源模块开口的圆形半径。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，等值覆冰厚度的计算公式为：

d＝[ln(I₀×r²/L²/I₂)]/c；

其中，d为所述待测线路的等值覆冰厚度，I₀为所述声源模块开口单位面积上发射的特定频率的声波信号的初始声波强度，r为所述声源模块的开口的半径，L为测距结果，I₂为所述特定频率的声波信号的接收声波强度，c为单位厚度的冰对声波衰减的常数。

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