CN202018509U - 输电线路导线对地距离监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种输电线路导线对地距离监测装置，实时监测导线对地距离。其技术方案为：装置包括天线、环流器、混频器、定向耦合器、压控振荡器控制单元、调制器、取样控制电路、前置中频放大器、主中频放大器、取样电路以及测距系统，环流器连接天线，定向耦合器的输出端分别连接环流器和混频器，环流器的输出连接混频器，VCO控制单元的输出连接定向耦合器，调制器的输出端分别连接VCO控制单元和取样控制电路，取样控制电路的输出连接取样电路，混频器的输出连接前置中频放大器，前置中频放大器的输出连接主中频放大器，主中频放大器的输出连接取样电路，取样电路的输出连接测距系统。

Description

输电线路导线对地距离监测装置

技术领域

本实用新型涉及电网技术，尤其涉及高压输电线路导线上任意一点对地距离的实时监测。

背景技术

导线对地距离是线路设计和运行的主要指标，关系到线路的运行安全，因此必须控制在设计规定的范围内。由于线路运行负荷和周围环境的变化都会造成导线对地距离的变化，导线对地距离过小不但会造成事故隐患，也限制了线路的输送能力，特别是在交叉跨越和人烟密集地段。但在运行过程中，所要求的导线对地安全距离可能受到破坏，其原因有下列几点：

1)在线路下方或其附近新建或改建的建筑物，如道路、电信线路或低压线路等。

2)由于修理工作移动杆塔或改变了杆塔的尺寸，以及改变了绝缘子串的长度。

3)杆塔倾斜，导线松弛或导线经过长时间运行而拉长了。

4)相邻档荷重不均衡，导致导线在悬垂线夹内滑动。

由于上述原因，所以在运行中必须经常检查导线对地距离的情况，使其符合设计要求。在巡视线路时，需要以“眼力”来检查所有导线对地距离，同时还需检查可能使导线对地距离发生变更的原因。如果怀疑某些导线对地距离不合乎规定时，必须进行测量。对于耐张、转角、换位等杆塔过引线方面的导线对地距离，一般均在停电的线路上直接登杆测量；对于大跨越、大弧垂或者导线交叉的地方，测量导线对各种建筑物之间的距离时，一般均不停电，而在距高压线路的危险距离以外，采用经纬仪来测量。

传统的监测是以人工方式进行的，而通过人工方式检查导线对地距离是否符合设计要求，存在巡检周期长、不能实时在线检查等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决上述问题，提供了一种输电线路导线对地距离监测装置，能实时监测各种地形、地貌情况下的导线对地距离，并发出预警信号，以提高导线对地距离监测的实时性和可靠性。

本实用新型的技术方案为：本实用新型揭示了一种输电线路导线对地距离监测装置，该装置包括天线、环流器、混频器、定向耦合器、压控振荡器(Voltage-controlled oscillator，简称为VCO)控制单元、调制器、取样控制电路、前置中频放大器、主中频放大器、取样电路以及测距系统，该环流器连接该天线，该定向耦合器的输出端分别连接该环流器和该混频器，该环流器的输出连接该混频器，该VCO控制单元的输出连接该定向耦合器，该调制器的输出端分别连接该VCO控制单元和该取样控制电路，该取样控制电路的输出连接该取样电路，该混频器的输出连接该前置中频放大器，该前置中频放大器的输出连接该主中频放大器，该主中频放大器的输出连接取样电路，该取样电路的输出连接该测距系统，其中该天线发射或接收雷达电磁波，该环流器增益待传输或者接收电磁波，该混频器取两输入信号频率之差，该定向耦合器合成微博信号功率并具有定向耦合特性，该压控振荡器控制单元控制压控振荡器的频率变化，该调制器产生两路信号，一路控制该压控振荡器控制单元，一路给该取样电路提供同步信号，该取样控制电路将该调制器输出的信号转换成取样同步电路的输入信号，该前置中频放大器将混频器输出的中频信号进行增益，该主中频放大器将不是本信号范围的中频信号进行提取同时进行放大，该取样电路将主中频放大器输出的信号进行数字周波取值，该测距系统将该取样电路输入的数据离散信号进行傅里叶变换后得出距离值，同时输出给用户系统电路。

根据本实用新型的输电线路导线对地距离监测装置的一实施例，该天线发射调频连续波。

根据本实用新型的输电线路导线对地距离监测装置的一实施例，该天线是喇叭状天线或透镜天线。

根据本实用新型的输电线路导线对地距离监测装置的一实施例，该测距系统选用现场可编程门阵列器件处理器或DSP数字处理器处理雷达信号。

根据本实用新型的输电线路导线对地距离监测装置的一实施例，该测距系统通过AD转换将差拍的中频信号进行量化，对量化后的数据进行加窗处理，对加窗处理后的数据进行缓存后送入FFT处理器，将处理后的输出幅度和设定的门限值进行比较，当超过门限值时输出相应谱线位置，再根据查表法得到距离信息，从而实现雷达测距。

根据本实用新型的输电线路导线对地距离监测装置的一实施例，该装置还包括通讯模块。

根据本实用新型的输电线路导线对地距离监测装置的一实施例，该装置还包括电源模块。

根据本实用新型的输电线路导线对地距离监测装置的一实施例，该电源模块是导线感应取电模块。

本实用新型对比现有技术有如下的有益效果：本实用新型的监测装置是以厘米波近程雷达为基础，采用模块化的设计来灵活配置各项监测功能。厘米波近程雷达使得装置具有直接监测导线对地距离的能力，而模块化的设计可大大减少了装置的硬件成本和生产成本，可简化产品结构，增强装置可靠性。并可根据用户需要灵活配置、扩展各项监测功能，方便用户的使用。

附图说明

图1示例性的示出了本实用新型的输电线路导线对地距离监测装置的实施例的原理图。

图2示例性的示出了本实用新型装置进行雷达测距的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述。

图1示出了本实用新型的输电线路导线对地距离监测装置的实施例的原理。请参见图1，本实施例的装置包括如下的模块：天线100、环流器101、定向耦合器102、VCO控制单元103、调制器104、取样控制电路105、取样电路106、混频器107、前置中频放大器108、主中频放大器109以及测距系统110。其中环流器101、混频器107和定向耦合器102共同构成厘米波发射/接收(Tx/Rx)单元。

这些模块之间的连接关系是：环流器101连接天线100，定向耦合器102的输出端分别连接环流器101和混频器107，环流器101的输出连接混频器107，VCO控制单元103的输出连接定向耦合器102，调制器104的输出端分别连接VCO控制单元103和取样控制电路105，取样控制电路105的输出连接取样电路106，混频器107的输出连接前置中频放大器108，前置中频放大器108的输出连接主中频放大器109，主中频放大器109的输出连接取样电路106，取样电路106的输出连接测距系统110。

天线100是一种变换器，它把传输线上传播的雷达电磁波，变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在本设备中用来发射或接收雷达电磁波的部件。本装置采样开口喇叭天线，发送出的电磁波的有效功率回波成花瓣型椎体。

环流器101增益待传输或着接受电磁波的电路，装置内发送和接受的雷达厘米波发送和接受单元是独立产生的，通过环流器可以更好环形叠加，以便混频器得到更好的信号。

混频器107是取两输入信号频率之差的电路，通过本单元将发生和接受的雷达厘米波差频处理得出距频比。

定向耦合器102是用来合成微波信号功率并具有定向耦合特性的微波元件，通用的厘米波部件用于信号的隔离、分离和混合。

VCO控制单元103是控制压控振荡器的频率变化的电路，电路采用高速AD输出精确电源控制值。

调制器104产生两路信号，一路控制VCO单元103，一路给取样电路106提供同步信号，信号同步机理便以测距系统采集。

取样控制电路105将调制器104输出的信号转换成取样同步电路的输入信号。前置中频放大器108是将混频器107输出的中频信号进行增益的电路，本次设计的信号放大倍数为100倍，同时滤除高次谐波信号，频率控制在100KHz之下。

主中频放大器109将不是本信号范围的中频信号进行提取同时进行放大，得出0～3V之间的弱信号值便以AD采用分析。

取样电路106是将主中频放大器109输出的信号进行数字周波取值，通过DSP进行变换分析。

测距系统110将取样电路106

图2示出了装置进行导线对地距离测量的流程，如图2所示，首先进行参数获取和装置初始化，然后装置发送雷达波，再对接收到的回波信号进行处理，最后基于预先设定的模型进行计算，将计算结果作为导线对地距离输出。

本实施例的监测装置中所采用的雷达是厘米波近程雷达，这是一种作用距离从几米到几百米的小型雷达，这种雷达发射功率小，要求最小作用距离(即测距盲区)近，因此选择调频连续波(FMCW)体制较为合适。调频连续波雷达是用辐射和接收电磁波并决定其探测目标的设备。雷达在在发射时须把能量集中辐射到需要照射的方向；而在接收时又尽可能只接收探测方向的回波，同时分辨出目标的距离。高精度测量弧垂最低点距地面高度，就是采用基于FMCW雷达体制的厘米波测量系统。

厘米波调频连续波(FMCW)雷达的测距精度主要影响因素有：根据差频信号的分析可知，调频雷达的差频信号频谱是离散的，数值是调制频率FM的整数倍，它随目标距离的变化而阶跃变化。从而产生阶跃测量误差，常称为固定误差。如采用三角波调制，距离与调制频偏的关系为：

$R=\frac{{\mathrm{CT}}_M}{4\mathrm{\Δ}{F}_m}{f}_i$

式中：MT调制周期；

if为差频；

mΔF为频偏；

C为光速(电磁波大气传播速度)。

固定误差大于等于差频频率为MnF和(1)Mn+F时所对应的距离差，将上述差频代入式中，并将距离相减即可得到固定误差为：

$\mathrm{\ΔR}=\frac{C}{4\mathrm{\Δ}{F}_m}$

当ΔFm＝300MHz时，ΔR＝0.25m。

测量与天线100的性能直接相关。因此，天线性能对于雷达设备比对于其他电子设备更为重要。

雷达天线具有一定形状的波束。由于波束是立体的，常用水平截面的波束形状(即水平方向图)和垂直截面的波束形状(即垂直方向图)描述。方向图呈花瓣状，故又称波瓣图。常规方向图只有一个主瓣和多个副瓣。副瓣电平通常低于主瓣20分贝以上，这样才可能用主瓣来分辨目标的距离。主瓣半功率点(0.707场强点)间的宽度称为波束宽度。雷达天线设计的主要问题是：①提高天线增益和有效面积，以加大雷达探测距离；②压低天线副瓣电平，以减小测向模糊和提高抗干扰能力。根据实际结构和体积尺寸，天线口径和长度按照使用要求和结构来定。可采用喇叭天线或透镜天线。必要时采用卡赛格伦天线。天线增益G＞＝28dB。首选喇叭天线，其结构简单、安装方便、性能可靠，可以满足该设备的测量要求。

厘米波发射/接收单元产生线性调频连续波信号向外辐射。本系统利用雷达回波信号的频谱信息测量目标距离，对发射信号的频率稳定度和线性度要求很高。可采用低功耗的砷化镓场效应管作振荡器，以达到降低功耗的目的，集成微波组件作为发/收单元的工作频率：10.525GHz，调频带宽：300MHz。外部要提供电源，电压：12V，电流：200mA，功率：2.5W，调频电压：0-12V，控制VCO，便可产生调频信号，VCO的输出功率在20毫瓦以上，直接经喇叭天线向外辐射。回波信号经混频后直接产生零中频差拍信号输出。考虑到VCO的v-f特性曲线在不同的温度下有所不同，且工作环境温度变化范围很大，因此系统中要采取VCO温度补偿措施。

波长为10～1毫米(频率为30～300吉赫)的电磁波称毫米波；波长为10～1厘米(频率为3～30吉赫)的电磁波称为厘米波。毫米波的特点是：①可利用的频谱范围宽，信息容量大；②易实现窄波束和高增益的天线，因而分辨率高，抗干扰性好。缺点是：①大气中传播衰减严重；②器件加工精度要求高；③国产器件价格高、功耗大。而厘米波却没有以上缺点：大气中传播衰减很小；技术成熟，国产器件过关，成本低、功耗小。为此，它们在通信、雷达、制导、遥感技术、都有重大的应用。而本系统集成微波组件作为发/收单元的工作波长为3厘米(频率为10.525GHz)。

在回波信号处理中，由于Tx/Rx单元的发射功率较小(主要受体积大小的限制)，加之被测物的反射能力较差(如树冠、斜坡等)，雷达回波信号的功率很小，因此需要进行足够的放大才能进行后续处理。根据系统要求测量距离为5m-30m范围，因此雷达回波信号的动态范围较大。可考虑回波信号先经过高增益对数放大器进行放大，再经低通滤波和隔离单元，信号处理单元提取雷达回波频谱信息。

在测距系统110的模型计算中，采用FFT分析等频谱分析方法.信号处理计算涉及大量的乘法运算和加法运算，从提高运算速度，减少运算时间的角度出发，选用现场可编程门阵列器件FPGA处理器或DSP数字处理系统，可以减少运算时间，提高响应速度，能实现完整的雷达信号处理。差拍的中频信号首先通过AD变换将其量化，为提高FFT的滤波性能，需对量化数据进行加窗处理，再经RAM对数据进行缓存后送入FFT处理器，处理后的输出幅度和设定的门限值进行比较，当超过门限时，输出相应谱线位置，再根据查表法得到距离信息，从而实现了FMCW雷达测距。

在作用距离估算中，根据雷达距离方程可得接收机信噪比S/N与作用距离的关系为：

$S/N=\frac{P_0{G}^2{\mathrm{\λ}}^2{\mathrm{\σ}}_T\×{10}^{-0.2\mathrm{\αR}}}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^3{R}^{4}K{T}_0{F}_m{L}_S}\mathrm{\τ}$

式中：P₀为雷达发射机平均功率(W)；G为雷达天线增益(dB)；λ为工作波长(mm)；σ_T为目标雷达截面积；α为大气衰减系数(dB/km)；R为雷达作用距离(m)；K为波耳兹曼常数(J/K)；T₀为环境绝对温度(K)；Fm为接收机噪声系数(dB)；Ls为接收机系统损耗(dB)；τ为接收机积分时间(s)。

设雷达工作波长λ＝30mm；雷达发射机平均功率P₀＝20mW；天线增益G＝28Db，即可以估算雷达最大作用距离，当终端信噪比大于12dB时，可得雷达最大作用距离Rmax＝120m。

在测距精度分析中，厘米波调频连续波(FMCW)雷达的测距精度主要影响因素有：根据差频信号的分析可知，调频雷达的差频信号频谱是离散的，数值是调制频率FM的整数倍，它随目标距离的变化而阶跃变化。从而产生阶跃测量误差，常称为固定误差。如采用三角波调制，距离与调制频偏的关系为：

$R=\frac{{\mathrm{CT}}_M}{4\mathrm{\Δ}{F}_m}{f}_i$

式中：T_M调制周期；f_i为差频；ΔFm为频偏；C为光速(电磁波大气传播速度)。固定误差大于等于差频频率为nF和(n+1)F_M时所对应的距离差，将上述差频代入式中，并将距离相减即可得到固定误差为：

$\mathrm{\ΔR}=\frac{C}{4\mathrm{\Δ}{F}_m}$

当ΔFm＝300MHz时，ΔR＝0.25m。

较佳的，本实施例的装置还可安装通讯模块。例如装置自身集成了GSM模块与无线射频通讯模块，能使用GPRS、CDMA或者无线RF方式通讯，可以很方便的安装在移动或联通信号覆盖的地区，在无此两种信号的地方，也可使用RF通讯方式，就近送往用户部署在附近的子站，通讯上的方便性给装置的大规模应用带来了便利。

本实施例的装置还包括电源模块。在本实施例中是导线感应取电模块，无须额外的电池供电。

上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现和使用本实用新型的，本领域普通技术人员可在不脱离本实用新型的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本实用新型的发明范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书所提到的创新性特征的最大范围。

Claims (8)

1.一种输电线路导线对地距离监测装置，其特征在于，该装置包括天线、环流器、混频器、定向耦合器、压控振荡器控制单元、调制器、取样控制电路、前置中频放大器、主中频放大器、取样电路以及测距系统，该环流器连接该天线，该定向耦合器的输出端分别连接该环流器和该混频器，该环流器的输出连接该混频器，该压控振荡器控制单元的输出连接该定向耦合器，该调制器的输出端分别连接该压控振荡器控制单元和该取样控制电路，该取样控制电路的输出连接该取样电路，该混频器的输出连接该前置中频放大器，该前置中频放大器的输出连接该主中频放大器，该主中频放大器的输出连接取样电路，该取样电路的输出连接该测距系统，其中该天线发射或接收雷达电磁波，该环流器增益待传输或者接收电磁波，该混频器取两输入信号频率之差，该定向耦合器合成微博信号功率并具有定向耦合特性，该压控振荡器控制单元控制压控振荡器的频率变化，该调制器产生两路信号，一路控制该压控振荡器控制单元，一路给该取样电路提供同步信号，该取样控制电路将该调制器输出的信号转换成取样同步电路的输入信号，该前置中频放大器将混频器输出的中频信号进行增益，该主中频放大器将不是本信号范围的中频信号进行提取同时进行放大，该取样电路将主中频放大器输出的信号进行数字周波取值，该测距系统将该取样电路输入的数据离散信号进行傅里叶变换后得出距离值，同时输出给用户系统电路。

2.根据权利要求1所述的输电线路导线对地距离监测装置，其特征在于，该天线发射调频连续波。

3.根据权利要求2所述的输电线路导线对地距离监测装置，其特征在于，该天线是喇叭状天线或透镜天线。

4.根据权利要求1所述的输电线路导线对地距离监测装置，其特征在于，该测距系统选用现场可编程门阵列器件处理器或DSP数字处理器处理雷达信号。

5.根据权利要求4所述的输电线路导线对地距离监测装置，其特征在于，该测距系统通过AD转换将差拍的中频信号进行量化，对量化后的数据进行加窗处理，对加窗处理后的数据进行缓存后送入FFT处理器，将处理后的输出幅度和设定的门限值进行比较，当超过门限值时输出相应谱线位置，再根据查表法得到距离信息，从而实现雷达测距。

6.根据权利要求1所述的输电线路导线对地距离监测装置，其特征在于，该装置还包括通讯模块。

7.根据权利要求1所述的输电线路导线对地距离监测装置，其特征在于，该装置还包括电源模块。

8.根据权利要求7所述的输电线路导线对地距离监测装置，其特征在于，该电源模块是导线感应取电模块。

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