CN207052043U - 一种输电线路防外力破坏预警系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种输电线路防外力破坏预警系统，包括中央控制处理器、双频信号发生器和多通道收发超声波目标定位检测模块，多通道收发超声波目标定位检测模块包含至少三个超声波接收传感器和一个超声波发射探头，中央控制处理器控制双频信号发生器驱动超声波发射探头发射超声波，超声波遇到监测目标反射后被超声波接收传感器接收，超声波接收传感器将超声波信号反馈到中央控制处理器中，中央控制处理器同时与电源模块和温度测量模块连接。本实用新型结构简单、体积小、探测精度高，能够识别目标静、动状态，对于被测目标进行定位以及测距，通过位置信息以及距离信息，对监测目标进行分析，提高了对输电线路重点区域周边监控预警的能力。

Description

一种输电线路防外力破坏预警系统

技术领域

本发明涉及输电线路防外力破坏预警系统，属于输电线防护领域。

背景技术

输电线路具有线路走廊长、杆塔点多、覆盖面广等特点，除了要遭受恶劣自然天气的侵袭外，还要承受人为破坏跳闸停电事故，特别是近些年来，随着我国经济的发展基础建设不断加大投入，在输电线路走廊下的各类施工越来越多，而且往往采用大型施工机械，现场施工忽视输电线与施工机械安全距离或者对安全距离判断误差，时常发生输电线对施工机械放电，尽管各供电公司采取了诸如增加巡视周期、蹲守、盯防、培训操作人员等措施，由于工作效率低、时间周期长、人工成本高，无法全天候进行人工监督收效甚微，外力破坏造成的跳闸事故率逐年上升，成为输电运维单位必须直接面对急需解决的课题。

经对现有文献进行研究，目前输电线路上已开始应用在线防外力破坏监测装置，有采用太阳能电池板和蓄电池供电固定于铁塔上以激光测距或者微波测距为基本原理监测装置，如专利申请号：CN201120295741.9、CN201511031910.7、CN201610514064.2，由于杆塔的摇摆和振动使其也难以保证扫描精度，此外杆塔之间的档距很大，在雾霾和阴天等天气情况下，往往保证不了测距有效性，误报率较高；采用利用视频图像识别为基本原理监测装置，例如专利申请号：CN201520992472.X、CN201510311271.3，同样由于雾霾和阴天等天气以及线路周边的树木等遮挡导致监测效果不理想；还有一类是目前应用较多是采用一个超声波探头测距方式的监测装置，由于超声波具有指向性强的特点，监测范围有限，仍然检测效果不尽人意；为了扩大监测范围曾经采用多路或者多点并行探测，这就导致整个装置较大，相互存在干扰，由于应用场所是输电线路，安装位置空间、设备自重以及功耗等限制目前尚未得到电力系统认可和推广，如专利申请号：CN201320775915.0、CN201320004068.8、CN201520299426.1；同时上述的监测装置多是判断监测区域内目标是否与导线保持一定安全距离，属于对目标被动的静态监测，然而线路现场外力破坏一般是移动的机械设备在作业过程导致触电属于动态活动，上述各类监测装置起不到预警作用，往往对现场起到的是提供故障后现场取证相关影像等数据，存在预警不及时、误报、检测效率低等问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种输电线路防外力破坏预警系统，结构简单、体积小、探测精度高，能够识别目标静、动状态，对于被测目标进行定位以及测距，通过位置信息以及距离信息，对监测目标进行分析，提高了对输电线路重点区域周边监控预警的能力。

技术方案：为实现上述目的，本发明的输电线路防外力破坏预警系统，包括中央控制处理器、双频信号发生器和多通道收发超声波目标定位检测模块，所述多通道收发超声波目标定位检测模块包含位于同一平面上的至少三个超声波接收传感器和一个超声波发射探头，中央控制处理器控制双频信号发生器驱动超声波发射探头发射超声波，超声波遇到监测目标反射后被超声波接收传感器接收，超声波接收传感器将超声波信号反馈到中央控制处理器中，中央控制处理器同时与电源模块和温度测量模块连接。

作为优选，所述多通道收发超声波目标定位检测模块到被测移动目标的距离为L，L＝(331.45+0.607×T)×t/2，其中t为超声波从发射到遇到目标物体反射回来所经历的时间，T为环境温度，由温度测量模块测得。

作为优选，所述超声波发射探头F发射超声波，Rl、R2、R3为3个为接收F探头发射的同频率超声波信号的超声波接收传感器，M为被测目标，设Rl、R2…Rn超声波接收传感器坐标为参考坐标R₁(x₁,y₁,z₁)、R₂(x₂,y₂,z₂)、R₃(x₃,y₃,z₃)，Rl、R2、R3到F的距离为已知S1、S2、S3，F发出的超声波经M反射经过时间t1、t2、t3被Rl、R2、R3接收到，计算获得F、Rl、R2、R3到M的距离L、Ll、L2、L3，建立M(x,y,z)的空间直角坐标函数关系式：

即可求得监测目标的空间位置。

作为优选，所述中央控制处理器控制双频信号模块依次产生10～20个完整的高频超声波波形，而再后送出4～10个低频率超声波。

作为优选，所述中央控制处理器还与声光报警模块和影像拍摄模块连接，当中央控制处理器计算出监测目标到本系统的距离小于设定的阈值时，中央控制处理器控制声光报警模块报警、影像拍摄模块对目标进行拍摄。

作为优选，所述中央控制处理器还与通讯模块连接，通过通讯模块与手机终端连接，当监测目标到本系统的距离为1.2-1.6倍设定的阈值时，中央控制处理器通过通讯模块将危险隐患报警信息发送到责任人的手机终端上。

本发明方法是：以超声波测距技术为基础通过多通道接收超声波定位，对进入监测区域内的目标测距检测、定位以及识别目标，其中超声波测距和定位方法基本原理如下：

超声波测距：通过获取超声波从发射到遇到目标物体反射回来所经历的时间t，乘以超声波的速度V计算求出出声源与障碍物之间的往返距离，除以2可以得到监测装置到被测移动目标的距离为L，超声波速度取常数340m/s公式如下：L＝340×t/2，由于超声波在空气中的传播速度与温度相关，测量检测场所周边环境温度，更精确的传播距离公式如下：L＝(331.45+0.607×T)×t，其中T为环境温度。

超声波定位方法是：超声波发射探头F发射超声波信号，Rl、R2…Rn等多个为超声接收传感器接收F探头发射的同频率超声波信号，M为被测移动目标，设Rl、R2…Rn超声接收传感器的坐标为已知参考坐标点，Rl、R2…Rn到F的距离为已知(s)，F发出的超声波经被M反射分别经过时间t1、t2…tn被Rl、R2…Rn接收到，计算获得F到M的距离L、Ll、L2…Ln，建立M的空间直角坐标函数关系，对处于空间坐标系中的物体位置坐标进行计算，实现被测移动目标局域空间的定位。

空气对超声波的吸收量与超声波频率的平方成正比，测距的超声波的频率不能很高，频率越低波长越长，测距的绝对误差就越大，测距的范围加大与测量精度实际上是一对矛盾，为了在一个较长的范围内达到测距的精度，本发明采用发射一个高的频率和一个低的频率超声波的双频超声波依次测距方法，频率较高的，测量精度高，而空气对它的吸收大，用于近距离测距；而频率较低的波长较长，绝对精度低，但是空气对它的吸收要小很多，可以达到较远的目标，这样在较大的范围内实现较高的测距精度。

为了实现上述功能，所述装置工作时首先中央控制处理器通过控制双频信号模块依次产生10～20个完整的高频超声波波形，而再后送出4～10个低频率超声波，经过多通道收发超声波定位检测目标模块内部超声波驱动放大单元放大，再由超声波发射探头发射超声波信号，中央控制处理器同步计时，控制多通道收发超声波定位检测目标模块的多个超声波接收传感器接收所发射超声波信号，在一个较大范围内，对于同一目标其回波高频超声波先到达，采用高频超声波探测近距离的目标高精度测距、定位，对于远处的目标由于高频超声波被空气吸收而大幅衰减，采用低频超声波对目标测距、定位；当超声波接收传感器接收到超声波信号后停止计时，进行数据处理、保存，完成目标一次检测，为了提高系统测距的精确度，可以连续测距N次，对N次结果进行分析处理后作为目标一次检测，存储或者发送给远程服务中心计算机系统。

根据单位时间内获取的多组目标超声波测距信息，进行目标定位、测距以及目标状态识别，对于输电导线周边移动目标距离小于安全阈值时，启动报警模块进行声光报警，同时拍照模块，将拍摄的图像通过通讯模块传输到远程服务中心，远程服务中心将报警信息发送到责任人的手机终端上，为监控人员提供单位时间的移动目标运动轨迹，实现输电线路防外力破坏监测预判、预警，相关人员及时到现场处理。

本发明所述装置通过感应方式获取工作电源，安装在输电线路的导线上，输电线路输电时，利用感应传输电流获取工作电源，采取系统大部分模块空闲时处于休眠状态可以节约电能，仅超声波定时发射超声波，当检测有数据变化，监测数据立即唤醒装置进入正常工作状态，监测数据传递完毕后系统再次休眠；数据的传递与休眠和唤醒紧密相关系统可以由数据传递的请求唤醒设备、启动功能，做到节电和监测两不误。

有益效果：本发明以超声波测距技术为基础通过多通道接收超声波定位，对进入监测区域内的移动目标进行识别、定位以及测距的输电线路防外力破坏监测预警方法方式，采用监测动、静态目标综合监测方式，预判监测区域内目标是否与导线保持在一定安全距离之内，提高了对输电线路重点区域周边监控预警的能力，降低了误报率，部署在重点监控区域线路导线上，对重点区域、重点部位、重点线路的下较宽范围监控超高车辆如吊车、水泥泵车等移动目标在线路周边作业，对其而引发的外力破坏事故行为活动提前实施预警干预，对引发事故的拍摄图像等保存证据，为保护输电线路安全稳定运行提供了技术支持和保障，符合输电线路现场对外力活动的监测预警需求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为多通道收发超声波定位检测目标模块的结构示意图。

图3为双频超声波测距原理示意图。

图4为超声波定位原理示意图。

图5为本发明总的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明的输电线路防外力破坏预警系统，包括中央控制处理器11、双频信号发生器12和多通道收发超声波目标定位检测模块13，所述多通道收发超声波目标定位检测模块13包含位于同一平面上的至少三个超声波接收传感器和一个超声波发射探头，中央控制处理器11控制双频信号发生器12驱动超声波发射探头发射超声波，超声波遇到监测目标反射后被超声波接收传感器接收，超声波接收传感器将超声波信号反馈到中央控制处理器11中，中央控制处理器11同时与电源模块19和温度测量模块18连接。

在本发明中，所述多通道收发超声波目标定位检测模块13到被测移动目标的距离为L，L＝(331.45+0.607×T)×t/2，其中t为超声波从发射到遇到目标物体反射回来所经历的时间，T为环境温度，由温度测量模块18测得。所述超声波发射探头F发射超声波，Rl、R2、R3为3个为接收F探头发射的同频率超声波信号的超声波接收传感器，M为被测目标，设Rl、R2…Rn超声波接收传感器坐标为参考坐标R₁(x₁,y₁,z₁)、R₂(x₂,y₂,z₂)、R₃(x₃,y₃,z₃)，Rl、R2、R3到F的距离为已知S1、S2、S3，F发出的超声波经M反射经过时间t1、t2、t3被Rl、R2、R3接收到，计算获得F、Rl、R2、R3到M的距离L、Ll、L2、L3，建立M(x,y,z)的空间直角坐标函数关系式：

即可求得监测目标的空间位置。

在本发明中，所述中央控制处理器11还与声光报警模块14和影像拍摄模块17连接，当中央控制处理器11计算出监测目标到本系统的距离小于设定的阈值时，中央控制处理器11控制声光报警模块14报警、影像拍摄模块17对目标进行拍摄。所述中央控制处理器11还与通讯模块15连接，通过通讯模块15与手机终端连接，当监测目标到本系统的距离为1.2-1.6倍设定的阈值时，中央控制处理器11通过通讯模块15将危险隐患报警信息发送到责任人的手机终端上。

下面结合附图以“一个发射探头、三个接收传感器”为例，对本发明进一步说明。

图1为本发明的检测装置的结构示意图，所述主要包括：中央控制处理器11、双波信号发生模块12、多通道收发超声波目标定位检测模块13、声光报警模块14、通讯模块15、数据缓存器16、摄影拍摄模块17、温度测量模块18以及电源模块19等组成，其中中央控制处理器11与双波信号发生模块12相连，双波信号发生模块12输出接入多通道收发超声波目标定位检测模块13的发射驱动单元，多通道收发超声波目标定位检测模块13的接收信号经过放大、检波接入中央控制处理器11，中央控制处理器11与声光报警模块14、通讯模块15、数据缓存器模块16、摄影拍摄模块17以及测温模块18连接，电源模块19为整个检测装置提供工作电源。

所述的装置上电初始化启动，通过中央控制处理器11发出测距指令后，控制双波信号发生模块12产生高、低不同频率的超声波信号，依次传送到多通道收发超声波目标定位检测模块13，经过放大驱动超声波发射探头发射超声波，超声波在遇到目标障碍物后返回，多通道收发超声波目标定位检测模块13的多个超声波接收传感器分别接收回波信号，并放大、检波处理，传送到中央控制处理器11进行计算分析，计算出超声波往返的时间差，从计算出被测对象与发射探头、各个超声接收传感器的距离，并且通过温度测量模块18所测得的环境温度，进行温度补偿修正；

各个超声接收传感器的坐标设为已知参考坐标点，装置的各个超声接收传感器与发射探头距离是已知，根据被测目标与发射探头、各个超声接收传感器的距离，建立被测目标的空间直角坐标函数关系，实现被测目标局域空间的定位和测距，根据单位时间内获取的多组被测目标位置信息对其动、静行为进行识别。

在本实施例中，中央控制处理器11可以采用单片机芯片如AT89S52作为中央控制处理器。双波信号发生模块12可以采用如74HC00等芯片构成的双频信号发生器，通过中央控制处理器11发出的控制信号产生相应频率的超声波信号。报声光报警模块14受中央控制处理器11控制，根据计算分析结果执行启动就地进行声、光报警。通讯模块15用于将中央控制处理器11的计算分析结果发送出去。所述报数据缓存器模块16与中央控制处理器11相连，对检测数据进行存储。所述摄影拍摄模块17，受中央控制处理器11控制，根据计算分析结果执行启动摄影拍摄模块17进行现场影像拍摄。所述的温度测量模块18测量周边环境温度，进行温度补偿来，提高测距精度。

图2为多通道收发超声波目标定位检测模块13结构示意框图，包括在同一平面电路板上超声波发射探头201和超声波接收传感器(203、204、205)，超声波发射驱动放大单元202、超声波接收放大单元206、检波单元207、超声波接收放大单元208、检波单元209、超声波接收放大单元210、检波单元211，其中双波信号发生模块12与超声波发射放大驱动单元202连接传输已放大的超声波信号，超声波发射放大驱动单元202与超声波发射探头201相连对外发射超声波信号；超声波接收传感器203与超声波接收放大单元206相连接收并放大超声波信号，超声波接收放大单元206与检波单元207相连接将接收的超声波信号在输入中央控制处理器11之前放大、检波，滤除多余信号，超声波接收传感器204与超声波接收放大单元208相连接收并放大超声波信号，超声波接收放大单元208与检波单元209相连接，将接收的超声波信号在输入中央控制处理器11之前放大、检波，滤除多余信号，超声波接收传感器206与超声波接收放大单元210相连接收并放大超声波信号，超声波接收放大单元210与检波单元211相连接将接收的超声波信号在输入中央控制处理器11之前放大、检波，滤除多余信号。

图3为双频超声波测距原理示意图，本发明测距是利用超声波测距方法原理，由于空气对超声波的吸收量与超声波频率的平方成正比，测距的超声波的频率不能很高，频率越低波长越长，测距的绝对误差就越大，测距的范围加大与测量精度实际上是一对矛盾，为了在一个较长的范围内达到测距的精度，所述的装置通过高、低双频率超声波测距，频率较高的，用于近距离测距；而频率较低的波长较长，空气对它的吸收要小很多，可以达到测量较远的目标；

测距方式是：超声波电压施加到超声波发射探头31后，将电能转化为机械能，机械能沿一定方向形成超声波进行发射，超声波发射当遇到目标物体33将反射回来，通过超声波传感器32接收回波，测量声波在起始发射后到遇到被检测目标反射回来接收的时间t，根据声传播距离S＝V×t，除以2就可以得到监测装置到被测移动目标的距离为L，超声波速度V通过取常数340m/s；由于超声波在空气中的传播速度与温度相关，测量检测场所周边环境温度，采用温度补偿修正，能够更精确的计算传播距离，公式如下：L＝(331.45+0.607×T)×t/2，其中T为环境温度。

设t₀、t₁分别为高、低频超声波发射开始时间，t₂为高频超声波回波到达时间，t₃为低频超声波回波到达时间，所测得的距离分别为:L_H＝V(t₂-t₀)/2和L_L＝V(t₃-t₁)/2。

当高、低频超声波均可以测的目标距离，取L_H为所测的目标距离结果，属于近距离测距；当只有低频超声波可以测的目标距离，取L_L为所测的目标距离结果，属于远距离测距。

图4为超声波定位原理示意图，本发明定位方法是以超声波测距技术为基础通过多通道接收超声波测距定位的，超声波发射探头F发射超声波，Rl、R2、R3等3个为超声波传感器接收F探头发射的同频率超声波信号，M为被测目标，设Rl、R2…Rn超声波接收传感器坐标为参考坐标R₁(x₁,y₁,z₁)、R₂(x₂,y₂,z₂)、R₃(x₃,y₃,z₃)，Rl、R2、R3到F的距离为已知S1、S2、S3，F发出的超声波经M反射经过时间t1、t2、t3被Rl、R2、R3接收到，计算获得F、Rl、R2、R3到M的距离L、Ll、L2、L3，建立M(x,y,z)的空间直角坐标函数关系式：

根据上述于空间坐标系的物体位置坐标函数关系式进行计算，实现被测移动目标局域空间的定位。

图5为本发明的总流程示意图。

本发明工作流程是所述装置上电初始化后，中央控制处理器启动双频测距子程序，通过双频多通道接收超声波测距、定位，对进入监测区域内的目标进行静、动状态识别，检测目标与输电线路距离，根据设定的阈值，判断是否进行就地声光报警、对现场活动情况进行拍摄相关影像；

检测监测区域内移动目标与导线距离、位置信息数据远程传输到服务中心，计算机通过多组目标定位信息拟合运动轨迹，对目标行为预判，依据目标移动轨迹，预估目标是否接近输电线路，是否构成对输电线路威胁，将对输电线路构成危险隐患报警信息发送到责任人的手机终端上，并且远程启动就地声光报警、现场状况拍摄相关影像；

为了保证本系统软硬件能长期可靠运行，采用开机自检和看门狗定时器两项措施，开机后首先对系统软硬件状态进行自检，对发现异常，自动复位，重新启动，发送故障告警发送远程服务中心。

Claims (6)

1.一种输电线路防外力破坏预警系统，其特征在于：包括中央控制处理器、双频信号发生器和多通道收发超声波目标定位检测模块，所述多通道收发超声波目标定位检测模块包含位于同一平面上的至少三个超声波接收传感器和一个超声波发射探头，中央控制处理器控制双频信号发生器驱动超声波发射探头发射超声波，超声波遇到监测目标反射后被超声波接收传感器接收，超声波接收传感器将超声波信号反馈到中央控制处理器中，中央控制处理器同时与电源模块和温度测量模块连接。

2.根据权利要求1所述的输电线路防外力破坏预警系统，其特征在于：所述多通道收发超声波目标定位检测模块到被测移动目标的距离为L，L＝(331.45+0.607×T)×t/2，其中t为超声波从发射到遇到目标物体反射回来所经历的时间，T为环境温度，由温度测量模块测得。

3.根据权利要求1所述的输电线路防外力破坏预警系统，其特征在于：所述超声波发射探头F发射超声波，Rl、R2、R3为3个为接收F探头发射的同频率超声波信号的超声波接收传感器，M为被测目标，设Rl、R2…Rn超声波接收传感器坐标为参考坐标R₁(x₁,y₁,z₁)、R₂(x₂,y₂,z₂)、R₃(x₃,y₃,z₃)，Rl、R2、R3到F的距离为已知S1、S2、S3，F发出的超声波经M反射经过时间t1、t2、t3被Rl、R2、R3接收到，计算获得F、Rl、R2、R3到M的距离L、Ll、L2、L3，建立M(x,y,z)的空间直角坐标函数关系式：

即可求得监测目标的空间位置。

4.根据权利要求1所述的输电线路防外力破坏预警系统，其特征在于：所述中央控制处理器控制双频信号模块依次产生10～20个完整的高频超声波波形，而再后送出4～10个低频率超声波。

5.根据权利要求1所述的输电线路防外力破坏预警系统，其特征在于：所述中央控制处理器还与声光报警模块和影像拍摄模块连接，当中央控制处理器计算出监测目标到本系统的距离小于设定的阈值时，中央控制处理器控制声光报警模块报警、影像拍摄模块对目标进行拍摄。

6.根据权利要求1所述的输电线路防外力破坏预警系统，其特征在于：所述中央控制处理器还与通讯模块连接，通过通讯模块与手机终端连接，当监测目标到本系统的距离为1.2-1.6倍设定的阈值时，中央控制处理器通过通讯模块将危险隐患报警信息发送到责任人的手机终端上。