JP2022076281A - システムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】手持ち、簡便な架台、あるいはドローンなどの移動体など安定しない設置で使用可能で、かつ、検電対象を自動的に選択する非接触検電を実現するシステムを提供する。【解決手段】実施形態によれば、システムは、レーダーと、制御部と、を具備する。レーダーは、第1時刻に第1送信波を送信し、かつ第1時刻とは異なる第2時刻に第2送信波を送信する少なくとも1個の第1アンテナと、第1送信波及び第2送信波の反射波を受信する少なくとも1個の第2アンテナとを有する。制御部は、反射波の信号に基づいて、レーダーの照射範囲に存在する通電状態の対象物を検出する。【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、システムおよび方法に関する。
変電所などの電気設備では、点検、工事などの際、電気を停止する。その際、安全確認のため、電気が停止されていることを確かめる作業が行われる。高圧設備の場合、絶縁棒の先に設置された検電器や検流器を電線などの導体に接近させ、電気の停止の確認が行われている。
しかし、長い棒を電線に接近させる作業となるため、長大な機器を必要とし、また、その作業自体に安全確認が必要な手間がかかる作業であった。そのため、電線に接近しないで行える検電および検流方法が望まれていた。
このようなことから、電線に接近しないで行える非接触の検電方法として、レーザー光など光線の反射を利用し、電線の振動を行い、検電を行う方法なども提案されている。しかしながら、現状、絶縁棒と検電器を用いた検電が引き続き行われている。光線の反射を利用する検電方法の装置が使用されない理由としては、コスト、使い勝手などが考えられる。使い勝手については、レーザー光を対象となる電線あるいは電線群に正確に当てる必要があるため、三脚などの架台を用いて安定的に設置し、レーザー光の照射方向を電線に向けて調整する作業が発生する点が挙げられる。そのため、手数が多く、絶縁棒と検電器とを用いた検電の代替手段あるいは補助手段にはならなかった。
このように、たとえばレーザー光を用いた非接触検電においては、装置の設置、検電対象の選択などの使い勝手の問題があった。
本発明の一実施形態は、手持ち、簡便な架台、あるいはドローンなどの移動体など安定しない設置で使用可能で、かつ、検電対象を自動的に選択する非接触検電を実現するシステムおよび方法を提供する。
実施形態によれば、システムは、レーダーと、制御部と、を具備する。レーダーは、第1時刻に第1送信波を送信し、かつ第1時刻とは異なる第2時刻に第2送信波を送信する少なくとも1個の第1アンテナと、第1送信波及び第2送信波の反射波を受信する少なくとも1個の第2アンテナとを有する。制御部は、反射波の信号に基づいて、レーダーの照射範囲に存在する通電状態の対象物を検出する。
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
図1は、本実施形態のシステム1の機能構成の一例を示すブロック図である。本実施形態のシステム1は、非接触検電システムであり、アンテナユニット10と、制御・表示ユニット20とを有する。
本実施形態のシステム1は、測定対象(電線2)に向けて、電波を照射し反射波を受信するレーダーを使用する。アンテナユニット10は、ミリ波レーダー11を有する。アンテナユニット10には、複数のアンテナ素子12(図3参照)が設けられている。
レーダーは、送信と受信との時間差を測定することにより、距離を求める。60GHz帯や76GHz帯を使用するミリ波レーダー11は、法制度上、1GHz以上の広い帯域幅を利用できるため、FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave:周波数変調連続波)レーダーとして使用される。特に、周波数変調波として、周波数が単調増加(または減少)するチャープが使用される。
図2は、チャープが使用されるFMCWレーダーによる対象までの距離の測定の仕組みを説明するための図である。
図2(A)に示すように、FMCWレーダーは、送信アンテナ12aによって信号を送信する。そして、FMCWレーダーは、送信した信号が対象で反射した信号を受信アンテナ12bによって受信する。チャープが使用されるFMCWレーダーの場合、送信信号を使って受信信号の周波数検波を行う。より具体的には、ミキサ231によって送信信号と受信信号とを混合し、IF(中間周波数)信号を生成する。送信アンテナ12aと受信アンテナ12bとを、アンテナ12やアンテナ素子12などと総称することがある。
受信信号は、対象との往復分の時間、過去に送信した信号なので、現在送信している信号の周波数すなわち検波する周波数と周波数差がある。そのため、図2(B)に示すように、検波出力(IF信号)に周波数差が出力される。この周波数差は、送信と受信との時間差すなわち距離に対応する。したがって、IF信号の周波数によって対象までの距離を測定することができる。
図1に戻り、本実施形態のシステム1の機能構成についての説明を続ける。
制御・表示ユニット20は、送信処理部21、受信処理部22、第1信号処理部23、Bin蓄積部24、Bin選択部25を有する。また、制御・表示ユニット20は、複数の第2信号処理部26、振動検知判定部27、ディスプレイ28を有する。制御・表示ユニット20の各部(21~27)は、ハードウェア(電気回路)によって実現されてもよいし、制御・表示ユニット20内のプロセッサ(図示せず)がプログラムを実行することによって実現されてもよい。
送信処理部21は、たとえばシンセサイザにより、周波数が単調増加(または減少)するチャープ信号を生成し、このチャープ信号に対応する送信波をアンテナユニット10によって送信する。受信処理部22は、アンテナユニット10によって送信された送信波の反射波としてアンテナユニット10によって受信された受信波の信号を出力する。
第1信号処理部23は、受信処理部22から出力された受信波の信号と、送信処理部21によって生成された最新のチャープ信号(送信波の信号)とを混合してIF信号を生成し、このIF信号を周波数毎に分離する。つまり、図2(A)のミキサ231は、本実施形態のシステム1においては、第1信号処理部23に設けられている。
ミリ波レーダーの送信波が距離の異なる複数の対象で反射する場合、IF信号を周波数毎に分離すれば、距離毎に分離された受信信号を容易に得ることができる。周波数毎の信号を取得する方法は、いろいろとあるが、本実施形態のシステム1においては、高速フーリエ変換(FFT)を用いて、周波数毎の信号を得る。この処理をRange-FFTと呼ぶ。また、この周波数毎の信号を、Range-Bin、あるいは、Binと呼ぶ、送信時刻が異なる複数のチャープ信号を使用すれば、対象の存在する距離に対応する周波数を示すBinの信号の変化により、対象の電線2の振動を検出することができる。
Bin蓄積部24は、第1信号処理部23によって取得される周波数毎の信号、つまりBinを、少なくとも2世代分蓄積する。2世代分のBinとは、チャープ信号がTc時間間隔で生成・送信される場合、最新のチャープ信号に関するBinと、1つ前すなわちTc時間前のチャープ信号に関するBinとである。
Bin選択部25は、電線2の検出に関するパラメータが入力された場合、Bin蓄積部24に蓄積されているBinの中から当該パラメータに合致するBinを選択し、1つずつ別々の第2信号処理部26に供給する。Bin選択部25に入力され得るパラメータについては後述する。パラメータが入力されない場合、Bin選択部25は、すべてのBinを選択し、1つずつ別々の第2信号処理部26に供給する。第2信号処理部26がプログラムによって実現される場合、複数のBinを並列に処理可能なマルチタスク機能を備えてもよい。
第2信号処理部26は、Bin選択部25から供給されたBin毎の信号にFFTを行い、周波数スペクトラムを求め、通電状態の場合に電線2に発生する振動の周波数成分を取得する。このFFTをSlow-FFTと呼ぶ。
振動検知判定部27は、複数の第2信号処理部26のそれぞれで取得される既定の周波数成分(通電状態の場合に電線2に発生する振動の周波数成分)が閾値以上か否かを判定する。閾値以上の周波数成分が取得されている場合、振動検知判定部27は、その第2信号処理部26が処理するBinの周波数に対応する距離に通電状態の電線2が存在すると判定する。振動検知判定部27は、通電状態の電線2の検出有無を示す情報や、検出された通電状態の電線2が存在する位置を示す情報などをディスプレイ28に表示する。
電波は、アンテナ12から円錐状に広がって伝搬する。アンテナ12の構成によって、円錐状に広がる角度(指向性)を設定することはできるが、円錐状に広がって伝搬する特性は変わらない。このため、ほとんど広がらず直線的に伝搬するレーザー光に比べて広い範囲に到達し、広い範囲の対象の反射を受信することができる。本実施形態のレーダー11は、指向性を設定するために、複数の送信アンテナ12aあるいは複数の受信アンテナ12bを有する。個々のアンテナ12が異なる指向性を持ってもよい。あるいは、複数のアンテナ12の信号を処理し、フェイズドアレイアンテナとして使用することにより、レーダー11は、電気的に制御可能な指向性を持つ。このため、電線の方向にレーダー11を大まかに指向するだけで、あるいは、大まかな指向に加えて電気的に指向性を制御するだけで、その方向に存在する電線を検電対象として選択することができ、かつ、通電中の電線の振動を検出することができる。
図3は、レーダー11を対象に指向するための表示の形態を例示する図である。
図3(A)に示す1つ目の例は、レーダー11のアンテナ素子12が設けられアンテナユニット10の筐体周壁に、照射の方向あるいは照射の範囲を示す印a1を付す。この印a1を目安にアンテナユニット10を対象に向けることにより、対象を測定範囲に含めることができる。ここでは、アンテナユニット10と制御・表示ユニット20とが物理的に分離し、接続ケーブル30で接続されている例を示しているが、これらは同一筐体内に収められていてもよい。制御・表示ユニット20は、通電状態の電線2の検出有無を示すメッセージなどをディスプレイ28に表示する。また、制御・表示ユニットが警戒音を出力、振動など、視覚以外の方法で検出の有無がわかるようにしてもよい。
図3(B)に示す2つ目の例は、アンテナユニット10にカメラ13を設置する。カメラ13は、レーダー11の照射方向と撮影方向が一致するようにアンテナユニット10に設置される。制御・表示ユニット20は、このカメラ13の映像をディスプレイ28に表示し、その映像上にレーダー11の照射範囲を示す枠状の印b1を示す。枠状の印b1の範囲に対象を含めることにより、対象を測定範囲に含めることができる。ディスプレイ28に表示される映像の範囲を測定範囲としてもよい。つまり、映像上に枠状の印b1を示すことは必須ではない。
制御・表示ユニット20は、たとえば図4に示すように、カメラ13の映像内の電線に重ねて検出結果を表示する。図4は、ディスプレイ28に表示されているカメラ13の映像の一例であり、枠状の印b1内の符号c1で示される電線が、通電中の電線である。符号c2で示される電線は、未通電の電線である。カメラ13の映像内の電線に重ねて検出結果を表示するに際し、信頼性の高い測定結果の場合、濃色、太線、実線、塗りつぶしなど強い調子で表示し、疑わしい測定結果の場合、淡色、細線、点線、網掛けなどあいまいな調子で表示してもよい。また、枠を2重として、内側の枠の範囲を測定範囲、内側の枠と外側の枠との間の範囲を参考測定範囲とし、参考測定範囲で通電中の電線が検出された場合、レーダー11、つまりアンテナユニット10を動かし、内側の枠内に対象の電線の画像を移動させて測定を促すように、内側の枠内と、内側の枠と外側の枠との間とで検出結果の表示を変えてもよい。測定対象の電線を中央にするために、測定範囲の中央を示す印をつけてもよい。
通電中の電線のまわりに、柱、梁、未通電の電線が存在する場合、それらから反射も受信してしまう。検電のためには、振動する電線のみを検出する必要がある。そのためには、既定の周波数の振動をしている対象のみを選択すればよい。本実施形態のシステム1においては、前述のSlow-FFTの出力の周波数スペクトラムから、既定の周波数成分のみを取り出すことができる。図5は、Range-FFTの出力と、Slow-FFTの出力から既定の周波数成分(100Hz成分)のみを取り出した結果との一比較例を示す図である。Range-FFTの出力(d1)は、通常のチャープが使用されるFMCWレーダーの出力であり、通電中の電線以外に多数の反射が観測されている。これに対して、本実施形態のシステム1における出力である、Slow-FFTの出力から既定の周波数成分(100Hz成分)のみを取り出した結果(d2)は、大きい応答が1つとなり(d3)、既定の周波数(100Hz)で振動する通電中の電線の距離に対応するBinのみが検出されている。
本実施形態のシステム1では、振動の周波数が既知でなければ、通電中の電線が存在する距離に対応するBinを検出できないので、振動の周波数をあらかじめ設定する。あるいは、測定対象の交流の周波数と振動の周波数とは対応するので、交流の周波数を設定してもよい。これらの設定内容は、パラメータとして、第2信号処理部26へ入力できるようにしてもよい。つまり、測定対象の振動の周波数を変更できるようにしてもよい。
以上の説明では、振動の周波数の検出のために、第2信号処理部26は、Slow-FFTすなわちフーリエ変換を用い、周波数スペクトラムを求めている。しかし、第2信号処理部26は、広い帯域の周波数スペクトラムを求める必要はなく、既定の周波数成分の有無を検出すればよい。既定の周波数成分を求めるには、相関、帯域フィルタ、周波数検波、共振器なども用いることができる。
また、測定する距離の範囲を、事前に指定すれば、判定するBinの数を減らすことができ、処理量の減少、検出精度の向上が可能となる。例えば5cmごとにBinが設定される場合、10mの距離では、200のBinが存在する。ここで、目測等で大まかに距離を5mから7mの範囲と設定すれば40のBinのみを処理すればよいことになる。これらの設定内容は、パラメータとして、Bin選択部25へ入力することが可能である。Bin選択部25は、Bin蓄積部24に蓄積されているBinの中から、入力されたパラメータに合致するBinのみを選択する。測定する範囲についても、カメラの映像に重ねて表示する照射範囲を示す枠上の印b1を操作することにより設定してもよい。これらの設定内容は、前記電気的に制御可能な指向性を変化させ、表示する照射範囲とレーダーの指向性を一致させる。
また、以上の説明では、レーダー11の指向性で通電する電線の位置を特定する例を示した。これに代えて、Range-FFTおよびSlow-FFTをアンテナ12毎に行い、通電する電線2の距離をアンテナ12毎に求めてもよい。アンテナ指向性と、アンテナと電線との距離とにより、図6に示すように、複数の通電する電線の位置推定を行うことができる。Slow-FFTで見つけた通電する電線に対し、レーダー11の指向性で角度θを検出し、Range-FFTのBinで距離dを算出し、位置を推定する。送信アンテナと受信アンテナがそれぞれ複数ある場合には、MIMOレーダー技術でより厳密な位置推定を行うことができる。
また、測定範囲内に通電中の電線が複数ある場合でも、アンテナ指向性、あるいはRange-FFTのBinの選択、すなわち距離でそれぞれ独立に検出可能である。検出結果が複数ある場合、測定結果を示す画面に同時に存在を表示する。カメラ映像の電線に重ねて検出結果を表示するとき、複数の通電中の電線にそれぞれ重ねて検出結果が表示されることになる。三相交流の3本の電線のうち、1本の通電が断線などにより停止しているような場合でも、通電中の2本の電線を観測できる。
図7は、本実施形態のシステム1の処理手順の一例を示すフローチャートである。
システム1は、周波数が単調増加(または減少する)周波数変調波を送信波として送信する(S101)。システム1は、S101で送信した送信波の反射波を受信波として受信する(S102)。システム1は、送信波と受信波とを混合してIF(中間周波数)信号を生成する(S103)。S103における送信波は、S101で送信した過去の送信波ではなく、S103の処理時に送信されている最新の送信波である。
システム1は、S103で生成したIF信号に対して第1信号処理(フーリエ変換)を実行し、周波数毎の信号(Bin)を取得する(S104)。システム1は、事前の設定(パラメータ)に基づき、S104で取得したBinの中から、後続の処理の対象とすべきBinを選択する(S105)。
システム1は、S105で選択したX個のBin1、Bin2、...、BinM、...、BinXであって、送信時刻t0、t1、...、tn-1であるn個の送信波の反射波であるn個の受信波から取得された同一BinMのn個の信号BinM(t0)、BinM(t1)、...、BinM(tn-1)を用いて、第2信号処理(振動検出)を実行する(S106)。第2信号処理は、X個のBinのそれぞれについて実行する。システム1は、S106の検出結果について、既定の周波数成分が検出されたか否かを判定する(S107)。システム1は、既定の周波数成分が検出された場合(S107:Yes)、対象の検出を示す情報、または、既定の周波数成分が検出されたBinに対応する距離に対象が存在することを示す情報を表示する(S108)。
以上のように、本実施形態のシステム1においては、ほとんど広がらず直線的に伝搬するレーザー光に比べて広い範囲に到達する、円錐状に広がって伝搬する電波をアンテナ12から送信するレーダー11を使用することから、電線の方向にレーダー11を大まかに指向し、電気的に指向性を制御するだけで、その方向に存在する電線を検電対象として選択することができ、かつ、通電中の電線の振動を検出することができる。つまり、本実施形態のシステム1は、手持ち、簡便な架台、あるいはドローンなどの移動体など安定しない設置で使用可能で、かつ、検電対象を自動的に選択する非接触検電を実現する。
本実施形態のシステム1は、通電状態の電線を検出するための信号処理を作業現場とネットワーク接続される遠隔地で一元的に実行する構成とすることもできる。たとえば図8に示すように、アンテナユニット10と表示ユニット20Bとを制御する制御ユニット20Aを、通信機能を有するサーバ100上に構築してもよい。制御ユニット20Aは、送信波の送信および受信波の受信をアンテナユニット10に行わせ、送信波の信号および受信波の信号を用いて、通電状態の電線を検出するための信号処理を実行し、検出結果を表示ユニット20Bに表示させる。この構成の場合、各地に点在する多数の作業現場で使用される装置の軽量化やコストダウンを図ることができる(制御・表示ユニット20→表示ユニット20B)。この構成の場合も、アンテナユニット10と表示ユニット20Bとが同一筐体内に収められてもよい。
また、たとえば図9に示すように、アンテナユニット10と制御ユニット20Aは検出結果を出力するようにし、表示ユニット20Bは通信機能を有するサーバ100上に構築してもよい。制御ユニット20Aは、送信波の送信および受信波の受信をアンテナユニット10に行わせ、送信波の信号および受信波の信号を用いて、通電状態の電線を検出するための信号処理を実行し、検出結果をサーバ100に送信し、検出結果を表示ユニット20Bに表示させる。この構成の場合、サーバ100で受信した検出結果をすぐ表示ユニット20Bで表示してもよいし、一旦、サーバ100に接続されている外部記憶装置101で収集し、集計したデータを表示ユニット20Bで表示してもよい。また集計したデータをサーバ100に接続されたPC、スマートフォンなどで表示してもよい。本構成の用法の例としては、アンテナユニット10と制御ユニット20Bを収めた筐体を複数の観測対象電線の近くにそれぞれ設置し、通電状態の継続的な監視を実施行うことや、アンテナユニット10と制御ユニット20Bとをドローンに搭載し、定期点検や災害などの際、電線の存在するエリアを巡回し、異常のある電線を探すことなどが挙げられる。
図10は、本実施形態のシステム1のドローンを用いたハードウェア構成例を示す図である。図10(A)は、アンテナユニット10と制御ユニット20Aとがドローン200に搭載される例を示している。また、図10(B)は、アンテナユニット10がドローン200に搭載される例を示している。たとえば、ドローン200に山間等を飛行させて電線をチェックする(山間の伝送路巡視点検)。その際、反射波に基づく信号処理は、図10(A)に示す形態のように、ドローン200に内蔵されるプロセッサ等によって実施されてもよく、また、図10(B)に示す形態のように、ドローン200と通信する、信号処理用のサーバ100によって実施されてもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1…システム、2…電線、10…アンテナユニット、11…ミリ波レーダー、12…アンテナ素子、13…カメラ、20…制御・表示ユニット、21…送信処理部、22…受信処理部、23…第1信号処理部、24…Bin蓄積部、25…Bin選択部、26…第2信号処理部、27…振動検知判定部、28…ディスプレイ、100…サーバ、101…外部記憶装置、200…ドローン。
Claims (13)
- 第1時刻に第1送信波を送信し、かつ前記第1時刻とは異なる第2時刻に第2送信波を送信する少なくとも1個の第1アンテナと、前記第1送信波及び前記第2送信波の反射波を受信する少なくとも1個の第2アンテナとを有するレーダーと、
前記反射波の信号に基づいて、前記レーダーの照射範囲に存在する通電状態の対象物を検出する制御部と、
を具備するシステム。 - 前記制御部は、周波数が単調増加または減少する周波数変調波を前記レーダーの送信波として生成する請求項1に記載のシステム。
- 前記レーダーの照射方向または範囲を示す表示部を具備する請求項1または2に記載のシステム。
- 前記制御部は、前記対象物の検出に関するパラメータとして、通電状態の場合に前記対象物に発生する振動の周波数、前記対象物に流れる交流電流の周波数、前記レーダーからの距離、または、前記レーダーの送信波照射範囲の中の検出対象とする領域のうちの少なくとも1つを入力する請求項1~3のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記第2アンテナには、前記第1送信波、第2送信波の複数の対象からの反射波が伝搬空間で合成された第1受信波、第2受信波が受信され、
前記制御部は、距離によって対応づけられる一組の前記第1受信波の信号と前記第2受信波の信号との間の変動から求められる第1周波数成分が閾値以上の場合、前記第1アンテナの照射方向かつ当該一組の対応距離に通電状態の前記対象物が存在すると判定する、
請求項1~4のいずれか1項に記載のシステム。 - 前記制御部は、フーリエ変換、相関、帯域フィルタ、周波数検波または共振器のいずれかによって前記第1周波数成分を取得する請求項5に記載のシステム。
- 前記制御部は、前記レーダーの照射範囲に複数の通電状態の対象物が存在するとき、前記複数の通電状態の対象物を検出する請求項1~6のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記少なくとも1個の第1アンテナまたは前記少なくとも1個の第2アンテナは、異なる指向性を有する請求項1~7のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記少なくとも1個の第1アンテナまたは前記少なくとも1個の第2アンテナは、フェイズドアレイアンテナとして使用される請求項1~8のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記表示部は、前記少なくとも1個の第1アンテナ及び前記少なくとも1個の第2アンテナが設けられるユニットに付される前記レーダーの照射方向または範囲を示す印によって、前記レーダーの照射方向または範囲を示す請求項3に記載のシステム。
- 前記表示部は、前記少なくとも1個の第1アンテナ及び前記少なくとも1個の第2アンテナが設けられるユニットに前記レーダーの照射方向と撮影方向が一致するように設けられるカメラの撮影画像を用いて、前記レーダーの照射方向または範囲を示す請求項3に記載のシステム。
- 通信部と、
前記通信部を介して、少なくとも1個の第1アンテナ及び少なくとも1個の第2アンテナを有するレーダーを備える外部機器に対して、第1時刻に前記少なくとも1個の第1アンテナによって送信される第1送信波の信号及び前記第1時刻とは異なる第2時刻に前記少なくとも1個の第1アンテナによって送信される第2送信波の信号を送信し、前記外部機器から、前記少なくとも1個の第2アンテナによって受信される前記第1送信波及び前記第2送信波の反射波の信号を受信し、前記反射波の信号に基づいて、前記レーダーの照射範囲に存在する通電状態の対象物を検出する制御部と、
を具備するシステム。 - 少なくとも1個の第1アンテナ及び少なくとも1個の第2アンテナを有するレーダーを具備するシステムの方法であって、
第1時刻に前記少なくとも1個の第1アンテナによって第1送信波を送信し、
前記第1時刻とは異なる第2時刻に前記少なくとも1個の第1アンテナによって第2送信波を送信し、
前記第1送信波及び前記第2送信波の反射波を前記少なくとも1個の第2アンテナによって受信し、
前記反射波の信号に基づいて、前記レーダーの照射範囲に存在する通電状態の対象物を検出する、
方法。
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