一種基于超聲換能器的輸電線路舞動軌跡監測系統及方法
【專利摘要】本發明公開一種基于超聲換能器的輸電線路舞動軌跡監測系統及方法,所述系統包括:超聲換能器發射系統,用于接收信號控制系統發出的測試信號并將測試信號轉化為機械波信號,并通過全向發射的方式傳輸到周圍空氣中;超聲換能器接收系統,用于接收超聲換能器發射系統發出的機械波,并將接收的新號傳輸給信號控制系統;信號控制系統,用于控制超聲換能器發射系統發出機械波信號,接收超聲換能器接收系統輸出的信號并傳送給信號采集系統;信號采集系統,用于對接收的信號進行處理并分析,獲取輸電線路的實際位置;電源系統,用于供電。本發明不需要經過加速度傳感系統的積分過程,簡化了測試原理,使得測量方法更加簡單易懂。
【專利說明】
一種基于超聲換能器的輸電線路舞動軌跡監測系統及方法
技術領域
[0001] 本發明涉及輸變電設備檢測技術領域,尤其涉及一種輸電線路舞動軌跡檢測系統 及方法。
【背景技術】
[0002] 輸電線路舞動是指在外界非平衡應力的作用下,輸電線路產生低頻率(0.1Hz-5Hz)、大幅度(可達10m以上)的振動現象。當室外的輸電線路發生舞動時,經常會造成輸電 桿塔上的金具損毀、輸電線路相間閃絡等事故,嚴重時輸電線路的舞動會造成輸電桿塔倒 塌等大型事故。因此,對輸電線路舞動進行監測具有重要的實用價值與經濟意義。
[0003] 現階段輸電線路舞動主流的監測手段有三種:加速度傳感系統、視頻監控系統和 光纖監測系統。加速度傳感系統,它的作用機理是采用加速度傳感器將舞動信號轉化成電 信號,并由單片機內部集成的AD轉換器進行數字化采集,再進行簡單的信號處理,然后將測 量數據通過GSM模塊將測量數據無線傳輸到監控機上進行綜合評判。進而根據加速度和位 移的關系計算出導線舞動的振幅數據,將此數據與監控機上數據庫的數據比較判斷是否應 該發出預警。視頻監控系統,它的作用機理是根據生產輸電線坐標系和安裝攝像頭以后的 新坐標系之間的坐標平移參數和零度圖像擬合參數及相關算法推導出舞動旋轉角度。光纖 監測系統,該系統作用機理是將多個光纖傳感器均布在輸電導線上,構成準分布式光纖傳 感器網絡,荷載變化經金屬板傳入光纖光柵,將采集的應力、溫度信息傳回計算機控制中 心。該技術需要采用頻分復用技術對光柵反射信號進行解調,同時采用時分復用技術將采 集數據通過無線網絡設備傳輸導計算機監控中心。
[0004] 但就目前而言,上述三種監測手段均存在一定的缺陷:加速度傳感系統的測試精 度并不能滿足要求,由于加速度傳感器是將加速度信息進行二次積分轉化為位移信息,在 此過程中隨著時間的延長積分的誤差會逐漸增大,且輸電線路的舞動過程中伴隨著線路的 軸向扭轉,產生的角加速度會對加速度傳感器的測量產生較大影響;視頻監測系統需要較 高的能見度的情況下才能對輸電線路的舞動進行監測,當有大霧等極端天氣或夜間時,視 頻監測系統不能有效的監測輸電線路舞動;光纖監測系統需要在輸電線路上布置大量分布 式光纖監測傳感器,安裝過程周期長,且損壞后難以更換。
[0005] 綜上所述,現階段的輸電線路舞動監測方法都有一定的缺陷。為了能夠準確掌握 線路舞動軌跡信息,亟需一種采用直接位移量手段的線路舞動軌跡測量系統。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于提供一種基于超聲換能器的輸電線路舞動軌跡監測系統及方 法,以解決上述技術問題。
[0007] 為了實現上述目的,本發明采用如下技術方案:
[0008] -種基于超聲換能器的輸電線路舞動軌跡監測系統,包括超聲換能器發射系統、 超聲換能器接收系統、信號控制系統、信號采集系統和電源系統;
[0009] 超聲換能器發射系統,用于接收信號控制系統發出的測試信號并將測試信號轉化 為機械波信號,并通過全向發射的方式傳輸到周圍空氣中;
[0010] 超聲換能器接收系統,用于接收超聲換能器發射系統發出的機械波,并將接收的 新號傳輸給信號控制系統;
[0011] 信號控制系統,用于控制超聲換能器發射系統發出機械波信號,接收超聲換能器 接收系統輸出的信號并傳送給信號采集系統;
[0012] 信號采集系統,用于對接收的信號進行處理并分析,獲取輸電線路的實際位置;
[0013] 電源系統,用于給超聲換能器發射系統和信號控制系統供電。
[0014] 進一步的,超聲換能器發射系統包括第一超聲換能器及驅動板;第一超聲換能器 通過法蘭固定在分裂導線的間隔棒上,其輸入端與驅動板輸出端相連接;驅動板安裝在間 隔棒內的安裝槽內,其輸入端與信號控制系統的主控板輸出端相連接。
[0015] 進一步的,超聲換能器接收系統包括第二超聲換能器、第三超聲換能器及信號放 大電路;第二超聲換能器及第三超聲換能器分別安裝在地面支架上,與第一超聲換能器的 空間距離分別為1 2和13,第二超聲換能器與第三超聲換能器之間的距離為11;第二超聲換能 器、第三超聲換能器輸出端分別與信號放大電路輸入端相連接,信號放大電路輸出端與信 號控制系統主控板輸入端相連接。
[0016] 進一步的,信號控制系統包括主控板和信號隔離柵;主控板輸入端與超聲換能器 接收系統中的信號放大電路輸出端相連接,主控板輸出端與超聲換能器發射系統的驅動板 及信號隔離柵相連接,主控板電源端與電源系統相連接;信號隔離柵輸入端與主控板輸出 端相連接,信號隔離柵輸出端與信號采集系統數據采集卡相連接。
[0017] 進一步的,信號采集系統包括數據采集卡與上位機;數據采集卡輸入端與信號控 制系統的信號隔離柵想連接,輸出端與上位機系統連接;上位機系統輸入端與數據采集卡 通過上位機的PCI-E卡槽連接。
[0018] 進一步的,當安裝在輸電線路間隔棒上的第一超聲換能器工作時,其在to時刻發 出的機械波分別在時刻和^時刻被第二超聲換能器及第三超聲換能器接收到;此時,第一 超聲換能器與第二超聲換能器之間的距離1 2及第一超聲換能器與第三超聲換能器之間的 距離13分別表示為:
[0019] l2 = v(ti-to)
[0020] l3 = v(t2-to)
[0021] 式中v為聲波傳遞的速度;
[0022]已知第二超聲換能器與第三超聲換能器之間的距離h,則此時刻輸電線路及第一 超聲換能器的位置(x,Y)表示為:
[0027] 式中S為第一超聲換能器、第二超聲換能器及第三超聲換能器圍成的三角形的面 積,P為海倫公式計算三角形面積的中間變量;
[0028] 輸電線路及第一超聲換能器的位置軌跡(X,Y)與預設最大位移軌跡比較后即能夠 判斷輸電線路是否舞動。
[0029] -種基于超聲換能器的輸電線路舞動軌跡監測方法,具體包括以下步驟:
[0030] 第一步、外部線路舞動測試信號輸入信號控制系統主控板中,信號控制系統主控 板輸入電信號至超聲換能器發射系統的驅動板,驅動板將此電信號放大抬升后將此電信號 輸入第一超聲換能器;
[0031] 第二步、第一超聲換能器將超聲換能器發射系統驅動板傳輸的電信號在內部進行 轉化,將電信號通過內部特制的壓電陶瓷轉化為相應的機械波信號,并向周圍空間全向發 射此機械波信號;
[0032]第三步、超聲換能器接收系統中的第二超聲換能器及第三超聲換能器接收到超聲 換能器發射系統中第一超聲換能器發射的機械波信號,并分別在第二超聲換能器及第三超 聲換能器中將此機械波信號轉化為電信號;
[0033]第四步、第二超聲換能器及第三超聲換能器接收到的電信號分別輸入超聲換能器 接收系統中的信號放大電路,將其接收到的電信號放大;
[0034]第五步、經過放大的電信號傳輸至信號控制系統的主控板,主控板將此電信號傳 輸至信號控制系統的信號隔離柵,信號隔離柵對此電信號進行隔離,并光電耦合傳輸至信 號采集系統的數據采集卡;
[0035]第六步、數據采集卡對接收到的電信號進行分時離散采集,采集得到的數據輸入 上位機軟件中進行分析;分析后獲得輸電線路舞動的位移軌跡,將此位移軌跡與預設最大 位移軌跡比較判斷輸電線路是否舞動。
[0036] 相對于現有技術,本發明具有如下優點:
[0037] 1、測量方法更加簡明。相較于電網線路舞動測試應用最為廣泛的加速度傳感系 統,基于超聲換能器的輸電線路舞動軌跡監測系統直接對輸電線路的舞動位置通過聲波信 號進行監測,并通過兩超聲換能器的數據信息直接獲取輸電線路的位置信息,不需要經過 加速度傳感系統的積分過程,簡化了測試原理,使得測量方法更加簡單易懂。
[0038] 2、測試結果更加準確。傳統的加速度傳感系統需要經過二次積分且無法避免因輸 電線路扭轉帶來的角加速度等問題,故其測量精度較差;而視頻監測系統的監測頻率較低, 高頻率舞動無法分辨,更多用于定性判斷輸電線路的舞動。相較于上述兩種方式,基于超聲 換能器的輸電線路舞動軌跡監測系統是對輸電線路的位移量直接測量,隨后只進行簡單運 算即可獲得輸電線路的空間坐標,測試結果因此也更加準確。
[0039] 3、測試系統基本不受外界條件影響。視頻監測系統在大霧天氣等能見度較低的情 況及夜間無法有效識別輸電線路的舞動位移,且視頻監測系統的攝像頭在裸露條件下易出 現老化割裂等損壞狀態。相較于視頻監測系統,基于超聲換能器的輸電線路舞動軌跡測試 系統依靠超聲測距,幾乎不受外界條件影響,適用范圍更廣且更加耐用。
[0040] 4、測量實時性好。基于超聲換能器的輸電線路舞動軌跡測試系統在判斷輸電線路 起舞后,可迅速根據輸電線路的舞動狀態進行判斷,確定輸電線路的舞動位置。并根據其舞 動幅值由上位機進行判斷是否進行報警。此種測試及警戒方式的實時性高于由人工判斷的 視頻監測系統及光纖監測系統,測量速度及反應都更具有優勢。
【附圖說明】
[0041]圖1為本發明的原理系統框圖;
[0042]圖2為本發明的測試原理圖;
[0043]圖3為發明的實際安裝示意圖;
[0044]圖4為本發明的系統測試流程圖。
【具體實施方式】
[0045] 以下結合附圖和實例對本發明作以詳細的描述:
[0046] 請參閱圖1所示,本發明一種基于超聲換能器的輸電線路舞動軌跡監測系統,包括 超聲換能器發射系統、超聲換能器接收系統、信號控制系統、信號采集系統和電源系統。
[0047] 超聲換能器發射系統包括第一超聲換能器及驅動板。第一超聲換能器1通過法蘭 固定在分裂導線4的間隔棒5上,其輸入端與驅動板輸出端相連接;驅動板安裝在間隔棒內 的安裝槽內,其輸入端與信號控制系統的主控板輸出端相連接,輸出端與第一超聲換能器 輸入端相連接。當輸電線路舞動時,分裂導線上的間隔棒跟隨輸電線路開始舞動,驅動板接 收到主控板發出的測試信號后驅動第一超聲換能器開始測試。第一超聲換能器將驅動板發 出的電信號轉化為機械波信號,并通過全向發射的方式傳輸到周圍空氣中。
[0048]超聲換能器接收系統包括第二超聲換能器2、第三超聲換能器3及信號放大電路。 第二超聲換能器及第三超聲換能器分別安裝在地面支架上,與第一超聲換能器的空間距離 分別為12和1 3,第二超聲換能器與第三超聲換能器之間的距離為li。第二超聲換能器、第三 超聲換能器輸出端分別與信號放大電路輸入端相連接,信號放大電路輸出端與信號控制系 統主控板輸入端相連接。第二超聲換能器及第三超聲換能器的作用是接收第一超聲換能器 發出的機械波信號并將此信號轉換為電信號,并將此信號傳輸至信號放大電路。信號放大 電路的作用是將第二超聲換能器和第三超聲換能器傳輸的電信號放大,并將放大后的結果 傳輸至信號控制系統的主控板。
[0049] 信號控制系統包括主控板和信號隔離柵。主控板輸入端與超聲換能器接收系統中 的信號放大電路輸出端相連接,主控板輸出端與超聲換能器發射系統的驅動板及信號隔離 柵相連接,主控板電源端與電源系統相連接;信號隔離柵輸入端與主控板輸出端相連接,信 號隔離柵輸出端與信號采集系統數據采集卡相連接。信號控制系統中,主控板的作用是控 制第一超聲換能器發射機械波、接收第二超聲換能器和第三超聲換能器傳輸的電信號并將 此電信號傳輸給信號采集系統;信號隔離柵的作用是將主控板傳輸的電信號傳遞給信號采 集系統,并在其間進行電氣隔離與光電耦合,保證數據采集系統的安全。
[0050] 信號采集系統包括數據采集卡與上位機。數據采集卡輸入端與信號控制系統的信 號隔離柵想連接,輸出端與上位機系統連接;上位機系統輸入端與數據采集卡通過上位機 的PCI-E卡槽連接。數據采集卡的作用是對第二超聲換能器和第三超聲換能器傳輸的電信 號高速離散采集,上位機系統的作用是對數據采集卡采集到的數據進行處理并分析,獲取 輸電線路的實際位置。
[0051]電源系統分別與超聲換能器發射系統的驅動板和信號控制系統的主控板相連接, 分別為驅動板和主控板供電。
[0052]基于超聲換能器的輸電線路舞動軌跡監測系統的測試原理與如圖2所示。當安裝 在輸電線路間隔棒上的第一超聲換能器工作時,其在to時刻發出的機械波分別在時刻和 t2時刻被第二超聲換能器及第三超聲換能器接收到。此時,第一超聲換能器與第二超聲換 能器之間的距離h及第一超聲換能器與第三超聲換能器之間的距離1 3可分別表示為:
[0053] l2 = v(ti-to)
[0054] l3 = v(t2-to)
[0055] 式中v為聲波傳遞的速度。分別考慮風速及溫度對聲波傳遞速度的影響后,即可得 到該時刻第一超聲換能器與第二超聲換能器及第三超聲換能器之間的距離h與1 3。已知第 二超聲換能器與第三超聲換能器之間的距離li,則此時刻輸電線路及第一超聲換能器的位 置(X,Y)可表示為:
[0060] 式中S為第一超聲換能器、第二超聲換能器及第三超聲換能器圍成的三角形的面 積,Ρ為海倫公式計算三角形面積的中間變量。輸電線路及第一超聲換能器的位置軌跡(X, Υ),與預設最大位移軌跡比較后即可判斷輸電線路是否舞動。
[0061] 請參閱圖4所示,本發明一種基于超聲換能器的輸電線路舞動軌跡監測系統及方 法,包括以下步驟。
[0062] 第一步、外部線路舞動測試信號輸入信號控制系統主控板中,信號控制系統主控 板輸入電信號至超聲換能器發射系統的驅動板,驅動板將此電信號放大抬升后將此電信號 輸入第一超聲換能器。
[0063] 第二步,第一超聲換能器將超聲換能器發射系統驅動板傳輸的電信號在內部進行 轉化,將電信號通過內部特制的壓電陶瓷轉化為相應的機械波信號,并向周圍空間全向發 射此機械波信號。
[0064]第三步,布置過的超聲換能器接收系統中的第二超聲換能器及第三超聲換能器接 收到超聲換能器發射系統中第一超聲換能器發射的機械波信號,并分別在第二超聲換能器 及第三超聲換能器中將此機械波信號轉化為電信號。
[0065]第四步,第二超聲換能器及第三超聲換能器接收到的電信號分別輸入超聲換能器 接收系統中的信號放大電路,將其接收到的電信號按照20倍率放大,方便系統后端的計算 分析及處理。
[0066]第五步,經過放大的電信號傳輸至信號控制系統的主控板,主控板將此電信號傳 輸至信號控制系統的信號隔離柵,信號隔離柵對此電信號進行隔離,并光電耦合傳輸至信 號采集系統的數據采集卡。
[0067]第六步,數據采集卡對接收到的電信號進行分時離散采集,采集得到的數據輸入 上位機軟件中進行分析。分析后即可獲得輸電線路舞動的位移軌跡,將此位移軌跡與預設 最大位移軌跡比較后即可判斷輸電線路是否舞動。
【主權項】
1. 一種基于超聲換能器的輸電線路舞動軌跡監測系統,其特征在于,包括超聲換能器 發射系統、超聲換能器接收系統、信號控制系統、信號采集系統和電源系統; 超聲換能器發射系統,用于接收信號控制系統發出的測試信號并將測試信號轉化為機 械波信號,并通過全向發射的方式傳輸到周圍空氣中; 超聲換能器接收系統,用于接收超聲換能器發射系統發出的機械波,并將接收的新號 傳輸給信號控制系統; 信號控制系統,用于控制超聲換能器發射系統發出機械波信號,接收超聲換能器接收 系統輸出的信號并傳送給信號采集系統; 信號采集系統,用于對接收的信號進行處理并分析,獲取輸電線路的實際位置; 電源系統,用于給超聲換能器發射系統和信號控制系統供電。2. 根據權利要求1所述的一種基于超聲換能器的輸電線路舞動軌跡監測系統,其特征 在于,超聲換能器發射系統包括第一超聲換能器及驅動板;第一超聲換能器通過法蘭固定 在分裂導線的間隔棒上,其輸入端與驅動板輸出端相連接;驅動板安裝在間隔棒內的安裝 槽內,其輸入端與信號控制系統的主控板輸出端相連接。3. 根據權利要求2所述的一種基于超聲換能器的輸電線路舞動軌跡監測系統,其特征 在于,超聲換能器接收系統包括第二超聲換能器、第三超聲換能器及信號放大電路;第二超 聲換能器及第三超聲換能器分別安裝在地面支架上,與第一超聲換能器的空間距離分別為 1 2和13,第二超聲換能器與第三超聲換能器之間的距離為11;第二超聲換能器、第三超聲換 能器輸出端分別與信號放大電路輸入端相連接,信號放大電路輸出端與信號控制系統主控 板輸入端相連接。4. 根據權利要求3所述的一種基于超聲換能器的輸電線路舞動軌跡監測系統,其特征 在于,信號控制系統包括主控板和信號隔離柵;主控板輸入端與超聲換能器接收系統中的 信號放大電路輸出端相連接,主控板輸出端與超聲換能器發射系統的驅動板及信號隔離柵 相連接,主控板電源端與電源系統相連接;信號隔離柵輸入端與主控板輸出端相連接,信號 隔離柵輸出端與信號采集系統數據采集卡相連接。5. 根據權利要求4所述的一種基于超聲換能器的輸電線路舞動軌跡監測系統,其特征 在于,信號采集系統包括數據采集卡與上位機;數據采集卡輸入端與信號控制系統的信號 隔離柵想連接,輸出端與上位機系統連接;上位機系統輸入端與數據采集卡通過上位機的 PCI-E卡槽連接。6. 根據權利要求5所述的一種基于超聲換能器的輸電線路舞動軌跡監測系統,其特征 在于,當安裝在輸電線路間隔棒上的第一超聲換能器工作時,其在to時刻發出的機械波分 別在t時刻和^時刻被第二超聲換能器及第三超聲換能器接收到;此時,第一超聲換能器與 第二超聲換能器之間的距離h及第一超聲換能器與第三超聲換能器之間的距離1 3分別表示 為: 12. v(tl-t〇) 13. v(t2-t〇) 式中V為聲波傳遞的速度; 已知第二超聲換能器與第三超聲換能器之間的距離1:,則此時刻輸電線路及第一超聲 換能器的位置(X,Y)表示為:式中S為第一超聲換能器、第二超聲換能器及第三超聲換能器圍成的三角形的面積,p 為海倫公式計算三角形面積的中間變量; 輸電線路及第一超聲換能器的位置軌跡(Χ,γ)與預設最大位移軌跡比較后即能夠判斷 輸電線路是否舞動。7. -種基于超聲換能器的輸電線路舞動軌跡監測方法,其特征在于,基于權利要求1至 6中任一項所述的一種基于超聲換能器的輸電線路舞動軌跡監測系統,具體包括以下步驟: 第一步、外部線路舞動測試信號輸入信號控制系統主控板中,信號控制系統主控板輸 入電信號至超聲換能器發射系統的驅動板,驅動板將此電信號放大抬升后將此電信號輸入 第一超聲換能器; 第二步、第一超聲換能器將超聲換能器發射系統驅動板傳輸的電信號在內部進行轉 化,將電信號通過內部特制的壓電陶瓷轉化為相應的機械波信號,并向周圍空間全向發射 此機械波信號; 第三步、超聲換能器接收系統中的第二超聲換能器及第三超聲換能器接收到超聲換能 器發射系統中第一超聲換能器發射的機械波信號,并分別在第二超聲換能器及第三超聲換 能器中將此機械波信號轉化為電信號; 第四步、第二超聲換能器及第三超聲換能器接收到的電信號分別輸入超聲換能器接收 系統中的信號放大電路,將其接收到的電信號放大; 第五步、經過放大的電信號傳輸至信號控制系統的主控板,主控板將此電信號傳輸至 信號控制系統的信號隔離柵,信號隔離柵對此電信號進行隔離,并光電耦合傳輸至信號采 集系統的數據采集卡; 第六步、數據采集卡對接收到的電信號進行分時離散采集,采集得到的數據輸入上位 機軟件中進行分析;分析后獲得輸電線路舞動的位移軌跡,將此位移軌跡與預設最大位移 軌跡比較判斷輸電線路是否舞動。
【文檔編號】G01H9/00GK105865612SQ201610327125
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月17日
【發明人】穆海寶, 周祥, 張冠軍, 鄧軍波
【申請人】西安交通大學