電力電纜與架空線智能綜合測(cè)量系統(tǒng)研發(fā)

柏 倉，郭湘奇，李文國(guó)

(1.南京供電公司，江蘇 南京 210001； 2.咸亨國(guó)際電氣制造有限公司，浙江 杭州 310022)

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電力電纜與架空線智能綜合測(cè)量系統(tǒng)研發(fā)

柏 倉1，郭湘奇1，李文國(guó)2

(1.南京供電公司，江蘇 南京 210001； 2.咸亨國(guó)際電氣制造有限公司，浙江 杭州 310022)

電力系統(tǒng)內(nèi)需要對(duì)電纜線路和架空線路的各類距離參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，而一般傳統(tǒng)測(cè)量方法測(cè)量結(jié)果誤差較大且操作存在一定的危險(xiǎn)性；經(jīng)緯儀或全站儀雖然精度高，但是操作復(fù)雜并且專業(yè)性要求高。電纜與架空線智能綜合測(cè)量系統(tǒng)將遠(yuǎn)量程測(cè)距儀與手持設(shè)備藍(lán)牙通信，基于硬件組合與傳統(tǒng)測(cè)量方法研發(fā)終端軟件；終端軟件優(yōu)化傳統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)算法，簡(jiǎn)化UI設(shè)計(jì)。整套系統(tǒng)通過軟硬件智能結(jié)合，可以準(zhǔn)確、快速、便捷地完成各項(xiàng)測(cè)量任務(wù)。

電力系統(tǒng)；電力線路；測(cè)量系統(tǒng)；算法軟件

0 引言

電力系統(tǒng)輸電線路、配電線路和各類電纜的安全對(duì)地距離、弧垂距離和交叉跨越距離是各電力單位需要經(jīng)常測(cè)量的數(shù)據(jù)，以維護(hù)電力線路運(yùn)行安全。根據(jù)測(cè)量任務(wù)的復(fù)雜程度，客戶使用的測(cè)量?jī)x器不盡相同。在進(jìn)行復(fù)雜測(cè)量任務(wù)時(shí)，例如：電纜彎曲半徑、線路交叉跨越和線路弧垂等，測(cè)量方法通常有傳統(tǒng)測(cè)量方式和經(jīng)緯儀、全站儀的測(cè)量。傳統(tǒng)測(cè)量方法操作繁瑣，誤差較大；現(xiàn)有激光測(cè)距儀可實(shí)現(xiàn)空間兩點(diǎn)直線距離、高差、水平距離等簡(jiǎn)單計(jì)算，但所運(yùn)用的單片機(jī)控制器不足以計(jì)算電力電纜與架空線綜合測(cè)量時(shí)所需要的數(shù)據(jù)，亦不可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄、現(xiàn)場(chǎng)圖片記錄等；而經(jīng)緯儀、全站儀雖然測(cè)量精度很高，功能較多，但其測(cè)量過程需要輔助工具，后期數(shù)據(jù)處理需要通過畫圖、三角函數(shù)換算等多方面工作才能完成，對(duì)測(cè)量人員有一定的專業(yè)要求，需要專門培訓(xùn)測(cè)繪人員，而且使用過程操作繁瑣，不便于測(cè)量人員進(jìn)行日常的數(shù)據(jù)測(cè)量工作[1-2]。

為了解決上述各測(cè)量方法存在的問題，本文提供了一種電纜與架空線綜合測(cè)量系統(tǒng)，包括手持設(shè)備、測(cè)量設(shè)備以及無磁三腳架。本綜合測(cè)量系統(tǒng)使用的測(cè)量設(shè)備為激光測(cè)距儀，測(cè)距儀本身內(nèi)置三軸電子羅盤，可以直接獲取測(cè)量點(diǎn)的距離、水平傾角α(即INC)以及方位角AZ(與磁北極夾角)等三維數(shù)據(jù)[3]。手持設(shè)備安裝算法軟件，軟件擁有不同測(cè)量功能的經(jīng)典算法，可以自動(dòng)處理接收的測(cè)量數(shù)據(jù)，自動(dòng)計(jì)算得到所需測(cè)量結(jié)果。軟件適用平臺(tái)為安卓系統(tǒng)，使用簡(jiǎn)單直觀。手持設(shè)備與測(cè)量設(shè)備均具有藍(lán)牙模塊，通過藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)與功能命令互傳。測(cè)量系統(tǒng)依靠綜合系統(tǒng)內(nèi)硬件和軟件算法的結(jié)合來智能化線路數(shù)據(jù)測(cè)量的操作方法，以此來削弱使用者對(duì)專業(yè)測(cè)量能力的要求。使用者僅需掌握測(cè)距儀的基礎(chǔ)使用方方法；算法軟件安裝在通用安卓系統(tǒng)移動(dòng)設(shè)備(如手機(jī)、平板等)上，使用者僅需使用手持機(jī)進(jìn)行選擇功能、記錄數(shù)據(jù)和圖片，操作簡(jiǎn)單易懂。功能集成化設(shè)計(jì)，極大方便了使用者應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的電纜與線路的測(cè)量任務(wù)。

1 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.手持設(shè)備； 2.測(cè)量設(shè)備； 3.無磁三腳架圖1 電纜與架空線綜合測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本電纜與架空線綜合測(cè)量系統(tǒng)包括：手持設(shè)備、測(cè)量設(shè)備以及無磁三腳架，如圖1所示。手持設(shè)備采用觸屏手機(jī)或者平板電腦，為了使測(cè)量設(shè)備測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)穩(wěn)定準(zhǔn)確且避免測(cè)量環(huán)境中磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量設(shè)備穩(wěn)定性干擾，整體系統(tǒng)采用無磁三腳架穩(wěn)固測(cè)量設(shè)備；測(cè)量設(shè)備根據(jù)具體的測(cè)量任務(wù)進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)的選取和數(shù)據(jù)的測(cè)量；測(cè)量設(shè)備與手持設(shè)備進(jìn)行藍(lán)牙通信，手持設(shè)備內(nèi)置算法軟件，進(jìn)行功能選擇，將接收的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理，自動(dòng)得到所需數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行備注、保存和現(xiàn)場(chǎng)圖片索取。

手持設(shè)備包括微處理器、存儲(chǔ)器、觸摸屏、攝像頭以及從藍(lán)牙模塊；測(cè)量設(shè)備包括主藍(lán)牙模塊、控制器、激光測(cè)距儀以及電子羅盤；存儲(chǔ)器、觸摸屏以及從藍(lán)牙模塊均與微處理器相連；主藍(lán)牙模塊、激光測(cè)距儀以及電子羅盤均與控制器相連；從藍(lán)牙模塊與主藍(lán)牙模塊無線通信連接；電子羅盤為三軸電子羅盤。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)

本綜合測(cè)量系統(tǒng)各模塊的工作配合為：開啟手持設(shè)備和測(cè)量設(shè)備后，由觸摸屏向控制器發(fā)送測(cè)量功能命令，從藍(lán)牙模塊與主藍(lán)牙模塊進(jìn)行無線通信傳輸數(shù)據(jù)和指令；使用在激光測(cè)距儀和三軸電子羅盤完成目標(biāo)物的測(cè)距和測(cè)角后，通過無線傳輸至微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算，獲得電纜與架空線測(cè)量需要的相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過觸摸屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)存儲(chǔ)器也進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；還可以采用攝像頭對(duì)測(cè)量點(diǎn)處的圖像進(jìn)行采集，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，實(shí)現(xiàn)全面現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)記錄。

2 測(cè)量設(shè)備功能介紹

2.1 測(cè)量設(shè)備選擇

目前市場(chǎng)上測(cè)量設(shè)備種類眾多，功能也是比較繁雜。部分測(cè)量設(shè)備使用超聲波或者紅外線為主要測(cè)距儀方式，測(cè)量精度很高，可以達(dá)到毫米級(jí)，但是量程較短；部分測(cè)距設(shè)備使用激光測(cè)距，量程可以達(dá)到2 000 m，但是精度略低，在5 cm～1 m。由于此綜合測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用客戶主要為電力系統(tǒng)部門，其一般都會(huì)對(duì)測(cè)量設(shè)備有一定的量程要求，而對(duì)測(cè)量精度的要求在1 m以內(nèi)。所以測(cè)量設(shè)備初定激光類型測(cè)量設(shè)備，傳統(tǒng)稱為激光測(cè)距儀。

激光測(cè)距儀是利用激光對(duì)目標(biāo)的距離進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定的儀器，其在工作時(shí)向目標(biāo)射出一束很細(xì)的激光，由光電元件接收目標(biāo)反射的激光束，計(jì)時(shí)器測(cè)定激光束從發(fā)射到接收的時(shí)間，計(jì)算出從觀測(cè)者到目標(biāo)的距離[4]。激光測(cè)距儀分為手持激光測(cè)距儀和望遠(yuǎn)鏡式激光測(cè)距儀。

手持激光測(cè)距儀通常無目鏡與物鏡，使用范圍很廣，測(cè)量距離由幾十米至數(shù)公里不等。在功能上除能測(cè)量距離外，有些還能計(jì)算測(cè)量物體的體積。

望遠(yuǎn)鏡式激光測(cè)距儀，常規(guī)光學(xué)放大倍率可以達(dá)到6～9倍，主要應(yīng)用范圍為電力巡線、野外建筑、環(huán)境勘察、建立基站等需要野外長(zhǎng)距離測(cè)量的情況。

而目前電力以及其他施工環(huán)節(jié)中，由于在巡線、測(cè)量等工況下涉及的距離遠(yuǎn)近不一，并且測(cè)量過程中需要測(cè)距儀具有望遠(yuǎn)功能，用以較準(zhǔn)確地尋找目標(biāo)點(diǎn)，測(cè)得較小目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，因此本設(shè)計(jì)選用望遠(yuǎn)式激光測(cè)距儀構(gòu)成本系統(tǒng)。

2.2 測(cè)量設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸方式選擇

目前測(cè)距儀數(shù)據(jù)傳輸方式主要為有線數(shù)據(jù)傳輸型和無線藍(lán)牙傳輸型。

早期的有線數(shù)據(jù)傳輸型的激光測(cè)距儀，數(shù)據(jù)傳輸是通過RS232等串口有線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，即PC上。后期，隨著電子、智能化行業(yè)的不斷發(fā)展進(jìn)步，PC作為上位機(jī)的傳輸方式逐步淘汰，取而代之的是各種類型的PDA。

近年來，隨著數(shù)據(jù)傳輸方式的革新，在各行各業(yè)興起了紅外、藍(lán)牙、WiFi、ZigBee等多種無線數(shù)據(jù)傳輸方式。而本系統(tǒng)采用的為目前測(cè)距儀行業(yè)內(nèi)最先進(jìn)的無線藍(lán)牙傳輸方式。系統(tǒng)選擇無線藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸方式的初衷是減少施工、作業(yè)人員架設(shè)、安裝、搭載設(shè)備等的不便，且在不需要上位機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，有效地減少了作業(yè)人員運(yùn)輸和攜帶設(shè)備的重量。從而在發(fā)揮智能化系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，保證測(cè)距儀單體的測(cè)量效果，系統(tǒng)功能不受數(shù)據(jù)接收終端的約束。

2.3 激光測(cè)距儀的基本原理

以測(cè)距儀中心傳感器為原點(diǎn)，建立空間立體坐標(biāo)系。以傳感器中心點(diǎn)為原點(diǎn)，假設(shè)為O，點(diǎn)A(a,b,c)為單點(diǎn)測(cè)量的空間坐標(biāo)系中的目標(biāo)點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 單點(diǎn)測(cè)量

那么，本系統(tǒng)中激光測(cè)距儀通過激光的發(fā)射與接收時(shí)間差t，結(jié)合激光的速度光速c，得到距離OA=(c×t)/2，亦即測(cè)距儀系統(tǒng)顯示的數(shù)據(jù)SD[5]。

圖6 函數(shù)間關(guān)系時(shí)序圖

本系統(tǒng)中的測(cè)距儀內(nèi)置三軸電子羅盤，可測(cè)量水平傾角α(即INC)以及方位角AZ(與磁北極夾角)。假設(shè)A點(diǎn)在水平面XOY上的投影為B點(diǎn)，則OB=SD×cosα，為測(cè)距儀到目標(biāo)點(diǎn)的水平距離，即HD；AB=SD×sinα，為測(cè)距儀到目標(biāo)點(diǎn)的垂直距離，即高差VD。而水平面上的投影OB與磁北極的夾角，即為方位角AZ。

3 軟件設(shè)計(jì)開發(fā)

在整套綜合測(cè)量系統(tǒng)中，手持設(shè)備內(nèi)置軟件需要完成功能選擇，對(duì)應(yīng)功能的數(shù)據(jù)算法處理，數(shù)據(jù)、文字和圖片的錄入及表格的生成。由于傳統(tǒng)對(duì)線路與電纜測(cè)量的方法與此綜合系統(tǒng)的測(cè)量方法在算法上有類似之處，因此此軟件算法結(jié)合經(jīng)典算法進(jìn)行編程，以期達(dá)到最高的測(cè)量精度。

3.1 軟件系統(tǒng)框架

根據(jù)軟件需要實(shí)現(xiàn)的功能，將其分為數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊。其中數(shù)據(jù)接收模塊實(shí)現(xiàn)獲取測(cè)量設(shè)備采集的元數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)不同的測(cè)量任務(wù)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理；數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊將計(jì)算后的結(jié)果保存起來并導(dǎo)出到文件中，可以用Excel打開，或者上傳至數(shù)字化管理中心平臺(tái)。其框架圖如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)框架

3.2 模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

圖5 軟件框架圖

根據(jù)電力系統(tǒng)內(nèi)電纜線路和架空線路中各類測(cè)量任務(wù)，歸納出包括線路凈空測(cè)量、交叉跨越測(cè)量、弧垂測(cè)量和弧長(zhǎng)測(cè)量等14種測(cè)量模式，對(duì)應(yīng)軟件開發(fā)出14種帶算法的測(cè)量功能模塊。其某一項(xiàng)測(cè)量模式的功能開發(fā)，一般均需要經(jīng)歷實(shí)際測(cè)量任務(wù)了解、算法總結(jié)、程序編寫三步，下面具體以弧長(zhǎng)測(cè)量模式的設(shè)計(jì)過程為例來闡述此系統(tǒng)的軟件模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)過程[6]。其軟件系統(tǒng)的框架圖如圖5所示。具體對(duì)應(yīng)的函數(shù)間關(guān)系如圖6所示。

3.3 弧長(zhǎng)基本測(cè)量原理

圖7 圓弧計(jì)算表示

測(cè)量電纜溝內(nèi)的一段圓弧上(客戶自行判斷，確?；臼窃谕欢螆A弧上)的三個(gè)點(diǎn)，獲得此三點(diǎn)分別相對(duì)測(cè)距儀的空間位置，如圖7中的1、2、3，將此三點(diǎn)擬合到同一平面上，然后計(jì)算此三點(diǎn)兩兩之間的距離，如圖7中的a、b、c。

通過以下所示的算法公式(三角形外接圓弧長(zhǎng)計(jì)算公式)，計(jì)算弧長(zhǎng)。

R=

(1)

(2)

(3)

判斷內(nèi)弧或者外弧，只需依據(jù)c邊的一條水平線，根據(jù)B點(diǎn)在這條水平線的上下方進(jìn)行判斷，如果在上方則為外弧，如果在下方則為內(nèi)弧。

根據(jù)此法，還可以測(cè)量不規(guī)則圓弧，將不規(guī)則圓弧分N段，每段按照上述方法求出L，將N個(gè)L值相加就可以實(shí)現(xiàn)不規(guī)則圓弧測(cè)量。

根據(jù)如上具體弧長(zhǎng)的計(jì)算方法，對(duì)應(yīng)進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。對(duì)應(yīng)的具體代碼如下所示：

param onePointData

//測(cè)量?jī)x測(cè)出電纜端點(diǎn)1的數(shù)據(jù)

param twoPointData

//測(cè)量?jī)x測(cè)出電纜端點(diǎn)2的數(shù)據(jù)

param middlePointData//測(cè)量?jī)x測(cè)出電纜上處于端點(diǎn)1和2

之間的端點(diǎn)3數(shù)據(jù)

return

//彎曲半徑

public static double radiusMeasure(MeasureParameter onePointData,MeasureParameter twoPointData,MeasureParameter middlePointData){

double result=0;

MeasureParametertwoPointMeasurePar1=twoPointMeasure(onePointData,twoPointData);

Double c= twoPointMeasurePar1.getSd();

MeasureParametertwoPointMeasurePar2=twoPointMeasure(onePointData,middlePointData);double a= twoPointMeasurePar2.getSd();

MeasureParametertwoPointMeasurePar3=twoPointMeasure(twoPointData,middlePointData);

double b= twoPointMeasurePar3.getSd();

double p=a*b*c;

Double tempValue=Math.sqrt((a+b+c)*(a+b-c)*(a+c-b)*(b+c-a));

result=p/tempValue;

return result;

}

4 結(jié)論

本文以高精度測(cè)距儀、安卓系統(tǒng)手持機(jī)和無磁三腳架為硬件基礎(chǔ)，根據(jù)電力系統(tǒng)行業(yè)內(nèi)對(duì)線路數(shù)據(jù)測(cè)量的要求開發(fā)集成測(cè)量數(shù)據(jù)算法的安卓軟件，以藍(lán)牙為通信方式將測(cè)距儀和算法軟件集成為電纜與架空線綜合智能測(cè)量系統(tǒng)。此測(cè)量系統(tǒng)能夠快速簡(jiǎn)單地解決各項(xiàng)線路測(cè)量任務(wù)，并且具有靈活的后續(xù)開發(fā)性，可以根據(jù)需要增加其他測(cè)量功能。

[1] 余向東，張?jiān)谛?，王劍鋒. 一種小型高精度脈沖式半導(dǎo)體激光測(cè)距儀[J].激光與紅外, 2008, 38(5):458-461.

[2] 張慧兵. 便攜式激光測(cè)距儀在架空電力線路測(cè)距中的應(yīng)用[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì),2009, 19(35):189-190.

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[5] 王剛，孫凌宇，王衛(wèi)寧，等. 新型便攜式激光測(cè)距儀的研究[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2010,47(7):125-128.

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Research and development of the intelligent integrated measurementsystem for power cable and overhead line

Bai Cang1, Guo Xiangqi1, Li Wenguo2

(1. Nanjing Power Supply Company, Nanjing 210001, China;2. Xianheng International Electrical Manufacturing Company, Hangzhou 310022, China)

Various distance parameters of the cable and overhead lines are required to measure in the power system.But the measurement result error of the traditional measurement method is large and the operation is dangerous.Although the theodolite or total station instrument has high precision,the operation is complex and the professional requirement is high.The remote range finder and handheld device are connected by Bluetooth and research and development of the terminal software is based on the combination of hardware and the traditional measurement method.At the same time, terminal software optimizes the data algorithm of traditional measurement and simplifies the design of UI.Through the combination of software and hardware, the whole system can accurately, rapidly and conveniently complete all kinds of measurement tasks.

electric power system; power line; measurement system; algorithm software

TN249; TP399

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.12.025

柏倉，郭湘奇，李文國(guó).電力電纜與架空線智能綜合測(cè)量系統(tǒng)研發(fā)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(12)：84-86，90.

2016-11-29)

柏倉(1984-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：電力電纜運(yùn)行及檢修。

郭湘奇(1973-)，男，本科，工程師，主要研究方向：電力電纜運(yùn)行及檢修。

李文國(guó)(1982-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：電力電纜故障診斷和定位技術(shù)研究。