基于超聲換能器的輸電線路舞動監測系統

董麗潔 魏建林 呂中賓 周祥 李予全

（1.國網河南省電力公司電力科學研究院，河南鄭州 450052；2.西安交通大學，陜西西安 710049）

基于超聲換能器的輸電線路舞動監測系統

董麗潔1魏建林1呂中賓1周祥2李予全1

（1.國網河南省電力公司電力科學研究院，河南鄭州 450052；2.西安交通大學，陜西西安 710049）

舞動監測是深入開展舞動機理、模型分析和防舞設計的基礎條件，舞動監測技術及相關設備已在輸電線路獲得廣泛應用，但普遍采用的加速度傳感器由于采用二次積分的計算方法，該領域的加速度測量及積分算法存在其固有缺陷，所獲取的位移值誤差較大；采用的基于視頻監測和軌跡提取的舞動監測方法，雖然能有效監測被測點的絕對運動軌跡，但其基于可見光進行視頻分析，因此需要較為理想的光學觀測環境，無法在夜晚實施，同時還需要被測點與其背景存在較大的色斑差異。因此，為了更加精確以及能在更寬松的環境下監測導線的舞動軌跡，選擇超聲換能器作為測量基礎，論證超聲換能器測量特定情況下導線舞動軌跡的可行性。

超聲換能器；輸電線路；舞動；監測

架空輸電線路運行過程中，會因自然條件的作用而發生多種災害事故，舞動就是其中危害較為嚴重的一種。舞動是不均勻覆冰導線在風的作用下產生的一種低頻率（0.1～3.0Hz）、大振幅（為導線直徑的5～300倍）的自激振動。舞動發生時，全檔架空輸電線會產生豎直、水平和扭轉3個方向的復雜耦合振動，由于風不斷供給能量，導線舞動的振幅不斷增長，直至由于阻尼的影響而趨于穩定。舞動一旦形成，持續時間一般可達數小時至幾十小時。電網規模的快速發展和惡劣天氣的頻繁出現，致使輸電線路發生舞動的頻率和危害程度都呈現明顯的增加趨勢，輕則相間閃絡、損壞地線和導線、金具及部件，重則線路跳閘停電、斷線倒塔等，嚴重威脅到電網的安全穩定運行，造成重大經濟損失［1，2］。

1 輸電線路舞動監測技術

舞動監測技術從本質上來講是一種軌跡跟蹤技術，用于捕捉被測點舞動時的運動軌跡，進而獲得被測點及舞動線路的舞動特征，從而為舞動機理及防舞措施研究提供重要依據。

目前，舞動監測技術及相關設備已在輸電線路獲得廣泛應用，雖然設備類型眾多，但測量原理基本接近，主要包括3種：人工觀測、基于視頻監測和軌跡提取技術的舞動監測方法和基于加速度傳感器的舞動監測方法［3，4］。

1.1 人工觀測

在一些舞動監測系統還沒有覆蓋的地區，該區域輸電線路的舞動監測主要靠電力公司工作人員手工實時進行，記錄下當前輸電線路的關鍵參數，比如溫度、光照強度、導線承受壓力、有無覆冰等。舞動的人工觀測方式可靠靈活，但由于依賴手工，其個體差異性較大且準確度較差，所記錄的舞動數據難以應用到對精度有較高要求的深入研究中。

1.2 基于視頻監測和軌跡提取技術的舞動監測方法

該技術包含單目、雙目及多目等，其中單目監測技術結構簡單、應用方便、測距最遠，因此應用最為廣泛。單目測量系統由視頻錄制設備、角度及距離測量裝置、軌跡提取軟件組成，視頻錄制設備用于舞動過程的記錄，為便于后期的數據處理，一般采用高清攝像機；角度及距離測量裝置用于獲取觀測點到被測點的距離、角度等校準信息；軌跡提取軟件用于分離舞動視頻中的被測點運動軌跡，該原始軌跡是一種基于像素的相對值，結合被測點距離和角度等校準信息可計算出被測點的絕對運動軌跡。在現場實施上，操作人員只需要使用視頻采集裝置、測距儀等簡單設備即可完成監測。與人工觀測法相比，單目測量法可以獲得更為精確的舞動幅值、頻率等參數，而且能得到整檔導線的舞動軌跡。然而，單目測量法也存在一些不足，其基于可見光進行視頻分析，因此需要較為理想的光學觀測環境，無法在夜晚實施，并需要被測點與其背景存在較大的色斑差異。因此，其觀測位置和觀測時間受到較大限制［5］。

1.3 基于加速度傳感技術的舞動監測

該方法利用安裝在被測點的加速度傳感器獲得被測點舞動時的加速度值，通過一定的算法進行二次積分，計算出被測點的舞動位移。該方法可以全天候實施監測被測點的舞動軌跡，但由于采用了積分的計算方法，而且被測對象的舞動頻率屬于超低頻（0.1～3.0Hz）范圍，該領域的加速度測量及積分算法存在其固有缺陷，所獲取的位移值誤差較大。

由于基于視頻監測和軌跡提取技術的舞動監測方法，在野外、高濕、濃霧、沙塵等天氣條件下，不僅對視頻設備的可靠性、穩定性要求很高，而且拍攝的視頻圖像效果也會受到影響，在實際使用中受外界環境影響比較大；而采用加速度傳感器監測導線舞動情況，雖可定量分析輸電導線某一點上下振動和左右擺動的情況，但只能測出導線直線運動的振幅和頻率，而對于復雜的圓周運動，則無法準確測量。

因此，為了更加精確地監測導線的舞動軌跡，本文選擇超聲換能器作為測量基礎，論證超聲換能器測量特定情況下導線舞動軌跡的可行性。

2 超聲換能器的基本原理

2.1 基本原理

超聲換能器是一種將電信號轉化為機械波信號的傳感器。當其中一條線路在外力的作用下發生位移時，可利用超聲換能器進行監測，從而判定線路是否發生舞動并得到輸電線路的舞動位移信息。

基于超聲換能器的輸電線路舞動軌跡監測系統中，每一組測試系統包含3個超聲換能器，超聲換能器1安裝在輸電線路導線的子間隔棒上，超聲換能器2和超聲換能器3分別固定在待測線路的下方。超聲換能器的安裝示意圖如圖1和圖2所示。

圖1 超聲換能器在導線上安裝示意圖

圖2 超聲換能器在檔距上安裝示意圖

當安裝在輸電線路子間隔棒上的超聲換能器1工作時，其在t0時刻發出的機械波分別在t1時刻和t2時刻被超聲換能器2和超聲換能器3接收到。此時，超聲換能器1與超聲換能器2之間的距離l2及超聲換能器1與超聲換能器3之間的距離l3可分別表示如下：

式（1）（2）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，即可得到該時刻超聲換能器1與超聲換能器2和超聲換能器3之間的距離l2與l3。在已經測得超聲換能器2及超聲換能器3之間距離l1的情況下，此時刻輸電線路及超聲換能器1的位置（X，Y）可表示如下：

式（3）～（6）中，S為超聲換能器1、2及3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。

在利用式（3）～（6）獲得某一時刻的室外觀測檔線路的舞動狀態后，令超聲換能器1分時工作，特定時間間隔后再次發射機械波，即可獲得輸電線路的一系列離散舞動位移坐標（X，Y）。對此位移利用樣條插值法進行處理后即可獲得線路的舞動軌跡。

2.2 基于超聲換能器的線路舞動測試系統硬件結構

基于超聲換能器的輸電線路舞動軌跡監測系統主要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、信號接收系統和電源系統。

2.2.1 超聲換能器發射系統。包括超聲換能器1及驅動板。超聲換能器1通過定制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，輸出端與超聲換能器1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超聲換能器1開始測試。超聲換能器1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。

2.2.2 超聲換能器接收系統。包括超聲換能器2、超聲換能器3及信號放大電路。超聲換能器2及超聲換能器3分別固定在地面支架上，與超聲換能器1的空間距離分別為l2和l3，超聲換能器2與超聲換能器3之間的距離為l1。超聲換能器2、超聲換能器3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調理系統主控板輸入端相連接。超聲換能器2及超聲換能器3的作用是接收超聲換能器1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電電路。信號放大電路的作用是將超聲換能器2和超聲換能器3傳輸的電信號合理放大，并將放大后的結果傳輸至信號控制系統的主控板。

2.2.3 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超聲換能器1發射機械波、接收超聲換能器2和超聲換能器3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。

2.2.4 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超聲換能器2和超聲換能器3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。

2.2.5 電源系統。其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。

2.3 基于超聲換能器的舞動位移測量系統的工作流程

①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超聲換能器1。

②超聲換能器1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。

③布置過的超聲換能器接收系統中的超聲換能器2及超聲換能器3接收到超聲換能器發射系統中超聲換能器1發射的機械波信號，并分別在超聲換能器2及超聲換能器3中將此機械波信號轉化為電信號。

④超聲換能器2及超聲換能器3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。

⑤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。

⑥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。

3 基于超聲換能器的線路舞動監測

在室內對線路舞動監測設備進行監測時，待測設備受到的影響相較于室外的影響因素較小。為確定典型的線路舞動監測設備在室外條件下是否具有一定的監測精度，對其在國網河南省電力公司電力科學研究院尖山舞動試驗室的室外觀測檔上進行測試。在對室外線路舞動監測設備的監測結果進行評定時，為方便起見，只對室外觀測檔的輸電線路進行幅值監測與檢定。

3.1 監測方案

分別將超聲換能器測試系統和單目測試系統調試完畢后，將裝有超聲換能器的八分裂間隔棒安裝至室外觀測檔線路上。同時，調整間隔棒的位置使其與兩側支柱上換能器的位置平行，隨后將單目測試系統安裝在桿塔上，調整期拍攝位置與換能器測試位置重合。隨后分別令超聲換能器測試系統與單目測試系統同時開始測試。

超聲換能器系統在室外觀測檔上共安裝在檔距內的兩個不同位置上，可同時對觀測檔輸電線路的舞動位移進行檢查。

3.2 監測方法

由于室外觀測檔輸電線路舞動時間及位移的不可控，且單目測試系統拍攝時間有限，故需人工對室外觀測檔線路的無用情況進行觀察。當發現室外觀測檔線路開始舞動后，分別打開超聲換能器測試系統和單目測試系統，對室外觀測檔的線路舞動位移進行記錄，記錄的結果分別進行處理后相互比較進行結果校準。

為保證測試結果的準確性，分別在7d內早晚時間對觀測檔試驗舞動線路的舞動位移進行記錄。每天在7∶00-7∶10及17∶00-17∶10打開超聲換能器測試系統與單目測試系統，對觀測檔輸電線路的舞動狀態進行監測。一方面，在這兩段時間內觀測檔試驗線路有很大概率發生風激舞動；另一方面，這兩段時間段內觀測檔能見度較好，單目測試系統能夠清楚分辨輸電線路的舞動位移。據經驗得知，觀測檔輸電線路的舞動位移主要集中在Y軸和Z軸方向，為了簡化觀測檔輸電線路的舞動位移表征，以此兩方向的輸電線路舞動位移幅值來表征輸電線路的舞動狀態。

3.3 監測結果

在得到觀測檔輸電線路舞動位移的監測結果后，找出試驗線路在此段時間內的舞動最大值，并以此舞動最大值截取5個周期的輸電線路舞動狀態，計算其平均幅值，并以此值表征該天該段時間內的輸電線路舞動情況。在對2015年11月16日-2015年11月20日的輸電線路舞動狀態進行記錄并分析后，由超聲換能器采集分析得到的輸電線路舞動情況如表1所示，表中只記錄舞動特征明顯，幅值超過1m的舞動事件。

從2015年11月16日-2015年11月20日為期7d（11月19日未發生舞動事件）的觀測檔輸電線路舞動監測結果中可以看出，超聲換能器監測系統與單目測試系統的測試結果在不同時間點的測試結果近似。

表1 輸電線路舞動幅值測試結果

而單目測試系統作為一種精確的輸電線路舞動監測技術，具有非接觸式測量、同步多點監測、動態實時監測、測量范圍大、特征點選取方便、標定方便及現場可操作性強等優點，已廣泛應用于輸電線路舞動監測。從監測結果可以看出，超聲換能器監測系統與單目測試系統測試結果相近。因此，超聲換能器作為一種線路舞動監測手段，具有較高的適用性。

4 結語

基于超聲換能器的線路舞動監測系統，通過對線路舞動位移量的直接測量，避免了復雜數學計算帶來的存儲困難及計算誤差大等實際問題。該監測系統準確度更高，測試速度更快，能夠更加真實地表征線路舞動的基本特征。而且該系統對光學測試環境要求較低，能夠在更寬松的環境條件下完成輸電線路的舞動監測，具有良好的推廣前景。

［1］郭應龍，李國興，尤傳永.輸電線路舞動［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［2］王藏柱，楊曉紅.輸電線路導線的振動和防振［J］.電力情報，2002（1）：69-70.

［3］黃新波，陳榮貴，王孝敬，等.輸電線路在線監測與故障診斷［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［4］曹海林，楊力生，楊士中，等.特高壓輸電線舞動監測技術研究［J］.高電壓技術，2011（9）：2111-2115.

［5］祝琨，楊唐文，阮秋琦，等.基于雙目視覺的運動物體實時跟蹤與測距［J］.機器人，2009（4）：327-334.

Transmission Line Galloping Monitoring System Based on Ultrasonic Transducer

Dong Lijie1Wei Jianlin1Lv Zhongbin1Zhou Xiang2Li Yuquan1
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou Henan 450052；2.Xi'an Jiaotong University，Xi'an Shaanxi 710049）

Galloping monitoring is the basic condition for the further development of galloping mechanism,model analysis and anti-galloping design,galloping monitoring technology and related equipment have been widely used in transmission line.But most acceleration transducers have adopted the computing method of quadratic integral which has inherent defect,the error value of the displacement is rather big.Galloping monitoring method based on video monitoring and trajectory extraction,can monitor the absolute movements of the observation point,but its video analysis based on visible light,so the ideal optical observation environment is needed,it can not be implemented at night. At the same time,the significantly differences should be exist between the observation point and the background. Therefore,in order to more accurately and can be in a more relaxed environment to monitor the galloping track,ultrasonic transducers was chose as the basis of measurement,to demonstrate the feasibility of the galloping track of ultrasonic transducer measurement under specific circumstances.

ultrasonic transducer；power transmission line；galloping；monitoring

TM726

A

1003-5168（2016）11-0050-04

2016-10-09

董麗潔（1985-），女，碩士，工程師，研究方向：輸電線路舞動研究。