一種遠程測量技術在輸電桿塔本體的應用

國網浙江金華市供電公司 洪行軍 郝維瀚 施宏宇 陳 吟 陳 堅

一種遠程測量技術在輸電桿塔本體的應用

國網浙江金華市供電公司 洪行軍 郝維瀚 施宏宇 陳 吟 陳 堅

通過對電力系統巡檢過程中涉及的桿塔測量過程的特性分析，提出了一種采用激光測距轉換的測量技術。在對桿塔本體兩端點距離和夾角精確測量的基礎上，通過三角形余弦定理換算成待測對象的長度，并給出了基于單片機的詳細設計方案。文中對測量電路給出了詳細設計，對影響測量精度的各個參數進行了分析，實驗結果表明：測量精度可以達到0．5%。

激光測距；脈沖編碼器；單片機；余弦定理

前言

輸電線路驗收工作面廣時長，其中耐張桿塔上電氣距離的校驗是驗收工作的重中之重。在諸多電氣距離驗收中跳線的馳度測量尤為重要，它直接影響到跳線與塔身之間的安全性和跳線工藝的美觀性。然而在驗收的耐張桿塔中大部分都是轉角桿，作業人員在對轉角桿的內角側跳線馳度進行測量時，由于大小號側導線沿長線不重疊，造成跳線最低點離橫擔頭的水平距離較遠，加大了測量該跳線馳度的難度。

目前，對跳線馳度的測量主要采用單點及各參數分離測量的方式[1]，即對跳線兩端點的距離用激光測距機分別測量，然后再對方位夾角進行測量，最后換算成馳度量。所采用的測量工具主要是市面上的傳統測距儀，該測距方式效率低下，花費時間長，且測量誤差較大[2]。造成此現狀的原因在于電力系統中輸電線路作業的特殊性，往往作業人員都是在桿塔高空作業，大多數情況下只能單手操作，測量儀器的相對位置不固定和分步測量的不可重復性導致測量誤差較大。本文在分析桿塔本體測量的特性和電力作業的特點后，提出了一種快速測量方法，并給出了完整的設計方案。文章按照以下結構組織：第2部分給出了總體設計方案及主要測量原理；第3部分給出了詳細硬件及軟件設計方案；第4部分給出了影響測量過程的各參數分析并給出了測量策略。

1.系統原理

桿塔本體遠程測量系統結構如圖1所示，采用激光測距傳感器來測量目標兩端到儀器激光照射的直線距離，為了方便測量的過程中輔助定位，采用了一個輔助激光頭，可在測量的過程中快速對目標兩端點進行準確的標定。對于目標兩端點到測量點距離的夾角獲得，采用脈沖編碼器，將角度換算成旋轉的脈沖個數，可以精確的給出角度的值。為了準確控制每次測量的結果及記錄存儲，采用MEGA48單片機來完成控制、計算、存儲的功能。同時測量結果可以方便的在LED顯示屏上看到。

圖1 遠程測量原理框圖

測量的原理如下圖2所示，測量前，可將兩束激光重合在目標的一端，首先測量出一端點到測試點的距離L1，然后旋轉激光測距傳感器都目標的另一端點，測出另一端點到測試點的距離L2，旋轉角度α由脈沖編碼器讀出[3]。則目標長度由下式（1）給出：

2.系統設計方案

2.1 硬件電路設計

硬件電路中電源模塊選用5v的鋰電池作為供電端，采用ASM1117-3.3V芯片降壓輸出電路分別給ATmega48PA控制器和LED顯示器以及激光測距傳感器供電。LED液晶顯示器和單片機的PORTC口0~3引腳相連，其接口協議未SPI總線協議，激光測距傳感器采用UASRT通信接口和單片機相連，編碼器接口和單片機的外部中斷相連，利用外部中斷方式對脈沖編碼器的脈沖個數進行中斷計數，從而統計出轉動的角度。對輔助定位的激光發射器，只需要采用一個開關三極管放大驅動電流即可，測量時輸出高電平打開激光發射器。兩個按鍵作為普通的觸發輸入信號源，用來控制測量過程的開關狀態。

為了保證測量的精度要求，編碼器可選用旋轉一圈輸出512脈沖數的絕對光電編碼器，為了保證儀器的微調特性，采用傳動蝸桿齒輪旋進方式，其齒輪比為1∶24，因此實際旋轉3600輸出脈沖個數為12288個脈沖，角度可以精確到百分之二度。

2.2 軟件設計流程

對整個測量儀器而言，單片機Mega48和外設的接口主要由三部分構成：顯示接口、測量接口、脈沖編碼器接口，其主要數據接口協議如下：

激光測距傳感器選用高精度相位法測距模塊，其測距精度可以達到1毫米[4]，采用635nm的可見紅光，波特率9600bps, 8位數據位，1位起始位，1位停止位,無奇偶校驗，其測量過程滿足如表1所示的接口協議。

表1 測距模塊命令

脈沖編碼器采用SOGA512線迷你編碼器，其主要的數據接口包括：LSB—步進脈沖值，接入單片機的外部中斷0引腳；DIR—旋轉方向，接入單片機的PIND.3用于判斷角度的旋轉方向。其角度測量算法如下：

3.誤差分析及測量策略

3.1 儀器參數誤差

儀器的測量精度受一下幾個方面的因素影響[5]：

1）激光傳感器測量的精度為±1mm，

2）角度測量的精度受分辨率=脈沖編碼器個數/度的影響，設計中可以達到32個/度。

3）測量的最遠距離為80m。

不妨設待測目標的長度為L，可根據以下公式得到目標長度的最大測量誤差：

取L1、L2最大為80m的測量距離，可以看到誤差項隨著測量的夾角（即目標的長度）變化而變化，應該看到隨著測量點離目標距離越遠，夾角的誤差對測量精度的影響越大。

隨著測量距離越遠，測量誤差會越大，在80m距離處誤差會達到4cm左右，在20m距離處誤差會僅有1cm左右，對于桿塔本體的測量，這樣的測量精度滿足了實際測量的需求。

3.2 測量策略

測量中，除了儀器的固定誤差外，人為主觀因素也是一個方面，如測量點的隨機抖動，測量過程中的儀器回程誤差都可以影響測量精度[3]，因此在測量過程中應注意：

1）盡量固定測量點的位置，以保證兩次長度測量的中心位置固定；

2）調整角度的時候，盡量朝一個方向調整到位，防止回程誤差影響夾角的精度；

3）避免強光入射傳感器，必要時可加遮光版。

4.結束語

本文針對電力系統中輸電桿塔本體測量的應用場景，設計一種專用的測長方案，并給出了詳細的儀器設計方案，對測量中的誤差產生的客觀和主觀因素進行了分析，該測量儀器體積小，攜帶方便，測量精度高，極大的提高率了作業人員的工作效率，具有十分廣闊的應用前景。

[1]付寶臣．高精度激光測距儀硬件電路研究[D]．南京理工大學,2007．

[2]孫興信．脈沖式激光測距儀的硬件設計[D]．電子科技大學,2014．

[3]董洪舟,楊若夫,敖明武,李紹榮,嚴高師．大量程激光測距儀精度檢測系統[J]．光電工程,2013,04:24-30．

[4]林盈侃,郭穎,黃庚華,舒嶸．激光測距儀距離模擬源技術研究與精度分析[J]．紅外與激光工程,2009,06:1089-1093．

[5]潘佳．短程手持式激光測距儀的研究與設計[D]．華中師范大學,2014．

洪行軍，發電廠及變電站專業，從事35千伏及以上輸電線路運檢。

郝維瀚，電氣工程及其自動化專業，現從事35千伏及以上輸電線路運檢。

施宏宇，現從事35千伏及以上輸電線路運檢。

陳吟，現從事35千伏及以上輸電線路運檢。

陳堅，現從事35千伏及以上輸電線路運檢。