電力電纜與架空線智能綜合測量系統研發

柏 倉，郭湘奇，李文國

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

?

電力電纜與架空線智能綜合測量系統研發

柏 倉1，郭湘奇1，李文國2

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

電力系統內需要對電纜線路和架空線路的各類距離參數進行測量，而一般傳統測量方法測量結果誤差較大且操作存在一定的危險性；經緯儀或全站儀雖然精度高，但是操作復雜并且專業性要求高。電纜與架空線智能綜合測量系統將遠量程測距儀與手持設備藍牙通信，基于硬件組合與傳統測量方法研發終端軟件；終端軟件優化傳統測量的數據算法，簡化UI設計。整套系統通過軟硬件智能結合，可以準確、快速、便捷地完成各項測量任務。

電力系統；電力線路；測量系統；算法軟件

0 引言

電力系統輸電線路、配電線路和各類電纜的安全對地距離、弧垂距離和交叉跨越距離是各電力單位需要經常測量的數據，以維護電力線路運行安全。根據測量任務的復雜程度，客戶使用的測量儀器不盡相同。在進行復雜測量任務時，例如：電纜彎曲半徑、線路交叉跨越和線路弧垂等，測量方法通常有傳統測量方式和經緯儀、全站儀的測量。傳統測量方法操作繁瑣，誤差較大；現有激光測距儀可實現空間兩點直線距離、高差、水平距離等簡單計算，但所運用的單片機控制器不足以計算電力電纜與架空線綜合測量時所需要的數據，亦不可實現數據自動記錄、現場圖片記錄等；而經緯儀、全站儀雖然測量精度很高，功能較多，但其測量過程需要輔助工具，后期數據處理需要通過畫圖、三角函數換算等多方面工作才能完成，對測量人員有一定的專業要求，需要專門培訓測繪人員，而且使用過程操作繁瑣，不便于測量人員進行日常的數據測量工作[1-2]。

為了解決上述各測量方法存在的問題，本文提供了一種電纜與架空線綜合測量系統，包括手持設備、測量設備以及無磁三腳架。本綜合測量系統使用的測量設備為激光測距儀，測距儀本身內置三軸電子羅盤，可以直接獲取測量點的距離、水平傾角α(即INC)以及方位角AZ(與磁北極夾角)等三維數據[3]。手持設備安裝算法軟件，軟件擁有不同測量功能的經典算法，可以自動處理接收的測量數據，自動計算得到所需測量結果。軟件適用平臺為安卓系統，使用簡單直觀。手持設備與測量設備均具有藍牙模塊，通過藍牙進行數據與功能命令互傳。測量系統依靠綜合系統內硬件和軟件算法的結合來智能化線路數據測量的操作方法，以此來削弱使用者對專業測量能力的要求。使用者僅需掌握測距儀的基礎使用方方法；算法軟件安裝在通用安卓系統移動設備(如手機、平板等)上，使用者僅需使用手持機進行選擇功能、記錄數據和圖片，操作簡單易懂。功能集成化設計，極大方便了使用者應對各種復雜的電纜與線路的測量任務。

1 測量系統結構

1.手持設備； 2.測量設備； 3.無磁三腳架圖1 電纜與架空線綜合測量系統結構

本電纜與架空線綜合測量系統包括：手持設備、測量設備以及無磁三腳架，如圖1所示。手持設備采用觸屏手機或者平板電腦，為了使測量設備測量目標點穩定準確且避免測量環境中磁場對測量設備穩定性干擾，整體系統采用無磁三腳架穩固測量設備；測量設備根據具體的測量任務進行目標點的選取和數據的測量；測量設備與手持設備進行藍牙通信，手持設備內置算法軟件，進行功能選擇，將接收的測量數據進行算法處理，自動得到所需數據，并且進行備注、保存和現場圖片索取。

手持設備包括微處理器、存儲器、觸摸屏、攝像頭以及從藍牙模塊；測量設備包括主藍牙模塊、控制器、激光測距儀以及電子羅盤；存儲器、觸摸屏以及從藍牙模塊均與微處理器相連；主藍牙模塊、激光測距儀以及電子羅盤均與控制器相連；從藍牙模塊與主藍牙模塊無線通信連接；電子羅盤為三軸電子羅盤。具體結構如圖2所示。

圖2 測量系統模塊結構

本綜合測量系統各模塊的工作配合為：開啟手持設備和測量設備后，由觸摸屏向控制器發送測量功能命令，從藍牙模塊與主藍牙模塊進行無線通信傳輸數據和指令；使用在激光測距儀和三軸電子羅盤完成目標物的測距和測角后，通過無線傳輸至微處理器進行數據處理計算，獲得電纜與架空線測量需要的相關數據，并通過觸摸屏進行實時顯示，同時存儲器也進行數據存儲；還可以采用攝像頭對測量點處的圖像進行采集，存儲在存儲器中，實現全面現場數據記錄。

2 測量設備功能介紹

2.1 測量設備選擇

目前市場上測量設備種類眾多，功能也是比較繁雜。部分測量設備使用超聲波或者紅外線為主要測距儀方式，測量精度很高，可以達到毫米級，但是量程較短；部分測距設備使用激光測距，量程可以達到2 000 m，但是精度略低，在5 cm～1 m。由于此綜合測量系統設計的應用客戶主要為電力系統部門，其一般都會對測量設備有一定的量程要求，而對測量精度的要求在1 m以內。所以測量設備初定激光類型測量設備，傳統稱為激光測距儀。

激光測距儀是利用激光對目標的距離進行準確測定的儀器，其在工作時向目標射出一束很細的激光，由光電元件接收目標反射的激光束，計時器測定激光束從發射到接收的時間，計算出從觀測者到目標的距離[4]。激光測距儀分為手持激光測距儀和望遠鏡式激光測距儀。

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

望遠鏡式激光測距儀，常規光學放大倍率可以達到6～9倍，主要應用范圍為電力巡線、野外建筑、環境勘察、建立基站等需要野外長距離測量的情況。

而目前電力以及其他施工環節中，由于在巡線、測量等工況下涉及的距離遠近不一，并且測量過程中需要測距儀具有望遠功能，用以較準確地尋找目標點，測得較小目標點的數據信息，因此本設計選用望遠式激光測距儀構成本系統。

2.2 測量設備數據傳輸方式選擇

目前測距儀數據傳輸方式主要為有線數據傳輸型和無線藍牙傳輸型。

早期的有線數據傳輸型的激光測距儀，數據傳輸是通過RS232等串口有線傳輸到上位機，即PC上。后期，隨著電子、智能化行業的不斷發展進步，PC作為上位機的傳輸方式逐步淘汰，取而代之的是各種類型的PDA。

近年來，隨著數據傳輸方式的革新，在各行各業興起了紅外、藍牙、WiFi、ZigBee等多種無線數據傳輸方式。而本系統采用的為目前測距儀行業內最先進的無線藍牙傳輸方式。系統選擇無線藍牙數據傳輸方式的初衷是減少施工、作業人員架設、安裝、搭載設備等的不便，且在不需要上位機接收數據時，有效地減少了作業人員運輸和攜帶設備的重量。從而在發揮智能化系統功能的基礎上，保證測距儀單體的測量效果，系統功能不受數據接收終端的約束。

2.3 激光測距儀的基本原理

以測距儀中心傳感器為原點，建立空間立體坐標系。以傳感器中心點為原點，假設為O，點A(a,b,c)為單點測量的空間坐標系中的目標點，如圖3所示。

圖3 單點測量

那么，本系統中激光測距儀通過激光的發射與接收時間差t，結合激光的速度光速c，得到距離OA=(c×t)/2，亦即測距儀系統顯示的數據SD[5]。

圖6 函數間關系時序圖

本系統中的測距儀內置三軸電子羅盤，可測量水平傾角α(即INC)以及方位角AZ(與磁北極夾角)。假設A點在水平面XOY上的投影為B點，則OB=SD×cosα，為測距儀到目標點的水平距離，即HD；AB=SD×sinα，為測距儀到目標點的垂直距離，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 軟件設計開發

在整套綜合測量系統中，手持設備內置軟件需要完成功能選擇，對應功能的數據算法處理，數據、文字和圖片的錄入及表格的生成。由于傳統對線路與電纜測量的方法與此綜合系統的測量方法在算法上有類似之處，因此此軟件算法結合經典算法進行編程，以期達到最高的測量精度。

3.1 軟件系統框架

根據軟件需要實現的功能，將其分為數據接收模塊、數據處理模塊和數據導出模塊。其中數據接收模塊實現獲取測量設備采集的元數據；數據處理模塊根據不同的測量任務對接收到的數據進行計算處理；數據導出模塊將計算后的結果保存起來并導出到文件中，可以用Excel打開，或者上傳至數字化管理中心平臺。其框架圖如圖4所示。

圖4 軟件系統框架

3.2 模塊詳細設計

圖5 軟件框架圖

根據電力系統內電纜線路和架空線路中各類測量任務，歸納出包括線路凈空測量、交叉跨越測量、弧垂測量和弧長測量等14種測量模式，對應軟件開發出14種帶算法的測量功能模塊。其某一項測量模式的功能開發，一般均需要經歷實際測量任務了解、算法總結、程序編寫三步，下面具體以弧長測量模式的設計過程為例來闡述此系統的軟件模塊詳細設計過程[6]。其軟件系統的框架圖如圖5所示。具體對應的函數間關系如圖6所示。

3.3 弧長基本測量原理

圖7 圓弧計算表示

測量電纜溝內的一段圓弧上(客戶自行判斷，確?；臼窃谕欢螆A弧上)的三個點，獲得此三點分別相對測距儀的空間位置，如圖7中的1、2、3，將此三點擬合到同一平面上，然后計算此三點兩兩之間的距離，如圖7中的a、b、c。

通過以下所示的算法公式(三角形外接圓弧長計算公式)，計算弧長。

R=

(1)

(2)

(3)

判斷內弧或者外弧，只需依據c邊的一條水平線，根據B點在這條水平線的上下方進行判斷，如果在上方則為外弧，如果在下方則為內弧。

根據此法，還可以測量不規則圓弧，將不規則圓弧分N段，每段按照上述方法求出L，將N個L值相加就可以實現不規則圓弧測量。

根據如上具體弧長的計算方法，對應進行編程設計。對應的具體代碼如下所示：

param onePointData

//測量儀測出電纜端點1的數據

param twoPointData

//測量儀測出電纜端點2的數據

param middlePointData//測量儀測出電纜上處于端點1和2

之間的端點3數據

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 結論

本文以高精度測距儀、安卓系統手持機和無磁三腳架為硬件基礎，根據電力系統行業內對線路數據測量的要求開發集成測量數據算法的安卓軟件，以藍牙為通信方式將測距儀和算法軟件集成為電纜與架空線綜合智能測量系統。此測量系統能夠快速簡單地解決各項線路測量任務，并且具有靈活的后續開發性，可以根據需要增加其他測量功能。

[1] 余向東，張在宣，王劍鋒. 一種小型高精度脈沖式半導體激光測距儀[J].激光與紅外, 2008, 38(5):458-461.

[2] 張慧兵. 便攜式激光測距儀在架空電力線路測距中的應用[J].科技情報開發與經濟,2009, 19(35):189-190.

[3] 陳羽.高精度脈沖激光測距儀的研究[D].西安：西安工業大學,2014.

[5] 王剛，孫凌宇，王衛寧，等. 新型便攜式激光測距儀的研究[J].激光與光電子學進展, 2010,47(7):125-128.

[6] 楊希，胡穎，朱雯雯，等. 基于安卓系統的全站儀測距檢定功能的開發[J].地理空間信息, 2015, 13(6):59-61.

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.電力電纜與架空線智能綜合測量系統研發[J].微型機與應用，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：電力電纜運行及檢修。

李文國(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研究。