國(guó)網(wǎng)浙江金華市供電公司 洪行軍 郝維瀚 施宏宇 陳 吟 陳 堅(jiān)
一種遠(yuǎn)程測(cè)量技術(shù)在輸電桿塔本體的應(yīng)用
國(guó)網(wǎng)浙江金華市供電公司 洪行軍 郝維瀚 施宏宇 陳 吟 陳 堅(jiān)
通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)巡檢過(guò)程中涉及的桿塔測(cè)量過(guò)程的特性分析,提出了一種采用激光測(cè)距轉(zhuǎn)換的測(cè)量技術(shù)。在對(duì)桿塔本體兩端點(diǎn)距離和夾角精確測(cè)量的基礎(chǔ)上,通過(guò)三角形余弦定理?yè)Q算成待測(cè)對(duì)象的長(zhǎng)度,并給出了基于單片機(jī)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。文中對(duì)測(cè)量電路給出了詳細(xì)設(shè)計(jì),對(duì)影響測(cè)量精度的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了分析,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:測(cè)量精度可以達(dá)到0.5%。
激光測(cè)距;脈沖編碼器;單片機(jī);余弦定理
輸電線路驗(yàn)收工作面廣時(shí)長(zhǎng),其中耐張桿塔上電氣距離的校驗(yàn)是驗(yàn)收工作的重中之重。在諸多電氣距離驗(yàn)收中跳線的馳度測(cè)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(yàn)收的耐張桿塔中大部分都是轉(zhuǎn)角桿,作業(yè)人員在對(duì)轉(zhuǎn)角桿的內(nèi)角側(cè)跳線馳度進(jìn)行測(cè)量時(shí),由于大小號(hào)側(cè)導(dǎo)線沿長(zhǎng)線不重疊,造成跳線最低點(diǎn)離橫擔(dān)頭的水平距離較遠(yuǎn),加大了測(cè)量該跳線馳度的難度。
目前,對(duì)跳線馳度的測(cè)量主要采用單點(diǎn)及各參數(shù)分離測(cè)量的方式[1],即對(duì)跳線兩端點(diǎn)的距離用激光測(cè)距機(jī)分別測(cè)量,然后再對(duì)方位夾角進(jìn)行測(cè)量,最后換算成馳度量。所采用的測(cè)量工具主要是市面上的傳統(tǒng)測(cè)距儀,該測(cè)距方式效率低下,花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng),且測(cè)量誤差較大[2]。造成此現(xiàn)狀的原因在于電力系統(tǒng)中輸電線路作業(yè)的特殊性,往往作業(yè)人員都是在桿塔高空作業(yè),大多數(shù)情況下只能單手操作,測(cè)量?jī)x器的相對(duì)位置不固定和分步測(cè)量的不可重復(fù)性導(dǎo)致測(cè)量誤差較大。本文在分析桿塔本體測(cè)量的特性和電力作業(yè)的特點(diǎn)后,提出了一種快速測(cè)量方法,并給出了完整的設(shè)計(jì)方案。文章按照以下結(jié)構(gòu)組織:第2部分給出了總體設(shè)計(jì)方案及主要測(cè)量原理;第3部分給出了詳細(xì)硬件及軟件設(shè)計(jì)方案;第4部分給出了影響測(cè)量過(guò)程的各參數(shù)分析并給出了測(cè)量策略。
桿塔本體遠(yuǎn)程測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,采用激光測(cè)距傳感器來(lái)測(cè)量目標(biāo)兩端到儀器激光照射的直線距離,為了方便測(cè)量的過(guò)程中輔助定位,采用了一個(gè)輔助激光頭,可在測(cè)量的過(guò)程中快速對(duì)目標(biāo)兩端點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的標(biāo)定。對(duì)于目標(biāo)兩端點(diǎn)到測(cè)量點(diǎn)距離的夾角獲得,采用脈沖編碼器,將角度換算成旋轉(zhuǎn)的脈沖個(gè)數(shù),可以精確的給出角度的值。為了準(zhǔn)確控制每次測(cè)量的結(jié)果及記錄存儲(chǔ),采用MEGA48單片機(jī)來(lái)完成控制、計(jì)算、存儲(chǔ)的功能。同時(shí)測(cè)量結(jié)果可以方便的在LED顯示屏上看到。
圖1 遠(yuǎn)程測(cè)量原理框圖
測(cè)量的原理如下圖2所示,測(cè)量前,可將兩束激光重合在目標(biāo)的一端,首先測(cè)量出一端點(diǎn)到測(cè)試點(diǎn)的距離L1,然后旋轉(zhuǎn)激光測(cè)距傳感器都目標(biāo)的另一端點(diǎn),測(cè)出另一端點(diǎn)到測(cè)試點(diǎn)的距離L2,旋轉(zhuǎn)角度α由脈沖編碼器讀出[3]。則目標(biāo)長(zhǎng)度由下式(1)給出:
2.1 硬件電路設(shè)計(jì)
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(cè)距傳感器供電。LED液晶顯示器和單片機(jī)的PORTC口0~3引腳相連,其接口協(xié)議未SPI總線協(xié)議,激光測(cè)距傳感器采用UASRT通信接口和單片機(jī)相連,編碼器接口和單片機(jī)的外部中斷相連,利用外部中斷方式對(duì)脈沖編碼器的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行中斷計(jì)數(shù),從而統(tǒng)計(jì)出轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。對(duì)輔助定位的激光發(fā)射器,只需要采用一個(gè)開(kāi)關(guān)三極管放大驅(qū)動(dòng)電流即可,測(cè)量時(shí)輸出高電平打開(kāi)激光發(fā)射器。兩個(gè)按鍵作為普通的觸發(fā)輸入信號(hào)源,用來(lái)控制測(cè)量過(guò)程的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。
為了保證測(cè)量的精度要求,編碼器可選用旋轉(zhuǎn)一圈輸出512脈沖數(shù)的絕對(duì)光電編碼器,為了保證儀器的微調(diào)特性,采用傳動(dòng)蝸桿齒輪旋進(jìn)方式,其齒輪比為1∶24,因此實(shí)際旋轉(zhuǎn)3600輸出脈沖個(gè)數(shù)為12288個(gè)脈沖,角度可以精確到百分之二度。
2.2 軟件設(shè)計(jì)流程
對(duì)整個(gè)測(cè)量?jī)x器而言,單片機(jī)Mega48和外設(shè)的接口主要由三部分構(gòu)成:顯示接口、測(cè)量接口、脈沖編碼器接口,其主要數(shù)據(jù)接口協(xié)議如下:
激光測(cè)距傳感器選用高精度相位法測(cè)距模塊,其測(cè)距精度可以達(dá)到1毫米[4],采用635nm的可見(jiàn)紅光,波特率9600bps, 8位數(shù)據(jù)位,1位起始位,1位停止位,無(wú)奇偶校驗(yàn),其測(cè)量過(guò)程滿足如表1所示的接口協(xié)議。
表1 測(cè)距模塊命令
脈沖編碼器采用SOGA512線迷你編碼器,其主要的數(shù)據(jù)接口包括:LSB—步進(jìn)脈沖值,接入單片機(jī)的外部中斷0引腳;DIR—旋轉(zhuǎn)方向,接入單片機(jī)的PIND.3用于判斷角度的旋轉(zhuǎn)方向。其角度測(cè)量算法如下:
3.1 儀器參數(shù)誤差
儀器的測(cè)量精度受一下幾個(gè)方面的因素影響[5]:
1)激光傳感器測(cè)量的精度為±1mm,
2)角度測(cè)量的精度受分辨率=脈沖編碼器個(gè)數(shù)/度的影響,設(shè)計(jì)中可以達(dá)到32個(gè)/度。
3)測(cè)量的最遠(yuǎn)距離為80m。
不妨設(shè)待測(cè)目標(biāo)的長(zhǎng)度為L(zhǎng),可根據(jù)以下公式得到目標(biāo)長(zhǎng)度的最大測(cè)量誤差:
取L1、L2最大為80m的測(cè)量距離,可以看到誤差項(xiàng)隨著測(cè)量的夾角(即目標(biāo)的長(zhǎng)度)變化而變化,應(yīng)該看到隨著測(cè)量點(diǎn)離目標(biāo)距離越遠(yuǎn),夾角的誤差對(duì)測(cè)量精度的影響越大。
隨著測(cè)量距離越遠(yuǎn),測(cè)量誤差會(huì)越大,在80m距離處誤差會(huì)達(dá)到4cm左右,在20m距離處誤差會(huì)僅有1cm左右,對(duì)于桿塔本體的測(cè)量,這樣的測(cè)量精度滿足了實(shí)際測(cè)量的需求。
3.2 測(cè)量策略
測(cè)量中,除了儀器的固定誤差外,人為主觀因素也是一個(gè)方面,如測(cè)量點(diǎn)的隨機(jī)抖動(dòng),測(cè)量過(guò)程中的儀器回程誤差都可以影響測(cè)量精度[3],因此在測(cè)量過(guò)程中應(yīng)注意:
1)盡量固定測(cè)量點(diǎn)的位置,以保證兩次長(zhǎng)度測(cè)量的中心位置固定;
2)調(diào)整角度的時(shí)候,盡量朝一個(gè)方向調(diào)整到位,防止回程誤差影響夾角的精度;
3)避免強(qiáng)光入射傳感器,必要時(shí)可加遮光版。
本文針對(duì)電力系統(tǒng)中輸電桿塔本體測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)景,設(shè)計(jì)一種專(zhuān)用的測(cè)長(zhǎng)方案,并給出了詳細(xì)的儀器設(shè)計(jì)方案,對(duì)測(cè)量中的誤差產(chǎn)生的客觀和主觀因素進(jìn)行了分析,該測(cè)量?jī)x器體積小,攜帶方便,測(cè)量精度高,極大的提高率了作業(yè)人員的工作效率,具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
[1]付寶臣.高精度激光測(cè)距儀硬件電路研究[D].南京理工大學(xué),2007.
[2]孫興信.脈沖式激光測(cè)距儀的硬件設(shè)計(jì)[D].電子科技大學(xué),2014.
[3]董洪舟,楊若夫,敖明武,李紹榮,嚴(yán)高師.大量程激光測(cè)距儀精度檢測(cè)系統(tǒng)[J].光電工程,2013,04:24-30.
[4]林盈侃,郭穎,黃庚華,舒嶸.激光測(cè)距儀距離模擬源技術(shù)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(cè)距儀的研究與設(shè)計(jì)[D].華中師范大學(xué),2014.
洪行軍,發(fā)電廠及變電站專(zhuān)業(yè),從事35千伏及以上輸電線路運(yùn)檢。
郝維瀚,電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè),現(xiàn)從事35千伏及以上輸電線路運(yùn)檢。
施宏宇,現(xiàn)從事35千伏及以上輸電線路運(yùn)檢。
陳吟,現(xiàn)從事35千伏及以上輸電線路運(yùn)檢。
陳堅(jiān),現(xiàn)從事35千伏及以上輸電線路運(yùn)檢。