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)

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電力電纜與架空線智能綜合測量系統(tǒng)研發(fā)

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(tǒng)內(nèi)需要對電纜線路和架空線路的各類距離參數(shù)進(jìn)行測量，而一般傳統(tǒng)測量方法測量結(jié)果誤差較大且操作存在一定的危險性；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量系統(tǒng)將遠(yuǎn)量程測距儀與手持設(shè)備藍(lán)牙通信，基于硬件組合與傳統(tǒng)測量方法研發(fā)終端軟件；終端軟件優(yōu)化傳統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)算法，簡化UI設(shè)計。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)測量任務(wù)。

電力系統(tǒng)；電力線路；測量系統(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)常測量的數(shù)據(jù)，以維護(hù)電力線路運(yùn)行安全。根據(jù)測量任務(wù)的復(fù)雜程度，客戶使用的測量儀器不盡相同。在進(jìn)行復(fù)雜測量任務(wù)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(tǒng)測量方式和經(jīng)緯儀、全站儀的測量。傳統(tǒng)測量方法操作繁瑣，誤差較大；現(xiàn)有激光測距儀可實(shí)現(xiàn)空間兩點(diǎn)直線距離、高差、水平距離等簡單計算，但所運(yùn)用的單片機(jī)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(shù)據(jù)，亦不可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動記錄、現(xiàn)場圖片記錄等；而經(jīng)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(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，對測量人員有一定的專業(yè)要求，需要專門培訓(xùn)測繪人員，而且使用過程操作繁瑣，不便于測量人員進(jìn)行日常的數(shù)據(jù)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(tǒng)，包括手持設(shè)備、測量設(shè)備以及無磁三腳架。本綜合測量系統(tǒng)使用的測量設(shè)備為激光測距儀，測距儀本身內(nèi)置三軸電子羅盤，可以直接獲取測量點(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，軟件擁有不同測量功能的經(jīng)典算法，可以自動處理接收的測量數(shù)據(jù)，自動計算得到所需測量結(jié)果。軟件適用平臺為安卓系統(tǒng)，使用簡單直觀。手持設(shè)備與測量設(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)測量的操作方法，以此來削弱使用者對專業(yè)測量能力的要求。使用者僅需掌握測距儀的基礎(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，操作簡單易懂。功能集成化設(shè)計，極大方便了使用者應(yīng)對各種復(fù)雜的電纜與線路的測量任務(wù)。

1 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

本電纜與架空線綜合測量系統(tǒng)包括：手持設(shè)備、測量設(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，為了使測量設(shè)備測量目標(biāo)點(diǎn)穩(wěn)定準(zhǔn)確且避免測量環(huán)境中磁場對測量設(shè)備穩(wěn)定性干擾，整體系統(tǒng)采用無磁三腳架穩(wěn)固測量設(shè)備；測量設(shè)備根據(jù)具體的測量任務(wù)進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)的選取和數(shù)據(jù)的測量；測量設(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，將接收的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理，自動得到所需數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行備注、保存和現(xiàn)場圖片索取。

手持設(shè)備包括微處理器、存儲器、觸摸屏、攝像頭以及從藍(lán)牙模塊；測量設(shè)備包括主藍(lán)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(lán)牙模塊均與微處理器相連；主藍(lán)牙模塊、激光測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 測量系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)

本綜合測量系統(tǒng)各模塊的工作配合為：開啟手持設(shè)備和測量設(shè)備后，由觸摸屏向控制器發(fā)送測量功能命令，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；使用在激光測距儀和三軸電子羅盤完成目標(biāo)物的測距和測角后，通過無線傳輸至微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計算，獲得電纜與架空線測量需要的相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過觸摸屏進(jìn)行實(shí)時顯示，同時存儲器也進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲；還可以采用攝像頭對測量點(diǎn)處的圖像進(jìn)行采集，存儲在存儲器中，實(shí)現(xiàn)全面現(xiàn)場數(shù)據(jù)記錄。

2 測量設(shè)備功能介紹

2.1 測量設(shè)備選擇

目前市場上測量設(shè)備種類眾多，功能也是比較繁雜。部分測量設(shè)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(dá)到毫米級，但是量程較短；部分測距設(shè)備使用激光測距，量程可以達(dá)到2 000 m，但是精度略低，在5 cm～1 m。由于此綜合測量系統(tǒng)設(shè)計的應(yīng)用客戶主要為電力系統(tǒng)部門，其一般都會對測量設(shè)備有一定的量程要求，而對測量精度的要求在1 m以內(nèi)。所以測量設(shè)備初定激光類型測量設(shè)備，傳統(tǒng)稱為激光測距儀。

激光測距儀是利用激光對目標(biāo)的距離進(jìn)行準(zhǔn)確測定的儀器，其在工作時向目標(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，計時器測定激光束從發(fā)射到接收的時間，計算出從觀測者到目標(biāo)的距離[4]。激光測距儀分為手持激光測距儀和望遠(yuǎn)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(shù)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(yuǎn)鏡式激光測距儀，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距離測量的情況。

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

2.2 測量設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸方式選擇

目前測距儀數(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，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，保證測距儀單體的測量效果，系統(tǒng)功能不受數(shù)據(jù)接收終端的約束。

2.3 激光測距儀的基本原理

以測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)測量

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

圖6 函數(shù)間關(guān)系時序圖

本系統(tǒng)中的測距儀內(nèi)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(shè)A點(diǎn)在水平面XOY上的投影為B點(diǎn)，則OB=SD×cosα，為測距儀到目標(biāo)點(diǎn)的水平距離，即HD；AB=SD×sinα，為測距儀到目標(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)計開發(fā)

在整套綜合測量系統(tǒng)中，手持設(shè)備內(nèi)置軟件需要完成功能選擇，對應(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)對線路與電纜測量的方法與此綜合系統(tǒng)的測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)不同的測量任務(wù)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理；數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊將計算后的結(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。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

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量任務(wù)，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(yīng)軟件開發(fā)出14種帶算法的測量功能模塊。其某一項(xiàng)測量模式的功能開發(fā)，一般均需要經(jīng)歷實(shí)際測量任務(wù)了解、算法總結(jié)、程序編寫三步，下面具體以弧長測量模式的設(shè)計過程為例來闡述此系統(tǒng)的軟件模塊詳細(xì)設(shè)計過程[6]。其軟件系統(tǒng)的框架圖如圖5所示。具體對應(yīng)的函數(shù)間關(guān)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(nèi)的一段圓弧上(客戶自行判斷，確?；臼窃谕欢螆A弧上)的三個點(diǎn)，獲得此三點(diǎn)分別相對測距儀的空間位置，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(三角形外接圓弧長計算公式)，計算弧長。

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L值相加就可以實(shí)現(xiàn)不規(guī)則圓弧測量。

根據(jù)如上具體弧長的計算方法，對應(yīng)進(jìn)行編程設(shè)計。對應(yīng)的具體代碼如下所示：

param onePointData

//測量儀測出電纜端點(diǎn)1的數(shù)據(jù)

param twoPointData

//測量儀測出電纜端點(diǎn)2的數(shù)據(jù)

param middlePointData//測量儀測出電纜上處于端點(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)對線路數(shù)據(jù)測量的要求開發(fā)集成測量數(shù)據(jù)算法的安卓軟件，以藍(lán)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(tǒng)。此測量系統(tǒng)能夠快速簡單地解決各項(xiàng)線路測量任務(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(dǎo)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(yīng)用[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì),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(yè)大學(xué),2014.

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

[6] 楊希，胡穎，朱雯雯，等. 基于安卓系統(tǒng)的全站儀測距檢定功能的開發(fā)[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(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(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。