一種電力線位置信息測量裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電力線位置信息測量裝置及方法，包括傳感器陣列、接收機單元、主控計算單元、通訊接口單元、激勵調(diào)制信號產(chǎn)生單元；激勵調(diào)制信號產(chǎn)生單元為傳感器陣列產(chǎn)生頻率為fex的正弦激勵調(diào)制信號，傳感器陣列由正弦激勵調(diào)制信號與外界激勵磁場疊加后獲取信號，接收機單元對傳感器陣列輸出的信號進行調(diào)理和采樣后，將采樣數(shù)據(jù)送入主控計算單元完成電磁場反演計算的工作，并最終送入通訊接口單元將電力線位置信息送出。本發(fā)明通過電磁場模型反演可以得到較精確的電力線三維位置信息，具有精度高，安裝維護方便的優(yōu)勢；能夠更好的避免大型機械設(shè)備對電力線形成外力破壞，減少跳閘、人員傷亡和設(shè)備損壞事故，從而保證電力線的供電可靠性。
【專利說明】一種電力線位置信息測量裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于測量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種位置測量裝置及方法，尤其涉及由工程施工 機械獲取周圍電力線具體位置的測量裝置及方法，更具體地是用于獲取電力線與吊車等大 型施工機械之間距離信息的裝置以及避免施工機械與電力線之間小于安全距離的報警裝 置。

【背景技術(shù)】
[0002] 在電力、通信、油田、礦山工程中經(jīng)常使用到大型工程施工機械，例如高空作業(yè)車、 車載埋桿綜合作業(yè)車、起重機械（輪式、履帶，隨車吊等）、吊塔、吊車、泵車等。這些大型施 工設(shè)備在高壓電力線等輸電線路周圍施工作業(yè)時，非常容易由于設(shè)備臂展較長（高）而誤 碰觸電力線，從而危及施工人員的生命安全和施工機械的財產(chǎn)安全，同時由于這種事故往 往會觸發(fā)的輸電線路跳閘保護，會嚴(yán)重影響輸電線路的安全穩(wěn)定運行。因此，在使用施工機 械時，實時獲取電力線路的位置信息，并提醒操作人員使施工機械與電力線路之間保持最 小安全距離，是確保工程施工安全和電力線路安全、可靠運行的重要方法。
[0003] 目前在工程施工中所采用的電力線位置報警器都是通過測量電場強度來獲取電 力線與探頭的大致距離信息，但是這種傳統(tǒng)的測量方法存在很多不足。首先，對于同一根電 力線，由于受到負載等諸多影響，其中的電壓有效值和電流強度并非恒定值，而是無規(guī)律的 變化，這導(dǎo)致當(dāng)前的報警裝置難以獲取電力線的準(zhǔn)確位置信息。其次，正是由于第一種不 足，當(dāng)施工機械面對不同的電力線時，例如從220V電力線轉(zhuǎn)換到1000V電力線的環(huán)境，施工 人員必須切換測量擋位，但是施工人員未必能夠準(zhǔn)確知道電力線傳輸?shù)念~定電壓和電流大 小，從而導(dǎo)致操作復(fù)雜并且極易出錯。再次，由于受到傳統(tǒng)測量方法限制，傳統(tǒng)電力線位置 報警器僅能獲取探頭到電力線的垂直距離，并不能給出電力線的三維坐標(biāo)信息。最后，正是 由于以上的不足，導(dǎo)致傳統(tǒng)的位置報警裝置的靈敏度較低，只能分段的給出電力線的大致 位置信息，例如10米、15米等。綜上所述，傳統(tǒng)的電力線位置報警裝置具有精度較低、靈敏 度較低、操作復(fù)雜、準(zhǔn)確度差等不足。
[0004] 因此，本發(fā)明首先在克服傳統(tǒng)測量方法和傳統(tǒng)電力線位置報警裝置的不足，實現(xiàn) 了具有精度高，自適應(yīng)電力線特性、操作方便、安裝維護簡便的優(yōu)點。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種具有自適應(yīng)精確獲取電力線位置信息的測量裝置及 方法，該測量方法和裝置通過建立電力線周圍三維電磁場模型，利用傳感器陣列獲取多點 的電磁場強度信息，根據(jù)反演算法來獲取電力線的三維位置信息，避免電壓變化帶來的影 響，并實現(xiàn)了自適應(yīng)電力線電流強度的變化，從而獲取精確的位置信息，使得該測量方法和 裝置具有通用性好，靈敏度高、能夠自適應(yīng)電力線特性、操作方便、安裝維護簡便的優(yōu)點，提 高了施工過程中的可靠性。
[0006] 本發(fā)明的裝置所采用的技術(shù)方案是：一種電力線位置信息測量裝置，其特征在于： 包括傳感器陣列、接收機單元、主控計算單元、通訊接口單元、激勵調(diào)制信號產(chǎn)生單元；所 述的激勵調(diào)制信號產(chǎn)生單元為所述的傳感器陣列產(chǎn)生頻率為的正弦激勵調(diào)制信號，所 述的傳感器陣列由所述的正弦激勵調(diào)制信號與外界激勵磁場疊加后獲取信號，所述的接收 機單元對所述的傳感器陣列輸出的信號進行調(diào)理和采樣后，將采樣數(shù)據(jù)送入所述的主控計 算單元完成電磁場反演計算的工作，并最終送入所述的通訊接口單元將電力線位置信息送 出。
[0007] 作為優(yōu)選，所述的傳感器陣列由第一三軸磁通門傳感器、第二三軸磁通門傳感器、 第三三軸磁通門傳感器和第四三軸磁通門傳感器組成；所述的第一三軸磁通門傳感器、第 二三軸磁通門傳感器、第三三軸磁通門傳感器和第四三軸磁通門傳感器安裝在施工設(shè)備的 機械臂上，其中所述的第一三軸磁通門傳感器被安裝在所述的機械臂的頂端。
[0008] 作為優(yōu)選，所述的第一三軸磁通門傳感器、第二三軸磁通門傳感器、第三三軸磁通 門傳感器和第四三軸磁通門傳感器依次以直線方式安裝，所述的第一三軸磁通門傳感器與 第二三軸磁通門傳感器之間的直線距離A L1，第二三軸磁通門傳感器與第三三軸磁通門傳 感器之間的直線距離A L2，第三三軸磁通門傳感器與第四三軸磁通門傳感器之間的直線距 離 A L3,且 ALpALpAL3t5
[0009] 作為優(yōu)選，所述的接收機單元包括第一多路模擬開關(guān)、前置放大電路、帶通濾波電 路、ADC電路、第一隔離驅(qū)動電路；所述的主控計算單元通過所述的第一隔離驅(qū)動電路將控 制信號輸出到所述的第一多路模擬開關(guān)，實現(xiàn)對不同傳感器信號進行切換的工作，然后利 用所述的前置放大電路對所述的傳感器陣列的輸出信號進行調(diào)理工作，并采用中心頻率為 2倍f； x的帶通濾波電路取出傳感器陣列輸出信號的2次諧波分量，再經(jīng)過所述的ADC電路 實現(xiàn)數(shù)字信號采樣工作，所獲得的采樣信號通過所述的第一隔離驅(qū)動電路輸出到所述的主 控計算單元。
[0010] 作為優(yōu)選,所述的fex設(shè)為IOkHz,帶通濾波電路的通帶寬度為2kHz,其信噪比為 60dB，所述的第一多路模擬開關(guān)采用ADI公司的ADG1604多路模擬開關(guān)。
[0011] 作為優(yōu)選，所述的主控計算單元是測量裝置的控制核心，并完成數(shù)字相敏檢波、 FFT算法、基于最小二乘的反演計算工作，所述的主控計算單元包括作為控制核心的FPGA 電路和實現(xiàn)電磁場反演計算的DSP電路；所述的DSP電路將命令數(shù)據(jù)發(fā)送到FPGA電路，由 FPGA電路進行解碼，F(xiàn)PGA電路根據(jù)控制指令對所述的接收機單元和激勵調(diào)制信號產(chǎn)生單 元的控制時序做出調(diào)整；所述的DSP電路和FPGA電路之間采用數(shù)據(jù)總線和地址總線的方式 進行數(shù)據(jù)交互。
[0012] 作為優(yōu)選，所述的FPGA電路中的FPGA芯片內(nèi)建數(shù)字相敏檢波器以及頻率為2fex、 幅值為IV的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號表，通過與采樣數(shù)據(jù)進行相關(guān)運算來實現(xiàn)數(shù)字相敏檢波。
[0013] 作為優(yōu)選，所述的通訊接口單元用于發(fā)送計算結(jié)果，以及將來自操作者的控制命 令傳送給所述的主控計算單元，從而實現(xiàn)操作者對電力線位置信息測量裝置的控制；所述 的通訊接口單元包括CAN總線電路、WIFI電路和FLASH存儲器；所述的主控計算單元中設(shè) 置的DSP電路按照操作者設(shè)定的方式，通過CAN總線電路或者WIFI電路發(fā)送數(shù)據(jù)；所述的 FLASH存儲器保存當(dāng)前通訊的設(shè)置參數(shù)，操作者能依據(jù)實際施工機械的車載裝置參數(shù)，通過 CAN總線電路對FLASH存儲器的數(shù)據(jù)進行修改，改變通訊參數(shù)；其中，所述的FLASH存儲器 保存當(dāng)前通訊的設(shè)置參數(shù)，其參數(shù)包括CAN總線的波特率、設(shè)備標(biāo)識ID、發(fā)送方標(biāo)識ID、設(shè) 備本機IP地址、接收方IP地址。
[0014] 作為優(yōu)選，所述的激勵調(diào)制信號產(chǎn)生單元用于在所述的主控計算單元的控制下， 為所述的第一H軸磁通口傳感器、第二H軸磁通口傳感器、第HH軸磁通口傳感器和第 四H軸磁通口傳感器產(chǎn)生合適的激勵調(diào)制信號，從而使得所述的傳感器陣列能夠感應(yīng)電力 線的電磁場；所述的激勵調(diào)制信號產(chǎn)生單元包括第二隔離驅(qū)動電路、DDS電路、低通濾波 器、功率放大電路、阻抗匹配電路和第二多路模擬開關(guān)；所述的主控計算單元通過所述的第 二隔離驅(qū)動電路將控制信號輸出到所述的第二多路模擬開關(guān)，去除數(shù)字電路對模擬電路的 影響；所述的激勵調(diào)制信號產(chǎn)生單元利用所述的DDS電路產(chǎn)生頻率為f。，的正弦波信號，并 經(jīng)過所述的低通濾波電路和功率放大電路輸出功率為P。,、頻率為f。,的激勵調(diào)制信號，接著 利用所述的阻抗匹配電路實現(xiàn)所述的傳感器陣列中的H軸磁通口傳感器與激勵電路的阻 抗禪合，并在控制信號的控制下通過所述的第二多路模擬開關(guān)將正弦激勵調(diào)制信號分別輸 出到第一H軸磁通口傳感器、第二H軸磁通口傳感器、第HH軸磁通口傳感器、第四H軸磁 通口傳感器。
[0015] 本發(fā)明的方法所采用的技術(shù)方案是：一種電力線位置信息測量方法，其特征在于： 傳感器陣列包括至少四個H軸磁通口傳感器，其中第一H軸磁通口傳感器安裝在施工設(shè)備 機械臂的頂端，第一H軸磁通口傳感器與第二H軸磁通口傳感器之間的直線距離為ALi， 第二H軸磁通口傳感器與第HH軸磁通口傳感器之間的直線距離為AL2,第HH軸磁通口 傳感器與第四H軸磁通口傳感器之間的直線距離為ALs，ALi、AL2和ALs均為已知，且 ALi>AL2〉A(chǔ)Ls，第一立軸磁通口傳感器、第二立軸磁通口傳感器、第；；軸磁通口傳感器 和第四H軸磁通口傳感器之間的間距按照電磁場梯度衰減的原則進行擺放；
[0016] 第一H軸磁通口傳感器、第二H軸磁通口傳感器、第HH軸磁通口傳感器和第 四H軸磁通口傳感器輸出的電壓強度均可表述為：
[0017]

【權(quán)利要求】
1. 一種電力線位置信息測量裝置，其特征在于：包括傳感器陣列（101)、接收機單元 (102)、主控計算單元（103)、通訊接口單元（104)、激勵調(diào)制信號產(chǎn)生單元（105);所述的 激勵調(diào)制信號產(chǎn)生單元（105)為所述的傳感器陣列（101)產(chǎn)生頻率為的正弦激勵調(diào)制 信號，所述的傳感器陣列（101)由所述的正弦激勵調(diào)制信號與外界激勵磁場疊加后獲取信 號，所述的接收機單元（102)對所述的傳感器陣列（101)輸出的信號進行調(diào)理和采樣后，將 采樣數(shù)據(jù)送入所述的主控計算單元（103)完成電磁場反演計算的工作，并最終送入所述的 通訊接口單元（104)將電力線位置信息送出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力線位置信息測量裝置，其特征在于：所述的傳感器陣列 (101) 由第一三軸磁通門傳感器（3)、第二三軸磁通門傳感器（2)、第三三軸磁通門傳感器 (1)和第四三軸磁通門傳感器（19)組成；所述的第一三軸磁通門傳感器（3)、第二三軸磁通 門傳感器（2)、第三三軸磁通門傳感器（1)和第四三軸磁通門傳感器（19)安裝在施工設(shè)備 的機械臂（107)上，其中所述的第一三軸磁通門傳感器（3)被安裝在所述的機械臂（107) 的頂端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電力線位置信息測量裝置，其特征在于：所述的第一三軸磁 通門傳感器（3)、第二三軸磁通門傳感器（2)、第三三軸磁通門傳感器（1)和第四三軸磁通 門傳感器（19)依次以直線方式安裝，所述的第一三軸磁通門傳感器（3)與第二三軸磁通門 傳感器（2)之間的直線距離AL 1，第二三軸磁通門傳感器（2)與第三三軸磁通門傳感器（1) 之間的直線距離AL2，第三三軸磁通門傳感器（1)與第四三軸磁通門傳感器（19)之間的直 AL3, AL3O
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力線位置信息測量裝置，其特征在于：所述的接收機單元 (102) 包括第一多路模擬開關(guān)（4)、前置放大電路（5)、帶通濾波電路（6)、ADC電路（7)、第 一隔離驅(qū)動電路（8);所述的主控計算單元（103)通過所述的第一隔離驅(qū)動電路（8)將控 制信號輸出到所述的第一多路模擬開關(guān)（4)，實現(xiàn)對不同傳感器信號進行切換的工作，然后 利用所述的前置放大電路（5)對所述的傳感器陣列（101)的輸出信號進行調(diào)理工作，并采 用中心頻率為2倍匕的帶通濾波電路（6)取出傳感器陣列輸出信號的2次諧波分量，再經(jīng) 過所述的ADC電路（7)實現(xiàn)數(shù)字信號采樣工作，所獲得的采樣信號通過所述的第一隔離驅(qū) 動電路（8)輸出到所述的主控計算單元（103)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電力線位置信息測量裝置，其特征在于：所述的設(shè)為 10kHz，帶通濾波電路（6)的通帶寬度為2kHz，其信噪比為60dB，所述的第一多路模擬開關(guān) (4)采用ADI公司的ADG1604多路模擬開關(guān)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力線位置信息測量裝置，其特征在于：所述的主控計算單 元（103)是測量裝置的控制核心，并完成數(shù)字相敏檢波、FFT算法、基于最小二乘的反演計 算工作，所述的主控計算單元（103)包括作為控制核心的FPGA電路（9)和實現(xiàn)電磁場反演 計算的DSP電路（10);所述的DSP電路（10)將命令數(shù)據(jù)發(fā)送到FPGA電路（9)，由FPGA電 路（9)進行解碼，F(xiàn)PGA電路（9)根據(jù)控制指令對所述的接收機單元（102)和激勵調(diào)制信號 產(chǎn)生單元（105)的控制時序做出調(diào)整；所述的DSP電路（10)和FPGA電路（9)之間采用數(shù) 據(jù)總線和地址總線的方式進行數(shù)據(jù)交互。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的電力線位置信息測量裝置，其特征在于：所述的FPGA電路 (9)中的FPGA芯片內(nèi)建數(shù)字相敏檢波器以及頻率為2fex、幅值為IV的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號表，通 過與采樣數(shù)據(jù)進行相關(guān)運算來實現(xiàn)數(shù)字相敏檢波。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力線位置信息測量裝置，其特征在于：所述的通訊接口單 元（104)用于發(fā)送計算結(jié)果，以及將來自操作者的控制命令傳送給所述的主控計算單元 (103)，從而實現(xiàn)操作者對電力線位置信息測量裝置的控制；所述的通訊接口單元（104)包 括CAN總線電路（11)、WIFI電路（12)和FLASH存儲器；所述的主控計算單元（103)中設(shè) 置的DSP電路（10)按照操作者設(shè)定的方式，通過CAN總線電路（11)或者WIFI電路（12) 發(fā)送數(shù)據(jù)；所述的FLASH存儲器保存當(dāng)前通訊的設(shè)置參數(shù)，操作者能依據(jù)實際施工機械的 車載裝置參數(shù)，通過CAN總線電路（11)對FLASH存儲器的數(shù)據(jù)進行修改，改變通訊參數(shù)；其 中所述的FLASH存儲器保存當(dāng)前通訊的設(shè)置參數(shù)，其參數(shù)包括CAN總線的波特率、設(shè)備標(biāo)識 ID、發(fā)送方標(biāo)識ID、設(shè)備本機IP地址、接收方IP地址。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力線位置信息測量裝置，其特征在于：所述的激勵調(diào)制信 號產(chǎn)生單元（105)用于在所述的主控計算單元（103)的控制下，為所述的第一三軸磁通門 傳感器（3)、第二三軸磁通門傳感器（2)、第三三軸磁通門傳感器（1)和第四三軸磁通門傳 感器（19)產(chǎn)生合適的激勵調(diào)制信號，從而使得所述的傳感器陣列（101)能夠感應(yīng)電力線的 電磁場；所述的激勵調(diào)制信號產(chǎn)生單元（105)包括第二隔離驅(qū)動電路（13)、DDS電路（14)、 低通濾波器（15)、功率放大電路（16)、阻抗匹配電路（17)和第二多路模擬開關(guān)（18);所 述的主控計算單元（103)通過所述的第二隔離驅(qū)動電路（13)將控制信號輸出到所述的 第二多路模擬開關(guān)（18)，去除數(shù)字電路對模擬電路的影響；所述的激勵調(diào)制信號產(chǎn)生單元 (105)利用所述的DDS電路（14)產(chǎn)生頻率為f ex的正弦波信號，并經(jīng)過所述的低通濾波電 路（15)和功率放大電路（16)輸出功率為Prai、頻率為的激勵調(diào)制信號，接著利用所述的 阻抗匹配電路（17)實現(xiàn)所述的傳感器陣列（101)中的三軸磁通門傳感器與激勵電路的阻 抗耦合，并在控制信號的控制下通過所述的第二多路模擬開關(guān)（18)將正弦激勵調(diào)制信號 分別輸出到第一三軸磁通門傳感器（3)、第二三軸磁通門傳感器（2)、第三三軸磁通門傳感 器（1)、第四三軸磁通門傳感器（19)。
10. -種電力線位置信息測量方法，其特征在于：傳感器陣列包括至少四個三軸磁通 門傳感器，其中第一三軸磁通門傳感器（3)安裝在施工設(shè)備機械臂的頂端，第一三軸磁通 門傳感器（3)與第二三軸磁通門傳感器（2)之間的直線距離為Λ L1，第二三軸磁通門傳感 器（2)與第三三軸磁通門傳感器⑴之間的直線距離為AL2，第三三軸磁通門傳感器（1) 與第四三軸磁通門傳感器（19)之間的直線距離為AL 3, ALp AL2和AL3均為已知，且 Λ L1ML2) Λ L3，所述的第一三軸磁通門傳感器（3)、第二三軸磁通門傳感器（2)、第三三軸 磁通門傳感器（1)和第四三軸磁通門傳感器（19)之間的間距按照電磁場梯度衰減的原則 進行擺放； 所述的第一三軸磁通門傳感器（3)、第二三軸磁通門傳感器（2)、第三三軸磁通門傳感 器（1)和第四三軸磁通門傳感器（19)輸出的電壓強度均可表述為：
其中，W2和S是磁通門線圈匝數(shù)和鐵心橫截面積，互為外部激勵場強，i為諧波次數(shù)， μ 2i表示偶次諧波的磁導(dǎo)率，t為時間，η為諧波級數(shù)； 所述的主控計算單元（104)中設(shè)置的DSP電路（10)通過獲取的所述的第一三軸磁通 門傳感器（3)、第二三軸磁通門傳感器（2)、第三三軸磁通門傳感器（1)和第四三軸磁通門 傳感器（19)輸出的電壓強度計算外部激勵場強互，然后再按照電磁場正演模型采用最小 二乘反演的方法計算施工設(shè)備機械臂（107)與電力線（106)的距離1。
【文檔編號】G01V3/08GK104375190SQ201410696213
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月26日
【發(fā)明者】黃臻, 周凱波, 胡淑均, 程晶晶, 周龍 申請人:武漢輕工大學(xué)