本發(fā)明涉及局放定位檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于UWB測距模塊的變壓器表面特征點(diǎn)定位裝置及方法。

背景技術(shù)：

變壓器等變電設(shè)備的帶電檢測技術(shù)及其現(xiàn)場應(yīng)用是變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評價(jià)和潛在缺陷查找的重要手段之一。其中，局放定位帶電檢測對于發(fā)現(xiàn)變電設(shè)備的局部放電缺陷并精確定位放電源，為缺陷診斷分析提供有力的技術(shù)手段。

傳統(tǒng)的局放定位技術(shù)中，傳感器空間建模主要通過人工測量的方式，在傳感器空間建模工作量、建模精度、定位精度及數(shù)據(jù)的采集和處理等方面均存在諸多限制，無法完全滿足要求快速部署、靈活安置的帶電檢測業(yè)務(wù)。

目前，通常采用超聲、超高頻法對變壓器進(jìn)行局部放電定位檢測，局部放電定位檢測的前提是需要測定變壓器(獲取其他變電設(shè)備)表面特征點(diǎn)(傳感器)位置，盡管GNSS(Global Navigation Satellite System，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))可用于室外高精度定位，但變電站內(nèi)變電設(shè)備，大量金屬設(shè)備會(huì)對GNSS定位造成影響甚至無法工作，此外，基于衛(wèi)星定位的空間建模方式對高程測量的精度不能滿足要求；而且，通常的空間測邊交會(huì)需要至少4個(gè)基站進(jìn)行定位求解，采用3個(gè)基站數(shù)據(jù)求解會(huì)得到雙根情況，無法固定最終解算結(jié)果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的變壓器表面特征點(diǎn)位置定位，采用GNSS定位精度不能滿足要求，且空間測邊交會(huì)計(jì)算時(shí)，采用3個(gè)基站數(shù)據(jù)求解會(huì)得到雙根情況，無法固定最終解算定位的問題。本發(fā)明的基于UWB測距模塊的變壓器表面特征點(diǎn)定位裝置及方法，采用支架安裝UWB測距模塊，實(shí)現(xiàn)對變壓器表面特征點(diǎn)的定位，解決GNSS無法運(yùn)用于超高壓變壓器作業(yè)環(huán)境的不足，同時(shí)，確?？梢詫?shí)時(shí)獲得檢測點(diǎn)的相對坐標(biāo)用于隨后的變壓器局放檢測，具有良好的應(yīng)用前景。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種基于UWB測距模塊的變壓器表面特征點(diǎn)定位裝置，包括若個(gè)干UWB測距模塊、多根支架、數(shù)據(jù)傳輸模塊和平臺服務(wù)器，各支架分布在待測變壓器的周圈，各UWB測距模塊分別在支架上做為基站，且與數(shù)據(jù)傳輸模塊的位置關(guān)系符合右手規(guī)則，

各UWB測距模塊，選擇其中一個(gè)做為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立空間坐標(biāo)系，并實(shí)時(shí)測量與數(shù)據(jù)傳輸模塊之間的距離，并將距離信息發(fā)送給數(shù)據(jù)傳輸模塊；

所述數(shù)據(jù)傳輸模塊做為流動(dòng)站，安置于待測變壓器的測試點(diǎn)位，并接收各UWB測距模塊發(fā)送的距離信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給平臺服務(wù)器；

所述平臺服務(wù)器，用于接收數(shù)據(jù)傳輸模塊轉(zhuǎn)發(fā)的距離信息，對其進(jìn)行解算，最終得到該測試點(diǎn)位的相對坐標(biāo)。

前述的基于UWB測距模塊的變壓器表面特征點(diǎn)定位裝置，所述數(shù)據(jù)傳輸模塊為UWB測距模塊。

前述的基于UWB測距模塊的變壓器表面特征點(diǎn)定位裝置，所述UWB測距模塊的數(shù)量為六個(gè)，且保證數(shù)據(jù)傳輸模塊的流動(dòng)站位于待測變壓器的每一表面時(shí)，存在與三個(gè)UWB測距模塊對該表面進(jìn)行無障礙測距。

前述的基于UWB測距模塊的變壓器表面特征點(diǎn)定位裝置，所述支架的數(shù)量為四根，且分布在待測變壓器的四邊角外側(cè)，且每根支架上安裝有圓水準(zhǔn)對中器。

前述的基于UWB測距模塊的變壓器表面特征點(diǎn)定位裝置，每根支架上均設(shè)置有卡槽，所述UWB測距模塊插接在卡槽中。

一種基于UWB測距模塊的變壓器表面特征點(diǎn)定位方法，包括以下步驟，

步驟(A)，根據(jù)待測變壓器所處環(huán)境，安放支架，將UWB測距模塊裝入對應(yīng)支架上的卡槽內(nèi)，并建立空間坐標(biāo)系；

步驟(B)，將數(shù)據(jù)傳輸模塊安置于待測變壓器的測試點(diǎn)位，各UWB測距模塊實(shí)時(shí)測量與數(shù)據(jù)傳輸模塊的距離信息，并發(fā)送給數(shù)據(jù)傳輸模塊；

步驟(C)，數(shù)據(jù)傳輸模塊接收各UWB測距模塊發(fā)送的距離信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給平臺服務(wù)器；

步驟(D)，平臺服務(wù)器接收數(shù)據(jù)傳輸模塊轉(zhuǎn)發(fā)的距離信息，對其進(jìn)行解算，最終得到該測試點(diǎn)位的相對坐標(biāo)。

前述的基于UWB測距模塊的變壓器表面特征點(diǎn)定位方法，步驟(A)，包括以下步驟，

(A1)準(zhǔn)備七個(gè)UWB測距模塊組成，其中，六個(gè)UWB測距模塊做為基站；1個(gè)UWB測距模塊做為數(shù)據(jù)傳輸模塊，為流動(dòng)站；

(A2)準(zhǔn)備四根支架，且豎直安裝在待測變壓器，四個(gè)邊角的外側(cè)；

(A3)將六個(gè)UWB測距模塊分別安裝在四根支架的卡槽內(nèi)，且保證數(shù)據(jù)傳輸模塊的流動(dòng)站位于待測變壓器的每一表面時(shí)，存在與三個(gè)UWB測距模塊對該表面進(jìn)行無障礙測距；

(A4)取任意的UWB測距模塊基站為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立空間坐標(biāo)系，所述空間坐標(biāo)系為相對坐標(biāo)系。

前述的基于UWB測距模塊的變壓器表面特征點(diǎn)定位方法，步驟(B)，各UWB測距模塊實(shí)時(shí)測量與數(shù)據(jù)傳輸模塊的距離信息是通過雙向飛行時(shí)間法進(jìn)行測距的。

前述的基于UWB測距模塊的變壓器表面特征點(diǎn)定位方法，步驟(C)，數(shù)據(jù)傳輸模塊通過無線WIFI模式將接收各UWB測距模塊發(fā)送的距離信息轉(zhuǎn)發(fā)給平臺服務(wù)器。

前述的基于UWB測距模塊的變壓器表面特征點(diǎn)定位方法，步驟(D)，平臺服務(wù)器采用改進(jìn)空間測邊交會(huì)算法對距離信息進(jìn)行解算，最終得到該測試點(diǎn)位的相對坐標(biāo)。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的基于UWB測距模塊的變壓器表面特征點(diǎn)定位裝置及方法，采用支架安裝UWB測距模塊，實(shí)現(xiàn)對變壓器表面特征點(diǎn)的定位，解決GNSS無法運(yùn)用于超高壓變壓器作業(yè)環(huán)境的不足，同時(shí)，確?？梢詫?shí)時(shí)獲得檢測點(diǎn)的相對坐標(biāo)用于隨后的變壓器局放檢測，同時(shí)減少了人工操作的工作量以及人為操作不規(guī)范帶來的測量誤差，具有良好的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的基于UWB測距模塊的變壓器表面特征點(diǎn)定位裝置的系統(tǒng)示意圖；

圖2是本發(fā)明的UWB測距模塊的空間布置示意圖；

圖3是本發(fā)明的建立空間坐標(biāo)系的示意圖；

圖4是本發(fā)明的空間坐標(biāo)系的平面視角示意圖。

附圖中標(biāo)記的含義如下：

1：UWB測距模塊；2：支架；3：數(shù)據(jù)傳輸模塊；4：平臺服務(wù)器；5：待測變壓器。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

如圖1所示，本發(fā)明的基于UWB測距模塊的變壓器表面特征點(diǎn)定位裝置，包括若個(gè)干UWB(Ultra Wideband，一種無載波通信技術(shù))測距模塊1、多根支架2、數(shù)據(jù)傳輸模塊3和平臺服務(wù)器4，各支架2分布在待測變壓器5的周圈，各UWB測距模塊1分別在支架上做為基站，且與數(shù)據(jù)傳輸模塊3的位置關(guān)系符合右手規(guī)則，

優(yōu)選的支架2的數(shù)量為四根，且分布在待測變壓器5的四邊角外側(cè)，且每根支架上安裝有圓水準(zhǔn)對中器，用于保證支架2的豎直放置，每根支架2上均設(shè)置有卡槽，UWB測距模塊1插接在卡槽中。

各UWB測距模塊1，選擇其中一個(gè)做為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立空間坐標(biāo)系，并實(shí)時(shí)測量與數(shù)據(jù)傳輸模塊3之間的距離，并將距離信息發(fā)送給數(shù)據(jù)傳輸模塊3；

所述數(shù)據(jù)傳輸模塊3做為流動(dòng)站，安置于待測變壓器5的測試點(diǎn)位，并接收各UWB測距模塊1發(fā)送的距離信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給平臺服務(wù)器，優(yōu)選的數(shù)據(jù)傳輸模塊3同樣以為UWB測距模塊，UWB測距模塊1的數(shù)量為六個(gè)，且保證數(shù)據(jù)傳輸模塊3的流動(dòng)站位于待測變壓器5的每一表面時(shí)，存在與三個(gè)UWB測距模塊(不包括數(shù)據(jù)傳輸模塊)對該表面進(jìn)行無障礙測距；

所述平臺服務(wù)器4，用于接收數(shù)據(jù)傳輸模塊3轉(zhuǎn)發(fā)的距離信息，對其進(jìn)行解算，最終得到該測試點(diǎn)位的相對坐標(biāo)。

根據(jù)上述的基于UWB測距模塊的變壓器表面特征點(diǎn)定位方法，包括以下步驟，

步驟(A)，根據(jù)待測變壓器所處環(huán)境，安放支架，將UWB測距模塊裝入對應(yīng)支架上的卡槽內(nèi)，并建立空間坐標(biāo)系，包括以下步驟，

(A1)準(zhǔn)備七個(gè)UWB測距模塊組成，其中，六個(gè)UWB測距模塊做為基站；1個(gè)UWB測距模塊做為數(shù)據(jù)傳輸模塊，為流動(dòng)站；

(A2)準(zhǔn)備四根支架，且豎直安裝在待測變壓器，四個(gè)邊角的外側(cè)；

(A3)將六個(gè)UWB測距模塊分別安裝在四根支架的卡槽內(nèi)，且保證數(shù)據(jù)傳輸模塊的流動(dòng)站位于待測變壓器的每一表面時(shí)，存在與三個(gè)UWB測距模塊對該表面進(jìn)行無障礙測距；

(A4)取任意的UWB測距模塊基站為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立空間坐標(biāo)系，所述空間坐標(biāo)系為相對坐標(biāo)系，如圖2所示，為了便于觀測，圖中添加了空間輔助線，同時(shí)隱去了待測變壓器，A、B、C、D、F、G分別為六個(gè)UWB測距模塊構(gòu)成的基站，E為數(shù)據(jù)傳輸模塊構(gòu)成的流動(dòng)站，

建立好空間坐標(biāo)系后，可確定B點(diǎn)坐標(biāo)為(0，0，0)，A點(diǎn)坐標(biāo)為(dAB，0，0)，C點(diǎn)z坐標(biāo)為0，x、y坐標(biāo)值由AB坐標(biāo)及ABC距離求得；

若E安置于E’處，測得AE’、BE’、CE’距離，解算出E’坐標(biāo)，E’坐標(biāo)的兩個(gè)解中保留z值為正的結(jié)果作為E’坐標(biāo)；

由AD、BD、E’D三個(gè)距離及A、B、E’三點(diǎn)坐標(biāo)確定D點(diǎn)坐標(biāo)，D坐標(biāo)的兩個(gè)解中保留z值為正的結(jié)果作為D坐標(biāo)；

由C、D的yz坐標(biāo)可得CD在yoz平面內(nèi)的投影長度，測得CF、CG、FG長度，則CF與CG在平面yoz的投影長度為△CHI中FG邊長的高d2；

同理，得到DF、DG在平面yoz上的投影長度d1；

整個(gè)基站在平面yoz的投影，如下圖3所示，A、B、C、D坐標(biāo)已知，且兩個(gè)投影距離d1和d2已知，可解得F、G在yoz面上的投影坐標(biāo)，由C、F兩點(diǎn)列出距離方程求解F點(diǎn)的x坐標(biāo)，通過事先安置時(shí)確定好F點(diǎn)與C點(diǎn)的高低關(guān)系，可最終確定F點(diǎn)的x坐標(biāo)值，同理，可確定G點(diǎn)的坐標(biāo)值；

步驟(B)，將數(shù)據(jù)傳輸模塊安置于待測變壓器的測試點(diǎn)位，各UWB測距模塊實(shí)時(shí)測量與數(shù)據(jù)傳輸模塊的距離信息，并發(fā)送給數(shù)據(jù)傳輸模塊，測量距離信息是通過雙向飛行時(shí)間法(two way‐time of flight，TW‐TOF)進(jìn)行測距的，公式如下，

其中，d為距離信息，c為光速度，Δt為雙向飛行時(shí)間，每個(gè)測距模塊從啟動(dòng)開始即會(huì)生成一條獨(dú)立的時(shí)間戳，若測距模塊A的發(fā)射機(jī)在其時(shí)間戳上的Ta1發(fā)射請求性質(zhì)的脈沖信號，測距模塊B的接收機(jī)在其時(shí)間戳上的Tb1接收到該信號，對信號加以處理手段，測距模塊B在Tb2時(shí)刻發(fā)射一個(gè)響應(yīng)性質(zhì)的信號，被測距模塊A在自己的時(shí)間戳Ta2時(shí)刻接收，由此可以計(jì)算出脈沖信號在兩個(gè)模塊之間的飛行時(shí)間，從而確定飛行距離；

步驟(C)，數(shù)據(jù)傳輸模塊接收各UWB測距模塊發(fā)送的距離信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給平臺服務(wù)器，具體通過無線WIFI模式將接收各UWB測距模塊發(fā)送的距離信息轉(zhuǎn)發(fā)給平臺服務(wù)器；

步驟(D)，平臺服務(wù)器接收數(shù)據(jù)傳輸模塊轉(zhuǎn)發(fā)的距離信息，對其進(jìn)行解算，最終得到該測試點(diǎn)位的相對坐標(biāo)，是采用改進(jìn)空間測邊交會(huì)算法對距離信息進(jìn)行解算，最終得到該測試點(diǎn)位的相對坐標(biāo)，避免了三個(gè)基站測量待測點(diǎn)坐標(biāo)得到雙根的不足，具體過程如下，改進(jìn)空間測邊交會(huì)算法的空間示意圖，如圖4所示，采用三個(gè)基站解算通過該方法，則可得到唯一解，

所述改進(jìn)空間測邊交會(huì)法指的是利用三個(gè)基站(UWB測距模塊)與流動(dòng)站(數(shù)據(jù)傳輸模塊)之間距離公式建立空間關(guān)系：

其中，(x_A，y_A，z_A)為基站A的坐標(biāo)，(x_B，y_B，z_B)為基站B的坐標(biāo)，(x_C，y_C，z_C)為基站C的坐標(biāo)，基站A、基站B、基站C與流動(dòng)站P位置關(guān)系符合右手規(guī)則，S1、S2、S3為流動(dòng)站與基站的距離，cosα_A、cosβ_A、cosγ_A表示向量AP的方向余弦值，cosα_B、cosβ_B、cosγ_B表示向量BP的方向余弦值，cosα_C、cosβ_C、cosγ_C表示向量CP的方向余弦值，V表示空間四面體P‐ABC的體積，用K表示方向余弦矩陣，則：

其中，分別為向量PA與PB、向量PA與PC、向量PB與PC的夾角，三角函數(shù)值可由三角形PAB、三角形PAC、三角形PBC求得。

同時(shí)定義如下向量：

上述三個(gè)向量進(jìn)行內(nèi)積和混合積計(jì)算，可得

上式中，M₁＝S_AS_BS_C|K|，SA表示PA距離，SB表示PB距離，SC表示PC距離，DAB表示AB距離，DAC表示AC距離，為便于矩陣表達(dá)，顯示時(shí)用M1、M2、M3表示。

通過推導(dǎo)可得：

則流動(dòng)站坐標(biāo)為：x_P＝X_P+x_A，y_P＝Y(jié)_P+y_A，z_P＝H_P+z_A。

利用空間幾何原理，對公式求解，可得到流動(dòng)站的唯一坐標(biāo)，較傳統(tǒng)的4個(gè)基站進(jìn)行空間定位而言，優(yōu)化了判別方法，同時(shí)節(jié)省了UWB測距模塊成本，需要三個(gè)即可。

本發(fā)明的基于UWB測距模塊的變壓器表面特征點(diǎn)定位裝置及方法，采用UWB測距模塊進(jìn)行測距，UWB測距模塊具有以下優(yōu)點(diǎn)：UWB的數(shù)據(jù)速率可達(dá)幾十兆比特每秒到幾百兆比特每秒，由于UWB采用的是持續(xù)時(shí)間極短的窄脈沖，因而有極高的多徑分辨率，在金屬環(huán)境中仍然能保持高精度的測距功能；由于UWB測距頻率大，每秒能得到多次測距值，測距值有兩種類型：LOS(line of sight，無線信號的視線傳輸)和NLOS(not line of sight，無線信號的非視線傳輸)兩種，通過判別保留LOS距離，并采用拉伊達(dá)法則對測距值進(jìn)行處理可有效提高測距精度。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對變壓器(可應(yīng)用于其他變電設(shè)備)表面特征點(diǎn)高效便捷的定位功能，大便捷了變電設(shè)備局放帶電檢測的進(jìn)行，同時(shí)減少了人工操作的工作量以及人為操作不規(guī)范帶來的測量誤差。本發(fā)明具有良好的市場推廣價(jià)值，當(dāng)前電網(wǎng)規(guī)模正進(jìn)一步擴(kuò)大，特高壓交直流混合大電網(wǎng)、新一代智能變電站、智能輸電線路等工程正加速建設(shè)，全新的電網(wǎng)重大成套裝備和智能裝備不斷涌現(xiàn)，對電網(wǎng)設(shè)備安全和智能運(yùn)維提出新的挑戰(zhàn)。采用本發(fā)明方法獲取變電設(shè)備表面局放定位檢測點(diǎn)坐標(biāo)將帶來很大便捷，提高了局放缺陷定位的效率，對電網(wǎng)運(yùn)營維護(hù)管理帶來強(qiáng)有力幫助。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。