电力电缆与架空线智能综合测量系统研发

柏 仓，郭湘奇，李文国

(1.南京供电公司，江苏 南京 210001； 2.咸亨国际电气制造有限公司，浙江 杭州 310022)



电力电缆与架空线智能综合测量系统研发

柏 仓1，郭湘奇1，李文国2

(1.南京供电公司，江苏 南京 210001； 2.咸亨国际电气制造有限公司，浙江 杭州 310022)

电力系统内需要对电缆线路和架空线路的各类距离参数进行测量，而一般传统测量方法测量结果误差较大且操作存在一定的危险性；经纬仪或全站仪虽然精度高，但是操作复杂并且专业性要求高。电缆与架空线智能综合测量系统将远量程测距仪与手持设备蓝牙通信，基于硬件组合与传统测量方法研发终端软件；终端软件优化传统测量的数据算法，简化UI设计。整套系统通过软硬件智能结合，可以准确、快速、便捷地完成各项测量任务。

电力系统；电力线路；测量系统；算法软件

0 引言

电力系统输电线路、配电线路和各类电缆的安全对地距离、弧垂距离和交叉跨越距离是各电力单位需要经常测量的数据，以维护电力线路运行安全。根据测量任务的复杂程度，客户使用的测量仪器不尽相同。在进行复杂测量任务时，例如：电缆弯曲半径、线路交叉跨越和线路弧垂等，测量方法通常有传统测量方式和经纬仪、全站仪的测量。传统测量方法操作繁琐，误差较大；现有激光测距仪可实现空间两点直线距离、高差、水平距离等简单计算，但所运用的单片机控制器不足以计算电力电缆与架空线综合测量时所需要的数据，亦不可实现数据自动记录、现场图片记录等；而经纬仪、全站仪虽然测量精度很高，功能较多，但其测量过程需要辅助工具，后期数据处理需要通过画图、三角函数换算等多方面工作才能完成，对测量人员有一定的专业要求，需要专门培训测绘人员，而且使用过程操作繁琐，不便于测量人员进行日常的数据测量工作[1-2]。

为了解决上述各测量方法存在的问题，本文提供了一种电缆与架空线综合测量系统，包括手持设备、测量设备以及无磁三脚架。本综合测量系统使用的测量设备为激光测距仪，测距仪本身内置三轴电子罗盘，可以直接获取测量点的距离、水平倾角α(即INC)以及方位角AZ(与磁北极夹角)等三维数据[3]。手持设备安装算法软件，软件拥有不同测量功能的经典算法，可以自动处理接收的测量数据，自动计算得到所需测量结果。软件适用平台为安卓系统，使用简单直观。手持设备与测量设备均具有蓝牙模块，通过蓝牙进行数据与功能命令互传。测量系统依靠综合系统内硬件和软件算法的结合来智能化线路数据测量的操作方法，以此来削弱使用者对专业测量能力的要求。使用者仅需掌握测距仪的基础使用方方法；算法软件安装在通用安卓系统移动设备(如手机、平板等)上，使用者仅需使用手持机进行选择功能、记录数据和图片，操作简单易懂。功能集成化设计，极大方便了使用者应对各种复杂的电缆与线路的测量任务。

1 测量系统结构

1.手持设备； 2.测量设备； 3.无磁三脚架图1 电缆与架空线综合测量系统结构

本电缆与架空线综合测量系统包括：手持设备、测量设备以及无磁三脚架，如图1所示。手持设备采用触屏手机或者平板电脑，为了使测量设备测量目标点稳定准确且避免测量环境中磁场对测量设备稳定性干扰，整体系统采用无磁三脚架稳固测量设备；测量设备根据具体的测量任务进行目标点的选取和数据的测量；测量设备与手持设备进行蓝牙通信，手持设备内置算法软件，进行功能选择，将接收的测量数据进行算法处理，自动得到所需数据，并且进行备注、保存和现场图片索取。

手持设备包括微处理器、存储器、触摸屏、摄像头以及从蓝牙模块；测量设备包括主蓝牙模块、控制器、激光测距仪以及电子罗盘；存储器、触摸屏以及从蓝牙模块均与微处理器相连；主蓝牙模块、激光测距仪以及电子罗盘均与控制器相连；从蓝牙模块与主蓝牙模块无线通信连接；电子罗盘为三轴电子罗盘。具体结构如图2所示。

图2 测量系统模块结构

本综合测量系统各模块的工作配合为：开启手持设备和测量设备后，由触摸屏向控制器发送测量功能命令，从蓝牙模块与主蓝牙模块进行无线通信传输数据和指令；使用在激光测距仪和三轴电子罗盘完成目标物的测距和测角后，通过无线传输至微处理器进行数据处理计算，获得电缆与架空线测量需要的相关数据，并通过触摸屏进行实时显示，同时存储器也进行数据存储；还可以采用摄像头对测量点处的图像进行采集，存储在存储器中，实现全面现场数据记录。

2 测量设备功能介绍

2.1 测量设备选择

目前市场上测量设备种类众多，功能也是比较繁杂。部分测量设备使用超声波或者红外线为主要测距仪方式，测量精度很高，可以达到毫米级，但是量程较短；部分测距设备使用激光测距，量程可以达到2 000 m，但是精度略低，在5 cm～1 m。由于此综合测量系统设计的应用客户主要为电力系统部门，其一般都会对测量设备有一定的量程要求，而对测量精度的要求在1 m以内。所以测量设备初定激光类型测量设备，传统称为激光测距仪。

激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器，其在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离[4]。激光测距仪分为手持激光测距仪和望远镜式激光测距仪。

手持激光测距仪通常无目镜与物镜，使用范围很广，测量距离由几十米至数公里不等。在功能上除能测量距离外，有些还能计算测量物体的体积。

望远镜式激光测距仪，常规光学放大倍率可以达到6～9倍，主要应用范围为电力巡线、野外建筑、环境勘察、建立基站等需要野外长距离测量的情况。

而目前电力以及其他施工环节中，由于在巡线、测量等工况下涉及的距离远近不一，并且测量过程中需要测距仪具有望远功能，用以较准确地寻找目标点，测得较小目标点的数据信息，因此本设计选用望远式激光测距仪构成本系统。

2.2 测量设备数据传输方式选择

目前测距仪数据传输方式主要为有线数据传输型和无线蓝牙传输型。

早期的有线数据传输型的激光测距仪，数据传输是通过RS232等串口有线传输到上位机，即PC上。后期，随着电子、智能化行业的不断发展进步，PC作为上位机的传输方式逐步淘汰，取而代之的是各种类型的PDA。

近年来，随着数据传输方式的革新，在各行各业兴起了红外、蓝牙、WiFi、ZigBee等多种无线数据传输方式。而本系统采用的为目前测距仪行业内最先进的无线蓝牙传输方式。系统选择无线蓝牙数据传输方式的初衷是减少施工、作业人员架设、安装、搭载设备等的不便，且在不需要上位机接收数据时，有效地减少了作业人员运输和携带设备的重量。从而在发挥智能化系统功能的基础上，保证测距仪单体的测量效果，系统功能不受数据接收终端的约束。

2.3 激光测距仪的基本原理

以测距仪中心传感器为原点，建立空间立体坐标系。以传感器中心点为原点，假设为O，点A(a,b,c)为单点测量的空间坐标系中的目标点，如图3所示。

图3 单点测量

那么，本系统中激光测距仪通过激光的发射与接收时间差t，结合激光的速度光速c，得到距离OA=(c×t)/2，亦即测距仪系统显示的数据SD[5]。

图6 函数间关系时序图

本系统中的测距仪内置三轴电子罗盘，可测量水平倾角α(即INC)以及方位角AZ(与磁北极夹角)。假设A点在水平面XOY上的投影为B点，则OB=SD×cosα，为测距仪到目标点的水平距离，即HD；AB=SD×sinα，为测距仪到目标点的垂直距离，即高差VD。而水平面上的投影OB与磁北极的夹角，即为方位角AZ。

3 软件设计开发

在整套综合测量系统中，手持设备内置软件需要完成功能选择，对应功能的数据算法处理，数据、文字和图片的录入及表格的生成。由于传统对线路与电缆测量的方法与此综合系统的测量方法在算法上有类似之处，因此此软件算法结合经典算法进行编程，以期达到最高的测量精度。

3.1 软件系统框架

根据软件需要实现的功能，将其分为数据接收模块、数据处理模块和数据导出模块。其中数据接收模块实现获取测量设备采集的元数据；数据处理模块根据不同的测量任务对接收到的数据进行计算处理；数据导出模块将计算后的结果保存起来并导出到文件中，可以用Excel打开，或者上传至数字化管理中心平台。其框架图如图4所示。

图4 软件系统框架

3.2 模块详细设计

图5 软件框架图

根据电力系统内电缆线路和架空线路中各类测量任务，归纳出包括线路净空测量、交叉跨越测量、弧垂测量和弧长测量等14种测量模式，对应软件开发出14种带算法的测量功能模块。其某一项测量模式的功能开发，一般均需要经历实际测量任务了解、算法总结、程序编写三步，下面具体以弧长测量模式的设计过程为例来阐述此系统的软件模块详细设计过程[6]。其软件系统的框架图如图5所示。具体对应的函数间关系如图6所示。

3.3 弧长基本测量原理

图7 圆弧计算表示

测量电缆沟内的一段圆弧上(客户自行判断，确保基本是在同一段圆弧上)的三个点，获得此三点分别相对测距仪的空间位置，如图7中的1、2、3，将此三点拟合到同一平面上，然后计算此三点两两之间的距离，如图7中的a、b、c。

通过以下所示的算法公式(三角形外接圆弧长计算公式)，计算弧长。

R=

(1)

(2)

(3)

判断内弧或者外弧，只需依据c边的一条水平线，根据B点在这条水平线的上下方进行判断，如果在上方则为外弧，如果在下方则为内弧。

根据此法，还可以测量不规则圆弧，将不规则圆弧分N段，每段按照上述方法求出L，将N个L值相加就可以实现不规则圆弧测量。

根据如上具体弧长的计算方法，对应进行编程设计。对应的具体代码如下所示：

param onePointData

//测量仪测出电缆端点1的数据

param twoPointData

//测量仪测出电缆端点2的数据

param middlePointData//测量仪测出电缆上处于端点1和2

之间的端点3数据

return

//弯曲半径

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 结论

本文以高精度测距仪、安卓系统手持机和无磁三脚架为硬件基础，根据电力系统行业内对线路数据测量的要求开发集成测量数据算法的安卓软件，以蓝牙为通信方式将测距仪和算法软件集成为电缆与架空线综合智能测量系统。此测量系统能够快速简单地解决各项线路测量任务，并且具有灵活的后续开发性，可以根据需要增加其他测量功能。

[1] 余向东，张在宣，王剑锋. 一种小型高精度脉冲式半导体激光测距仪[J].激光与红外, 2008, 38(5):458-461.

[2] 张慧兵. 便携式激光测距仪在架空电力线路测距中的应用[J].科技情报开发与经济,2009, 19(35):189-190.

[3] 陈羽.高精度脉冲激光测距仪的研究[D].西安：西安工业大学,2014.

[5] 王刚，孙凌宇，王卫宁，等. 新型便携式激光测距仪的研究[J].激光与光电子学进展, 2010,47(7):125-128.

[6] 杨希，胡颖，朱雯雯，等. 基于安卓系统的全站仪测距检定功能的开发[J].地理空间信息, 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

柏仓，郭湘奇，李文国.电力电缆与架空线智能综合测量系统研发[J].微型机与应用，2017,36(12)：84-86，90.

2016-11-29)

柏仓(1984-)，男，硕士，工程师，主要研究方向：电力电缆运行及检修。

郭湘奇(1973-)，男，本科，工程师，主要研究方向：电力电缆运行及检修。

李文国(1982-)，男，硕士，工程师，主要研究方向：电力电缆故障诊断和定位技术研究。