李佳奇，劉 松，趙義松

(國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧沈陽(yáng) 110006)

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輸電線路超聲波自校正風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李佳奇，劉 松，趙義松

(國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧沈陽(yáng) 110006)

針對(duì)傳統(tǒng)輸電線路機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向采集系統(tǒng)的不足，設(shè)計(jì)了一種以ARM為核心的風(fēng)速風(fēng)向采集儀。該系統(tǒng)采用STM32處理器，以超聲波時(shí)差法為測(cè)試手段，同時(shí)采用溫度補(bǔ)償技術(shù)，地磁角校正技術(shù)以及GPS定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了輸電線路風(fēng)速風(fēng)向的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，并通過(guò)GPRS實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)至主控室。該系統(tǒng)具有免維護(hù)、功耗低、精度高、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用在輸電線路監(jiān)測(cè)環(huán)境中。

輸電線路；風(fēng)速；風(fēng)向；超聲波檢測(cè)

0 引言

輸電線路的安全隱患是各種因素共同作用的結(jié)果，其中溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等因素是分析輸電線路出現(xiàn)覆冰、導(dǎo)線溫度、風(fēng)偏的主要參數(shù)，監(jiān)測(cè)這些數(shù)據(jù)為電力部門(mén)做好有關(guān)預(yù)防措施，消除安全隱患提供了必要的依據(jù)。對(duì)于溫濕度監(jiān)測(cè)而言，技術(shù)已經(jīng)成熟，然而傳統(tǒng)機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)儀外形笨重，安裝不便，且機(jī)械式轉(zhuǎn)軸由于磨損需要經(jīng)常維護(hù)和校準(zhǔn)。同時(shí)，安裝時(shí)需要進(jìn)行人工定標(biāo)方向校準(zhǔn)，不但增加了安裝人員的工作量，同時(shí)也增加了測(cè)試誤差[1]。

為了充分利用微處理器技術(shù)對(duì)輸電線路風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以利用超聲波手段實(shí)現(xiàn)輸電線路風(fēng)偏在線監(jiān)測(cè)。該方法無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，使用方便靈活，測(cè)量精度高，且免維護(hù)。采用電子指南針來(lái)自動(dòng)校準(zhǔn)定標(biāo)方向，避免了安裝時(shí)需要反復(fù)確定定標(biāo)方向的缺點(diǎn)，減輕了施工人員的工作量，且提高了測(cè)試精度。采用溫度傳感器進(jìn)行聲速校正，GPS輔助定位技術(shù)，增加了測(cè)試結(jié)果的可靠性。最終將現(xiàn)場(chǎng)采集的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS手段實(shí)時(shí)發(fā)送給主控室，便于電力維護(hù)人員對(duì)輸電線路現(xiàn)場(chǎng)工況作出及時(shí)反應(yīng)。該研究和應(yīng)用具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和市場(chǎng)前景。

1 超聲波風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)基本原理

時(shí)差法的基本原理圖如圖1所示，設(shè)L為兩支傳感器收發(fā)超聲信號(hào)的總路徑，S為兩支傳感器的直線距離[2]。

圖1 超聲波風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)原理模型

Tab為超聲波信號(hào)從a探頭至b探頭順風(fēng)時(shí)的傳播時(shí)間，Tba為超聲波信號(hào)從b探頭至a探頭逆風(fēng)時(shí)的傳播時(shí)間。則可以推導(dǎo)出：

(1)

(2)

式中：c為聲速，m/s；v為風(fēng)速，m/s。

由式(1)和式(2)，推導(dǎo)出該方向風(fēng)速，如式(3)所示。

(3)

設(shè)實(shí)際風(fēng)速為v，在x軸投影分量vx，在y軸投影分量vy，則有[3]

(4)

由式(3)得到實(shí)際風(fēng)速:

(5)

式中：Tcd為超聲波信號(hào)從c探頭至d探頭順風(fēng)時(shí)的傳播時(shí)間，Tdc為超聲波信號(hào)從d探頭至c探頭逆風(fēng)時(shí)的傳播時(shí)間。

得到實(shí)際風(fēng)向:

(6)

2 超聲波風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)

由于采用時(shí)差法進(jìn)行風(fēng)速的測(cè)試，如何準(zhǔn)確測(cè)試Tab和Tba即是硬件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在。隨著現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，采用ARM微處理器進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向測(cè)試可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測(cè)量精度以及抗干擾能力[4]。選擇STM32系列單片機(jī)作為核心處理器，其具有功能強(qiáng)大的外圍電路資源，且具備低功耗等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高性能的便攜式產(chǎn)品上。

系統(tǒng)硬件電路由超聲波發(fā)射電路模塊、超聲波接收電路模塊、處理器模塊、地磁角校正模塊、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸以及測(cè)溫模塊構(gòu)成，超聲波風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)儀硬件框圖如圖2所示。

圖2 超聲波風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)儀硬件框圖

2.1 超聲波探頭設(shè)計(jì)

采用收發(fā)一體式超聲波探頭，通過(guò)合理的編程，首先控制探頭A發(fā)射信號(hào)，探頭B接收信號(hào)；接下來(lái)控制探頭B發(fā)射信號(hào)，探頭A接收信號(hào)；第三步控制探頭C發(fā)射信號(hào)，探頭D接收信號(hào)；最后控制探頭D發(fā)射信號(hào)，探頭C接收信號(hào)。以上4個(gè)步驟循環(huán)分時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)X-Y軸方向的超聲波信號(hào)風(fēng)速風(fēng)向探測(cè)[5]。

2.2 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)采用了40 kHz防水型超聲波探頭，可以利用單片機(jī)的定時(shí)器以軟件方式產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率的脈沖波，利用六反相器74HC04作為驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生相位相反的信號(hào)，增加了信號(hào)的發(fā)射強(qiáng)度。超聲波發(fā)射電路如圖3所示。

圖3 超聲波發(fā)射電路圖

2.3 超聲波接收電路設(shè)計(jì)

為了正確捕捉到回波信號(hào)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢波-放大-濾波處理。在這里采用CX20106集成檢波芯片，起到了很好的信號(hào)接收放大效果。超聲波接收電路如圖4所示。

圖4 超聲波接收電路圖

2.4 地磁角校正模塊

風(fēng)向與正北方向夾角的判斷可由式(6)來(lái)確定。如果由安裝人員在安裝時(shí)來(lái)人工判斷定標(biāo)方向，無(wú)疑增加了安裝的工作量和數(shù)據(jù)誤差。本設(shè)計(jì)引入了電子指南針模塊HMC5883，使得設(shè)備的安裝簡(jiǎn)單易行，風(fēng)向的判斷全部由程序解決。采用NEO-6M模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備的GPS定位。

2.5 GPRS無(wú)線數(shù)傳模塊

由于輸電線路距離較長(zhǎng)，不適合有線數(shù)據(jù)傳輸。采集并處理后的風(fēng)力、風(fēng)向數(shù)據(jù)，均由GPRS模塊通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳到主控室。在降低成本，提高可靠性的同時(shí)，也使得布線困難的問(wèn)題得到很好的解決?？紤]到整機(jī)功耗，系統(tǒng)采用太陽(yáng)能電池板充電加鋰電池供電的方式，每分鐘上傳一次數(shù)據(jù)，采用格式為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議數(shù)據(jù)包，增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，其余時(shí)間整機(jī)進(jìn)入休眠模式，休眠時(shí)功耗小于5 μA。

2.6 溫度補(bǔ)償模塊

溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響是不可忽略的，因此采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器對(duì)聲速進(jìn)行修正。該傳感器電路簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，精度較高。聲速隨溫度變化關(guān)系：

c=331.4+T/273

(7)

式中:T為環(huán)境實(shí)際溫度，℃；c為實(shí)際聲速，m/s。

配合聲速補(bǔ)償公式，能夠使得測(cè)試精度進(jìn)一步提高。

3 超聲波風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)

整機(jī)工作流程圖如圖5所示。單片機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)射探頭在發(fā)出4個(gè)40 kHz信號(hào)的瞬間，同時(shí)開(kāi)啟定時(shí)器計(jì)時(shí)。當(dāng)接收探頭接收到信號(hào)時(shí)，停止計(jì)時(shí)器。按照該思想，A探頭發(fā)射，B探頭接收，得到時(shí)間Tab;然后由B探頭發(fā)射，A探頭接收，得到時(shí)間Tab；然后由B探頭發(fā)射，A探頭接收，得到時(shí)間Tba。以此類(lèi)推得到Tcd,Tdc。單片機(jī)再根據(jù)式(5)～式(7)進(jìn)行處理，最終將測(cè)試到的風(fēng)速和風(fēng)向通過(guò)GPRS模塊上傳主站，進(jìn)行顯示與記錄。

4 實(shí)驗(yàn)與誤差分析

采用風(fēng)速恒定的風(fēng)扇產(chǎn)生穩(wěn)定的氣流，利用精度為0.5 m/s機(jī)械風(fēng)速儀作為校準(zhǔn)儀器進(jìn)行風(fēng)速的標(biāo)定，在室溫為25 ℃的環(huán)境中測(cè)量結(jié)果如表1所示。

需要說(shuō)明的是，測(cè)試儀和校準(zhǔn)儀都存在

圖5 超聲波風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)儀軟件流程圖

0.2 m/s數(shù)據(jù)跳變的現(xiàn)象，可以認(rèn)為超聲波風(fēng)速測(cè)試系統(tǒng)與校準(zhǔn)儀的精度相同。且當(dāng)風(fēng)速接近0 m/s時(shí)，風(fēng)向測(cè)試結(jié)果隨機(jī)變化。這是由于低風(fēng)速使得噪聲在兩個(gè)坐標(biāo)軸隨機(jī)分布的結(jié)果。隨著風(fēng)速的增加，方向角的測(cè)試結(jié)果逐漸接近真實(shí)值。

5 結(jié)論

在分析超聲波傳播特性的基礎(chǔ)上形成了超聲波風(fēng)速風(fēng)向系統(tǒng)的理論模型，并且以STM32單片機(jī)為核心處理器制作了風(fēng)速風(fēng)向儀樣機(jī)，闡述了系統(tǒng)的硬件原理，通過(guò)軟件模塊化設(shè)計(jì)與溫度修正，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸電線路風(fēng)速風(fēng)向的精確測(cè)量。該系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用低，有較高的使用價(jià)值與應(yīng)用前景。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

序號(hào)實(shí)際風(fēng)速/(m·s-1)測(cè)試風(fēng)速/(m·s-1)絕對(duì)誤差/(m·s-1)絕對(duì)誤差/%10.50.520.024.00211.030.033.0031.51.47-0.03-2.00421.95-0.05-3.5052.52.45-0.05-2.00632.96-0.04-1.3373.53.46-0.04-1.14844.040.041.0094.54.540.040.891055.050.051.00

[1] 王文成.基于ARM的智能超聲波測(cè)距儀.儀表技術(shù)與傳感器，2010(7)：34-36.

[2] 楊理踐，李佳奇，高松巍.基于虛擬儀器的天然氣管線泄漏聲波監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng).儀表技術(shù)與傳感器，2010(7)：19-21.

[3] 鄭玲玲，許剛.基于時(shí)差法的超聲波測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的研究.電子測(cè)量技術(shù)，2012(12)：31-34.

[4] 王葵軍，謝擴(kuò)軍.基于FPGA時(shí)差法超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀前端電路的設(shè)計(jì).電測(cè)與儀表，2010(47)：74-76.

[5] 李一丁，王保強(qiáng).基于互相關(guān)理論的超聲波風(fēng)算法研究.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2007(21)：179-182.

Ultrasonic Wind Speed and Direction Monitor System of Transmission Line

LI Jia-qi，LIU Song,ZHAO Yi-song

(Liaoning Electric Power Research Institute of SGCC,Shenyang 110006,China)

To overcome shortcomings of traditional mechanical anemometer wind acquisition system of power transmission line,the ARM wind collect instrument was designed.The system used STM32 as processor,ultrasonic-time-difference testing method and temperature compensation technology,geomagnetic angle correcting and GPS positioning technology realizing accurate test of wind speed and wind direction of transmission line,and the collected data can be real-time transmitted to the main control room.The system is free-maintenance,and has low power consumption,high precision,and convenient installation,which can be widely used in power transmission line monitoring environment.

transmission line；wind speed；wind direction；ultrasonic testing

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(30470420)

2015-03-12 收修改稿日期：2015-09-07

TM726.3

A

1002-1841(2015)12-0079-02

李佳奇(1984—)，工程師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閮x器儀表設(shè)計(jì)及無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。E-mail:12590834@qq.com