一种用于架空输电线路导地线覆冰测量系统及方法与流程

本发明涉及输电线路测量技术领域，尤其涉及一种用于架空输电线路导地线覆冰测量系统及方法。

背景技术：

随着国家电网的大力发展，当前架空输电线路作为电网的重要组成部分，已经遍布全国各地。随着气候的不断变化，除了在我国北部地区会出现严重的冰冻雨雪天气外，我国南部地区近年来也遭受了严重的冰冻雨雪凝冻灾害。当架空输电线路遭受冰冻雨雪凝冻灾害后，容易出现线路跳闸、断线和倒塔等事故，给全国各地的电力系统的安全稳定运行和电力供应带来极大的影响和威胁。输电线路覆冰现象在输变电系统中十分普遍,覆冰会引起导线舞动、杆塔倾斜倒塌、断线及绝缘子闪络等问题，给生产和生活带来极大的不便，同时也造成了巨大的经济损失。我国地域广阔，地形复杂,是遭受覆冰灾害最严重的国家之一。

对架空输电线路进行覆冰状态的检测可以准确、详实的记录覆冰过程，在严重覆冰灾害发生前调度电网负荷，启动融冰设备，有效避免灾害的发生，具有重要意义。线路覆冰冰层的厚度很难直接得到,一般都采用间接测量方法，通过厚度和其它量的关系间接得到。检测方法一般包括多种：例如，用千分尺、米尺等量器具测量冰层的特征尺寸；或者，称取一段导线上的覆冰质量，折算出单位长度导线上的覆冰质量，再用设计时所用计算公式算出导线的平均等价覆冰厚度；或者，导线倾角弧垂法；或者，在杆塔等设备上安装视频装置，拍摄导线上的覆冰图像,通过图像处理技术，获取覆冰导线的特征尺寸，然后通过模型计算，最终得到等效覆冰厚度；或者，例如光纤传感器、电阻电容检测、激光测量等仪器检测方式。

然而，当前的覆冰测量方式大多需要操作人员携带测量仪器爬塔测量，较为繁琐复杂，且较为危险；另外，间接测量的方式也使得覆冰测量的结果不够准确。

技术实现要素：

本发明的实施例提供一种用于架空输电线路导地线覆冰测量系统及方法，以解决当前的覆冰测量方式大多需要操作人员携带测量仪器爬塔测量，较为繁琐复杂，且较为危险，且间接测量的方式也使得覆冰测量的结果不够准确的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于架空输电线路导地线覆冰测量系统，包括：多旋翼飞行装置、飞行装置控制器、地面监控装置；所述多旋翼飞行装置设置有超声波探头；所述多旋翼飞行装置、飞行装置控制器、地面监控装置两两无线通信连接；

所述飞行装置控制器，用于向多旋翼飞行装置发送飞行控制指令，以使得多旋翼飞行装置飞行至覆冰后的架空输电线路导地线处；

所述飞行装置控制器，还用于向多旋翼飞行装置发送超声波采集指令；

所述多旋翼飞行装置，用于通过超声波探头采集覆冰后的架空输电线路导地线处的超声波信号，并将所述超声波信号发送至所述地面监控装置；

所述地面监控装置，用于根据覆冰后的架空输电线路导地线处的超声波信号，确定架空输电线路导地线覆冰厚度。

具体的，所述多旋翼飞行装置包括多个共轴旋翼结构、机身结构、起落架结构；所述共轴旋翼结构的数量为4个、6个或8个；所述共轴旋翼结构连接所述机身结构，所述机身结构连接所述起落架结构。

具体的，所述机身结构包括一飞行器平台结构；在所述飞行器平台结构下方连接所述超声波探头；所述超声波探头与多旋翼飞行装置的电源连接。

此外，所述飞行器平台结构上还连接有摄像装置以及红外感应装置。

具体的，所述飞行装置控制器包括中央处理芯片电路、电源电路、按键控制电路、通信天线电路、显示电路以及扬声器电路；所述中央处理芯片电路分别与所述电源电路、按键控制电路、通信天线电路、显示电路以及扬声器电路连接；所述飞行装置控制器通过所述通信天线电路与所述多旋翼飞行装置和地面监控装置通信连接。

此外，所述飞行装置控制器，具体用于：

接收操作人员通过按键控制电路输入的飞行控制指令，并向所述多旋翼飞行装置发送所述飞行控制指令，以使得所述多旋翼飞行装置飞行至覆冰后的架空输电线路导地线处。

另外，所述多旋翼飞行装置，用于通过摄像装置采集周围环境图像，并将所述周围环境图像发送至所述地面监控装置；

所述地面监控装置，用于显示所述周围环境图像，并根据所述周围环境图像确定多旋翼飞行装置与覆冰后的架空输电线路导地线的距离。

另外，所述飞行装置控制器，还用于向多旋翼飞行装置发送超声波探头方向调节指令，以使得多旋翼飞行装置控制所述超声波探头旋转调节，直至与覆冰后的架空输电线路导地线的距离小于一预设阈值，且超声波探头的超声波发射方向与覆冰后的架空输电线路导地线垂直。

此外，所述地面监控装置，具体用于：

根据覆冰后的架空输电线路导地线处的超声波信号，确定覆冰反射信号幅值；

根据公式：

确定覆冰层超声信号反射率R(f)；其中，Am(f)为所述覆冰反射信号幅值；Ar(f)为预先设置的参考信号幅值；Rr为预先设置的参考信号的反射率；

根据公式：

确定架空输电线路导地线覆冰厚度h；其中，B为架空输电线路导地线覆冰层的体积模量；f为超声波发射频率；z为两侧弹性介质的声阻抗。

一种用于架空输电线路导地线覆冰测量方法，应用于上述的用于架空输电线路导地线覆冰测量系统；方法包括：

飞行装置控制器向多旋翼飞行装置发送飞行控制指令，以使得多旋翼飞行装置飞行至覆冰后的架空输电线路导地线处；

飞行装置控制器向多旋翼飞行装置发送超声波采集指令；

多旋翼飞行装置通过超声波探头采集覆冰后的架空输电线路导地线处的超声波信号，并将所述超声波信号发送至所述地面监控装置；

所述地面监控装置根据覆冰后的架空输电线路导地线处的超声波信号，确定架空输电线路导地线覆冰厚度。

进一步的，所述飞行装置控制器设置有按键控制电路；

所述飞行装置控制器向多旋翼飞行装置发送飞行控制指令，以使得多旋翼飞行装置飞行至覆冰后的架空输电线路导地线处，包括：

所述飞行装置控制器接收操作人员通过按键控制电路输入的飞行控制指令，并向所述多旋翼飞行装置发送所述飞行控制指令，以使得所述多旋翼飞行装置飞行至覆冰后的架空输电线路导地线处。

此外，所述多旋翼飞行装置上设置有摄像装置；所述方法，还包括：

所述多旋翼飞行装置通过摄像装置采集周围环境图像，并将所述周围环境图像发送至所述地面监控装置；

所述地面监控装置显示所述周围环境图像，并根据所述周围环境图像确定多旋翼飞行装置与覆冰后的架空输电线路导地线的距离。

进一步的，该用于架空输电线路导地线覆冰测量方法，还包括：

所述飞行装置控制器向多旋翼飞行装置发送超声波探头方向调节指令，以使得多旋翼飞行装置控制所述超声波探头旋转调节，直至与覆冰后的架空输电线路导地线的距离小于一预设阈值，且超声波探头的超声波发射方向与覆冰后的架空输电线路导地线垂直。

具体的，所述地面监控装置根据覆冰后的架空输电线路导地线处的超声波信号，确定架空输电线路导地线覆冰厚度，包括：

根据覆冰后的架空输电线路导地线处的超声波信号，确定覆冰反射信号幅值；

根据公式：

确定覆冰层超声信号反射率R(f)；其中，Am(f)为所述覆冰反射信号幅值；Ar(f)为预先设置的参考信号幅值；Rr为预先设置的参考信号的反射率；

根据公式：

确定架空输电线路导地线覆冰厚度h；其中，B为架空输电线路导地线覆冰层的体积模量；f为超声波发射频率；z为两侧弹性介质的声阻抗。

本发明实施例提供的一种用于架空输电线路导地线覆冰测量系统及方法，通过飞行装置控制器可以向多旋翼飞行装置发送飞行控制指令，以使得多旋翼飞行装置飞行至覆冰后的架空输电线路导地线处；通过飞行装置控制器向多旋翼飞行装置发送超声波采集指令；这样，多旋翼飞行装置可通过超声波探头采集覆冰后的架空输电线路导地线处的超声波信号，并将所述超声波信号发送至所述地面监控装置；所述地面监控装置，可根据覆冰后的架空输电线路导地线处的超声波信号，确定架空输电线路导地线覆冰厚度。可见，通过本发明，可以实现远程超声探测输电线路导地线覆冰测量，而无需操作人员亲自爬塔进行测量，同时超声探测的结果更为准确，避免了当前的覆冰测量方式大多需要操作人员携带测量仪器爬塔测量，较为繁琐复杂，较为危险，且间接测量的方式也使得覆冰测量的结果不够准确的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种用于架空输电线路导地线覆冰测量系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中的多旋翼飞行装置的结构示意图；

图3为本发明实施例中的超声波探头的连接示意图；

图4为本发明实施例中的飞行装置控制器的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种用于架空输电线路导地线覆冰测量方法的流程图一；

图6为本发明实施例提供的一种用于架空输电线路导地线覆冰测量方法的流程图二；

图7为本发明实施例中的超声波在三层介质中传播的简化模型示意图；

图8为本发明实施例中的超声波的反射示意图；

图9为本发明实施例中的超声探头接收的完整信号的示意图；

图10为本发明实施例中的覆冰层反射信号的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种用于架空输电线路导地线覆冰测量系统10，包括：多旋翼飞行装置11、飞行装置控制器12、地面监控装置13；所述多旋翼飞行装置11设置有超声波探头111；所述多旋翼飞行装置11、飞行装置控制器12、地面监控装置13两两无线通信连接。

所述飞行装置控制器12，用于向多旋翼飞行装置11发送飞行控制指令，以使得多旋翼飞行装置11飞行至覆冰后的架空输电线路导地线20处。

所述飞行装置控制器12，还用于向多旋翼飞行装置11发送超声波采集指令。

所述多旋翼飞行装置11，用于通过超声波探头111采集覆冰后的架空输电线路导地线20处的超声波信号，并将所述超声波信号发送至所述地面监控装置13。

所述地面监控装置13，用于根据覆冰后的架空输电线路导地线20处的超声波信号，确定架空输电线路导地线覆冰厚度。

具体的，如图2所示，该多旋翼飞行装置11可以包括多个共轴旋翼结构110、机身结构112、起落架结构113；该共轴旋翼结构110的数量可以为4个、6个或8个(在图2中以6个为例)，这样，多旋翼飞行装置11可以实现垂直起降、悬停和原位转向等高难度动作。所述共轴旋翼结构110连接所述机身结构112，所述机身结构112连接所述起落架结构113。进一步的，所述机身结构112包括一飞行器平台结构(图2中未示出)；所述飞行器平台结构上还连接有摄像装置和红外感应装置(图2中未示出)。

具体的，如图3所示，在所述飞行器平台结构114下方连接超声波探头111；所述超声波探头111与多旋翼飞行装置的电源115连接。基于超声波探头工作在20mA至50mA电流之间，供电电源可以采用多旋翼飞行装置电池取能的方式，保证系统有稳定、充足、可靠的电源供应。

具体的，如图4所示，所述飞行装置控制器12包括中央处理芯片电路121、电源电路122、按键控制电路123、通信天线电路124、显示电路125以及扬声器电路126；所述中央处理芯片电路121分别与所述电源电路122、按键控制电路123、通信天线电路124、显示电路125以及扬声器电路126连接；所述飞行装置控制器12通过所述通信天线电路124与所述多旋翼飞行装置11和地面监控装置13通信连接。

此外，所述飞行装置控制器12，具体用于：

接收操作人员通过按键控制电路输入的飞行控制指令，并向所述多旋翼飞行装置发送所述飞行控制指令，以使得所述多旋翼飞行装置飞行至覆冰后的架空输电线路导地线处。

另外，所述多旋翼飞行装置11，用于通过摄像装置采集周围环境图像，并将所述周围环境图像发送至所述地面监控装置。

所述地面监控装置13，用于显示所述周围环境图像，并根据所述周围环境图像确定多旋翼飞行装置与覆冰后的架空输电线路导地线的距离。

另外，所述飞行装置控制器12，还用于向多旋翼飞行装置发送超声波探头方向调节指令，以使得多旋翼飞行装置控制所述超声波探头旋转调节，直至与覆冰后的架空输电线路导地线的距离小于一预设阈值，且超声波探头的超声波发射方向与覆冰后的架空输电线路导地线垂直。

此外，所述地面监控装置13，具体用于：

根据覆冰后的架空输电线路导地线处的超声波信号，确定覆冰反射信号幅值；

根据公式：

确定覆冰层超声信号反射率R(f)；其中，Am(f)为所述覆冰反射信号幅值；Ar(f)为预先设置的参考信号幅值；Rr为预先设置的参考信号的反射率；

根据公式：

确定架空输电线路导地线覆冰厚度h；其中，B为架空输电线路导地线覆冰层的体积模量；f为超声波发射频率；z为两侧弹性介质的声阻抗。

本发明实施例提供的一种用于架空输电线路导地线覆冰测量系统，通过飞行装置控制器可以向多旋翼飞行装置发送飞行控制指令，以使得多旋翼飞行装置飞行至覆冰后的架空输电线路导地线处；通过飞行装置控制器向多旋翼飞行装置发送超声波采集指令；这样，多旋翼飞行装置可通过超声波探头采集覆冰后的架空输电线路导地线处的超声波信号，并将所述超声波信号发送至所述地面监控装置；所述地面监控装置，可根据覆冰后的架空输电线路导地线处的超声波信号，确定架空输电线路导地线覆冰厚度。可见，通过本发明，可以实现远程超声探测输电线路导地线覆冰测量，而无需操作人员亲自爬塔进行测量，同时超声探测的结果更为准确，避免了当前的覆冰测量方式大多需要操作人员携带测量仪器爬塔测量，较为繁琐复杂，较为危险，且间接测量的方式也使得覆冰测量的结果不够准确的问题。

如图5所示，本发明实施例提供一种用于架空输电线路导地线覆冰测量方法，应用于上述图1至图4对应的用于架空输电线路导地线覆冰测量系统；方法包括：

步骤301、飞行装置控制器向多旋翼飞行装置发送飞行控制指令，以使得多旋翼飞行装置飞行至覆冰后的架空输电线路导地线处。

步骤302、飞行装置控制器向多旋翼飞行装置发送超声波采集指令。

步骤303、多旋翼飞行装置通过超声波探头采集覆冰后的架空输电线路导地线处的超声波信号，并将所述超声波信号发送至所述地面监控装置。

步骤304、所述地面监控装置根据覆冰后的架空输电线路导地线处的超声波信号，确定架空输电线路导地线覆冰厚度。

为了使本领域的技术人员更好的了解本发明，下面列举一个更为详细的实施例过程，如图6所示，本发明实施例提供一种用于架空输电线路导地线覆冰测量方法，包括：

步骤401、飞行装置控制器接收操作人员通过按键控制电路输入的飞行控制指令，并向所述多旋翼飞行装置发送所述飞行控制指令，以使得所述多旋翼飞行装置飞行至覆冰后的架空输电线路导地线处。

步骤402、多旋翼飞行装置通过摄像装置采集周围环境图像，并将所述周围环境图像发送至所述地面监控装置。

步骤403、地面监控装置显示所述周围环境图像，并根据所述周围环境图像确定多旋翼飞行装置与覆冰后的架空输电线路导地线的距离。

步骤404、飞行装置控制器向多旋翼飞行装置发送超声波探头方向调节指令，以使得多旋翼飞行装置控制所述超声波探头旋转调节，直至与覆冰后的架空输电线路导地线的距离小于一预设阈值，且超声波探头的超声波发射方向与覆冰后的架空输电线路导地线垂直。

步骤405、飞行装置控制器向多旋翼飞行装置发送超声波采集指令。

步骤406、多旋翼飞行装置通过超声波探头采集覆冰后的架空输电线路导地线处的超声波信号，并将所述超声波信号发送至所述地面监控装置。

步骤407、根据覆冰后的架空输电线路导地线处的超声波信号，确定覆冰反射信号幅值。

步骤408、根据公式：

确定覆冰层超声信号反射率R(f)；其中，Am(f)为所述覆冰反射信号幅值；Ar(f)为预先设置的参考信号幅值；Rr为预先设置的参考信号的反射率。

步骤409、根据公式：

确定架空输电线路导地线覆冰厚度h；其中，B为架空输电线路导地线覆冰层的体积模量；f为超声波发射频率；z为两侧弹性介质的声阻抗。

下面简单介绍本发明实施例中所涉及的超声波测量导地线覆冰厚度原理：

随着超声技术的迅速发展，其应用范围越来越广泛。超声波的散射、衰减、透射、反射等特性，在无损检测(NDE)、结构健康检测(SHM)等方面发挥着重要的作用。超声波在固体中的传播特性已广泛应用在复合板材内部结构检测、生物组织探测、金属锻件和焊接缝缺陷检测、固体厚度测量等方面。作为常规无损检测技术之一，超声波技术是一种重要的厚度测量方法。例如，基于介质中超声波传播时间和传播速度，常规超声反射回波技术可以实现较大尺寸厚度的测量。此外，在多层介质中超声波传播特性研究基础上，厚度较小的机械结构流体层的超声测量方法方面开展了大量研究。

超声波垂直入射到两种介质的界面时会同时发生反射和透射，一部分能量透过界面，另一部分能量被反射回去。根据覆冰厚度与导地线的特点，建立如图7所示超声波在三层介质中传播的简化模型。

其中，介质1为理想空气环境，介质2为覆冰，厚度为h，介质3为铝质导线；超声波由介质l垂直入射，其中T1和R1为介质l中入射波和反射波幅值，T2和R2为介质2中入射波和反射波幅值，T3为介质3中入射波幅值。

当超声脉冲射入覆冰层时，将会发生部分反射和透射。基于等效弹簧模型，超声波的反射系数由等效弹簧的刚度k确定：

式中：R是反射率；k是覆冰层等效弹簧刚度；f是超声波发射频率；z是两侧弹性介质的声阻抗。覆冰层的刚度可以表示为：

式中：B为覆冰层的体积模量；h为覆冰层的厚度。进而联立式和即可得出该覆冰层厚度与反射率之间关系：

R(f)为覆冰层超声信号反射率：

其中，超声波的反射示意图如图8所示。在图8中，从上至下依次为超声波探头111、覆冰50、导线52。

多旋翼飞行装置搭载超声波探头飞行过程中，保证超声波探头对准导线覆冰位置，需要调整探头距离导线的距离。调整好距离以后，调节超声探头的空间角度，使探头垂直于导线。调整过程中，确定反射信号的强度，将反射信号强度最大时探头的位置视作最佳位置。选取铝一空气界面的反射信号为参考信号，其反射率为0.9999。超声探头接收的完整信号如图9所示。

由图9所示，时间轴上接收到3个返回信号，第1个信号为始波信号；第2个信号为空气和覆冰表面界面反射信号；第3个信号为覆冰层和导线反射信号。多旋翼飞行装置飞行中当接收到多个覆冰层和导线界面反射信号时，覆冰层反射信号如图10所示。由反射信号得到信号的幅值Am(f)，根据式计算覆冰层反射率，根据公式从而计算覆冰层厚度h。

本发明实施例采用超声波的原因是：超声波对色彩、光照度不明感，可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体等)。对外界光线和电磁场不明感，可用于黑暗，有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中。超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，因此可以直接测量较近目标的距离。纵向分辨率高。超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于简单化和集成化。超声波因其波长短，束射性强而易于控制。超声波具有波动性和能量二重性。

本发明实施例提供的一种用于架空输电线路导地线覆冰测量方法，通过飞行装置控制器可以向多旋翼飞行装置发送飞行控制指令，以使得多旋翼飞行装置飞行至覆冰后的架空输电线路导地线处；通过飞行装置控制器向多旋翼飞行装置发送超声波采集指令；这样，多旋翼飞行装置可通过超声波探头采集覆冰后的架空输电线路导地线处的超声波信号，并将所述超声波信号发送至所述地面监控装置；所述地面监控装置，可根据覆冰后的架空输电线路导地线处的超声波信号，确定架空输电线路导地线覆冰厚度。可见，通过本发明，可以实现远程超声探测输电线路导地线覆冰测量，而无需操作人员亲自爬塔进行测量，同时超声探测的结果更为准确，避免了当前的覆冰测量方式大多需要操作人员携带测量仪器爬塔测量，较为繁琐复杂，较为危险，且间接测量的方式也使得覆冰测量的结果不够准确的问题。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。