專利名稱：輸電線路導(dǎo)線對地距離監(jiān)測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及電網(wǎng)技術(shù)，尤其涉及高壓輸電線路導(dǎo)線上任意一點對地距離的實時監(jiān)測。
背景技術(shù)：
導(dǎo)線對地距離是線路設(shè)計和運行的主要指標，關(guān)系到線路的運行安全，因此必須控制在設(shè)計規(guī)定的范圍內(nèi)。由于線路運行負荷和周圍環(huán)境的變化都會造成導(dǎo)線對地距離的變化，導(dǎo)線對地距離過小不但會造成事故隱患，也限制了線路的輸送能力，特別是在交叉跨越和人煙密集地段。但在運行過程中，所要求的導(dǎo)線對地安全距離可能受到破壞，其原因有下列幾點1)在線路下方或其附近新建或改建的建筑物，如道路、電信線路或低壓線路等。2)由于修理工作移動桿塔或改變了桿塔的尺寸，以及改變了絕緣子串的長度。3)桿塔傾斜，導(dǎo)線松弛或?qū)Ь€經(jīng)過長時間運行而拉長了。4)相鄰檔荷重不均衡，導(dǎo)致導(dǎo)線在懸垂線夾內(nèi)滑動。由于上述原因，所以在運行中必須經(jīng)常檢查導(dǎo)線對地距離的情況，使其符合設(shè)計要求。在巡視線路時，需要以“眼力”來檢查所有導(dǎo)線對地距離，同時還需檢查可能使導(dǎo)線對地距離發(fā)生變更的原因。如果懷疑某些導(dǎo)線對地距離不合乎規(guī)定時，必須進行測量。對于耐張、轉(zhuǎn)角、換位等桿塔過引線方面的導(dǎo)線對地距離，一般均在停電的線路上直接登桿測量；對于大跨越、大弧垂或者導(dǎo)線交叉的地方，測量導(dǎo)線對各種建筑物之間的距離時，一般均不停電，而在距高壓線路的危險距離以外，采用經(jīng)緯儀來測量。傳統(tǒng)的監(jiān)測是以人工方式進行的，而通過人工方式檢查導(dǎo)線對地距離是否符合設(shè)計要求，存在巡檢周期長、不能實時在線檢查等問題。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于解決上述問題，提供了一種輸電線路導(dǎo)線對地距離監(jiān)測裝置，能實時監(jiān)測各種地形、地貌情況下的導(dǎo)線對地距離，并發(fā)出預(yù)警信號，以提高導(dǎo)線對地距離監(jiān)測的實時性和可靠性。本實用新型的技術(shù)方案為本實用新型揭示了一種輸電線路導(dǎo)線對地距離監(jiān)測裝置，該裝置包括天線、環(huán)流器、混頻器、定向耦合器、壓控振蕩器(Voltage-controlled oscillator，簡稱為VC0)控制單元、調(diào)制器、取樣控制電路、前置中頻放大器、主中頻放大器、取樣電路以及測距系統(tǒng)，該環(huán)流器連接該天線，該定向耦合器的輸出端分別連接該環(huán)流器和該混頻器，該環(huán)流器的輸出連接該混頻器，該VCO控制單元的輸出連接該定向耦合器， 該調(diào)制器的輸出端分別連接該VCO控制單元和該取樣控制電路，該取樣控制電路的輸出連接該取樣電路，該混頻器的輸出連接該前置中頻放大器，該前置中頻放大器的輸出連接該主中頻放大器，該主中頻放大器的輸出連接取樣電路，該取樣電路的輸出連接該測距系統(tǒng)， 其中該天線發(fā)射或接收雷達電磁波，該環(huán)流器增益待傳輸或者接收電磁波，該混頻器取兩
3輸入信號頻率之差，該定向耦合器合成微博信號功率并具有定向耦合特性，該壓控振蕩器控制單元控制壓控振蕩器的頻率變化，該調(diào)制器產(chǎn)生兩路信號，一路控制該壓控振蕩器控制單元，一路給該取樣電路提供同步信號，該取樣控制電路將該調(diào)制器輸出的信號轉(zhuǎn)換成取樣同步電路的輸入信號，該前置中頻放大器將混頻器輸出的中頻信號進行增益，該主中頻放大器將不是本信號范圍的中頻信號進行提取同時進行放大，該取樣電路將主中頻放大器輸出的信號進行數(shù)字周波取值，該測距系統(tǒng)將該取樣電路輸入的數(shù)據(jù)離散信號進行傅里葉變換后得出距離值，同時輸出給用戶系統(tǒng)電路。根據(jù)本實用新型的輸電線路導(dǎo)線對地距離監(jiān)測裝置的一實施例，該天線發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波。根據(jù)本實用新型的輸電線路導(dǎo)線對地距離監(jiān)測裝置的一實施例，該天線是喇叭狀天線或透鏡天線。根據(jù)本實用新型的輸電線路導(dǎo)線對地距離監(jiān)測裝置的一實施例，該測距系統(tǒng)選用現(xiàn)場可編程門陣列器件處理器或DSP數(shù)字處理器處理雷達信號。根據(jù)本實用新型的輸電線路導(dǎo)線對地距離監(jiān)測裝置的一實施例，該測距系統(tǒng)通過 AD轉(zhuǎn)換將差拍的中頻信號進行量化，對量化后的數(shù)據(jù)進行加窗處理，對加窗處理后的數(shù)據(jù)進行緩存后送入FFT處理器，將處理后的輸出幅度和設(shè)定的門限值進行比較，當(dāng)超過門限值時輸出相應(yīng)譜線位置，再根據(jù)查表法得到距離信息，從而實現(xiàn)雷達測距。根據(jù)本實用新型的輸電線路導(dǎo)線對地距離監(jiān)測裝置的一實施例，該裝置還包括通訊模塊。根據(jù)本實用新型的輸電線路導(dǎo)線對地距離監(jiān)測裝置的一實施例，該裝置還包括電源模塊。根據(jù)本實用新型的輸電線路導(dǎo)線對地距離監(jiān)測裝置的一實施例，該電源模塊是導(dǎo)線感應(yīng)取電模塊。本實用新型對比現(xiàn)有技術(shù)有如下的有益效果本實用新型的監(jiān)測裝置是以厘米波近程雷達為基礎(chǔ)，采用模塊化的設(shè)計來靈活配置各項監(jiān)測功能。厘米波近程雷達使得裝置具有直接監(jiān)測導(dǎo)線對地距離的能力，而模塊化的設(shè)計可大大減少了裝置的硬件成本和生產(chǎn)成本，可簡化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，增強裝置可靠性。并可根據(jù)用戶需要靈活配置、擴展各項監(jiān)測功能， 方便用戶的使用。

圖1示例性的示出了本實用新型的輸電線路導(dǎo)線對地距離監(jiān)測裝置的實施例的原理圖。圖2示例性的示出了本實用新型裝置進行雷達測距的流程圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步的描述。圖1示出了本實用新型的輸電線路導(dǎo)線對地距離監(jiān)測裝置的實施例的原理。請參見圖1，本實施例的裝置包括如下的模塊天線100、環(huán)流器101、定向耦合器102、VCO控制單元103、調(diào)制器104、取樣控制電路105、取樣電路106、混頻器107、前置中頻放大器108、主中頻放大器109以及測距系統(tǒng)110。其中環(huán)流器101、混頻器107和定向耦合器102共同構(gòu)成厘米波發(fā)射/接收(Tx/Rx)單元。這些模塊之間的連接關(guān)系是環(huán)流器101連接天線100，定向耦合器102的輸出端分別連接環(huán)流器101和混頻器107，環(huán)流器101的輸出連接混頻器107，VCO控制單元103的輸出連接定向耦合器102，調(diào)制器104的輸出端分別連接VCO控制單元103和取樣控制電路105，取樣控制電路105的輸出連接取樣電路106，混頻器107的輸出連接前置中頻放大器108，前置中頻放大器108的輸出連接主中頻放大器109，主中頻放大器109的輸出連接取樣電路106，取樣電路106的輸出連接測距系統(tǒng)110。天線100是一種變換器，它把傳輸線上傳播的雷達電磁波，變換成在無界媒介(通常是自由空間)中傳播的電磁波，或者進行相反的變換。在本設(shè)備中用來發(fā)射或接收雷達電磁波的部件。本裝置采樣開口喇叭天線，發(fā)送出的電磁波的有效功率回波成花瓣型椎體。環(huán)流器101增益待傳輸或著接受電磁波的電路，裝置內(nèi)發(fā)送和接受的雷達厘米波發(fā)送和接受單元是獨立產(chǎn)生的，通過環(huán)流器可以更好環(huán)形疊加，以便混頻器得到更好的信號。混頻器107是取兩輸入信號頻率之差的電路，通過本單元將發(fā)生和接受的雷達厘米波差頻處理得出距頻比。定向耦合器102是用來合成微波信號功率并具有定向耦合特性的微波元件，通用的厘米波部件用于信號的隔離、分離和混合。VCO控制單元103是控制壓控振蕩器的頻率變化的電路，電路采用高速AD輸出精確電源控制值。調(diào)制器104產(chǎn)生兩路信號，一路控制VCO單元103，一路給取樣電路106提供同步信號，信號同步機理便以測距系統(tǒng)采集。取樣控制電路105將調(diào)制器104輸出的信號轉(zhuǎn)換成取樣同步電路的輸入信號。前置中頻放大器108是將混頻器107輸出的中頻信號進行增益的電路，本次設(shè)計的信號放大倍數(shù)為100倍，同時濾除高次諧波信號，頻率控制在IOOKHz之下。主中頻放大器109將不是本信號范圍的中頻信號進行提取同時進行放大，得出 0 3V之間的弱信號值便以AD采用分析。取樣電路106是將主中頻放大器109輸出的信號進行數(shù)字周波取值，通過DSP進行變換分析。測距系統(tǒng)110將取樣電路106圖2示出了裝置進行導(dǎo)線對地距離測量的流程，如圖2所示，首先進行參數(shù)獲取和裝置初始化，然后裝置發(fā)送雷達波，再對接收到的回波信號進行處理，最后基于預(yù)先設(shè)定的模型進行計算，將計算結(jié)果作為導(dǎo)線對地距離輸出。本實施例的監(jiān)測裝置中所采用的雷達是厘米波近程雷達，這是一種作用距離從幾米到幾百米的小型雷達，這種雷達發(fā)射功率小，要求最小作用距離(即測距盲區(qū))近，因此選擇調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)體制較為合適。調(diào)頻連續(xù)波雷達是用輻射和接收電磁波并決定其探測目標的設(shè)備。雷達在在發(fā)射時須把能量集中輻射到需要照射的方向；而在接收時又盡可能只接收探測方向的回波，同時分辨出目標的距離。高精度測量弧垂最低點距地面高度， 就是采用基于FMCW雷達體制的厘米波測量系統(tǒng)。
5[0036] 厘米波調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達的測距精度主要影響因素有根據(jù)差頻信號的分析可知，調(diào)頻雷達的差頻信號頻譜是離散的，數(shù)值是調(diào)制頻率FM的整數(shù)倍，它隨目標距離的變化而階躍變化。從而產(chǎn)生階躍測量誤差，常稱為固定誤差。如采用三角波調(diào)制，距離與調(diào)制頻偏的關(guān)系為式中MT調(diào)制周期；if為差頻；mAF 為頻偏；C為光速(電磁波大氣傳播速度)。固定誤差大于等于差頻頻率為MnF和(l)Mn+F時所對應(yīng)的距離差，將上述差頻代
入式中，并將距離相減即可得到固定誤差為
ζ-ΔΛ'= “
碰職當(dāng) Δ Fm = 300MHz 時，AR = O. 25m。測量與天線100的性能直接相關(guān)。因此，天線性能對于雷達設(shè)備比對于其他電子設(shè)備更為重要。雷達天線具有一定形狀的波束。由于波束是立體的，常用水平截面的波束形狀 (即水平方向圖)和垂直截面的波束形狀(即垂直方向圖)描述。方向圖呈花瓣狀，故又稱波瓣圖。常規(guī)方向圖只有一個主瓣和多個副瓣。副瓣電平通常低于主瓣20分貝以上，這樣才可能用主瓣來分辨目標的距離。主瓣半功率點(0.707場強點)間的寬度稱為波束寬度。雷達天線設(shè)計的主要問題是①提高天線增益和有效面積，以加大雷達探測距離；②壓低天線副瓣電平，以減小測向模糊和提高抗干擾能力。根據(jù)實際結(jié)構(gòu)和體積尺寸，天線口徑和長度按照使用要求和結(jié)構(gòu)來定。可采用喇叭天線或透鏡天線。必要時采用卡賽格倫天線。 天線增益6>= ^dB。首選喇叭天線，其結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、性能可靠，可以滿足該設(shè)備的測量要求。厘米波發(fā)射/接收單元產(chǎn)生線性調(diào)頻連續(xù)波信號向外輻射。本系統(tǒng)利用雷達回波信號的頻譜信息測量目標距離，對發(fā)射信號的頻率穩(wěn)定度和線性度要求很高。可采用低功耗的砷化鎵場效應(yīng)管作振蕩器，以達到降低功耗的目的，集成微波組件作為發(fā)/收單元的工作頻率10. 525GHz，調(diào)頻帶寬300MHz。外部要提供電源，電壓12V，電流200mA，功率 2. 5W，調(diào)頻電壓0-12V，控制VC0，便可產(chǎn)生調(diào)頻信號，VCO的輸出功率在20毫瓦以上，直接經(jīng)喇叭天線向外輻射?；夭ㄐ盘柦?jīng)混頻后直接產(chǎn)生零中頻差拍信號輸出?？紤]到VCO的 ν-f特性曲線在不同的溫度下有所不同，且工作環(huán)境溫度變化范圍很大，因此系統(tǒng)中要采取 VCO溫度補償措施。波長為10 1毫米(頻率為30 300吉赫)的電磁波稱毫米波；波長為10 1 厘米(頻率為3 30吉赫)的電磁波稱為厘米波。毫米波的特點是①可利用的頻譜范圍寬，信息容量大；②易實現(xiàn)窄波束和高增益的天線，因而分辨率高，抗干擾性好。缺點是① 大氣中傳播衰減嚴重；②器件加工精度要求高；③國產(chǎn)器件價格高、功耗大。而厘米波卻沒有以上缺點大氣中傳播衰減很??；技術(shù)成熟，國產(chǎn)器件過關(guān)，成本低、功耗小。為此，它們在通信、雷達、制導(dǎo)、遙感技術(shù)、都有重大的應(yīng)用。而本系統(tǒng)集成微波組件作為發(fā)/收單元的工作波長為3厘米(頻率為10. 525GHz)。在回波信號處理中，由于Tx/Rx單元的發(fā)射功率較小(主要受體積大小的限制)， 加之被測物的反射能力較差(如樹冠、斜坡等)，雷達回波信號的功率很小，因此需要進行足夠的放大才能進行后續(xù)處理。根據(jù)系統(tǒng)要求測量距離為5m-30m范圍，因此雷達回波信號的動態(tài)范圍較大。可考慮回波信號先經(jīng)過高增益對數(shù)放大器進行放大，再經(jīng)低通濾波和隔離單元，信號處理單元提取雷達回波頻譜信息。在測距系統(tǒng)110的模型計算中，采用FFT分析等頻譜分析方法.信號處理計算涉及大量的乘法運算和加法運算，從提高運算速度，減少運算時間的角度出發(fā)，選用現(xiàn)場可編程門陣列器件FPGA處理器或DSP數(shù)字處理系統(tǒng)，可以減少運算時間，提高響應(yīng)速度，能實現(xiàn)完整的雷達信號處理。差拍的中頻信號首先通過AD變換將其量化，為提高FFT的濾波性能， 需對量化數(shù)據(jù)進行加窗處理，再經(jīng)RAM對數(shù)據(jù)進行緩存后送入FFT處理器，處理后的輸出幅度和設(shè)定的門限值進行比較，當(dāng)超過門限時，輸出相應(yīng)譜線位置，再根據(jù)查表法得到距離信息，從而實現(xiàn)了 FMCW雷達測距。在作用距離估算中，根據(jù)雷達距離方程可得接收機信噪比S/N與作用距離的關(guān)系為
Bfi:A2aTxi(rc-R5', Λ'=———^-Γ
(A-YR4KZ1E1I,式中PQ為雷達發(fā)射機平均功率(W) ；G為雷達天線增益(dB) ； λ為工作波長 (mm) ； οτ為目標雷達截面積；α為大氣衰減系數(shù)(dB/km) ；R為雷達作用距離(m) ；K為波耳茲曼常數(shù)(J/K) ；Ttl為環(huán)境絕對溫度(K) ；Fm為接收機噪聲系數(shù)(dB) ；Ls為接收機系統(tǒng)損耗(dB) ； τ為接收機積分時間(S)。設(shè)雷達工作波長λ = 30mm ；雷達發(fā)射機平均功率Ptl = 20mff ；天線增益G = 28Db, 即可以估算雷達最大作用距離，當(dāng)終端信噪比大于12dB時，可得雷達最大作用距離Rmax = 120m。在測距精度分析中，厘米波調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達的測距精度主要影響因素有 根據(jù)差頻信號的分析可知，調(diào)頻雷達的差頻信號頻譜是離散的，數(shù)值是調(diào)制頻率FM的整數(shù)倍，它隨目標距離的變化而階躍變化。從而產(chǎn)生階躍測量誤差，常稱為固定誤差。如采用三角波調(diào)制，距離與調(diào)制頻偏的關(guān)系為
·Ζ~: ‘ ιR=-^h
4丄、,式中ΤΜ調(diào)制周期A為差頻；Δ Fm為頻偏；C為光速(電磁波大氣傳播速度)。固定誤差大于等于差頻頻率為nF和(n+l)FM時所對應(yīng)的距離差，將上述差頻代入式中，并將距離相減即可得到固定誤差為
C=-
4 ΔαΓ,
Κ' 當(dāng) Δ Fm = 300MHz 時，AR = O. 25m。較佳的，本實施例的裝置還可安裝通訊模塊。例如裝置自身集成了 GSM模塊與無線射頻通訊模塊，能使用GPRS、CDMA或者無線RF方式通訊，可以很方便的安裝在移動或聯(lián)通信號覆蓋的地區(qū)，在無此兩種信號的地方，也可使用RF通訊方式，就近送往用戶部署在附近的子站，通訊上的方便性給裝置的大規(guī)模應(yīng)用帶來了便利。本實施例的裝置還包括電源模塊。在本實施例中是導(dǎo)線感應(yīng)取電模塊，無須額外的電池供電。上述實施例是提供給本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來實現(xiàn)和使用本實用新型的，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可在不脫離本實用新型的發(fā)明思想的情況下，對上述實施例做出種種修改或變化，因而本實用新型的發(fā)明范圍并不被上述實施例所限，而應(yīng)該是符合權(quán)利要求書所提到的創(chuàng)新性特征的最大范圍。
權(quán)利要求1.一種輸電線路導(dǎo)線對地距離監(jiān)測裝置，其特征在于，該裝置包括天線、環(huán)流器、混頻器、定向耦合器、壓控振蕩器控制單元、調(diào)制器、取樣控制電路、前置中頻放大器、主中頻放大器、取樣電路以及測距系統(tǒng)，該環(huán)流器連接該天線，該定向耦合器的輸出端分別連接該環(huán)流器和該混頻器，該環(huán)流器的輸出連接該混頻器，該壓控振蕩器控制單元的輸出連接該定向耦合器，該調(diào)制器的輸出端分別連接該壓控振蕩器控制單元和該取樣控制電路，該取樣控制電路的輸出連接該取樣電路，該混頻器的輸出連接該前置中頻放大器，該前置中頻放大器的輸出連接該主中頻放大器，該主中頻放大器的輸出連接取樣電路，該取樣電路的輸出連接該測距系統(tǒng)，其中該天線發(fā)射或接收雷達電磁波，該環(huán)流器增益待傳輸或者接收電磁波，該混頻器取兩輸入信號頻率之差，該定向耦合器合成微博信號功率并具有定向耦合特性，該壓控振蕩器控制單元控制壓控振蕩器的頻率變化，該調(diào)制器產(chǎn)生兩路信號，一路控制該壓控振蕩器控制單元，一路給該取樣電路提供同步信號，該取樣控制電路將該調(diào)制器輸出的信號轉(zhuǎn)換成取樣同步電路的輸入信號，該前置中頻放大器將混頻器輸出的中頻信號進行增益，該主中頻放大器將不是本信號范圍的中頻信號進行提取同時進行放大，該取樣電路將主中頻放大器輸出的信號進行數(shù)字周波取值，該測距系統(tǒng)將該取樣電路輸入的數(shù)據(jù)離散信號進行傅里葉變換后得出距離值，同時輸出給用戶系統(tǒng)電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸電線路導(dǎo)線對地距離監(jiān)測裝置，其特征在于，該天線發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的輸電線路導(dǎo)線對地距離監(jiān)測裝置，其特征在于，該天線是喇叭狀天線或透鏡天線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸電線路導(dǎo)線對地距離監(jiān)測裝置，其特征在于，該測距系統(tǒng)選用現(xiàn)場可編程門陣列器件處理器或DSP數(shù)字處理器處理雷達信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的輸電線路導(dǎo)線對地距離監(jiān)測裝置，其特征在于，該測距系統(tǒng)通過AD轉(zhuǎn)換將差拍的中頻信號進行量化，對量化后的數(shù)據(jù)進行加窗處理，對加窗處理后的數(shù)據(jù)進行緩存后送入FFT處理器，將處理后的輸出幅度和設(shè)定的門限值進行比較，當(dāng)超過門限值時輸出相應(yīng)譜線位置，再根據(jù)查表法得到距離信息，從而實現(xiàn)雷達測距。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸電線路導(dǎo)線對地距離監(jiān)測裝置，其特征在于，該裝置還包括通訊模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸電線路導(dǎo)線對地距離監(jiān)測裝置，其特征在于，該裝置還包括電源模塊。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的輸電線路導(dǎo)線對地距離監(jiān)測裝置，其特征在于，該電源模塊是導(dǎo)線感應(yīng)取電模塊。
專利摘要本實用新型公開了一種輸電線路導(dǎo)線對地距離監(jiān)測裝置，實時監(jiān)測導(dǎo)線對地距離。其技術(shù)方案為裝置包括天線、環(huán)流器、混頻器、定向耦合器、壓控振蕩器控制單元、調(diào)制器、取樣控制電路、前置中頻放大器、主中頻放大器、取樣電路以及測距系統(tǒng)，環(huán)流器連接天線，定向耦合器的輸出端分別連接環(huán)流器和混頻器，環(huán)流器的輸出連接混頻器，VCO控制單元的輸出連接定向耦合器，調(diào)制器的輸出端分別連接VCO控制單元和取樣控制電路，取樣控制電路的輸出連接取樣電路，混頻器的輸出連接前置中頻放大器，前置中頻放大器的輸出連接主中頻放大器，主中頻放大器的輸出連接取樣電路，取樣電路的輸出連接測距系統(tǒng)。
文檔編號G01S13/08GK202018509SQ201120073568
公開日2011年10月26日 申請日期2011年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月18日
發(fā)明者劉旭, 吳國瑾, 鞏瑞鵬, 林正華, 真珍 申請人:上海涌能能源科技發(fā)展有限公司