CN101621190A - 输电线路覆冰及融冰过程在线监测系统 - Google Patents

Abstract

输电线路覆冰及融冰过程在线监测系统，包括多个无线温度传感器节点、多个线路分机、GSM通信模块和监控中心，无线温度传感器节点采集和发送输电线路监测点的温度信息；线路分机监测输电线路及周围环境参数的变化，接收无线温度传感器节点传输的信息，将两路信息进行初步处理和储存，将处理后的信息传送至GSM通信模块；GSM通信模块用于将接收到的信息传送至监控中心，并将接收到的指令传输至线路分机；监控中心用于发出将指令，将接收到的信息进行分析、处理和储存，对监测分机进行远程管理和远程设置，并提供融冰参数信息、历史数据查询和报警记录查询。本发明监测系统能对输电线路的覆冰状况和覆冰的消融过程进行实时在线监测。

Description

输电线路覆冰及融冰过程在线监测系统

技术领域

本发明属于输变电设备状态的监测设备技术领域，涉及一种输电线路的在线监测系统，具体涉及一种输电线路覆冰及融冰过程在线监测系统。

背景技术

我国受大气候和微地形、微气象条件的影响，冰灾事故频繁发生，严重影响电网的安全运行。大范围输电线路覆冰能对电网造成严重的破坏，致使电网瘫痪。为了保证电网的安全运行，需对输电线路的覆冰情况进行监测，并根据监测到的覆冰信息采取相应的融冰措施，提高覆冰区输电线路运行的可靠性。目前，输电线路覆冰及融冰的监测大多是对覆冰理论、冰闪机理和杆塔强度设计方面的理论研究。

近年来，随着传感器技术和通讯技术的快速发展，开发出了针对输电线路覆冰的在线监测系统，该监测系统根据输电线路导线覆冰后的重量变化以及绝缘子的倾斜/风偏角进行覆冰载荷(覆冰厚度、杆塔受力、导线应力等)的计算，然后，将计算结果直接与输电线路设计的参数进行比较，给出报警信息，或者是采用现场图像对输电线路覆冰进行定性观测和分析。由于输电线路覆冰受输电线路所处环境的微气候、地形、地貌以及很多随机因素的影响，数学模型很难确定，导致现有覆冰监测系统存在监测不准确的问题，并且该监测系统只能给出覆冰预警信息，不能对融冰措施启动后，输电线路覆冰的融冰过程进行实时监测。

发明内容

本发明的目的是提供一种输电线路覆冰及融冰过程在线监测系统，不仅能对输电线路覆冰的消融过程进行实时监测，而且还能对输电线路的覆冰状况进行准确地监测。

本发明所采用的技术方案是，输电线路覆冰及融冰过程在线监测系统，该监测系统包括多个无线温度传感器节点、多个线路分机、GSM通信模块和监控中心，其中，

无线温度传感器节点，用于采集融冰过程中输电线路监测点的温度信息，并将采集的信息通过无线传送至相应的线路分机；

线路分机，用于实时监测输电线路导线重量、绝缘子串倾斜角度和风偏角度的变化以及输电线路周围环境参数的变化，用于接收相应的若干无线温度传感器节点传输的信息，用于将自身采集的信息和接收到的无线温度传感器节点发送的信息进行初步处理和储存，并将处理后的信息传送至GSM通信模块；

GSM通信模块，用于接收线路分机传输的信息，并将接收到的信息传送至监控中心，用于接收监测中心发出的指令，并将接收到的指令传输至线路分机；

监控中心，用于发出指令，并将该指令发送至GSM通信模块，用于接收GSM通信模块传输的信息，并将接收到的信息进行分析、处理和储存，用于对监测分机进行远程管理和远程设置，并提供融冰参数信息、历史数据查询和报警记录查询。

本发明监测系统具有如下优点：

1.采用独立的线路分机和监控中心主机，两者通过移动或联通的GSM网络进行数据通信，线路分机可独立定时或实时采集导线覆冰后重量变化、导线温度等信息，监控中心主机可远程对线路分机的采样时间间隔、力传感器基准等运行参数进行设置。

2.不仅能监测输电线路的融冰过程，而且能监测输电线路覆冰后的重量变化、绝缘子串的倾斜角度、风偏角度、环境温湿度、风速以及风向等信息。并可根据建立的导线覆冰分析模型、线路融冰分析模型、覆冰导线舞动仿真模型、覆冰生长机理初步分析模型，结合各线路分机监测采集的信息计算分析输电导线覆冰厚度、导线舞动、覆冰增长预测以及线路融冰效率、优化的融冰参数等，及时给出冰害的预报警信息以及融冰的过程信息。

3.同时对硬件和软件采取抗干扰措施，保证了系统在高压环境下测得信号的准确性，系统不仅在硬件设计上，实现整机高屏蔽、高密封设计，具有良好的耐高温和耐腐蚀性能，并采用看门狗电路和等电位接地等方法，增强其抗干扰性能，并有效防止了系统的死机；软件采取了陷阱技术、冗余设计、滤波技术和故障自动恢复技术等措施，保证了系统在高压、恶劣环境下稳定地工作。

4.在现有导线覆冰在线监测技术的基础上，提出了一种新的杆塔受力计算模型以及覆冰厚度计算模型。

5.结合现有可行的输电线路融冰技术，实现了对覆冰线路的融冰过程和融冰效率的实时监测。

附图说明

图1是本发明监测系统一种实施例的结构示意图；

图2是本发明监测系统中无线温度传感器节点的结构示意图；

图3是本发明监测系统中线路分机的结构示意图；

图4是本发明监测系统中采用的专家软件功能模块架构图；

图5是本发明监测系统建立的覆冰厚度计算模型中主杆塔等效档距示意图；

图6是本发明监测系统建立的杆塔受力计算模型。

图中，1.无线温度传感器节点，2.线路分机，3.GSM通信模块，4.监控中心，5.输电导线，6.温度传感器A，7.温度传感器B，8.无线模块，9.信号采集单元，10.信号调理单元，11.微处理器单元，12.大容量快闪存储器，13.ZigBee模块。

其中，8-1.无线单片机，8-2.微波传输线，8-3.外部天线，9-1.温湿度传感器，9-2.风向传感器，9-3.气压传感器，9-4.风速传感器，9-5.雨量传感器，9-6.日照强度传感器，9-7.角度传感器，9-8.压力传感器，10-1.滤波电路A，10-2.滤波电路B，10-3.放大电路，10-4滤波电路C，11-1.普通输入/输出接口，11-2.计时器，11-3.处理模块，11-4.模拟/数字转换器，11-5.串行通讯接口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明监测系统一种实施例的结构，如图1所示，包括多个无线温度传感器节点1、多个线路分机2、GSM通信模块3和监控中心4。

无线温度传感器节点1，用于采集融冰过程中输电线路监测点的温度信息，并将采集的信息传送至相应的线路分机2；

线路分机2，用于实时监测输电线路导线重量、绝缘子串倾斜角度和风偏角度的变化以及输电线路周围环境参数的变化，用于接收相应的若干无线温度传感器节点1传输的信息，用于将自身采集的信息和接收到的无线温度传感器节点1发送的信息进行初步处理和储存，并将处理后的信息传送至GSM通信模块3；

GSM通信模块3，用于接收线路分机2传输的信息，并将该信息传送至监控中心4，用于接收监测中心4发出的指令，并将该指令传输至线路分机2；

监控中心4，用于发出指令，并将该指令发送至GSM通信模块3，用于接收GSM通信模块3传输的信息，并将接收到的信息进行分析、处理和储存，得到输电线路的覆冰和融冰状况，并对监测分机2进行远程管理和远程设置，提供融冰参数信息、历史数据查询和报警记录查询。

本发明监测系统中无线温度传感器节点1的结构，如图2所示，包括并排设置的温度传感器A6和温度传感器B7以及分别与该两个传感器相连接的无线模块8。无线模块8包括无线单片机8-1，无线单片机8-1的引脚8与温度传感器A6的信号引脚2相连接，温度传感器A6的信号引脚2还与电阻R2串联，电阻R2接地；无线单片机8-1的引脚8与温度传感器B7的信号引脚2相连接，温度传感器B7的信号引脚2还与电阻R1串联，电阻R1接地；无线单片机8-1的引脚44与电容C1串联，电容C1接地；无线单片机8-1的引脚43与电容C2串联，电容C2接地；无线单片机8-1的引脚43和引脚44之间并联有晶振1；无线单片机8-1的引脚18与电容C4串联，电容C4接地；无线单片机8-1的引脚19与电容C5串联，电容C5接地；无线单片机8-1的引脚32分别与微波传输线8-2的一端和电感L2的一端相连接，微波传输线8-2的另一端分别与电感L3的一端、电感L2的另一端和无线单片机8-1的引脚34相连接，电感L3的另一端依次串联有电容C3和外部天线8-3；无线单片机8-1的引脚33与电感L1的一端相连接，电感L1的另一端与微波传输线8-2的中部相连接。无线单片机8-1采用CC2430。温度传感器A6和温度传感器B7采用DS18B20。

电阻R1(4.7KΩ)和电阻R2(4.7KΩ)为上拉电阻，温度传感器A6和温度传感器B7的信号引脚2分别通过引脚与无线单片机8-1相连接，实现了无线单片机8-1对两路温度值的监测；晶振1、电容C1和电容C2为无线单片机8-1提供低频时钟源；晶振2、电容C4和电容C5为单片机提供高频时钟源；电感L1、电感L2、电感L3、微波传输线8-2、电容C3以及外部天线8-3为无线单片机8-1提供一个良好的板上天线和一个收发天线。温度传感器节点1采用串联的两个1.5伏电池作为电源，该电源为无线温度传感器节点1提供稳定的3伏电源。

本发明监测系统中线路分机2的结构，如图3所示，包括依次相连接的信号采集单元9、信号调理单元10、微处理器单元11和ZigBee模块13，微处理器单元11还与大容量快闪存储器12相连接。信号采集单元9包括并排设置的温湿度传感器9-1、风向传感器9-2、气压传感器9-3、风速传感器9-4、雨量传感器9-5、日照强度传感器9-6、角度传感器9-7和压力传感器9-8；信号调理单元10包括并排设置的滤波电路A10-1、滤波电路B10-2和放大电路10-3，放大电路10-3与滤波电路C10-4相连接；滤波电路A10-1分别与温湿度传感器9-1、风向传感器9-2和气压传感器9-3相连接，滤波电路B10-2分别与风速传感器9-4和雨量传感器9-5相连接，放大电路10-3分别与日照强度传感器9-6、角度传感器9-7和压力传感器9-8相连接；微处理器单元11包括处理模块11-3，处理模块11-3分别与普通输入/输出接口11-1、计时器11-2、模拟数字转换器11-4和串行通讯接口11-5相连接，串行通讯接口11-5与ZigBee模块13相连接，普通输入/输出接口11-1与滤波电路A10-1相接，计时器11-2与滤波电路B10-2相连接，模拟数字转换器11-4与滤波电路C10-4相连接。

线路分机2通过ZigBee模块13与无线温度传感器节点1进行无线通讯。

微处理器单元11采用MSP430F149单片机。该单片机内部集成了多路模拟/数字转换器以及数字/模拟转换器，具有丰富的外部设备资源，且功耗很低。

线路分机2为独立监测单元，通过GSM网络实现与监控中心4的数据通信。输电线路导线覆冰后的重力变化、绝缘子串倾斜角、绝缘子风偏角、环境温湿度、风速、风向、雨量和日照强度等信号经相应的传感器采集后送入信号处理单元9，温湿度传感器9-1、风向传感器9-2和气压传感器9-3输出的数字信号经滤波电路A10-1滤波后直接进入微处理器单元11的普通输入/输出接口11-1。风速传感器9-4和雨量传感器9-5输出的脉冲信号经过滤波电路B10-2滤波后直接接入计数器11-2。日照强度传感器9-6、角度传感器9-7和压力传感器9-8输出的模拟信号经过放大电路10-3放大后送入滤波电路C10-4，再经滤波电路C10-4滤波后直接接入模拟/数字转换器11-4，从而实现了微控制器单元11对输入信号的定时采样(时间可远程修改)。同时线路分机2的ZigBee模块13实时接收安装于输电线路上无线温度传感器节点1发送的输电线路导线的温度值，ZigBee模块13将接收到的温度值通过串行通讯接口11-5送入处理模块11-3，处理模块11-3将接收到的所有数据经过初步处理后，一方面及时将初步处理的数据打包输送至GSM通信模块3，GSM通信模块3将接收到的数据通过GSM SMS网络传输给监控中心4，监控中心4对收到的数据进行进一步处理；另一方面处理模块11-3将有效数值存入不易丢失的大容量快闪存储器12。

监控中心4由工业控制计算机、GSM通信基站以及专家软件等组成。工业控制计算机和GSM通信基站通过RS232串口连接，并通过AT指令进行数据通信。专家软件对各种数据进行分析处理，并提出优化的融冰方案，其功能架构图，如图4所示，该专家软件根据各线路分机发送的数据，结合建立的导线覆冰厚度与杆塔倾斜角、绝缘子风偏角、导线张力、导线弧长、环境温度、湿度、雨量、风速、风向等环境信息之间的关系方程，分析判断当前线路的覆冰状况，在覆冰厚度接近当前杆塔的设计冰厚时及时给出预报警，并把报警信息以短消息模式发给当前管理员。另一方面，专家软件可以在融冰系统启动后，通过线路分机2发送的输电导线的温度、覆冰导线厚度等信息，实现对融冰过程和融冰效果的实时监测，并且可以结合输电线路的信息给出优化的融冰技术控制参数，实现融冰技术的高效率。此外专家软件还可以根据存储的信息建立该线路的覆冰信息数据库、融冰特性信息数据库。

本发明监测系统建立的覆冰厚度计算理论模型中主杆塔等效档距示意图，如图5所示，定义主杆塔绝缘子串竖直方向的张力值T_V与该绝缘子串两侧输电导线某点到主杆塔A点间导线上的竖向载荷相互平衡的点称为“平衡点”。根据下式计算得到导线的综合载荷q：

$q=\frac{2\mathrm{\Δ}{T}_V}{S_{D1}^{\mathrm{AB}}+S_{D1}^{\mathrm{AC}}}$

$=\frac{2\mathrm{\Δ}{T}_V}{\frac{2T_H^{\mathrm{AC}}}{q_0}\mathrm{sh}\frac{l_{D1}^{\mathrm{AC}}{q}_0}{2T_H^{\mathrm{AC}}}+\frac{2(T_H^{\mathrm{AC}}+T_V\mathrm{tg\θ})}{q_0}\mathrm{sh}\frac{l_{D1}^{\mathrm{AB}}{q}_0}{2(T_H^{\mathrm{AC}}+T_V\mathrm{tg\θ})}}$

式中，q为导线的综合载荷；ΔT_V表示在冰、风载荷作用下与只有自重载荷作用时主杆塔上竖向载荷的差值；θ为主杆塔上绝缘子串的倾斜角；T_H为导线上水平方向拉力；l_D1为主杆塔对应的等效档距；q₀为导线自重载荷。

q＝q₀+q_wind+q_ice

式中，q_ice为覆冰载荷，q₀为导线自重载荷，q_wind为风载荷，其中

q_wind＝0.735a(d+2b)v²

其中，a是风速的不均匀系数，v是设计风速(m/s)，d是导线的计算直径，b是覆冰厚度。

根据求得的覆冰载荷q_ice，并结合覆冰的密度(0.9g/cm³)和导线直径来求解覆冰厚度：

$b=(\sqrt{\frac{4q_{\mathrm{ice}}}{9.8\mathrm{\π}{\mathrm{\γ}}_0}+d^2}-d)/2$

其中，γ₀为冰的密度(雨淞)；d为导线的计算等效直径；b为覆冰厚度。

考虑到实际杆塔的水平载荷设计强度较低，使得许多地区遭受覆冰破坏的杆塔，主要是杆塔承受的水平载荷超过了杆塔水平载荷的设计强度而造成，本监测系统系统建立了如图6所示的杆塔受力计算模型，根据该模型给出杆塔的水平力：

由于不均匀覆冰引起的杆塔水平力：F_Hq＝F_V·tgθ_倾斜

由于大风引起的杆塔水平力：F_Hf＝F_V·tgθ_风偏

本发明监测系统的工作过程：

将无线温度传感器节点1布置在输电导线上，对输电导线的表面温度进行监测，并将采集的信息传输至相应的线路分机2。将各线路分机2独立安装在不同覆冰区的杆塔上，增加线路分机2以及无线温度传感器节点1的数量，即可对更大面积覆冰区的输电线路进行在线监测。线路分机2定时/实时完成对相应杆塔的绝缘子串倾斜角、风偏角、导线覆冰后的重力变化、导线舞动频率以及环境温度、湿度、风速、风向等信息的采集，并将采集的信息与接收到的无线温度传感器节点1发送的监测点处的温度值进行初步处理和储存，然后，打包为GSM SMS，通过GSM通信模块3发送至监测中心4，由监测中心4软件对接收到的数据进行分析、整理，判断该输电线路导线的覆冰情况以及启动融冰后的融冰情况，对线路的融冰过程、融冰效率进行实时监测，并且结合线路的融冰信息数据库，给出优化的融冰技术控制参数。如果有预警信息或者重要融冰信息，可以通过GSM模块将信息发送给相关的管理人员。

本监测系统能完全取代已建立的造价高昂的观冰站，对现有的覆冰在线监测技术实现技术升级，加强了对输电线路覆冰的监测，将覆冰事故消除在萌芽状态，并且与现有融冰技术相配合，实现了对覆冰线路融冰过程的自动监控，结合现场监测覆冰厚度变化和微气象条件等数据，可制定最优的融冰参数，有效地保证了融冰效果。

Claims (6)

1.输电线路覆冰及融冰过程在线监测系统，其特征在于，该监测系统包括多个无线温度传感器节点(1)、多个线路分机(2)、GSM通信模块(3)和监控中心(4)，其中，

无线温度传感器节点(1)，用于采集融冰过程中输电线路监测点的温度信息，并将采集的信息通过无线传送至相应的线路分机(2)；

线路分机(2)，用于实时监测输电线路导线重量、绝缘子串倾斜角度和风偏角度的变化以及输电线路周围环境参数的变化，用于接收相应的若干无线温度传感器节点(1)传输的信息，用于将自身采集的信息和接收到的无线温度传感器节点(1)发送的信息进行初步处理和储存，并将处理后的信息传送至GSM通信模块(3)；

GSM通信模块(3)，用于接收线路分机(2)传输的信息，并将接收到的信息传送至监控中心(4)，用于接收监测中心(4)发出的指令，并将接收到的指令传输至线路分机(2)；

监控中心(4)，用于发出指令，并将该指令发送至GSM通信模块(3)，用于接收GSM通信模块(3)传输的信息，并将接收到的信息进行分析、处理和储存，用于对监测分机(2)进行远程管理和远程设置，并提供融冰参数信息、历史数据查询和报警记录查询。

2.按照权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述的无线温度传感器节点(1)包括并排设置的温度传感器A(6)和温度传感器B(7)以及分别与温度传感器A(6)和温度传感器B(7)相连接的无线模块(8)，所述的无线模块(8)包括无线单片机(8-1)，无线单片机(8-1)的引脚8与温度传感器A(6)的信号引脚2相连接，温度传感器A(6)的信号引脚2还与电阻R2串联，电阻R2接地，无线单片机(8-1)的引脚8与温度传感器B(7)的信号引脚2相连接，温度传感器B(7)的信号引脚2还与电阻R1串联，电阻R1接地，无线单片机(8-1)的引脚44与电容C1串联，电容C1接地，无线单片机(8-1)的引脚43与电容C2串联，电容C2接地，无线单片机(8-1)的引脚43和引脚44之间并联有晶振1，无线单片机(8-1)的引脚18与电容C4串联，电容C4接地，无线单片机(8-1)的引脚19与电容C5串联，电容C5接地，无线单片机(8-1)的引脚32分别与微波传输线(8-2)的一端和电感L2的一端相连接，微波传输线(8-2)的另一端分别与电感L3的一端、电感L2的另一端和无线单片机(8-1)的引脚34相连接，电感L3的另一端依次串联有电容C3和外部天线(8-3)，无线单片机(8-1)的引脚33与电感L1的一端相连接，电感L1的另一端与微波传输线(8-2)的中部相连接，

3.按照权利要求2所述的监测系统，其特征在于，所述的无线单片机(8-1)采用CC2430。

4.按照权利要求2所述的监测系统，其特征在于，所述的温度传感器A(6)和温度传感器B(7)均采用DS18B20。

5.按照权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述线路分机(2)包括依次相连接的信号采集单元(9)、信号调理单元(10)、微处理器单元(11)和ZigBee模块(13)，微处理器单元(11)与大容量快闪存储器(12)相连接，所述的信号采集单元(9)包括并排设置的温湿度传感器(9-1)、风向传感器(9-2)、气压传感器(9-3)、风速传感器(9-4)、雨量传感器(9-5)、日照强度传感器(9-6)、角度传感器(9-7)和压力传感器(9-8)，所述的信号调理单元(10)包括并排设置的滤波电路A(10-1)、滤波电路B(10-2)和放大电路(10-3)，放大电路(10-3)与滤波电路C(10-4)相连接，所述的滤波电路A(10-1)分别与温湿度传感器(9-1)、风向传感器(9-2)和气压传感器(9-3)相连接，所述的滤波电路B(10-2)分别与风速传感器(9-4)和雨量传感器(9-5)相连接，所述的放大电路(10-3)分别与日照强度传感器(9-6)、角度传感器(9-7)和压力传感器(9-8)相连接，所述微处理器单元(11)的结构包括：处理模块(11-3)分别与普通输入/输出接口(11-1)、计时器(11-2)、模拟数字转换器(11-4)和串行通讯接口(11-5)相连接，所述的串行通讯接口(11-5)与ZigBee模块(13)相连接，普通输入/输出接口(11-1)与滤波电路A(10-1)相接，计时器(11-2)与滤波电路B(10-2)相连接，模拟数字转换器(11-4)与滤波电路C(10-4)相连接

6.按照权利要求5所述的监测系统，其特征在于，所述的微处理器单元(11)采用MSP430F149单片机。

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