CN102750799B - 一种基于空间离子电流密度的直流输电线路山火监测装置 - Google Patents
一种基于空间离子电流密度的直流输电线路山火监测装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于空间离子电流密度的直流输电线路山火监测装置，包括用于直流输电线路进行离子电流密度、风速风向、温度、湿度和大气压力测量的离子电流密度与环境参数监测模块，用于根据离子电流密度与环境参数进行判定是否有山火的判定山火并预警模块，用于传输预警信息和接受离子电流密度与环境参数监测模块状态指令的通讯模块，用于从通讯模块处接收预警信息、控制离子电流密度与环境参数监测模块各状态指令及声光报警指令的控制中心，用于根据控制中心接收的预警信息通知运行人员上报电力调度人员决定是否停用线路或派遣线路检修人员排除隐患的声光报警模块。使用和维护方便，能够稳定对高压运行中的直流输电线路测点周围进行风速、风向、温度、湿度及大气压力等基本环境参数的监测，利用风速和风向基本参数计算了测点附近的离子电流密度，根据离子电流密度进行输电线路附近山火的判定，通过无线通讯单元将报警信息传送到控制中心，经过配套控制主机的声光信息及时提示值班人员。
Description
一种基于空间离子电流密度的直流输电线路山火监测装置
技术领域
[0001] 本发明涉及输电线路技术领域，特别是一种基于空间离子电流密度的直流输电线路山火监测装置。
背景技术
[0002] 2005年至今，湖北省输变电工程公司维护的输电线路共计发生山火故障8次，山火导致线路跳闸给电网安全稳定运行带来了严重威胁。2010年第一季度南方电网220kV及以上电压等级线路发生故障跳闸262次，其中500kV线路跳闸113次，占43.13% ；220kV线路跳闸149次，占56.87%。因山火引发的线路跳闸128次，占线路总跳闸次数的4819%，尤其突出的是2010年2月28日贵州电网220kV及以上电压等级线路因山火引发的故障跳闸27次，占第一季度山火跳闸次数的21.09%。因此，开展的直流输电线路山火监测与预警技术的研究与实施，能够提高电力供给可靠率，同时减少国民经济和电网公司因电力事故引起的经济损失。
[0003]目前，针对直流输电线路山火监测的方法主要有视频监控、红外多光谱技术和激光雷达技术。然而视频监控技术进行山火多发地带的图像采集、分析和预警，但该技术存在的问题有摄像头本身功耗大、利用GPRS网络传输图像数据量多，摄像头采集数据受天气状况密切相关，在黑夜环境和大雾的气候条件下，摄像头判定山火的识别能力大幅度降低。红外多光谱技术目前存在的问题有:山火情况下的火焰向外发射红外光谱易受导线发热辐射的红外线和太阳辐射红外光谱干扰，同时不同材质的原材料进行燃烧所发射的红外光谱特性不同，输电线路又处在多可燃物不同比例混杂的环境，因此经过红外多光谱技术进行山火探测干扰因素多。激光雷达技术进行山火探测存在的问题有:激光雷达的造价高，直流输电线路的总跨越距离远，针对山火点进行该技术布点，造成整体成本高，同时激光雷达探测区域狭小，只能探测线路走廊下很小的区域，再次激光雷达容易受线路下方的树木和植被影响，造成探测精度下降。
[0004] 因此针对上诉目前技术的缺点，本发明是在国家863计划项目基金(2012AA050209)资助下，提出了一种基于空间离子电流密度的直流输电线路山火监测装置。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于利用监测直流输电线路的离子电流密度探测线路走廊山火，提高直流输电可靠率，运用于直流输电线路的山火探测与预警技术起着重要的作用，提供一种陈本低、数据传输量小、功耗低、可靠性高的一种基于空间离子电流密度的直流输电线路山火监测装置。
[0006] 为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案:一种基于空间离子电流密度的直流输电线路山火监测装置，包括用于直流输电线路进行离子电流密度、风速风向、温度、湿度和大气压力测量的离子电流密度与环境参数监测模块，用于根据离子电流密度与环境参数进行判定是否有山火的判定山火并预警模块，用于传输预警信息和接受离子电流密度与环境参数监测模块状态指令的通讯模块，用于从通讯模块处接收预警信息、控制离子电流密度与环境参数监测模块各状态指令及声光报警指令的控制中心，用于根据控制中心接收的预警信息通知运行人员上报电力调度人员决定是否停用线路或派遣线路检修人员排除隐患的声光报警模块。
[0007] 所述离子电流密度与环境参数监测模块包括蓄电池以及与其连接并联合给蓄电池充电的风能采集器和太阳能电池板；蓄电池分别连接到滤波、放大和采集单元和数据处理单元；滤波、放大和采集单元一端连接有风速风向传感器、温度和湿度传感器、大气压力传感器、离子电流密度传感器，另一端与数据处理单元连接；风能采集器、太阳能电池板、蓄电池、风速风向传感器、温度和湿度传感器、大气压力传感器、离子电流密度传感器安装于线路杆塔上。风速风向的传感器用于测量输电线路周围的风速和风向，温度和湿度传感器用于测量输电线路周围的温度和湿度，大气压力传感器用于测量输电线路周围的大气压力。
[0008] 所述判定山火并预警模块包括与数据处理单元依次连接的数据计算单元、山火判
I
定与预警单元，判定山火并预警模炔基于
公式计算;
[0009] 其中，V为风速风向传感器测量的风速，θi为风速风向传感器测量风速与直流输电线路的夹角，θ2为离子电流密度传感器与线路杆塔的安装夹角，I为数据处理单元提供的离子电流密度大小，S为离子电流密度传感器表面积，进入数据计算单元计算离子密度P，当离子密度P的值大于IelO时，判定为附近有山火并输出报警信息。
[0010] 所述通讯模块包括依次与判定山火并预警模块连接的终端无线通讯单元、通讯单元、控制中心无线通讯模块，通讯单元包括物联网、GSM、GPRS、电力载波、光纤数据传输方式。传输山火并预警模块输出的预警信息，传输控制离子电流密度与环境参数监测模块输出的状态指令
[0011] 所述控制中心一端连接控制中心无线通讯模块，另一端连接接入声光报警模块。用于接收预警信息、控制离子电流密度与环境参数监测模块状态指令及声光报警指令
[0012] 所述声光报警模块由声音报警和光线提示组成，其警报的数据源由所述的控制中心双通道并行输出。根据采集数据的离子电流密度计算单元，根据离子电流密度进行山火判定与预警单元，将警报信息进行发送至控制中心的终端无线通讯单元，用于终端无线通讯单元与控制中心无线通讯模块的通讯单元，用于接收终端无线通讯单元数据的控制中心无线通讯模块，用于控制中心值班人员通知值班人员的控制主机配套的声光提醒外设。
[0013] 本发明与现有技术相比，具有如下优点:使用和维护方便，能够稳定对高压运行中的直流输电线路测点周围进行风速、风向、温度、湿度及大气压力等基本环境参数的监测，利用风速和风向基本参数计算了测点附近的离子电流密度，根据离子电流密度进行输电线路附近山火的判定，通过无线通讯单元将报警信息传送到控制中心，经过配套控制主机的声光信息及时提示值班人员。该技术直接反映了输电线路山火使周围空气温度升高造成空气热游离而引起线路跳闸的离子电流密度。避免了因黑夜环境和大雾等恶劣气候条件引起的山火识别能力大幅度降低。同时较红外多光谱技术而言，该技术提高了红外光谱对于不同材质引起的山火识别能力；较激光雷达技术而言，设备造价低，不需指定监测山火范围，同时直接反映引起山火跳闸需要的最大离子电流密度。因此该技术大幅度提高了直流输电线路山火的判定能力，避免了只要有山火就让输电线路停运的误区，较目前技术提高了输
电可靠率 。
附图说明
[0014] 图1是本装置的系统原理；
[0015] 图2是本装置的整体布置；
[0016] 图3是离子电流密度传感器；
[0017] 图4是电源转换电路图；
[0018] 图5是数据处理和主控制电路图；
[0019] 图6是时钟电路图。
具体实施方式
[0020] 下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
[0021] 实施例:
[0022] 请参阅图1所示，一种基于空间离子电流密度的直流输电线路山火监测装置，包括，用于直流输电线路进行离子电流密度、风速风向、温度、湿度和大气压力测量的离子电流密度与环境参数监测模块，用于根据离子电流密度与环境参数进行判定是否有山火的判定山火并预警模块，用于传输预警信息和接受离子电流密度与环境参数监测模块状态指令的通讯模块，用于从通讯模块处接收预警信息、控制离子电流密度与环境参数监测模块各状态指令及声光报警指令的控制中心，用于根据控制中心接收的预警信息通知运行人员上报电力调度人员决定是否停用线路或派遣线路检修人员排除隐患的声光报警模块
[0023] 请参阅图2所示，所述离子电流密度与环境参数监测模块包括蓄电池3以及与其连接并联合给蓄电池3充电的风能采集器I和太阳能电池板2 ;蓄电池3分别连接到滤波、放大和采集单元9和数据处理单元10，并对这些部件进行电源供给；滤波、放大和采集单元9 一端连接有风速风向传感器5、温度和湿度传感器6、大气压力传感器7、离子电流密度传感器8，另一端与数据处理单元10连接；风能采集器1、太阳能电池板2、蓄电池3、风速风向传感器5、温度和湿度传感器6、大气压力传感器7、离子电流密度传感器8安装于线路杆塔4上。
[0024] 判定山火并预警模块包括与数据处理单元10依次连接的数据计算单元11、山火
Jf
判定与预警单元12，判定山火并预警模炔基于夕=-„、公式计算;其中，V为
v».s*cos(ft —σ.)
风速风向传感器(5)测量的风速，Q1为风速风向传感器5测量风速与直流输电线路的夹角，Θ 2为离子电流密度传感器8与线路杆塔4的安装夹角，I为数据处理单元10提供的离子电流密度大小，S为离子电流密度传感器8表面积，进入数据计算单元11计算离子密度P，当离子密度P的值大于IelO时，判定为附近有山火并输出报警信息。
[0025] 通讯模块包括依次与判定山火并预警模块连接的终端无线通讯单元13、通讯单元14、控制中心无线通讯模块15，通讯单元14包括物联网、GSM、GPRS、电力载波、光纤数据传输方式。[0026] 数据处理单元10处理滤波、放大和采集单元9提供的数据；并将数据计算单元
11、山火判定与预警单元12、终端无线通讯单元13依次连接，并将数据送入通讯单元14 ;控制中心一端连接控制中心无线通讯模块15，另一端连接接入声光报警模块，声光报警模块由声音报警17和光线提示18组成，其警报的数据源由所述的控制中心双通道并行输出。
[0027] 图3为离子电流密度传感器8，其结构由内外两个边长不同的正方形铝或铁板Al、A2及中间的空气间隙A3组成，同时Al和A2整个装置固定在绝缘底板防止离子电流泄漏。然后离子电流密度传感器的连接如下:
[0028] 通过将离子电流密度传感器8连接并固定在线路杆塔4上，离子电流密度传感器8的信号输出端连接滤波、放大和采集单元9。
[0029] 其技术特点如下:
[0030] 1、lmXlm 平板
[0031] 2、传输特点:无线传输
[0032] 3、测量范围及分辨率:±200.0nA,分辨率0.1nA
[0033] 4、精度:2.0%
[0034] 5、接口:BNC
[0035] 由于电流密度传感器8输出信号十分微弱，在确保抗干扰措施的前提下，必须对信号采取放大、滤波等措施。该装置中采样信号进入数据处理单元10之前，先通过滤波、放大和采集单元9，该单元实现先滤波和限幅，再由数字信号处理器控制进入信号放大，根据输入信号幅值对其进行相应倍数的放大。滤波、放大和采集单元9中的采集单位由蓄电池、数据闪烁存储器、MSP430系列的16位微处理器、16位A/D转换器，信号转换保护单元、电源管理电路、看门狗电路、风速风向传感器5、温度和湿度传感器6、大气压力传感器7、离子电流密度传感器8以及其他配套电路组成。
[0036] 图4为电源转换电路图，集成电路模块IC3的5、6脚短接后接入电容Cl的一端负极并接地，集成电路模块IC3的短接后接入电容Cl的另一端正极，集成电路模块IC3的2、
3、4脚短接后接入电容C2的一端接正极，电容C2的另一端接地。将供电电源转化为装置需要的电压，为装置提供一个稳定的工作电压，并减少外界干扰对装置的影响。
[0037] 图5为数据处理和主控制电路图，集成电路模块ICl工作电压范围1.8〜3.6V,微处理器可以方便地在各种工作模式之间切换。
[0038] 1、工作模式有高效模式:在监测中发现山火时提高工作频率。
[0039] 2、正常模式:此模式说明装置工作一切正常，监测的线路无异常情况发生。
[0040] 3、低功耗模式:装置处于自动保护模式。
[0041] 管理功能为装置可根据现场具体情况调整装置的工作模式，发展装置的最佳性能。它根据离子电流密度和气象参数，利用趋势分析技术，与历史数据对比，发出预警信号。
[0042] 图6为时钟电路图，集成电路模块IC7的I脚接在电源VCC上，2，3脚分别与振荡器的两端连接，4脚接地，时钟电路的引脚6，7，8接入图5的数据处理和主控制电路的77，78, 79引脚上。时钟电路为数据采集终端提供一个准确的时间。
[0043] 综上所述，将风速风向传感器5、温度和湿度传感器6、大气压力传感器7、离子电流密度传感器8固定于线路杆塔4，并测量离子电流密度和周围环境参数，该数据依次经过滤波、放大和采集单元9、数据处理单元10、数据计算单元11、山火判定与预警单元12、终端无线通讯单元13、通讯单元14、控制中心无线通讯模块15、控制中心16。完成了直流输电线路山火的判定与预警，最后通过声音报警17和光线提示18通知运行处理警报信息。
[0044] 本实施例的技术指标为:
[0045] 1、适用范围:110kV-1100kV的直流输电线路山火的山火监测及预警
[0046] 2、数据采集、分析和发送装置
[0047] 抗干扰能力强:防电磁辐射干扰、防水
[0048] 测量频带:可测量20-15000HZ的信号；
[0049] 功耗低:功耗4.2mA;
[0050] 安装和维护方便:较目前的安装位置降低12m以上，并在线路带电时安装
[0051] 不影响杆塔的接地电阻
[0052] 3、系统特点
[0053] 扩展性强，可兼容线路其他的功能系统
[0054] 将直流输电线路山火监测系统预留多种规范接口，便于兼容输电线路覆冰和动态增容技术等线路状态监测系统。提升直流输电线路状态评估、预警和检测策略水平。
[0055] 标准化和公共化的数据接口
[0056] 系统的数据接口采用标准化和公共化的标准，可解析不同厂家终端提供的标准数据。
[0057] 多种报警方式
[0058] 采用声音提示和视觉定位的方式，及时报告运行人员掌握现场的报警信息
[0059] 网络化
[0060] 系统支持B/S结构及Web网页查询、登录和报警处理
[0061] 交互式的管理
[0062] 可实时对线路山火的数据信息进行查询；自定义控制终端的运行状态，包括:数据采集、待机、定时开关机、休眠等。
[0063] 针对性强
[0064] 针对直流输电线路山火放电特性，其主要原因是山火引起空气分子热游离，本技术直接反应山火状态下空间离子密度，便于进行山火状态下线路跳闸预警。
[0065] 4、性能指标
[0066] 离子电流量程(单位:nA):±200;
[0067] 2.5mA。装置低功耗。
[0068] 传输方式:无线
[0069] 45天。在连续阴雨的条件下，装置可持续供电工作45天；
[0070] 温度测量范围:-30°C _+70°C，灵敏度:±0.5°C
[0071] 湿度测量范围:1%_100%，灵敏度:±1%。
[0072] 风速测量范围:0 ~70m/s，精度:土(0.3+0.03V)m/s ；
[0073] 风向测量范围:0~360°精度:±3° ；
[0074] 大气压力测量范围:800-100mbar精度:20°C时候，±0.4mbar
[0075] 适用海拔高度:3200m以下。[0076] 操作系统:WindowsXP, WincE, Linux 等[0077] 整机使用寿命:八年
[0078] 上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所`为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。
Claims (4)
1.一种基于空间离子电流密度的直流输电线路山火监测装置，其特征在于:包括， 用于直流输电线路进行离子电流密度、风速风向、温度、湿度和大气压力测量的离子电流密度与环境参数监测模块，用于根据离子电流密度与环境参数进行判定是否有山火的判定山火并预警模块，用于传输预警信息和接受离子电流密度与环境参数监测模块状态指令的通讯模块，用于从通讯模块处接收预警信息、控制离子电流密度与环境参数监测模块各状态指令及声光报警指令的控制中心，用于根据控制中心接收的预警信息通知运行人员上报电力调度人员决定是否停用线路或派遣线路检修人员排除隐患的声光报警模块； 所述离子电流密度与环境参数监测模块包括蓄电池(3)以及与其连接并联合给蓄电池⑶充电的风能采集器⑴和太阳能电池板⑵；蓄电池⑶分别连接到滤波、放大和采集单元(9)和数据处理单元(10);滤波、放大和采集单元(9) 一端连接有风速风向传感器(5)、温度和湿度传感器(6)、大气压力传感器(7)、离子电流密度传感器(8)，另一端与数据处理单元(10)连接；风能采集器(I)、太阳能电池板(2)、蓄电池(3)、风速风向传感器(5)、温度和湿度传感器(6)、大气压力传感器(7)、离子电流密度传感器(8)安装于线路杆塔(4)上； 所述判定山火并预警模块包括与数据处理单元(10)依次连接的数据计算单元(11)、 山火判定与预警单元(12)，判定山火并预警模炔基于
公式计算；其 中，V为风速风向传感器(5)测量的风速，Θ i为风速风向传感器(5)测量风速与直流输电线路的夹角，92为离子电流密度传感器(8)与线路杆塔(4)的安装夹角，I为数据处理单元(10)提供的离子电流密度大小，S为离子电流密度传感器(8)的表面积，进入数据计算单元(11)计算离子密度P，当离子密度P的值大于IelO时，判定为附近有山火并输出报m样自目 I R ο
2.根据权利要求1所述的一种基于空间离子电流密度的直流输电线路山火监测装置，其特征在于:所述通讯模块包括依次与判定山火并预警模块连接的终端无线通讯单元(13)、通讯单元(14)、控制中心无线通讯模块(15)，通讯单元(14)包括物联网、GSM、GPRS,电力载波、光纤数据传输方式。
3.根据权利要求2所述的一种基于空间离子电流密度的直流输电线路山火监测装置，其特征在于:所述控制中心(16)—端连接控制中心无线通讯模块(15)，另一端连接接入声光报警模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于空间离子电流密度的直流输电线路山火监测装置，其特征在于:所述声光报警模块由声音报警(17)和光线提示(18)组成，其警报的数据源由所述的控制中心(16)双通道并行输出。
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Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: DENG JUN WANG QI CHU JINWEI LV JINZHUANG CHEN HE WU HENG HUANG HEYAN ZHOU HAIBIN WANG XIN XIE HUIFAN YANG GUANGYUAN ZHOU ZHENZHEN TO: DENG JUN ZHAO JIANNING QIAN HAI LIU XIANGQIANG LV JINZHUANG TIAN YINGFU WANG QI CHU JINWEI ZHOU ZHENZHEN CHEN HE WU HENG HUANG HEYAN ZHOU HAIBIN WANG CHAOSHUO ZHANG JIANGANG YANG GUANGYUAN CHANG AN WANG XIN |
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