CN103017714A - 输电线等值覆冰厚度在线监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的输电线等值覆冰厚度在线监测系统及监测方法，包括有监控中心，监控中心通过通讯网络连接有杆塔监测主分机，杆塔监测主分机通过通讯网络分别连接有两个杆塔监测副分机，监控中心包括有公司监控中心主机，公司监控中心主机中嵌有专家软件。本发明还涉及监测系统的监测方法，步骤1、获取环境信息和现场覆冰的输电线图像；步骤2、将杆塔监测主分机、两侧杆塔监测副分机获取的所有信息输送至微控制器内；步骤3、计算输电线覆冰密度；步骤4、计算输电线的覆冰厚度b。本发明可同时获得三基杆塔输电线覆冰后的重量变化及绝缘子的倾斜角信息，通过准确的力学计算模型直接给出用户需要的覆冰厚度，提高在线监测系统的准确度。

Description

输电线等值覆冰厚度在线监测系统及监测方法

技术领域

本发明属于输变电设备状态在线监测系统技术领域，具体涉及一种基于力学原理的输电线等值覆冰厚度在线监测系统，本发明还涉及上述监测系统的监测方法。

背景技术

由于输电线覆冰厚度会受输电线所处环境的微气候、地形、地貌以及很多随机因素的影响，正因为如此输电线覆冰厚度计算模型比较难以确定。

目前，国内外采用的输电线覆冰监测方法存在由于传感器数量设置不足，在计算模型建立过程中都做了较多简化，没有考虑到两侧杆塔输电线覆冰对输电线受力的影响。在实际运行过程中，输电线等值覆冰厚度计算常常存在较大的误差，导致现有输电线覆冰监测系统存在监测结果不准确的问题。此外，如何根据最少的监测量，精确的进行输电线覆冰厚度计算是覆冰输电线在线监测的一个难点，现有的等值覆冰厚度在线监测技术还有待于一步改进，以便于实现对输电线覆冰厚度的准确监测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种输电线等值覆冰厚度在线监测系统，不仅可同时获得三基杆塔输电线覆冰后的重量变化以及绝缘子的倾斜角信息，还能通过内部设置的准确的力学计算模型计算出输电线的覆冰厚度。

本发明的另一目的在于提供上述输电线等值覆冰厚度在线监测系统的监测方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，输电线等值覆冰厚度在线监测系统，包括有监控中心，监控中心通过通讯网络连接有杆塔监测主分机，杆塔监测主分机通过通讯网络分别连接有左侧杆塔监测副分机、右侧杆塔监测副分机，监控中心包括有公司监控中心主机，公司监控中心主机中嵌入有专家软件，专家软件内集成有等值覆冰厚度力学计算模型。

本发明第一种技术方案的特点还在于，

杆塔监测主分机，包括有微控制器，微控制器分别通过485总线分别与图片/视频监测单元、传感器监测单元连接，微控制器还通过电源线与主分机电源模块连接。

微控制器采用DSP与ARM双核芯片，传感器监测单元内设置有微气象传感器和导线拉力监测模块，主分机电源模块采用太阳能电池与蓄电池结合方式供电。

左侧杆塔监测副分机，包括有单片机，单片机通过485总线分别与导线拉力传感器、倾角传感器连接，单片机通过无线通信方式与导线温度传感器连接，单片机还通过电源线与副分机电源模块连接。

右侧杆塔监测副分机的结构与左侧杆塔监测副分机的结构相同。

副分机电源模块采用导线互感取能，单片机均采用Zigbee内核C8051单片机。

本发明所采用的第二种技术方案是，输电线等值覆冰厚度在线监测系统的监测方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、利用传感器监测单元和图像/视频监测单元分别获取环境信息和现场覆冰的输电线图像信息：

步骤1.1、先将杆塔监测主分机设置在主杆塔上，再将右侧杆塔监测副分机和左侧杆塔监测副分机分别设置在主杆塔两侧的副杆塔上；

步骤1.2、杆塔监测主分机内微气象传感器和导线拉力监测模块将采集到的环境信息和输电线覆冰信息传输给传感器监测单元：

微气象传感器内部的温湿度传感器、风速传感器、风向传感器及雨量传感器实时监测获取环境的温度和湿度、风速、风向及雨量信息，再将获取的环境信息送至传感器监测单元内；

导线拉力监测模块通过内部设置的拉力传感器监测得到输电线自重载荷、输电线覆冰后的载荷，通过角位移传感器监测得到主杆塔绝缘子的倾斜角信息，并将获取的输电线覆冰信息输送至传感器监测单元内；

图像/视频监测单元采集现场输电线覆冰的图像；

右侧杆塔监测副分机内的导线拉力传感器将监测到的右侧副杆塔上输电线自重载荷、输电线覆冰后的载荷，倾角传感器将监测到的右侧副杆塔绝缘子的倾斜角信息，温度传感器将监测到的右侧副杆塔输电线温度参数分别输送至右侧杆塔监测副分机内的单片机内；

左侧杆塔监测副分机内的导线拉力传感器将监测到的左侧副杆塔上输电线自重载荷、输电线覆冰后的载荷，倾角传感器将监测到的左侧副杆塔绝缘子的倾斜角信息，温度传感器将监测到的左侧副杆塔输电线温度参数分别输送至左侧杆塔监测副分机内的单片机内；

步骤2、将杆塔监测主分机、右侧杆塔监测副分机及左侧杆塔监测副分机监测获取的所有信息输送至杆塔监测主分机内的微控制器中进行汇总和存储：

步骤2.1、经步骤1.2，传感器监测单元和图像/视频监测单元将获得的环境信息、输电线覆冰信息及输电线覆冰图像输送入杆塔监测主分机的微控制器内；

同时，左侧杆塔监测副分机内的单片机和右侧杆塔监测副分机内的单片机将各自获取的监测信息通过ZigBee传输至微控制器内；

步骤2.2、微控制器5DSP芯片对环境信息、输电线覆冰信息和覆冰图像信息进行总汇、存储，之后再进行初步处理，初步处理包括有：单位换算、信号转换及放大处理，得到处理后的适于专家软件的环境温度和湿度、风速、风向、雨量、输电线自重载荷、输电线覆冰后的载荷、主杆塔绝缘子的倾斜角、左侧副杆塔绝缘子的倾斜角及右侧副杆塔绝缘子的倾斜角；

步骤2.3、DSP芯片实时将步骤2.2中初步处理后得到的所有监测信息通过SCI通信接口传输给ARM芯片S3C2440，并将所有监测信息存储起来，再通过无线通信方式将所有监测信息输送至监控中心内的公司监控中心主机内；

步骤3、利用监控中心内的专家软件和所有监测信息进行计算，即得到输电线的覆冰厚度；

步骤4、采用专家软件内的环形覆冰厚度计算模型结合输电线的覆冰信息计算输电线的覆冰厚度b。

本发明第二种技术方案的特点还在于，

步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、计算输电线覆冰后的水平张力T_H、主杆塔上竖向张力T_V所对应“平衡”的覆冰输电线长度S_D：

a）输电线自重载荷下长度为S₁，输电线在覆冰后的长度S_t具体按照以下算法实施：

S_t＝S₁-S₁αΔT                           （1）

其中，△T为输电线在常温与覆冰时温度差值，α为输电线的综合线性温度膨胀系数，1/℃；

b）根据步骤a）中得到的输电线覆冰后的长度S_t计算输电线覆冰后的水平张力T_H，具体按照以下算法实施：

$T_H=\sqrt{\frac{l^3{q_0}^2}{24(S_r-l-\frac{h^2}{2l})}}---\left(2\right)$

式中，l表示主杆塔与一个副杆塔间的距离，h表示主杆塔与副杆塔间的高度差，q₀表示输电线自重载荷，S_t表示覆冰时输电线的长度；

c）计算悬点不等高时的等效档距l_D1

计算主杆塔上竖向张力T_V所对应“平衡”的覆冰输电线长度，左、两侧副杆塔与主杆塔等高时整个档距的输电线长度

A →B →B′，具体按照以下算法实施：

$l_{D1}=l+l_1{\mathrm{\θ}}_A+l_2{\mathrm{\θ}}_B+\frac{{2T}_H}{q_0}\mathrm{arsh}\frac{{\mathrm{hq}}_0}{{2T}_H\mathrm{sh}\frac{{\mathrm{lq}}_0}{{2T}_H}}---\left(3\right)$

其中，l表示主杆塔与副杆塔间的距离，h为主杆塔与副杆塔间的高度差，主杆塔较高时，h为正值，否则h为负，l_D1为主杆塔与副杆塔对应的等效档距，l_A为主杆塔上绝缘子串的长度，θ_A为主杆塔上绝缘子串的倾斜角，l_B为主杆塔上绝缘子串的长度，θ_B为副杆塔上绝缘子串的倾斜角，T_H为输电线覆冰后的水平张力，q₀为输电线自重载荷。

d）计算对应等效档距l_D1的输电线长度S_D1：

根据步骤c）中的到的主杆塔等效档距l_D1，计算对应等效档距l_D1的输电线长度S_D1，具体按以下算法实施：

$S_{D1}=\frac{{2T}_H}{q_0}\mathrm{sh}\frac{l_{D1}{q}_0}{{2T}_H}---\left(4\right)$

其中，T_H为输电线覆冰后的水平张力，主杆塔两侧输电线上的水平张力分量不同，由水平方向的力平衡可知：

$T_H^{\mathrm{AB}}=T_H^{\mathrm{AC}}+\mathrm{\ΔT}=T_H^{\mathrm{AC}}+T_V\mathrm{tg\θ}---\left(5\right)$

故有：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{D1}^{\mathrm{AC}}=\frac{2T_H^{\mathrm{AC}}}{q_0}\mathrm{sh}\frac{l_{D1}^{\mathrm{AC}}{q}_0}{{2T}_H^{\mathrm{AC}}}\\ S_{D1}^{\mathrm{AB}}=\frac{2(T_H^{\mathrm{AC}}+T_V\mathrm{tg\θ})}{q_0}\mathrm{sh}\frac{l_{D1}^{\mathrm{AB}}{q}_0}{2(T_H^{\mathrm{AC}}+T_V\mathrm{tg\θ})}\end{array}\right.---\left(6\right)$

步骤3.2、计算覆冰输电线总载荷q：

主杆塔绝缘子串竖直方向上张力值T_V与两侧输电线最低点到主杆塔A点间输电线上的竖向载荷相互平衡，在冰、风载荷作用与只有自重载荷作用时主杆塔上竖向载荷的差值△T_V为：

${\mathrm{\ΔT}}_V=(q_{\mathrm{wind}}+q_{\mathrm{ice}})\frac{1}{2}(S_{D1}^{\mathrm{AB}}+S_{D1}^{\mathrm{AC}})=q\·\frac{1}{2}(S_{D1}^{\mathrm{AB}}+S_{D1}^{\mathrm{AC}})---\left(7\right)$

覆冰输电线总载荷q按以下算法实施：

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

$=\frac{{2\mathrm{\ΔT}}_V}{\frac{{2T}_H^{\mathrm{AC}}}{q_0}\mathrm{sh}\frac{l_{D1}^{\mathrm{AC}}{q}_0}{{2T}_H^{\mathrm{AC}}}+\frac{2(T_H^{\mathrm{AC}}+T_V\mathrm{tg\θ})}{q_0}\mathrm{sh}\frac{l_{D1}^{\mathrm{AB}}{q}_0}{2(T_H^{\mathrm{AC}}+T_V\mathrm{tg\θ})}}---\left(8\right)$

式中，θ为主杆塔上绝缘子串的倾斜角，T_H为输电线覆冰后的水平张力，q₀为输电线自重载荷；

步骤3.3、计算风载荷：

根据步骤1中传感器监测单元监测得到的覆冰输电线环境风速和风向经步骤2.2处理后用于计算风载荷q_wind，风向与输电线垂直，覆冰时的风载荷按以下算法实施：

$q_{\mathrm{wind}}=\frac{9.8\mathrm{ac}{(d+2b)v}^2}{16}---\left(9\right),$

输电线覆冰时风载体型系数c恒取1.2，即得到：

q_wind＝0.735a(d+2b)v²            （10），

其中，c为风载体型系数，a为风速不均匀系数，v为设计风速m/s，d为输电线的计算直径，b为覆冰厚度，覆冰厚度b未知，预先令(d+2b)≈dk，其中k为修正系数。

步骤4具体按照以下步骤实施：

采用专家软件中的环形覆冰厚度计算模型结合输电线覆冰信息，计算输电线覆冰厚度b，具体算法如下：

$9.8\left[\frac{\mathrm{\π}{(d+2b)}^2-{\mathrm{\πd}}^2}{4}\right]{\mathrm{\γ}}_0=q_{\mathrm{ice}}---\left(12\right)$

$b=(\sqrt{\frac{{4q}_{\mathrm{ice}}}{9.8\mathrm{\π}{\mathrm{\γ}}_0}+d^2}-d)/2---\left(13\right)$

其中，γ₀为冰的密度取0.9，d为单股输电线的计算等效直径，b为单股输电线的覆冰厚度，q_ice为单股输电线的覆冰载荷集度。

输电线为N股分裂输电线，要将监测到的覆冰载荷q_ice均摊至各股输电线上计算覆冰厚度b，具体按照以下算法实施：

q_ice＝(q-q_wind)/N                       （14）

$q_{\mathrm{ice}}=\frac{1}{N}9.8\left[\frac{{\mathrm{\π}(d+2b)}^2-{\mathrm{\πd}}^2}{4}\right]{\mathrm{\γ}}_0---\left(15\right)$

输电线的覆冰厚度为b为：

$b=(\sqrt{\frac{{4\mathrm{Nq}}_{\mathrm{ice}}}{9.8{\mathrm{\π\γ}}_0}+d^2}-d)/2---\left(16\right).$

本发明的有益效果在于，

1）本发明的在线监测系统在主杆塔上安装有导线拉力传感器和微气象传感器，在两侧杆塔上安装有导线拉力传感器、倾角传感器和温度传感器，可同时获得三基杆塔输电线覆冰后的重量变化以及绝缘子的倾斜角/风偏角信息。

2）本发明的在线监测系统中建立了等值覆冰厚度力学计算模型，不仅考虑了主杆塔上绝缘子串倾角对输电线受力的影响，而且考虑了两侧杆塔上绝缘子串倾角对输电线受力的影响，建立的等值覆冰厚度力学计算模型更符合线路覆冰实际情况。

3）本发明的在线监测系统实现了对输电线温度的实时监测，在建立过程中考虑了输电线的综合线性温度膨胀系数α对计算结果的影响，提高了等值覆冰厚度计算模型的精确度。

附图说明

图1是本发明的输电线等值覆冰厚度在线监测系统的结构图；

图2是本发明的输电线等值覆冰厚度在线监测系统中的杆塔监测主分机的结构图；

图3是本发明的输电线等值覆冰厚度在线监测系统中的左侧杆塔监测副分机的结构图；

图4是本发明的输电线等值覆冰厚度在线监测系统中的右侧杆塔监测副分机的结构图；

图5是本发明的输电线等值覆冰厚度在线监测系统中建立的有效的等值覆冰厚度力学计算模型示意图；

图6是本发明的输电线等值覆冰厚度在线监测系统中采用的输电线环形覆冰厚度计算模型示意图。

图中，1.监控中心，2.专家软件，3.主分机电源模块，4.右侧杆塔监测副分机，5.微控制器，6.左侧杆塔监测副分机，7.副分机电源模块，8.传感器监测单元，9.图片/视频监测单元，10.微气象传感器，11.导线拉力监测模块，12.公司监控中心主机，13.单片机，14.导线拉力传感器，15.倾角传感器，16.导线温度传感器，17.杆塔监测主分机。

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。

本发明的输电线等值覆冰厚度在线监测系统，其结构如图1所示，包括有监控中心1，监控中心1通过通讯网络连接有杆塔监测主分机17，杆塔监测主分机17通过通讯网络分别连接有左侧杆塔监测副分机6、右侧杆塔监测副分机4，监控中心1包括有公司监控中心主机12，公司监控中心主机中嵌入有专家软件2，专家软件2内集成有等值覆冰厚度力学计算模型。

杆塔监测主分机17，其结构如图2所示，包括有微控制器5，微控制器5分别通过485总线分别与图片/视频监测单元9、传感器监测单元8连接，微控制器5还通过电源线与主分机电源模块3连接。

杆塔监测主分机17中的微控制器5采用DSP与ARM双核芯片，传感器监测单元8内设置有微气象传感器10和导线拉力监测模块11，主分机电源模块3采用太阳能电池与蓄电池结合方式供电。

左侧杆塔监测副分机6，其结构如图3所示，包括有单片机13，单片机13通过485总线分别与导线拉力传感器14、倾角传感器15连接，通过无线通信方式与导线温度传感器16连接，单片机13还通过电源线与副分机电源模块7连接。

右侧杆塔监测副分机4的结构与左侧杆塔监测副分机6的结构相同，其结构如图4所示。

右侧杆塔监测副分机4与左侧杆塔监测副分机7内的副分机电源模块7均采用导线互感方式供电，其中的单片机13均采用Zigbee内核C8051单片机。

输电线等值覆冰厚度在线监测系统的监测方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、利用传感器监测单元和图像/视频监测单元分别获取环境信息和现场覆冰的输电线图像信息：

步骤1.1、先将杆塔监测主分机17设置在主杆塔上，再将右侧杆塔监测副分机4和左侧杆塔监测副分机6分别设置在主杆塔两侧的副杆塔上；

步骤1.2、杆塔监测主分机17内微气象传感器10和导线拉力监测模块11将采集到的环境信息和输电线覆冰信息传输给传感器监测单元8：

微气象传感器10内部的温湿度传感器、风速传感器、风向传感器及雨量传感器实时监测获取环境的温度和湿度、风速、风向及雨量信息，再将获取的环境信息送至传感器监测单元8内；

导线拉力监测模块11通过内部设置的拉力传感器监测得到输电线自重载荷、输电线覆冰后的载荷，通过角位移传感器监测得到主杆塔绝缘子的倾斜角信息，并将获取的输电线覆冰信息输送至传感器监测单元8内；

图像/视频监测单元2采集现场输电线覆冰的图像；

右侧杆塔监测副分机4内的导线拉力传感器14将监测到的右侧副杆塔上输电线自重载荷、输电线覆冰后的载荷，倾角传感器15将监测到的右侧副杆塔绝缘子的倾斜角信息，温度传感器16将监测到的右侧副杆塔上输电线温度参数分别输送至右侧杆塔监测副分机4内的单片机13内；

左侧杆塔监测副分机6内的导线拉力传感器14将监测到的左侧副杆塔上输电线自重载荷、输电线覆冰后的载荷，倾角传感器15将监测到的左侧副杆塔绝缘子的倾斜角信息，温度传感器16将监测到的左侧副杆塔上输电线温度参数分别输送至左侧杆塔监测副分机4内的单片机（13）内；

步骤2、将杆塔监测主分机、右侧杆塔监测副分机及左侧杆塔监测副分机监测获取的所有信息输送至杆塔监测主分机内的微控制器中进行汇总和存储：

步骤2.1、经步骤1.2，传感器监测单元8和图像/视频监测单元2将获得的环境信息、输电线覆冰信息及输电线覆冰图像输送入杆塔监测主分机的微控制器5内；

同时，左侧杆塔监测副分机6内的单片机13和右侧杆塔监测副分机4内的单片机13将各自获取的监测信息通过ZigBee传输至微控制器5内；

步骤2.2、微控制器5内的DSP芯片对环境信息、输电线覆冰信息和覆冰图像信息进行总汇、存储，之后再进行初步处理，初步处理包括有：单位换算、信号转换及放大处理，得到处理后的适于专家软件9计算的环境温度和湿度、风速、风向、雨量、输电线自重载荷、输电线覆冰后的载荷、主杆塔绝缘子的倾斜角、左侧副杆塔绝缘子的倾斜角及右侧副杆塔绝缘子的倾斜角；

步骤2.3、DSP芯片实时将步骤2.2中初步处理后得到的所有监测信息通过SCI通信接口传输给ARM芯片S3C2440，并将所有监测信息存储起来，再通过无线通信方式将所有监测信息输送至监控中心7内的公司监控中心主机1内。

步骤3、利用监控中心内的专家软件和所有监测信息进行计算，即得到输电线的覆冰厚度，具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、计算输电线覆冰后的水平张力T_H、主杆塔上竖向张力T_V所对应“平衡”的覆冰输电线长度S_D：

主杆塔绝缘子串上的竖直方向的张力T_V与两侧输电线某点到主杆塔A点间输电线上的竖向载荷相互平衡的点称为“平衡点”；由竖直方向力学平衡可知，“平衡点”在最低点位置，最低点只有水平方向的张力；若无最低点存在，则“平衡点”在输电线的延长线上，如图5所示，其中B′、C′点在输电线的延长点，采用等效法研究主杆塔两侧悬点等高的情况，等高悬点中间就是最低点的位置；

a）输电线自重载荷下长度为S₁，输电线在覆冰后的长度S_t具体按照以下算法实施：

S_t＝S₁-S₁αΔT                              （1）

其中，ΔT为输电线在常温与覆冰时温度差值，α为输电线的综合线性温度膨胀系数，1/℃；

b）根据步骤a）中得到的输电线覆冰后的长度S_t计算输电线覆冰后的水平张力T_H，具体按照以下算法实施：

$T_H=\sqrt{\frac{l^3{q_0}^2}{24(S_r-l-\frac{h^2}{2l})}}---\left(2\right)$

式中，l表示主杆塔与一个副杆塔间的距离，h表示主杆塔与副杆塔间的高度差，q₀表示输电线自重载荷，S_t表示覆冰时输电线的长度；

c）计算悬点不等高时的等效档距l_D1

计算主杆塔上竖向张力T_V所对应“平衡”的覆冰输电线长度，如图5所示，左、两侧副杆塔与主杆塔等高时整个档距的输电线长度

A→B→B′，具体按照以下算法实施：

$l_{D1}=l+l_1{\mathrm{\θ}}_A+l_2{\mathrm{\θ}}_B+\frac{{2T}_H}{q_0}\mathrm{arsh}\frac{{\mathrm{hq}}_0}{{2T}_H\mathrm{sh}\frac{{\mathrm{lq}}_0}{{2T}_H}}---\left(3\right)$

其中，l表示主杆塔与副杆塔间的距离，h为主杆塔与副杆塔间的高度差，主杆塔较高时，h为正值，否则h为负，l_D1为主杆塔与副杆塔对应的等效档距，在图中分别为

和

l_A为主杆塔上绝缘子串的长度，θ_A为主杆塔上绝缘子串的倾斜角，l_B为主杆塔上绝缘子串的长度，θ_B为副杆塔上绝缘子串的倾斜角，T_H为输电线覆冰后的水平张力，q₀为输电线自重载荷，arsh是反双曲正弦函数。本发明考虑了左、右相邻杆塔输电线覆冰情况对计算结果的影响；

d）计算对应等效档距l_D1的输电线长度S_D1：

根据步骤c）中的到的主杆塔等效档距l_D1，计算对应等效档距l_D1的输电线长度S_D1具体按以下算法实施：

$S_{D1}=\frac{{2T}_H}{q_0}\mathrm{sh}\frac{l_{D1}{q}_0}{{2T}_H}---\left(4\right)$

其中，T_H为输电线覆冰后的水平张力，主杆塔两侧输电线上的水平张力分量不同，由水平方向的力平衡可知：

$T_H^{\mathrm{AB}}=T_H^{\mathrm{AC}}+\mathrm{\ΔT}=T_H^{\mathrm{AC}}+T_V\mathrm{tg\θ}---\left(5\right)$

故有：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{D1}^{\mathrm{AC}}=\frac{2T_H^{\mathrm{AC}}}{q_0}\mathrm{sh}\frac{l_{D1}^{\mathrm{AC}}{q}_0}{{2T}_H^{\mathrm{AC}}}\\ S_{D1}^{\mathrm{AB}}=\frac{2(T_H^{\mathrm{AC}}+T_V\mathrm{tg\θ})}{q_0}\mathrm{sh}\frac{l_{D1}^{\mathrm{AB}}{q}_0}{2(T_H^{\mathrm{AC}}+T_V\mathrm{tg\θ})}\end{array}\right.---\left(6\right)$

步骤3.2、计算覆冰输电线总载荷q：

主杆塔绝缘子串竖直方向上张力值T_V与两侧输电线最低点到主杆塔A点间输电线上的竖向载荷相互平衡，在冰、风载荷作用与只有自重载荷作用时主杆塔上竖向载荷的差值△T_V为：

${\mathrm{\ΔT}}_V=(q_{\mathrm{wind}}+q_{\mathrm{ice}})\frac{1}{2}(S_{D1}^{\mathrm{AB}}+S_{D1}^{\mathrm{AC}})=q\·\frac{1}{2}(S_{D1}^{\mathrm{AB}}+S_{D1}^{\mathrm{AC}})---\left(7\right)$

覆冰输电线总载荷q按以下算法实施：

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

$=\frac{{2\mathrm{\ΔT}}_V}{\frac{{2T}_H^{\mathrm{AC}}}{q_0}\mathrm{sh}\frac{l_{D1}^{\mathrm{AC}}{q}_0}{{2T}_H^{\mathrm{AC}}}+\frac{2(T_H^{\mathrm{AC}}+T_V\mathrm{tg\θ})}{q_0}\mathrm{sh}\frac{l_{D1}^{\mathrm{AB}}{q}_0}{2(T_H^{\mathrm{AC}}+T_V\mathrm{tg\θ})}}---\left(8\right)$

式中，θ为主杆塔上绝缘子串的倾斜角，T_H为T_H为输电线覆冰后的水平张力，q₀为输电线自重载荷；

步骤3.3、计算风载荷：

根据步骤1中传感器监测单元8监测得到的覆冰输电线环境风速和风向经步骤2.2处理后用于计算风载荷q_wind，风向与输电线垂直，覆冰时的风载荷按以下算法实施：

$q_{\mathrm{wind}}=\frac{9.8\mathrm{ac}{(d+2b)v}^2}{16}---\left(9\right),$

输电线覆冰时风载体型系数c恒取1.2，即得到：

q_wind＝0.735a(d+2b)v²               （10），

其中，c为风载体型系数，a为风速不均匀系数，v为设计风速m/s，d为输电线的计算直径，b为覆冰厚度，覆冰厚度b未知，预先令(d+2b)≈dk，其中k为修正系数；输电线的风荷载q_wind要考虑到风速的不均匀性；风速的不均匀性与风速大小有关，因此输电线的风荷载计算中应乘以风速的不均匀系数。

步骤4、采用专家软件内的环形覆冰厚度计算模型结合输电线的覆冰信息计算输电线的覆冰厚度b：

本发明中采用专家软件9中的环形覆冰厚度计算模型结合输电线覆冰信息，如图6所示，计算输电线覆冰厚度b，具体算法如下：

$9.8\left[\frac{\mathrm{\π}{(d+2b)}^2-{\mathrm{\πd}}^2}{4}\right]{\mathrm{\γ}}_0=q_{\mathrm{ice}}---\left(12\right)$

$b=(\sqrt{\frac{{4q}_{\mathrm{ice}}}{9.8\mathrm{\π}{\mathrm{\γ}}_0}+d^2}-d)/2---\left(13\right)$

其中，γ₀为冰的密度（雨淞）取0.9，d为单股输电线线的计算等效直径，b为单股输电线的覆冰厚度；q_ice为单股输电线的覆冰载荷集度；

若输电线为N股分裂输电线，要将监测到的覆冰载荷q_ice均摊至各股输电线上计算覆冰

q_ice＝(q-q_wind)/N               （14）

$q_{\mathrm{ice}}=\frac{1}{N}9.8\left[\frac{{\mathrm{\π}(d+2b)}^2-{\mathrm{\πd}}^2}{4}\right]{\mathrm{\γ}}_0---\left(15\right)$

输电线的覆冰厚度为b为：

$b=(\sqrt{\frac{{4\mathrm{Nq}}_{\mathrm{ice}}}{9.8{\mathrm{\π\γ}}_0}+d^2}-d)/2---\left(16\right)$

本发明的输电线等值覆冰厚度在线监测系统及监测方法根据输电线实际覆冰时，输电线及绝缘子的状况，建立有效的等值覆冰厚度力学计算模型，等值覆冰厚度力学计算模型不仅要考虑主杆塔上输电线绝缘子串存在的倾角θ_A，还要考虑到两侧杆塔上绝缘子串倾角对等值覆冰厚度计算的影响。

Claims (10)

1.输电线等值覆冰厚度在线监测系统，其特征在于，包括有监控中心（1），所述监控中心（1）通过通讯网络连接有杆塔监测主分机（17），所述杆塔监测主分机（17）通过通讯网络分别连接有左侧杆塔监测副分机（6）、右侧杆塔监测副分机（4），所述监控中心（1）包括有公司监控中心主机（12），所述公司监控中心主机中嵌入有专家软件（2），所述专家软件（2）内集成有等值覆冰厚度力学计算模型。

2.根据权利要求1所述的输电线等值覆冰厚度在线监测系统，其特征在于，所述杆塔监测主分机（17），包括有微控制器（5），所述微控制器（5）分别通过485总线分别与图片/视频监测单元（9）、传感器监测单元（8）连接，所述微控制器（5）还通过电源线与主分机电源模块（3）连接。

3.根据权利要求2所述的输电线等值覆冰厚度在线监测系统，其特征在于，所述微控制器（5）采用DSP与ARM双核芯片，所述传感器监测单元（8）内设置有微气象传感器（10）和导线拉力监测模块（11），所述主分机电源模块（3）采用太阳能电池与蓄电池结合方式供电。

4.根据权利要求1所述的输电线等值覆冰厚度在线监测系统，其特征在于，所述左侧杆塔监测副分机（6），包括有单片机（13），所述单片机（13）通过485总线分别与导线拉力传感器（14）、倾角传感器（15）连接，所述单片机（13）通过无线通信方式与导线温度传感器（16）连接，所述单片机（13）还通过电源线与副分机电源模块（7）连接。

5.根据权利要求1所述的输电线等值覆冰厚度在线监测系统，其特征在于，所述右侧杆塔监测副分机（4）的结构与所述左侧杆塔监测副分机（6）的结构相同。

6.根据权利要求4或5所述的输电线等值覆冰厚度在线监测系统，其特征在于，所述的副分机电源模块（7）采用导线互感取能，所述单片机（13）均采用Zigbee内核C8051单片机。

7.输电线等值覆冰厚度在线监测系统的监测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、利用传感器监测单元和图像/视频监测单元分别获取环境信息和现场覆冰的输电线图像信息：

步骤1.1、先将杆塔监测主分机（17）设置在主杆塔上，再将右侧杆塔监测副分机（4）和左侧杆塔监测副分机（6）分别设置在主杆塔两侧的副杆塔上；

步骤1.2、杆塔监测主分机（17）内微气象传感器（10）和导线拉力监测模块（11）将采集到的环境信息和输电线覆冰信息传输给传感器监测单元（8）：

微气象传感器（10）内部的温湿度传感器、风速传感器、风向传感器及雨量传感器实时监测获取环境的温度和湿度、风速、风向及雨量信息，再将获取的环境信息送至传感器监测单元（8）内；

导线拉力监测模块（11）通过内部设置的拉力传感器监测得到输电线自重载荷、输电线覆冰后的载荷，通过角位移传感器监测得到主杆塔绝缘子的倾斜角信息，并将获取的输电线覆冰信息输送至传感器监测单元（8）内；

图像/视频监测单元（2）采集现场输电线覆冰的图像；

右侧杆塔监测副分机（4）内的导线拉力传感器（14）将监测到的右侧副杆塔上输电线自重载荷、输电线覆冰后的载荷，倾角传感器（15）将监测到的右侧副杆塔绝缘子的倾斜角信息，温度传感器（16）将监测到的右侧副杆塔输电线温度参数分别输送至右侧杆塔监测副分机（4）内的单片机（13）内；

左侧杆塔监测副分机（6）内的导线拉力传感器（14）将监测到的左侧副杆塔上输电线自重载荷、输电线覆冰后的载荷，倾角传感器（15）将监测到的左侧副杆塔绝缘子的倾斜角信息，温度传感器（16）将监测到的左侧副杆塔输电线温度参数分别输送至左侧杆塔监测副分机（4）内的单片机（13）内；

步骤2、将杆塔监测主分机、右侧杆塔监测副分机及左侧杆塔监测副分机监测获取的所有信息输送至杆塔监测主分机内的微控制器中进行汇总和存储：

步骤2.1、经步骤1.2，传感器监测单元（8）和图像/视频监测单元（2）将获得的环境信息、输电线覆冰信息及输电线覆冰图像输送入杆塔监测主分机的微控制器（5）内；

同时，左侧杆塔监测副分机（6）内的单片机（13）和右侧杆塔监测副分机（4）内的单片机（13）将各自获取的监测信息通过ZigBee传输至微控制器（5）内；

步骤2.2、微控制器（5）DSP芯片对环境信息、输电线覆冰信息和覆冰图像信息进行总汇、存储，之后再进行初步处理，初步处理包括有：单位换算、信号转换及放大处理，得到处理后的适于专家软件（9）的环境温度和湿度、风速、风向、雨量、输电线自重载荷、输电线覆冰后的载荷、主杆塔绝缘子的倾斜角、左侧副杆塔绝缘子的倾斜角及右侧副杆塔绝缘子的倾斜角；

步骤2.3、DSP芯片实时将步骤2.2中初步处理后得到的所有监测信息通过SCI通信接口传输给ARM芯片S3C2440，并将所有监测信息存储起来，再通过无线通信方式将所有监测信息输送至监控中心（7）内的公司监控中心主机（1）内；

步骤3、利用监控中心内的专家软件和所有监测信息进行计算，即得到输电线的覆冰厚度；

步骤4、采用专家软件内的环形覆冰厚度计算模型结合输电线的覆冰信息计算输电线的覆冰厚度b。

8.根据权利要求7所述的输电线等值覆冰厚度在线监测系统的监测方法，其特征在于，所述步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、计算输电线覆冰后的水平张力T_H、主杆塔上竖向张力T_V所对应“平衡”的覆冰输电线长度S_D：

a）输电线自重载荷下长度为S₁，输电线在覆冰后的长度S_t具体按照以下算法实施：

S_t＝S₁-S₁αΔT                   （1）

其中，ΔT为输电线在常温与覆冰时温度差值，α为输电线的综合线性温度膨胀系数，1/℃；

b）根据步骤a）中得到的输电线覆冰后的长度S_t计算输电线覆冰后的水平张力T_H，具体按照以下算法实施：

$T_H=\sqrt{\frac{l^3{q_0}^2}{24(S_r-l-\frac{h^2}{2l})}}---\left(2\right)$

式中，l表示主杆塔与一个副杆塔间的距离，h表示主杆塔与副杆塔间的高度差，q₀表示输电线自重载荷，S_t表示覆冰时输电线的长度；

c）计算悬点不等高时的等效档距l_D1

计算主杆塔上竖向张力T_V所对应“平衡”的覆冰输电线长度，左、两侧副杆塔与主杆塔等高时整个档距的输电线长度

A →B →B′，具体按照以下算法实施：

$l_{D1}=l+l_1{\mathrm{\θ}}_A+l_2{\mathrm{\θ}}_B+\frac{{2T}_H}{q_0}\mathrm{arsh}\frac{{\mathrm{hq}}_0}{{2T}_H\mathrm{sh}\frac{{\mathrm{lq}}_0}{{2T}_H}}---\left(3\right)$

其中，l表示主杆塔与副杆塔间的距离，h为主杆塔与副杆塔间的高度差，主杆塔较高时，h为正值，否则h为负，l_D1为主杆塔与副杆塔对应的等效档距，l_A为主杆塔上绝缘子串的长度，θ_A为主杆塔上绝缘子串的倾斜角，l_B为主杆塔上绝缘子串的长度，θ_B为副杆塔上绝缘子串的倾斜角，T_H为输电线覆冰后的水平张力，q₀为输电线自重载荷。

d）计算对应等效档距l_D1的输电线长度S_D1：

根据步骤c）中的到的主杆塔等效档距l_D1，计算对应等效档距l_D1的输电线长度S_D1，具体按以下算法实施：

$S_{D1}=\frac{{2T}_H}{q_0}\mathrm{sh}\frac{l_{D1}{q}_0}{{2T}_H}---\left(4\right)$

其中，T_H为输电线覆冰后的水平张力，主杆塔两侧输电线上的水平张力分量不同，由水平方向的力平衡可知：

$T_H^{\mathrm{AB}}=T_H^{\mathrm{AC}}+\mathrm{\ΔT}=T_H^{\mathrm{AC}}+T_V\mathrm{tg\θ}---\left(5\right)$

故有：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{D1}^{\mathrm{AC}}=\frac{2T_H^{\mathrm{AC}}}{q_0}\mathrm{sh}\frac{l_{D1}^{\mathrm{AC}}{q}_0}{{2T}_H^{\mathrm{AC}}}\\ S_{D1}^{\mathrm{AB}}=\frac{2(T_H^{\mathrm{AC}}+T_V\mathrm{tg\θ})}{q_0}\mathrm{sh}\frac{l_{D1}^{\mathrm{AB}}{q}_0}{2(T_H^{\mathrm{AC}}+T_V\mathrm{tg\θ})}\end{array}\right.---\left(6\right)$

步骤3.2、计算覆冰输电线总载荷q：

主杆塔绝缘子串竖直方向上张力值T_V与两侧输电线最低点到主杆塔A点间输电线上的竖向载荷相互平衡，在冰、风载荷作用与只有自重载荷作用时主杆塔上竖向载荷的差值△T_V为：

${\mathrm{\ΔT}}_V=(q_{\mathrm{wind}}+q_{\mathrm{ice}})\frac{1}{2}(S_{D1}^{\mathrm{AB}}+S_{D1}^{\mathrm{AC}})=q\·\frac{1}{2}(S_{D1}^{\mathrm{AB}}+S_{D1}^{\mathrm{AC}})---\left(7\right)$

覆冰输电线总载荷q按以下算法实施：

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

$=\frac{{2\mathrm{\ΔT}}_V}{\frac{{2T}_H^{\mathrm{AC}}}{q_0}\mathrm{sh}\frac{l_{D1}^{\mathrm{AC}}{q}_0}{{2T}_H^{\mathrm{AC}}}+\frac{2(T_H^{\mathrm{AC}}+T_V\mathrm{tg\θ})}{q_0}\mathrm{sh}\frac{l_{D1}^{\mathrm{AB}}{q}_0}{2(T_H^{\mathrm{AC}}+T_V\mathrm{tg\θ})}}---\left(8\right)$

式中，θ为主杆塔上绝缘子串的倾斜角，T_H为输电线覆冰后的水平张力，q₀为输电线自重载荷；

步骤3.3、计算风载荷：

根据步骤1中传感器监测单元8监测得到的覆冰输电线环境风速和风向经步骤2.2处理后用于计算风载荷q_wind，风向与输电线垂直，覆冰时的风载荷按以下算法实施：

$q_{\mathrm{wind}}=\frac{9.8\mathrm{ac}{(d+2b)v}^2}{16}---\left(9\right),$

输电线覆冰时风载体型系数c恒取1.2，即得到：

q_wind＝0.735a(d+2b)v²                  （10），

其中，c为风载体型系数，a为风速不均匀系数，v为设计风速m/s，d为输电线的计算直径，b为覆冰厚度，覆冰厚度b未知，预先令(d+2b)≈dk，其中k为修正系数。

9.根据权利要求7所述的输电线等值覆冰厚度在线监测系统的监测方法，其特征在于，所述步骤4具体按照以下步骤实施：

采用专家软件（9）中的环形覆冰厚度计算模型结合输电线覆冰信息，计算输电线覆冰厚度b，具体算法如下：

$9.8\left[\frac{\mathrm{\π}{(d+2b)}^2-{\mathrm{\πd}}^2}{4}\right]{\mathrm{\γ}}_0=q_{\mathrm{ice}}---\left(12\right)$

$b=(\sqrt{\frac{{4q}_{\mathrm{ice}}}{9.8\mathrm{\π}{\mathrm{\γ}}_0}+d^2}-d)/2---\left(13\right)$

其中，γ₀为冰的密度取0.9，d为单股输电线的计算等效直径，b为单股输电线的覆冰厚度，q_ice为单股输电线的覆冰载荷集度。

10.根据权利要求7或9所述的输电线等值覆冰厚度在线监测系统的监测方法，其特征在于，所述输电线为N股分裂输电线，要将监测到的覆冰载荷q_ice均摊至各股输电线上计算覆冰厚度b，具体按照以下算法实施：

q_ice＝(q-q_wind)/N    （14）

$q_{\mathrm{ice}}=\frac{1}{N}9.8\left[\frac{{\mathrm{\π}(d+2b)}^2-{\mathrm{\πd}}^2}{4}\right]{\mathrm{\γ}}_0---\left(15\right)$

输电线的覆冰厚度为b为：

$b=(\sqrt{\frac{{4\mathrm{Nq}}_{\mathrm{ice}}}{9.8{\mathrm{\π\γ}}_0}+d^2}-d)/2---\left(16\right).$

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