CN103078405B - 用于输电线在线检测系统的智能前端系统 - Google Patents

Abstract

一种用于输电线在线检测系统的智能前端系统，包括智能传感器终端和智能网关，所述智能传感器终端包括：危险级别分级模块，用以依照危险级别分级模块评定的结果进行调整的数据采集和传输周期实时调整模块，以及报警模块；所述智能网关包括：数据采集模块，用以接收安装在输电线上的传感器终端发来的检测数据；危险级别评定模块，用于依照数据危险级评定数学模型对数据的分级阈值进行计算，得到危险级分级阈值，并向相应的传感器终端发出设定阈值的指令；所述数据危险级评定模型的计算结果采用阈值设定方式；所述危险等级分为高、中、低；报警模块，用以当数据危险等级为高时发出报警信号。本发明时效性良好、可靠性强、使用成本低、维护方便。

Description

用于输电线在线检测系统的智能前端系统

技术领域

本发明涉及传感器终端和网关，尤其是一种输电线在线检测系统的前端系统。

背景技术

高压输电线路是电力系统的重要组成部分，它包括绝缘子、金具、杆塔和输电线等设备和器材。输电线路的安全受到多方面因素的影响。典型的有自然环境、环境污染和人为因素：

1)输电线路容易受到自然环境的影响进而发生故障。比如，大风容易使输电线路发生低频、大振幅的导线舞动，进而引起相间闪络、金具损坏，造成线路跳闸停电；严重时还可能造成杆塔倒塌、导线折断等恶性事故。

2)环境污染也会对输电线路造成危害。例如，输电线路的绝缘子经常遭受工业污秽或自然盐碱、灰尘、鸟粪等污染。当空气湿度较高时，绝缘子表面的污秽将被湿润，在运行电压作用下其表面电导率和泄漏电流将大大增加，从而导致污秽绝缘子表面电气性能降低甚至发生全面闪络。

3)再加上人为偷盗、攀爬塔架、工作人员违章施工等，都会对塔架和输电线产生不利影响。

如果不能及时发现并修复这些故障，会对电力系统和人们的生产、生活造成极大的损失。

所以，对输电线路的日常状态需要进行检测，并将数据及时、可靠地传输到监控中心。这样，有助于及时了解详细、精确的输电线路运行状态，对保证输电线路运行的安全有重要的作用。

传统的输电线在线监测系统：在传统的输电线在线监测系统中，将通过放置在输电线上的传感器采集到状态参数上传到位于杆塔上的网关；再由网关进行协议转换后，将数据传输到远程监控中心。前端系统是指传感器终端和网关组成的系统。

传统的输电线在线监测系统的特点：输电线一般都长达数百公里，例如，晋东南—南阳—荆门1000KV输电线路工程起自晋东南1000KV变电站，经南阳1000KV开关站，止于荆门1000KV变电站，线路路径全长约650.677km。在上面需要安装大量的传感器终端，而每个传感器都会产生大量的数据，这将是海量的数据，也是一个非常庞大复杂的系统。

现有的输电线在线监测系统中，存在着诸多问题。典型的有：

（1）现有系统中，由传感器和网关构成的前端系统只负责数据收集、传输和故障报警，不负责理解和处理数据。而理解数据和处理数据的功能完全由控制中心完成。这样，就容易造成处理不及时，也增大的监控中心的工作负荷。

（2）现有的故障检测机制与数据收集、传输无关，不会根据数据的危险级进行自动调整。

（3）固定的数据采集和传输策略。现有系统的传感器和网关的工作机制通常采用固定的数据采集和传输策略。一旦策略设定，数据采集和传输的方式、时间间隔就固定下来，不再改变。传感器按照设定好的固定时间间隔采集和传输数据，即使采集到的数据不具有危险性，还是继续传输；而对于危险级别高的数据又混同于一般数据，不能及时上报。这样的系统不能适应多变的环境，不利于节省电池电能、延长系统寿命，也浪费了有限的无线带宽。

（4）时效性差，不能有效反映数据的重要性。传统系统的网关通常采用FIFO方式传输数据，也就是说，先到的数据先发。这使得危险别级高的数据信息不能被及时发送，必须等到前面的普通数据发送完毕，才能发送。以致延误监控中心对危险发生的感知，延缓反应，甚至无法采取有效的预防措施。

（5）无线信道可靠性差。当前，现有的输电线在线监测系统一般采用无线网络传输的方式。无线网络的数据传输速率较低，比如GPRS的传输速率是56-114Kbps；由于受到环境、建筑物、山脉、传输距离、电磁环境等多种因素影响，无线信道很不稳定，误码率很高，有效传输速率经常受到严重影响。因此，数据的可靠性传输面临严峻考验，特别是对时效性要求高的数据，比如，紧急报警信号很可能由于无线传输不畅导致延误，甚至丢失，以致于造成严重损失。

（6）无线数据传输费用高。GPRS等无线数据传输方式一般是按照流量收费。大量的数据传输也会产生巨额的费用，给输电线在线监测系统造成巨大的运营成本。

（7）电池供电、维持困难。由于输电线路一般位于偏远山区，设备只能依靠电池供电。电池的电量和寿命都很有限，而安装在输电线上的传感器的电池也不便于更换，进而造成整个系统的寿命降低、维护困难。

发明内容

为了克服已有输电线在线监测系统的时效性差、可靠性较差、使用成本高、维护困难的不足，本发明提供一种时效性良好、可靠性强、使用成本低、维护方便的用于输电线在线检测系统的智能前端系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于输电线在线检测系统的智能前端系统，所述智能前端系统包括智能传感器终端和智能网关，所述的智能传感器终端包括：

危险级别分级模块，根据网关指令设定危险级阈值；根据当前的检测数据得到数据危险等级，所述危险等级分为高、中、低；

数据采集和传输周期实时调整模块，用以依照危险级别分级模块评定的结果进行调整，具体如下：

首先，根据缺省危险级，设定相应的数据采样和传输的密度；

当数据危险等级提高时，加大数据采样和传输的密度；

当数据危险等级不变时，数据采样和传输的密度不变；

当数据危险等级降低时，减小数据采样和传输的密度；

报警模块，用以当数据危险等级为高时向网关发出报警信号；

所述智能网关包括：

数据采集模块，用以接收安装在输电线上的传感器的检测数据；

危险级别评定模块，用于依照数据危险级评定数学模型对数据的分级阈值进行计算，得到危险级分级阈值，并向相应的传感器终端发出设定阈值的指令；所述数据危险级评定模型的计算结果采用阈值设定方式；所述危险等级分为高、中、低；

报警模块，用以当数据危险等级为高时发出报警信号。

进一步，所述智能网关还包括：数据发送方式选择模块，用以依照危险级别评定模块的结果进行发送方式选择，对于弧垂危险等级为高的数据进行纠错能力高的信道编码和ARQ传输；对于弧垂危险等级为中的数据加入CRC校验码并进行ARQ传输；对于风弧垂危险等级为低的数据加入CRC校验码后，采取UDP传输。

再进一步，所述智能网关还包括：报警模块，用以当数据为危险级高时，向控制中心发出报警信号，在没有收到控制中心的复位信号的情况下，每隔30秒重发一次。

更进一步，所述智能前端系统还包括：基于危险级的统一的协调机制以及并行处理模块，用以采用动态队列的方式对数据接收、处理和发送，进行对应于不同危险级的处理，队列中的数据根据其危险级进行动态调整，以期实现对输电线路当前状态最优的响应方式，数据接收单元、数据处理单元和数据传输单元并行工作；

所述数据接收单元，用以在接收传感器数据，根据危险级，对传感器上传数据的请求进行的响应做出安排；对应不同的危险级有三个接收队列，对应于危险级别越高的接收队列优先于其它队列响应传感器上传数据的请求，将验证无误的数据发给数据处理模块进行处理，否则，要求传感器重传；接收模块继续接收其它传感器的数据上传，不必等待数据处理和传输的完成；

所述数据处理单元，用以对应于危险级较高的处理队列，按照既定方案进行更优先的处理，发给数据传输模块进行传输操作；

所述数据传输单元，用以当收到控制中心的确认信息后，传输队列中数据将被删除，否则将采取自动重传。

本发明的技术构思为：网关根据危险级评定数学模型推算出危险级的阈值，然后把阈值信息通过指令的形式发送给相应的传感器终端。

传感器终端根据网关指令，设定危险级阈值，并对采集到的数据进行危险级评定。按照危险级的不同对数据进行分类，将数据分为三组，分别为危险级高、中、低的数据。缺省危险级为中，并采用相应的数据采样和传输频率；危险级提高时，增加数据的采样和传输频率；危险级降低时，减小数据的采样和传输频率。

传感器终端将采样的数据按照危险级的不同进行分组，并向网关发送。当危险级为高时，向网关发送警报信息。

网关按照不同的危险级，分类对上传来的数据进行处理和转发。

本发明的有益效果主要表现在：时效性良好、可靠性强、使用成本低、维护方便。

附图说明

图1是危险评定图。

图2是弧垂危险等级高时，传感器终端的工作流程图。

图3是弧垂危险等级低时，传感器终端的工作流程图。

图4是基于数据的危险级，网关上传数据的流程图

图5是网关的工作机制的示意图。

图6是传感器终端工作机制的示意图。

图7是悬挂点不等高时输电线路风偏下的受力图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图7，一种用于输电线在线检测系统的智能前端系统，所述智能前端系统包括智能传感器终端和智能网关，所述的智能传感器终端包括：

危险级别分级模块，根据网关指令设定危险级阈值；根据当前的检测数据得到数据危险等级，所述危险等级分为高、中、低；

数据采集和传输周期实时调整模块，用以依照危险级别分级模块评定的结果进行调整，具体如下：

根据缺省数据危险级，设定相应的数据采样和传输的密度；

当数据危险等级提高时，提高数据采样和传输的密度；

当数据危险等级不变时，数据采样和传输的密度不变；

当数据危险等级降低时，降低数据采样和传输的密度；

报警模块，用以当数据危险等级为高时向网关发出报警信号；

所述智能网关包括：

数据采集模块，用以接收安装在输电线上的传感器的检测数据；

危险级别评定模块，用于依照数据危险级评定数学模型对数据的分级阈值进行计算，得到危险级分级阈值，并向相应的传感器终端发出设定阈值的指令；所述数据危险级评定模型采用阈值设定方式；所述危险等级分为高、中、低；

报警模块，用以当数据危险等级为高时发出报警信号。

进一步，所述智能网关还包括：数据发送方式选择模块，用以依照危险级别评定模块的结果进行发送方式选择，对于弧垂危险等级为高的数据进行信道编码和ARQ传输；对于弧垂危险等级为中的数据加入CRC校验码并进行ARQ传输；对于风弧垂危险等级为低的数据加入CRC校验码后，采取UDP传输。

更进一步，所述智能网关还包括：报警模块，用以当数据为危险级高时，向控制中心发出报警信号，在没有收到控制中心的复位信号的情况下，每隔30秒重发一次。

所述当前的检测数据为风速或弧垂。当然，也可以选用其他可以表征线路运行状态的参数。

输电线路弧垂是判定线路运行状态的关键参数，其大小对线路安全稳定运行有着非常大的影响。这里，以弧垂作为例子，说明数据危险级数学模型和危险级分级方式。

假设输电线检测的任一参数p和危险参数q存在依存关系f:q＝f(p)。例如，图1中，p为弧垂，即横坐标代表弧垂，纵坐标代表危险参数q：

1)当弧垂0≤p<p₁时，危险参数0≤q＜q₁，表示危险级为低。

2)当弧垂p₁≤p<p₂时，危险参数q₁≤q＜q₂，表示危险级为中。

3)当弧垂时p₂≤p≤p₃，危险参数q₂≤q≤q₃，表示危险级为高。

弧垂危险评定模型可以采用最简单的阈值设定的方式。最大弧垂可以参考文献《基于输电线路轴向张力的导线弧垂在线监测系统》推导得出，具体的推导过程如下。

图7为悬挂点不等高架空输电导线受风时的偏斜受力情况。

无风时电线位于垂直平面ABCD内，电线上仅有铅锤向下的垂直比载γ_h。当电线受到横向风荷载时，电线各点自垂直面内沿风向移动。荷载对AB轴的转矩等于零时为止，如图7中，电线由C点移到c′点，

σ₀是与比载作用线相垂直的纵向应力分量，也称水平应力，N/mm²；

$(1+\frac{h^2}{l^2}){{\mathrm{\&sigma;}}_0}^2-\frac{{\mathrm{\&gamma;}}^{\&prime;}h\cos \mathrm{\&eta;}}{\cos \mathrm{\&beta;}}{\mathrm{\&sigma;}}_0+\frac{l^2{\mathrm{\&gamma;}}^{{\&prime;}^2}}{4\cos {\mathrm{\&beta;}}^2}-\frac{T^2}{S^2}=0---\left(1\right)$

可以简化为公式（2）。

Eσ₀ ²+Fσ₀+G＝0(2)

其中：

$E=1+\frac{h^2}{l^2}---\left(3\right)$

$F=-\frac{{\mathrm{\&gamma;}}^{\&prime;}h\cos \mathrm{\&eta;}}{\cos \mathrm{\&beta;}}---\left(4\right)$

$G=\frac{l^2{\mathrm{\&gamma;}}^{{\&prime;}^2}}{4\cos {\mathrm{\&beta;}}^2}-\frac{T^2}{S^2}---\left(5\right)$

最后求得σ₀：

${\mathrm{\&sigma;}}_0=\frac{-F\&PlusMinus;\sqrt{F^2-4\mathrm{EG}}}{2E}---\left(6\right)$

弧垂D：

$D=\frac{{\mathrm{\&gamma;l}}^2}{8{\mathrm{\&sigma;}}_0\cos \mathrm{\&beta;}}---\left(7\right)$

根据实际情况用公式（6）求得σ₀，然后代入公式（7）中可以求得弧垂D。

其中：

l——耐张段各档的档距，m；

γ——线路单位水平投影长度上综合比载，包含自重比载，风压比载和覆冰比载，N/m；

h——导线悬挂点高差，m；

β——耐张段各档架空线悬挂点高差角，β＝tan^-1(h/l)。

η——风偏角，即综合比载作用线与铅垂线间的夹角，

γ′——综合比载，式中γ_v为风压比载。

σ′_A——A点轴向应力，N/mm²。

T——轴向张力，N。

S——线路截面积，mm²。

然后根据《1l0kV～750kV架空输电线路设计规范》(GB_50545-2010)中的5.0.8：导、地线在弧垂最低点的最大张力应按下式计算：

$T_{\max }\&le;\frac{T^p}{K_c}---\left(8\right)$

公式中：T_max——导、地线在弧垂最低点的最大张力（N）；

T_p——导、地线的拉断力（N）；

K_c——导、地线的设计安全系数。

《1l0kV～750kV架空输电线路设计规范》(GB_50545-2010)中的5.0.7：导、地线在弧垂最低点的设计安全系数不应小于2.5，悬挂点的设计安全系数不应小于2.25。

根据《1l0kV～750kV架空输电线路设计规范》(GB_50545-2010)中的5.0.8和5.0.7，导、地线的设计安全系数取2.5，则将T_max代入公式（1）得，

$(1+\frac{h^2}{l^2}){{\mathrm{\&sigma;}}_0}^2-\frac{{\mathrm{\&gamma;}}^{\&prime;}h\cos \mathrm{\&eta;}}{\cos \mathrm{\&beta;}}{\mathrm{\&sigma;}}_0+\frac{l^2{\mathrm{\&gamma;}}^{{\&prime;}^2}}{4\cos {\mathrm{\&beta;}}^2}-\frac{{T_p}^2}{6.25S^2}=0---\left(9\right)$

根据公式（9）求得σ₀，将σ₀代入公式（7）求得该段输电线的最大安全弧垂为D_max。

根据以上数学模型可以得到输电线路设计的最大安全弧垂为D_max，当测量弧垂达到90%的最大安全弧垂，即评为危险级高；到达50%时，为危险级中；50%以下，为危险级低。也可以根据其它设定的方法或需要进行阈值设定。

前端系统主要的任务是传感器采集数据，将这些数据分级，并上传给网关，并将这些数据根据重要性/危险级上传给监控中心。下面分两部分介绍前端系统的工作机制，一是基于危险级别和相应的处理策略，传感器终端自动调整自己的数据采样和传输密度和处理方法；二是根据危险级别，网关采用不同的数据处理和传输方式。

传感器终端根据危险级别采取不同的工作机制。比如弧垂传感器终端采集弧垂数据，然后判定该弧垂数据的危险级。假设现在弧垂传感器终端的危险级为中，采样时间间隔是T。

（1）判定该弧垂数据的危险级为高时，弧垂传感器终端自动增大数据的采样和传输密度，减小弧垂的采样和传输的时间间隔，这时候弧垂的采样时间间隔变为T/2。这也意味着，数据传输间隔同时降低至T/2。

（2）判定该弧垂数据的危险级为中时，保持现在的弧垂采样和传输密度，这时候弧垂的采样时间间隔和数据传输间隔保持为T。

（3）判定该弧垂数据的危险级为低时，弧垂传感器终端自动减小数据的采样和传输密度，增大弧垂的采样时间间隔和数据传输间隔。这时候弧垂的采样时间间隔和数据传输间隔一般设为2T。

网关接收传感器终端传来的数据，根据它们的危险级，归入相应的队列进行处理；并根据网关和监控中心通信的网络状况，先处理和传输危险级较高的数据，再处理和传输危险级较低的数据。

根据危险级别不同，将数据分为三组：

1)第一组是危险级高的数据，

2)第二组是危险级为中的数据，

3)第三组是危险级低的数据。

当网关接收到数据时，按照危险级分别存放在三个相应的接收队列中，进行错误校验、确认接收或要求重传等工作，如图5所示。这三个处理队列通过统一的预警协调机制管理下工作。

它们采用不同的传输机制，危险级高或中的数据采用纠错能力高的信道编码或CRC编码和ARQ机制（Automatic Repeat-reQuest，自动重传请求）进行可靠性传输；危险级低的数据采用CRC编码和UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)进行传输。

基于预警和报警机制，网关按照危险级进行数据传输的具体方式如下：

网关接收到传感器终端上传来的警报信息时，立即向控制中心转发。在没有收到控制中心的复位信号的情况下，每隔30秒重发一次。

危险级高的数据：进行无延时、可靠性传输。危险高的数据先于危险级中和低的数据进行处理和发送。网关一旦接受到危险级高的数据，对数据包进行纠错能力高的信道编码后，立刻向控制中心进行ARQ可靠性转发，保证数据一定能及时到达控制中心。在控制中心，如果接受到的数据有错误，可以通过信道编码加以纠正；如果纠错失败，则要求网关进行重传。

危险级中的数据：网关先进行错误校验，验证无误后，存储这些数据。在没有危险级高的数据等待处理的情况下，将来自不同传感器的数据进行整合、压缩、CRC编码和打包处理；当没有危险级高的数据等待的情况下，在一个相对小的延时后，进行ARQ可靠性转发。在控制中心，接收数据，校验CRC；如果CRC错误，要求网关重传数据。

危险级低的数据：网关对收到的数据进行错误校验。验证正确后，存储。将来自不同传感器的数据进行整合、压缩、CRC校验和打包。在没有更高危险级数据等待传输的情况下，以固定的时间间隔，通过UDP向控制中心转发。在控制中心，接收数据，校验CRC；如果CRC错误，要求网关在下一次数据传输时，将前一次数据一并发送。

Claims (4)

1.一种用于输电线在线检测系统的智能前端系统，其特征在于：所述智能前端系统包括智能传感器终端和智能网关，所述的智能传感器终端包括：

危险级别分级模块，根据网关指令设定危险级阈值；根据当前的检测数据得到数据危险等级，所述危险等级分为高、中、低；

数据采集和传输周期实时调整模块，用以依照危险级别分级模块评定的结果进行调整，具体如下：

首先，根据缺省危险级，设定相应的数据采样和传输的密度；

当数据危险等级提高时，加大数据采样和传输的密度；

当数据危险等级不变时，数据采样和传输的密度不变；

当数据危险等级降低时，减小数据采样和传输的密度；

报警模块，用以当数据危险等级为高时向网关发出报警信号；

所述智能网关包括：

数据采集模块，用以接收安装在输电线上的传感器终端发来的检测数据；

危险级别评定模块，用于依照数据危险级评定数学模型对数据的分级阈值进行计算，得到危险级分级阈值，并向相应的传感器终端发出设定阈值的指令；所述数据危险级评定数学模型的计算结果采用阈值设定方式；所述危险等级分为高、中、低；

报警模块，用以当数据危险等级为高时发出报警信号。

2.2.如权利要求1所述的用于输电线在线检测系统的智能前端系统，其特征在于：所述智能网关还包括：

数据发送方式选择模块，用以依照危险级别评定模块的结果进行发送方式选择，对于数据危险等级为高的数据进行纠错能力高的信道编码和ARQ传输；对于数据危险等级为中的数据加入CRC校验码并进行ARQ传输；对于数据危险等级为低的数据加入CRC校验码后，采取UDP传输。

3.3.如权利要求1或2所述的用于输电线在线检测系统的智能前端系统，其特征在于：所述智能网关中的报警模块，用以当数据为危险等级为高时，向控制中心发出报警信号，在没有收到控制中心的复位信号的情况下，每隔30秒重发一次。

4.4.如权利要求1或2所述的用于输电线在线检测系统的智能前端系统，其特征在于：所述当前的检测数据为风速或弧垂。