CN103292659B - 基于角度传感器的输电线路导线弧垂测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于角度传感器的输电线路导线弧垂测量方法，1）安装倾角式角度传感器测量输电线路导线的弧垂；2）监测分机接收监控中心发送的工作信号后通过安装在现场杆塔绝缘子上的倾角式角度传感器采集输电线路导线两端的风偏倾角数据，并将获取的所有风偏倾角数据依次传输至监测分机和监控中心；3）利用监控中心内嵌的专家软件和输电线路导线的风偏倾角数据计算输电线路导线的弧垂值f；4）根据输电线路导线的弧垂值f判断其是否处于安全范围内。本发明的基于角度传感器的输电线路导线弧垂测量方法能够快速检测输电线路导线弧垂的大小，预防因导线弧垂过大或过小造成的架空线路事故。

Description

基于角度传感器的输电线路导线弧垂测量方法

技术领域

本发明属于电力系统在线监测技术领域，涉及一种基于角度传感器的输电线路导线弧垂测量方法。

背景技术

输电线路导线弧垂是输电线路设计和运行的主要指标，而高压线在运行和施工架线中都会碰到观测导线弧垂的问题。

输电线路导线弧垂测量对于控制线路的安全运行起到了很重要的作用，尤其是新架线路经过一段时间后，导线会产生不同程度的下垂，为了安全，进行输电线路导线弧垂监测是很有必要的，这样才能为高压线的安全运行提供可靠的数据。其中，若输电线路导线弧垂过大，可能在大风时或故障时电动力的作用下，导线发生大幅度摆动而混线引起短路；同时会因为导线下方交叉路及道路、建筑物距离不够而发生事故。若输电线路导线弧垂过小，导线的承受应力过大，易发生导线断线的事故。

监测架空线上输电线路导线的弧垂情况，常用的方法有：等长法、异长法、角度法和平视法四种。不等长样板条法和测档内线高法，解析法等这些方法都需要借助一些数学模型，但是在环境复杂的情况下，这些模型参数是不易测量的。因此，如何简单、可靠、快速的自动监测输电线路导线弧垂的大小是消除该安全隐患的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于角度传感器的输电线路导线弧垂测量方法，能够快速检测输电线路导线弧垂的大小，预防因导线弧垂过大或过小造成的架空线路事故。

本发明所采用的技术方案是，基于角度传感器的输电线路导线弧垂测量方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、安装倾角式角度传感器，开始测量输电线路导线的弧垂；

步骤2、监测分机接收监控中心发送的工作信号后，通过杆塔绝缘子上的倾角式角度传感器采集输电线路导线的风偏倾角数据，并将获取的风偏倾角数据依次传输至监测分机、监控中心；

步骤3、利用监控中心内嵌入的专家软件和步骤2得到的输电线路导线的风偏倾角数据计算输电线路导线的弧垂值f；

步骤4、根据步骤3中计算出的输电线路导线的弧垂值f，判断输电线路导线的弧垂值f是否处于安全范围内。

本发明的特点还在于，

步骤1具体按照以下方法实施：

将两个倾角式角度传感器分别安装在一个档距为h的两个杆塔上的绝缘子上，倾角式角度传感器的中心线与输电线路导线、绝缘子各自在水平面内平行，平视输电线路导线，三者位于一条水平线上，输电线路导线处于倾角式角度传感器下部延伸处。

步骤2.1、由监控中心发出的工作信号，安装在杆塔上的监测分机接收监控中心发送的工作信号后，分别驱动两个安装在绝缘子上的倾角式角度传感器开始进行一个周期内的输电线路导线的风偏倾角采集；

步骤2.2、经步骤2.1、两个倾角式角度传感器分别将采集到的输电线路导线两端的风偏倾角数据通过RS485有线方式传送至监测分机，监测分机再将所有输电线路导线风偏倾角数据通过网络传送至监控中心；

步骤2.3、经步骤2.2，监控中心将接收到的每个倾角式角度传感器采集的一组输电线路导线的风偏倾角数据进行求平均值处理，分别获取均衡的输电线路导线的风偏倾角和具体按照以下算法实施：

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\θ}}_A}=\frac{1}{10}\underset{1}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}_i,(i=\mathrm{1,2,3}...10);$

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\θ}}_B}=\frac{1}{10}\underset{1}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}_j,(j=\mathrm{1,2,3}...10).$

步骤2.1中倾角式角度传感器1采集输电线路导线的风偏倾角具体按照以下方法实施：每次采集周期内，每个倾角式角度传感器采集10次输电线路导线风偏倾角数据，每次采集输电线路导线风偏倾角数据时间间隔为30s，每个倾角式角度传感器将采集到的10个输电线路导线风偏倾角数据作为一组数据。

步骤2.2中的监测分机是通过GPRS网络或Internet网络将所有输电线路导线风偏倾角数据传送至监控中心。

步骤3具体按照以下方法实施：

比较两个倾角式角度传感器1获取的输电线路导线的风偏倾角θ_A和θ_B的大小，计算输电线路导线的弧垂值：

若θ_A=θ_B=θ，则按照以下算法计算输电线路导线的弧垂值；

f＝(L/4)(tanθ+h/L)；

若θ_A≠θ_B，则按照以下算法之一计算输电线路导线的弧垂值：

f＝(L/4)(tanθ_A+h/L)；

或f＝(L/4)(tanθ_B-h/L)。

步骤4具体按照以下方法实施：

输电线路导线的弧垂值处于安全范围内，则经时间间隔后重复步骤2进行下一周期的检查；

输电线路导线的弧垂值大于安全范围的最大值或小于安全范围的最小值，即不在安全范围内，则发出警报。

本发明的有益效果在于，

（1）与现有的系统相比，采用本发明的基于角度传感器的输电线路导线弧垂测量方法所用到的设备较少，结构简单，成本低廉；

（2）本发明的基于角度传感器的输电线路导线弧垂测量方法能充分利用灵敏传感器技术及无线传输技术，便于监控中心远程处理数据并对电力网络的弧垂状况进行全局的监控，克服了现有系统的诸多不足；

（3）本发明的基于角度传感器的输电线路导线弧垂测量方法建立了准确的数学模型，通过倾角度传感器及简单的数学计算即可获取弧垂大小的数据，实施起来非常简便；

（4）本发明的基于角度传感器的输电线路导线弧垂测量方法可实现在远程的监控中心通过编制程序来集中处理采样倾角数据及进行相关的计算，以获得整个电网弧垂的全局数据，有利于实现自动化的安全监控，具有重大的使用价值意义。

附图说明

图1是本发明的基于角度传感器的输电线路导线弧垂测量方法的流程图；

图2是本发明中采用的倾角式角度传感器与输电线路上绝缘子的相对位置关系示意图；

图3是本发明的基于角度传感器的输电线路导线弧垂测量方法中采用的倾角式角度传感器进行采样的工作原理图；

图4是本发明的基于角度传感器的输电线路导线弧垂测量方法中建立数学模型的原理图。

图中，1.倾角式角度传感器，2.绝缘子，3.监测分机，4.监测中心，5.输电线路导线。

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。

本发明的基于角度传感器的输电线路导线弧垂测量方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1、安装倾角式角度传感器1，开始测量输电线路导线的弧垂：

将两个倾角式角度传感器1分别安装在一个档距为h的两个杆塔上的绝缘子2上，倾角式角度传感器1的中心线与输电线路导线5、绝缘子2各自在水平面内平行，平视输电线路导线5，三者位于一条水平线上，如图2所示，输电线路导线5处于倾角式角度传感器1下部延伸处。

步骤2、监测分机3接收监控中心4发送的工作信号后，通过现场杆塔绝缘子2上的倾角式角度传感器1采集输电线路导线的风偏倾角数据，并将获取的风偏倾角数据依次传输至监测分机3、监控中心4，如图3所示，具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、由监控中心4发出的工作信号，安装在杆塔上的监测分机3接收监控中心4发送的工作信号后，分别驱动两个安装在绝缘子2上的倾角式角度传感器1开始进行一个周期内的输电线路导线的风偏倾角采集；

每个采集周期内，每个倾角式角度传感器1采集10次输电线路导线风偏倾角数据，每个周期内采集输电线路导线风偏倾角数据时间间隔为30s，每个倾角式角度传感器1将采集到的10个输电线路导线风偏倾角数据作为一组数据；

步骤2.2、经步骤2.1、两个倾角式角度传感器1分别将采集到的输电线路导线两端的风偏倾角数据通过RS485有线方式传送至监测分机3，监测分机3再将所有输电线路导线风偏倾角数据通过GPRS网络或Internet网传送至监控中心4；

步骤2.3、经步骤2.2，监控中心4将接收到的每个倾角式角度传感器1采集的一组输电线路导线的风偏倾角数据进行求平均值处理，分别获取均衡的输电线路导线的风偏倾角和

为了确保数据的准确性，将每次采集的倾角数据进行平均数据处理，求取一个均衡的数据作为最终输电线路导线的倾角，具体按照以下算法实施：

${\mathrm{\θ}}_A=\frac{1}{10}({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2+{\mathrm{\θ}}_3+{\mathrm{\θ}}_4+{\mathrm{\θ}}_5+{\mathrm{\θ}}_6+{\mathrm{\θ}}_7+{\mathrm{\θ}}_8+{\mathrm{\θ}}_9+{\mathrm{\θ}}_{10});$

${\mathrm{\θ}}_B=\frac{1}{10}({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2+{\mathrm{\θ}}_3+{\mathrm{\θ}}_4+{\mathrm{\θ}}_5+{\mathrm{\θ}}_6+{\mathrm{\θ}}_7+{\mathrm{\θ}}_8+{\mathrm{\θ}}_9+{\mathrm{\θ}}_{10});$

即 $\stackrel{\‾}{{\mathrm{\θ}}_A}=\frac{1}{10}\underset{1}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}_i,(i=\mathrm{1,2,3}...10);$

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\θ}}_B}=\frac{1}{10}\underset{1}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}_j,(j=\mathrm{1,2,3}...10).$

步骤3、利用监控中心4内嵌入的专家软件和步骤2得到的输电线路导线的风偏倾角数据计算输电线路导线的弧垂值f：

如图4所示，输电线路导线两端的两个悬挂点A、B间的档距为L，高差为h（悬挂点B高于悬挂点A），f为输电线路导线的弧垂值，α为参考角度，则输电线路导线档内最大的弧垂f_max按以下算法实施：

f_max＝L²m/8δcosα（1）；

式中,δ为架空输电线路导线最低点水平张力,m为架空输电线路导线单位长度的自重力（荷载）；所以通过实时测量架空输电线路导线张力测得实时弧垂在理论上是比较方便。

其中，悬挂点A、B处架空输电线路的倾斜角分别为：

θ_A＝arctan(Lw/2Hcosα-h/L)（2）；

θ_B＝arctan(Lw/2Hcosα+h/L)（3）；

比较两个倾角式角度传感器1获取的输电线路导线的风偏倾角θ_A和θ_B的大小，计算输电线路导线的弧垂值：

若θ_A=θ_B=θ，则按照以下算法计算输电线路导线的弧垂值；

f＝(L/4)(tanθ+h/L)；

若θ_A≠θ_B，将式（2）、（3）中w/H代入式（1）得到导线弧垂数学模型为，输电线路导线的弧垂值按以下算法实施：

f＝(L/4)(tanθ_A+h/L)（4）；

或f＝(L/4)(tanθ_B-h/L)（5）。

步骤4、根据步骤3中计算出的输电线路导线的弧垂值f，判断输电线路导线的弧垂值f是否处于安全范围内：

输电线路导线的弧垂值若处于安全范围内，则经2h间隔后重复步骤2进行下一个周期输电线路导线弧垂的检查；

输电线路导线的弧垂值若大于安全范围的最大值或小于安全范围的最小值，即不在安全范围内，则发出警报，以便于引起工作人员的注意。其中预警信息是通过监控中心4内嵌入的专家软件上集成的算法实现，如果出现异常，则发送手机短信通知相关工作人员。

国网规定，倾角角度的测量范围：-60°～+60°；倾角测量精度：±0.03°；输电线路导线弧垂测量范围：2m～200m，测量精度：±2.0%；导线对地距离测量范围：3m～50m，测量精度：±2.0%。一般安全范围和导线排列、杆塔类型、地理环境等密切相关。

本发明的基于角度传感器的输电线路导线弧垂测量方法主要是用于监测架空输电线导线的弧垂值，导线弧垂过大容易造成相间短路以及对地安全距离不够、过小导线承受的拉力过大造成断线，这是需要进行报警，以便工作人员及时采取措施进行处理。

由于输电线路导线弧垂的计算与导线最低点应力有密切关系，而输电线路导线最低点应力目前无法直接获得，只有通过实验进行测定，所以目前对导线弧垂的计算暂且只停留在理论方面。

本发明的基于角度传感器的输电线路导线弧垂测量方法中涉及输电线路导线的算法，其创新之处在于：如图4所示，通过架空输电线路悬挂点A、B处的倾角与荷载（w导线单位长度的荷载）之间的一个简单代换，从公式中消除了导线的应力，从而使得导线弧垂的计算中没有应力的参与，使得导线弧垂的计算得到了大大简化，同时也变得可行。其中，输电线路导线倾角直接反应了导线弧垂的大小，对导线倾角进行了数学处理之后，就可应用至直接计算导线弧垂大小上。

输电线路导线两个悬挂点A、B间的档距为L；高差为h（悬挂点B高于悬挂点A），f为导线的弧垂大小，α为参考角度，导线档内最大的弧垂为（如图4所示）

f＝L²m/8δcosα（1）；

式（1）中,δ为导线最低点水平张力,m为输电线路导线单位长度的自重力（荷载）。通过实时测量导线张力测得实时输电线路弧垂在理论上是比较方便。

悬挂点A、B处导线的倾斜角分别为：

θ_A＝arctan(Lm/2δcosα-h/L)（2）；

θ_B＝arctan(Lm/2δcosα+h/L)（3）；

将式（2）、（3）中w/H代入式（1）可得:

f＝(L/4)(tanθ_A+h/L)（4）；

或f＝(L/4)(tanθ_B-h/L)（5）；

该函数关系表明：悬挂点倾角可以直接简单方便的反映输电线路导线的弧垂值，这组公式就是实时测量悬挂点倾斜角监测导线弧垂的依据。

架空输电线路导线在工程计算上常忽略它的刚度而视为柔索,这样导线就可用悬链线或抛物线方程来计算,本发明采用抛物线方程计算,虽精度略差但计算较简单,误差在工程允许范围内。

实施例：

利用输电线路导线一端的倾角式角度传感器获取输电线路导线一端的风偏倾角：

其中两个悬挂点A、B间的档距L=300m，两个悬挂点A、B处于同一高度即高度差h=0；

根据输电线路导线的风偏倾角θ_A和专家软件中的输电线路导线弧垂数学模型计算出架空输电线路导线的弧垂值f，

f＝(L/4)(tanθ_A+h/L)=10.0071m；

本次检测弧垂是10.0071m，根据经验判断此值在安全范围之内，等待2小时候重新开始下一个检测周期。

Claims (7)

1.基于角度传感器的输电线路导线弧垂测量方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、安装倾角式角度传感器(1)，开始测量输电线路导线的弧垂；

步骤2、监测分机(3)接收监控中心(4)发送的工作信号后，通过杆塔绝缘子(2)上的倾角式角度传感器(1)采集输电线路导线的风偏倾角数据，并将获取的风偏倾角数据依次传输至监测分机(3)、监控中心(4)；

步骤3、利用监控中心(4)内嵌入的专家软件和步骤2得到的输电线路导线的风偏倾角数据计算输电线路导线的弧垂值f；

步骤4、根据步骤3中计算出的输电线路导线的弧垂值f，判断输电线路导线的弧垂值f是否处于安全范围内。

2.根据权利要求1所述的基于角度传感器的输电线路导线弧垂测量方法，其特征在于，所述步骤1具体按照以下方法实施：

将两个倾角式角度传感器(1)分别安装在一个档距为h的两个杆塔上的绝缘子(2)上，倾角式角度传感器(1)的中心线与输电线路导线(5)、绝缘子(2)各自在水平面内平行，平视输电线路导线(5)，三者位于一条水平线上，输电线路导线(5)处于倾角式角度传感器(1)下部延伸处。

3.根据权利要求1所述的基于角度传感器的输电线路导线弧垂测量方法，其特征在于，所述步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、由监控中心(4)发出的工作信号，安装在杆塔上的监测分机(3)接收监控中心(4)发送的工作信号后，分别驱动两个安装在绝缘子(2)上的倾角式角度传感器(1)开始进行一个周期内的输电线路导线的风偏倾角采集；

步骤2.2、经步骤2.1，两个倾角式角度传感器(1)分别将采集到的输电线路导线两端的风偏倾角数据通过RS485有线方式传送至监测分机(3)，监测分机(3)再将所有输电线路导线风偏倾角数据通过网络传送至监控中心(4)；

步骤2.3、经步骤2.2，监控中心(4)将接收到的每个倾角式角度传感器(1)采集的一组输电线路导线的风偏倾角数据进行求平均值处理，分别获取均衡的输电线路导线的风偏倾角和具体按照以下算法实施：

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\θ}}_A}=\frac{1}{10}\underset{1}{\overset{10}{\Σ}}{\mathrm{\θ}}_i,(i=1,2,3...10);$

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\θ}}_B}=\frac{1}{10}\underset{1}{\overset{10}{\Σ}}{\mathrm{\θ}}_j,(j=1,2,3...10);$

θ表示风偏倾角。

4.根据权利要求3所述的基于角度传感器的输电线路导线弧垂测量方法，其特征在于，所述步骤2.1中倾角式角度传感器(1)采集输电线路导线的风偏倾角具体按照以下方法实施：

在每个采集周期内，每个倾角式角度传感器(1)采集10次输电线路导线的风偏倾角数据，每次采集输电线路导线风偏倾角数据时间间隔为30s，每个倾角式角度传感器(1)将采集到的10个输电线路导线风偏倾角数据作为一组数据。

5.根据权利要求3所述的基于角度传感器的输电线路导线弧垂测量方法，其特征在于，所述步骤2.2中的监测分机(3)是通过GPRS网络或Internet网络将所有输电线路导线风偏倾角数据传送至监控中心(4)。

6.根据权利要求1所述的基于角度传感器的输电线路导线弧垂测量方法，其特征在于，所述步骤3具体按照以下方法实施：

比较倾角式角度传感器(1)获取的输电线路导线的风偏倾角θ_A和θ_B的大小，计算输电线路导线的弧垂值：

若θ_A＝θ_B＝θ，则按照以下算法计算输电线路导线的弧垂值；

f＝(L/4)(tanθ+h/L)；

若θ_A≠θ_B，则按照以下算法之一计算输电线路导线的弧垂值：

f＝(L/4)(tanθ_A+h/L)；

或f＝(L/4)(tanθ_B-h/L)；

其中，输电线路导线两端的两个悬挂点A、B间的档距为L，高差为h。

7.根据权利要求1所述的基于角度传感器的输电线路导线弧垂测量方法，其特征在于，所述步骤4具体按照以下方法实施：

输电线路导线的弧垂值处于安全范围内，则经时间间隔后重复步骤2进行下一周期的检查；

输电线路导线的弧垂值大于安全范围的最大值或小于安全范围的最小值，即不在安全范围内，则发出警报。