CN103438848A - 输电线路弧垂监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电力系统监控技术领域，具体涉及一种输电线路弧垂监测方法，包括步骤：（1）在杆塔上的导线悬挂点安装倾角传感器；（2）测量导线的运行状态参数，包括导线的水平倾角和舞动倾角；（3）根据导线的运行状态，采用相应的弧垂测算式测算导线的弧垂高度；（4）判断导线的弧垂高度是否超出安全阈值范围，如果是则报警。本发明输电线路弧垂监测方法，可对输电线路中导线的弧垂高度进行实时测量，不受导线所处的环境限制，且根据导线的不同运行状态采用不同的弧垂测算式，精度高，可很好的预防导线因弧垂过高而导致的安全事故，保障电力运行安全，且操作简单，且费用低。

Description

输电线路弧垂监测方法

技术领域

本发明涉及电力系统监控技术领域，特别涉及一种输电线路弧垂监测方法。

背景技术

输电线路中，如果导线的弧垂高度超出一定范围，会使得导线由于交叉跨越距离不够而放电，危及电力生产和输电线路周边安全，因此，导线的弧垂高度必须限制在一定的阈值范围内，以保障输电线路的安全稳定运行。然而，导线的弧垂高度受导线的温度（负荷情况和环境温度会引起导线温度变化）、当前气象条件（如风向、风速等）的影响较大，随时都可能发生弧垂高度超限的情况。为了保障输电线路的安全运行，提高电网运行的可靠性，需要对导线的弧垂高度进行实时监测。

传统的弧垂监测方法有异长法、角度法、档端观测法等，这些方法需要派巡检人员到现场进行测量，其精度受到角度测量和目估读数的影响较大，测量过程烦琐，且周期长、费用高。随着图像处理技术和通信技术的发展，出现了基于图像识别的弧垂监测方法。在输电线路上安装图像标靶，然后由照相机实时拍摄输电线路的照片，根据输电线路与图像标靶的位置关系，利用模式识别和数值计算等方式计算出弧垂高度。受图像识别技术限制，只能识别环境简单、目标清晰的弧垂高度，不能识别出处于复杂环境中的输电线的弧垂高度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的上述问题，提供一种输电线路弧垂监测方法，通过该方法实现输电线路中导线弧垂高度实时测量，不受环境限制，精度高，且操作简单，费用低。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种输电线路弧垂监测方法，包括以下步骤：

（1）在杆塔上的导线悬挂点安装倾角传感器；

（2）测量导线的运行状态参数，包括导线的水平倾角、舞动倾角和两个杆塔之间的档距；所述舞动倾角是指导线所在平面与垂直平面的夹角，所述水平倾角是指静止时导线悬挂点的切线与水平面之间的夹角，所述静止是指舞动倾角小于设定阈值；

（3）根据导线的运行状态和两个杆塔之间的档距，采用相应的弧垂测算式测算导线的弧垂高度；

（4）判断导线的弧垂高度是否超出安全范围，如果是，则报警。

进一步的，步骤（1）中安装倾角传感器的过程中，多次调节倾角传感器的安装角度，每调节一次进行一次弧垂测算，并将测算所得的弧垂高度与实际测量的弧垂高度进行比较，如果误差在允许的范围内则安装完成。

进一步的，步骤（2）中所述设定阈值为0°～5°。优选的，所述设定阈值根据两个杆塔之间的档距不同而设置得不同。进一步的，当档距小于等于500m时，设定阈值为5°；当档距为500m～1000m时，设定阈值为3°；当档距大于1000m时，设定阈值为1°。

进一步的，步骤（3）根据导线的运行状态，采用相应的弧垂测算式测算导线的弧垂高度包括：

如果导线处于静止状态，则根据 $f\left(x\right)=\frac{H}{L}x-\frac{\mathrm{\σ}}{g}\cosh \left(\right|\frac{\mathrm{\σ}}{g}x\left|\right)+\frac{H}{L}a+\frac{\mathrm{\σ}}{g}\cosh \left|\frac{\mathrm{ga}}{\mathrm{\σ}}\right|,$

求解出导线上任意点的弧垂高度；其中，H为安装导线的两个杆塔之间的高度差，L为两个杆塔之间的水平距离，σ为水平应力，g为导线比载；所述静止状态是指导线的舞动倾角小于等于设定阈值；

如果导线舞动，则继续判断两个杆塔的高度差是否为零，如果高度差为零，则根据

求解出导线上任意点的弧垂高度和导线水平舞动幅度；其中，∣Z∣为导线水平舞动幅度，

为测量所得的舞动倾角；所述导线舞动是指舞动角度大于设定阈值；

如果导线舞动，且安装导线的两个杆塔的高度差不为零，则采用牛顿迭代法对式 $f\left(w\right)=w+\frac{1}{p-\frac{H}{L}}\cosh w-\frac{p}{k(p-\frac{H}{L})}x-\frac{c}{k(p-\frac{H}{L})}-\frac{1}{p-\frac{H}{L}}=0$ 进行计算，求解出W，然后根据

$w=\frac{x}{k}+\frac{s}{\mathrm{kt}}\left|z\right|$ 求解出导线上任意点的弧垂高度和导线水平舞动幅度；其中， $n=\frac{L}{\sqrt{H^2+L^2}};s=\frac{H}{\sqrt{H^2+L^2}};t=\tan \frac{\mathrm{\π}-\mathrm{\ξ}}{2};k=\frac{\mathrm{\σ}}{g};c=\frac{H}{L}a+\frac{\mathrm{\σ}}{g}(\cosh \left(\frac{\mathrm{\σ}}{g}a\right)-1),$ ξ为舞动时导线所在平面与静止时导线所在平面的夹角。

进一步的，根据导线的运行环境，导线比载g的取值不同，

根据导线的运行环境，导线比载g的取值如上表所示。

步骤（4）还包括判断导线的舞动倾角是否大于设定安全值步骤，如果是则报警。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明输电线路弧垂监测方法，利用倾角传感器采集导线水平倾角和垂直倾角，即可测算出导线弧垂高度，可对输电线路中导线的弧垂高度进行实时测量，不受导线所处的环境限制，适用性强。且本发明弧垂监测方法，弧垂测算不受人的主观因素影响，且根据导线的不同运行状态采用不同的弧垂测算式，精度高，可很好的预防导线因弧垂过高而导致的安全事故，保障电力运行安全。此外，本发明方法只需要在杆塔上安装检测导线运行状态的设备，然后根据采集的相应参数即可测算出弧垂高度，操作简单，费用低，很大程度的节约了成本。

附图说明：

图1为本发明输电线路弧垂监测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

参考图1，本发明提供的输电线路弧垂监测方法，包括以下步骤：

（1）在杆塔上的导线悬挂点安装倾角传感器。倾角传感器用于采集导线在悬挂点的角度，包括导线的水平倾角和垂直倾角。为了保障测得的倾角真实可靠，在安装倾角传感器的过程中，需要不断调节倾角传感器的安装角度，以寻求最佳安装位置。具体的，倾角传感器安装后，利用倾角传感器测得导线倾角，使导线静止时所测量的舞动倾角尽可能接近零，同时测算导线的当前弧垂，并将测算得出的弧垂与实际测量的弧垂作比较，当两者的差异尽可能小或者达到允许误差范围时，对应的安装位置即为倾角传感器的最佳安装位置。

（2）采用全站仪测量杆塔的高度，长度测量装置测量两个杆塔之间的距离（即档距）。

说明，本步骤不是必要步骤，一般情况下，在杆塔搭建时有详细的资料记录有杆塔高度及两个杆塔之间的距离，在没有详细的资料时才进执行本步骤。

（3）倾角传感器采集导线的水平倾角和舞动倾角，以导线的其中一个悬挂点为起始点，水平倾角是指导线不存在舞动现象时，导线与水平面之间的夹角，舞动倾角是指导线与垂直平面的夹角，也可称为水平面上的转角。根据采集的舞动倾角判断导线是否存在舞动现象：

如果导线不存在舞动现象，则根据 $f\left(x\right)=\frac{H}{L}x-\frac{\mathrm{\σ}}{g}\cosh \left(\right|\frac{\mathrm{\σ}}{g}x\left|\right)+\frac{H}{L}a+\frac{\mathrm{\σ}}{g}\cosh \left|\frac{\mathrm{ga}}{\mathrm{\σ}}\right|,$ $a=\frac{L}{2}-\frac{\mathrm{\σ}}{g}{\sinh }^{-1}\left(\frac{H}{\frac{2\mathrm{\σ}}{g}\sinh \left(\frac{\mathrm{Lg}}{2\mathrm{\σ}}\right)}\right),$ 求解出导线上任意点的弧垂高度。当 $x_m=\frac{\mathrm{\σ}}{g}\mathrm{arcsinh}\left|\frac{H}{L}\right|$ 时有最大弧垂 $f_m=\frac{H}{L}{x}_m-\frac{\mathrm{\σ}}{g}\cosh \left|\frac{\mathrm{\σ}}{g}{x}_m\right|+\frac{H}{L}a+\frac{\mathrm{\σ}}{g}\cosh \left|\frac{\mathrm{ga}}{\mathrm{\σ}}\right|.$

其中，H为安装导线的两个杆塔之间的高度差，当两个杆塔等高（即高度差H=0）时，

L为两个杆塔之间的水平距离，即档距，σ为水平应力，g为导线比载，x为导线上任意点的x坐标，f(x)即为该点的弧垂高度。

需要说明的是，由于导线绝对静止是不存在的，即导线的舞动倾角不会为零，因此判断导线是否存在舞动现象的依据并不是舞动倾角为零，如果舞动倾角在设定的阈值范围内则可认为导线不存在舞动现象。经过大量试验验证，舞动倾角在5°以内（包括5°）可认为导线不存在舞动现有，测算出的弧垂高度与实际测量的弧垂高度误差非常小。为了进一步提高弧垂测算精度，判断导线是否存在舞动现象的阈值范围可根据两个杆塔之间的档距而设定。例如，在500m以内（包括500m）档距的阈值设定为5°，500m至1000m档距的阈值设定为3°，1000m以上档距的阈值设定为1°。

如果导线存在舞动现象，则继续判断安装导线的两个杆塔是否等高，即判断两个杆塔的高度差是否为零，如果高度差为零，则根据

求解出导线上任意点的弧垂高度和导线水平舞动幅度。其中，∣Z∣为导线水平舞动幅度，

为测量所得的舞动倾角。如果导线舞动幅度过大，水平舞动幅度超过了安全阈值范围，导线可能会触碰到周围物体，进而可能引起安全事故，因此，导线舞动时的水平舞动幅度也是需要控制的对象，需要确保导线水平舞动幅度在安全阈值范围内。

如果导线存在舞动现象，且安装导线的两个杆塔不等高（即存在高度差），则采用牛顿迭代法对式 $f\left(w\right)=w+\frac{1}{p-\frac{H}{L}}\cosh w-\frac{p}{k(p-\frac{H}{L})}x-\frac{c}{k(p-\frac{H}{L})}-\frac{1}{p-\frac{H}{L}}=0$ 进行计算，设初值

求解出W，然后根据

求解出导线上任意点的弧垂高度和导线水平舞动幅度；其中， $n=\frac{L}{\sqrt{H^2+L^2}};s=\frac{H}{\sqrt{H^2+L^2}};t=\tan \frac{\mathrm{\π}-\mathrm{\ξ}}{2};k=\frac{\mathrm{\σ}}{g};c=\frac{H}{L}a+\frac{\mathrm{\σ}}{g}(\cosh \left(\frac{\mathrm{\σ}}{g}a\right)-1),$ ξ为舞动时导线所在平面与静止时导线所在平面的夹角，可通过舞动倾角计算得出，

需要说明的是，g为导线比载，不同环境下g的取值不同，g的取值如表1所示。

表1

计算弧垂过程中涉及水平应力σ和导线比载g，可在导线悬挂点处安装应力测试仪，通过应力测试仪直接测量得到σ，然后进行弧垂计算。如表1所示，不同环境下导线比载g的取值不同，涉及的变量也不同，因此需要检测导线的运行环境，即检测覆冰厚度（当覆冰厚度为零时表示无覆冰）、风速，需要使用相应的测试仪器。测试仪器的使用必然会导致成本的提高，为了节约成本，较优的采用间接法实现弧垂计算。

具体的，设 $M=\frac{g}{\mathrm{\σ}}a=\mathrm{arcsinh}(\tan \mathrm{\θ}-\frac{H}{L}),$ 其中θ为由倾角传感器测得的导线的水平倾角，由tanθ可计算出M的值，由 $a=\frac{L}{2}-\frac{\mathrm{\σ}}{g}{\sinh }^{-1}\left(\frac{H}{\frac{2\mathrm{\σ}}{g}\sinh \left(\frac{\mathrm{Lg}}{2\mathrm{\σ}}\right)}\right)=\frac{L}{2}-{\mathrm{aM}}^{-1}\mathrm{arcsinh}\left|\frac{1}{2}{a}^{-1}\mathrm{MH}{\sinh }^{-1}\right|\frac{1}{2}{a}^{-1}\mathrm{ML}\left|\right|,$ 运用牛顿迭代法，设a的初值取可计算出a的值，由 $f\left(x\right)=\frac{H}{L}x-\frac{\mathrm{\σ}}{g}\cosh \left(\right|\frac{\mathrm{\σ}}{g}x\left|\right)+\frac{H}{L}a+\frac{\mathrm{\σ}}{g}\cosh \left|\frac{\mathrm{ga}}{\mathrm{\σ}}\right|=\frac{H}{L}x-{\mathrm{aM}}^{-1}\cosh \left|a^{-1}\mathrm{Mx}\right|+\frac{H}{L}a+{\mathrm{aM}}^{-1}\cosh \left|M\right|$ 即可得出导线上任意点的弧垂高度。由a和M的值可以计算出

的值，进而计算出

的值，进而可根据

计算出导线舞动且杆塔等高时导线任意点上的弧垂高度和水平舞动幅度。由

的值，采用牛顿迭代法设初值

可计算出W的值，进而根据

可计算出导线舞动且杆塔不等高时导线任意点上的弧垂高度和水平舞动幅度。

（4）判断导线最低点的弧垂高度（即最大弧垂）或导线水平舞动幅度是否超出安全阈值范围，如果最大弧垂和/或导线水平舞动幅度超出安全范围，则向监控人员发出报警提示，以便监控人员采取相应措施。安全范围是指小于等于安全阈值的范围。弧垂的安全阈值应根据输电线路实际运行环境而确定，例如，如果导线周边有障碍物，那么弧垂的安全阈值应设置为导线最低点不触碰到障碍物的距离。又如，如果导线超负荷运行，或者受到外力作用而使得弧垂过大，那么弧垂的安全阈值应设置为保障导线安全运行的最大值。水平舞动过大可能会产生共振，甚至直接断裂，水平舞动幅度的安全阈值也需要根据实际情况而定，主要参考是舞动倾角，必须保证在安全范围内，比如45°以内。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (8)

1.一种输电线路弧垂监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在杆塔上的导线悬挂点安装倾角传感器；

（2）测量导线的运行状态参数，包括导线的水平倾角、舞动倾角和两个杆塔之间的档距；所述舞动倾角是指导线所在平面与垂直平面的夹角，所述水平倾角是指静止时导线悬挂点的切线与水平面之间的夹角，所述静止是指舞动倾角小于设定阈值；

（3）根据导线的运行状态和两个杆塔之间的档距，采用相应的弧垂测算式测算导线的弧垂高度；

（4）判断导线的弧垂高度是否超出安全范围，如果是，则报警。

2.根据权利要求1所述的输电线路弧垂监测方法，其特征在于，步骤（1）中安装倾角传感器的过程中，多次调节倾角传感器的安装角度，每调节一次进行一次弧垂测算，并将测算所得的弧垂高度与实际测量的弧垂高度进行比较，如果误差在允许的范围则安装完成。

3.根据权利要求1所述的输电线路弧垂监测方法，其特征在于，步骤（2）中所述设定阈值为0°～5°。

4.根据权利要求1所述的输电线路弧垂监测方法，其特征在于，所述设定阈值根据两个杆塔之间的档距不同而设置得不同。

5.根据权利要求4所述的输电线路弧垂监测方法，其特征在于，当档距小于等于500m时，设定阈值为5°；当档距为500m～1000m时，设定阈值为3°；当档距大于1000m时，设定阈值为1°。

6.根据权利要求1所述的输电线路弧垂监测方法，其特征在于，步骤（3）根据导线的运行状态，采用相应的弧垂测算式测算导线的弧垂高度包括：

如果导线处于静止状态，则根据 $f\left(x\right)=\frac{H}{L}x-\frac{\mathrm{\σ}}{g}\cosh \left(\right|\frac{\mathrm{\σ}}{g}x\left|\right)+\frac{H}{L}a+\frac{\mathrm{\σ}}{g}\cosh \left|\frac{\mathrm{ga}}{\mathrm{\σ}}\right|,$

求解出导线上任意点的弧垂高度；其中，H为安装导线的两个杆塔之间的高度差，L为两个杆塔之间的水平距离，σ为水平应力，g为导线比载；所述静止状态是指导线的舞动倾角小于等于设定阈值；

如果导线舞动，则继续判断两个杆塔的高度差是否为零，如果高度差为零，则根据

求解出导线上任意点的弧垂高度和导线水平舞动幅度；其中，∣Z∣为导线水平舞动幅度，

为测量所得的舞动倾角；所述导线舞动是指舞动角度大于设定阈值；

如果导线舞动，且安装导线的两个杆塔的高度差不为零，则采用牛顿迭代法对式 $f\left(w\right)=w+\frac{1}{p-\frac{H}{L}}\cosh w-\frac{p}{k(p-\frac{H}{L})}x-\frac{c}{k(p-\frac{H}{L})}-\frac{1}{p-\frac{H}{L}}=0$ 进行计算，求解出W，然后根据

$w=\frac{x}{k}+\frac{s}{\mathrm{kt}}\left|z\right|$ 求解出导线上任意点的弧垂高度和导线水平舞动幅度；其中， $n=\frac{L}{\sqrt{H^2+L^2}};s=\frac{H}{\sqrt{H^2+L^2}};t=\tan \frac{\mathrm{\π}-\mathrm{\ξ}}{2};k=\frac{\mathrm{\σ}}{g};c=\frac{H}{L}a+\frac{\mathrm{\σ}}{g}(\cosh \left(\frac{\mathrm{\σ}}{g}a\right)-1),$ ξ为舞动时导线所在平面与静止时导线所在平面的夹角。

7.根据权利要求6所述的输电线路弧垂监测方法，其特征在于，根据导线的运行环境，导线比载g的取值不同：

根据导线的运行环境，导线比载g的取值如上表所示。

8.根据权利要求1所述的输电线路弧垂监测方法，其特征在于，步骤（4）还包括判断导线的舞动倾角是否大于设定安全值，如果是则报警。

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