CN103954242B - 基于uwb测距技术的架空输电线路弧垂在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于UWB测距技术的架空输电线路弧垂在线监测方法，包括以下步骤：步骤1、选点安装UWB测距装置；步骤2、UWB装置实行测距；步骤3、对测量的数据进行处理以及进行弧垂计算。具有测量精度高和可靠性好等优点。

Description

基于UWB测距技术的架空输电线路弧垂在线监测方法

技术领域

本发明涉及一种在线监测技术，特别涉及一种基于UWB测距技术的架空输电线路弧垂在线监测方法。

背景技术

架空输电线路担负着电能传输的重任，是电力网络系统的重要而不可或缺的部分，尤其是作为电网主干线路的超高压输电线路，它的安全可靠稳定的运行关系到国民经济的健康发展以及社会的和谐稳定。架空输电线路弧垂是线路设计和运行维护中的主要指标之一，决定了架空线路的松紧程度和线路杆塔的高度，其值大小关系到整个输电线路运行的安全，弧垂必须被控制在设计规定的允许范围之内。输电线路的运行负荷还有周围环境变化都可能会导致输电线路的弧垂变化，弧垂过大可能会导致严重的安全隐患，尤其是在交叉跨越、人烟密集和大跨越地段。另外，近些年来由于用电负荷增长的需要，许多已有的输电线路为了提高电力输送能力，将导线最高运行允许温度从70℃提高到80℃，这时线路弧垂就成为主要的制约因素，需要对弧垂进行校验或实时监测，以确保线路运行和被跨越设备的安全。

基于上述需求，国内外电力科研及运行单位对架空输电线路弧垂在线监测的研究已进行了多年，并且已经在这方面有所建树，提出了实际有效的监测方法，并开发生产出了相应的弧垂在线监测装置。目前，对弧垂的在线监测主要通过测量导线应力、倾角、温度或者图像分析来实现。但是，这些方法实质上都是通过间接手段对弧垂进行测量，考虑到目前相关传感器的测量误差以及转换模型的精度，由此得到的弧垂结果往往无法达到较高的精度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于UWB测距技术的架空输电线路弧垂在线监测方法。该方法对架空输电线路弧垂实现直接准确、实时的在线监测，且精度高。

本发明的目的通过下述技术方案实现：基于UWB测距技术的架空输电线路弧垂在线监测方法，包括以下步骤：

步骤1、选点安装UWB测距装置；

步骤2、UWB装置实施测距；

步骤3、对测量的数据进行处理以及进行弧垂计算。

所述步骤1中，所述UWB测距装置包括信号发送模块、信号接收模块、控制模块和电源模块；

所述控制模块的一端与电源模块相连接，所述信号发送模块和信号接收模块均与控制模块的另一端相连接；

所述控制模块为单片机，所述单片机内集成有数据频率采集单元和模数转换单元。

所述单片机为89C51单片机。

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1、UWB测距装置在测试之前进行时间同步检测和同步调整；

步骤2-2、UWB测距装置每间隔10分钟进行数据的采集，对待测监测装置之间的相互距离实现持续的实时监测，同时将数据实时传送回后台弧垂处理中心，进行数据的处理和计算。

所述步骤3中，进行所述弧垂计算的方程组如下：

式中，(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)、(x₄,y₄)分别代表监测装置A、监测装置B、监测装置C和监测装置D的坐标，而l_AB、l_AC、l_AD、l_BC、l_BD、l_CD分别表示UWB测量所得的监测装置A和监测装置B、监测装置A和监测装置C、监测装置A和监测装置D、监测装置B和监测装置C、监测装置B监测装置D以及监测装置C和监测装置D之间的距离；

由所述弧垂计算的方程组计算得到或的数值，代入下式：

式中，f_m是导线的最大弧垂，f_l/2为档距中央弧垂，l为档距，h为导线两悬挂点之间的高差，σ₀为导线应力的水平分量，γ为导线所受的均布比载值，

其中，即得到档距中央弧垂。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明将提出一种测量精度高、可靠性好的架空输电线路弧垂在线监测系统。方案利用高精度、低功耗的UWB测距技术，对架空输电线路上四点进行定位测距，并根据架空输电导线悬链线方程，确定导线悬挂曲线形状，从而通过计算得到工程实际所需要的档距中央弧垂。

2、本发明能对架空输电线路弧垂实现直接准确、实时的在线监测，精度能达到厘米级，进而为线路的安全距离、导线应力和倾斜角等状态参数的评估以及导线的动态增容提供准确、可靠的参考依据，有效地提高输电线路整体的安全可靠性。

3、本发明选用UWB技术进行架空输电线路弧垂的在线监测，UWB技术在中短距离内能实现厘米级的测量精度，且现有技术能实现数百米的测量距离，能够实现输电线路弧垂高精度的实时在线监测，同时功耗极低，有力缓解了输电线路电源问题难以解决所带来的压力，适用于输电线路运行场合及恶劣环境。

4、本发明采用了电晕屏蔽外壳把整个UWB装置密闭于其中，确保了电晕对装置的干扰降到足够低，提高数据的可靠性。

5、本发明对数据进行平滑、降噪以及神经网络（ANN）估计处理，提高UWB测距的准确度。

6、本发明具有良好的市场推广价值：如今，架空输电线路弧垂过大或者过小引起的危害日益突出，实现对弧垂的实时在线监测，对于线路运行状态的评估以及导线的动态增容具有极其重要的意义。本方案采用UWB技术对架空输电线路弧垂进行实时在线监测，监测系统精度高，可达厘米级，且功耗低，适用于输电线路运行环境。该方案若得到广泛推广，必将为电网运行管理及调度部门提供强有力的帮助，及时掌握输电线路运行状态，合理适时地安排线路维护及调度计划，保证整个电力系统的安全、稳定、可靠运行，同时充分挖掘输电线路潜在的输送能力，实现线路的动态增容。

附图说明

图1是不等高悬点导线的受力分析图。

图2是架空输电线路的几种弧垂示意图。

图3是UWB单程测距图解示意图。

图4是基于UWB测距技术的架空输电线路弧垂在线监测流程图。

图5是基于UWB测距技术的架空输电线路弧垂在线监测系统图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

基于UWB测距技术的架空输电线路弧垂在线监测方法具体实施步骤如图4所示：

（1）UWB测距装置的选点安装。

UWB测距装置主要由信号发送模块、信号接收模块、控制模块以及电源模块组成，具有双向交互功能，能够实现多个监测装置相互之间的测距及通信，同时由于采用独特的超宽带脉冲射频信号机制，即使在高度多径和高度反射的环境下，点对点测距精度也能高达厘米级。装置受限于装置体积等因素而采用导线感应取能供电，并配以蓄电池加以调节电能，且能够实现装置长时间稳定供电。装置由于处于高压环境中，电晕放电将会对其信号收发装置产生潜在的不利影响，因而需要设计外形光滑且材质轻便的电晕屏蔽外壳，用以把整个UWB装置密闭于其中，以确保电晕对装置的干扰降到足够低。

为使由四个监测装置得到的悬挂曲线尽可能准确，UWB测距装置应尽量安装于导线弧度较大的部位，如不等高悬点架空线的低悬挂点侧，同时考虑到UWB测距精度以及安装的方便性，UWB测距装置的选点布置安装如图5所示。监测装置A安装于导线悬挂点处，监测装置B、监测装置C和监测装置D这3个监测装置依次分布开来，每个监测装置间距不宜过小，亦不宜过大，本方案选定相互间距为25m。

（2）UWB装置实施测距。

UWB测距装置在测试之前进行时间同步检测和同步调整，以使4个监测装置具有共同的时钟。

UWB测距装置每间隔10分钟进行数据的采集，对A、B、C、D四个监测装置之间的相互距离实现不间断的实时监测，同时将数据实时传送回后台弧垂处理中心，进行数据的处理计算。

（3）数据的处理及弧垂计算。

受外部环境的影响，如多径、折反射、噪声等，传回后台的数据与实际值之间存在偏差，需要对数据进行平滑、降噪以及神经网络（ANN）估计处理，以提高测距的精确度。

数据经过处理后，根据方程组（5）及公式（1）进行计算，考虑到A、D之间距离较大，测距误差可能较差，而（5）中又有多余方程，因此可以去除A、D之间的距离计算公式，即得以下方程组（6）：

由方程组（6）可计算得到（或）的数值，代入公式（2）即可以得到档距中央弧垂，实现对架空输电线路弧垂的实时在线监测。

本实施例的基本原理：

1、架空输电线路基本方程：

（1）输电导线悬链线方程：

在架空输电导线的力学研究中，通常忽略导线的刚度而视之为柔性锁链，同时认为导线受均布荷载，这样导线就可用悬链线方程、抛物线方程或平抛物线方程来计算。为减小误差，本方案采用精度最高的悬链线方程。

如图1所示，为不等高悬点架空线的受力分析图，且假定导线受均布荷载γ作用，其中，l为档距，h为A、B两悬挂点之间的高差，σ_x为导线上任意一点的应力，σ₀为σ_x的水平分量（各处均相等），γ为导线所受的均布比载值，建立坐标系，利用悬链线方程，可求得导线悬挂曲线方程：

其中，

（2）弧垂公式：

架空线上任一点的弧垂是指该点距两悬点连线的垂向距离。如图2所示，为架空输电线路的几种弧垂示意图，其中，A、B为导线的两个悬挂点，f_x为架空导线上任意一点处的弧垂，f₀为导线最低点弧垂，f_l/2为档距中央弧垂，而f_m是导线的最大弧垂。

架空线的最低点可能位于档距之外，因此计算最低点弧垂有时无实际意义，所以通常所指的弧垂是指架空线的最大弧垂。而档距中央弧垂与最大弧垂非常接近，一般相差远不到1cm，通常认为最大弧垂位于档距中央。工程上常利用档距中央弧垂对线路状态进行评估。

弧垂公式：

2、UWB测距技术：

UWB(Ultra Wideband)是一种无载波通信技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，其所占的频谱范围很宽，可以从数Hz至数GHz。根据美国联邦通讯委员会FCC（Federal Communications Commission）的规定，从3.1GHz到10.6GHz之间的7.5GHz的带宽频率为UWB所使用的频率范围。

UWB在中短距离内能实现厘米级的测量精度，且现有技术能实现数百米的测量距离，同时功耗极低。根据FCC规定，在UWB带宽内，UWB信号的发射功率要小于0.56mW，其发射功率密度要低于-41.3dBm/MHz(换算功率为75nW/MHz)，在实现同样传输速率时UWB功率消耗仅是传统技术的1/10-1/100。这样在无充电电源的情况下，供电电池也能有长达数年的使用寿命。架空输电线路常年处于荒山野岭之中，运行环境极其恶劣，供电电源难以解决，把功耗很小的UWB技术应用于线路弧垂在线监测，可以单纯依靠电池就能维持监测装置长时间工作，这将有力解决供电电源问题。

UWB测距方法有两种：接收信号强度法（RSSI）和到达时间法（TOA）。RSSI精度低，仅限于粗糙测距，本方案将采用精度较高的TOA。TOA又包括双程测距（TWR）和单程测距（OWR）。TWR适用于监测装置间没有公共时钟的情况，而OWR在监测装置间有公共时钟的情况下使用。OWR基本原理如下：

如图3所示，A为参考监测装置，B为目标监测装置，现测量A、B监测装置之间的距离。在测距前对监测装置A、B进行同步检测和同步调整，监测装置A在T₀时刻发送信号给监测装置B，监测装置B在T₁时刻收到信号，则监测装置A、B间的距离可以由下式得到：

T_OF=T₁-T₀， （3）

d_AB=T_OF·c， （4）

3、弧垂在线监测基本原理：

假设架空输电线路悬挂曲线上有四个点A(x₁,y₁)、B(x₂,y₂)、C(x₃,y₃)、D(x₄,y₄)，各点均满足公式（1）。同时已知各点之间的相互距离l_AB、l_AC、l_AD、l_BC、l_BD、l_CD，则由以下方程组成立：

公式（1）中未知参数只有（或），其他参数在线路设计时均为已知。因此，在方程组（5）中，共计有9个未知数，而方程有10个，根据工程实际悬挂曲线的唯一性，方程组有解，且只需其中9个方程即可求出各个未知参数。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于UWB测距技术的架空输电线路弧垂在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、选点安装UWB测距装置；

步骤2、UWB测距装置实施测距；

步骤3、对测量的数据进行处理以及进行弧垂计算；

步骤3中，进行所述弧垂计算的方程组如下：

式中，(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)、(x₄,y₄)分别代表UWB测距装置A、UWB测距装置B、UWB测距装置C和UWB测距装置D的坐标，而l_AB、l_AC、l_AD、l_BC、l_BD、l_CD分别表示UWB测量所得的UWB测距装置A和UWB测距装置B、UWB测距装置A和UWB测距装置C、UWB测距装置A和UWB测距装置D、UWB测距装置B和UWB测距装置C、UWB测距装置和BUWB测距装置D以及UWB测距装置C和UWB测距装置D之间的距离；

导线悬挂曲线方程：

由所述导线悬挂曲线方程计算得到或的数值，代入下式：

式中，f_m是导线的最大弧垂，f_l/2为档距中央弧垂，l为档距，h为导线两悬挂点之间的高差，σ₀为导线应力的水平分量，γ为导线所受的均布比载值，

其中，即得到档距中央弧垂。

2.根据权利要求1所述的基于UWB测距技术的架空输电线路弧垂在线监测方法，其特征在于，步骤1中，所述UWB测距装置包括信号发送模块、信号接收模块、控制模块和电源模块；

所述控制模块的一端与电源模块相连接，所述信号发送模块和信号接收模块均与控制模块的另一端相连接；

所述控制模块为单片机，所述单片机内集成有数据频率采集单元和模数转换单元。

3.根据权利要求2所述的基于UWB测距技术的架空输电线路弧垂在线监测方法，其特征在于，所述单片机为89C51单片机。

4.根据权利要求1所述的基于UWB测距技术的架空输电线路弧垂在线监测方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1、UWB测距装置在测试之前进行时间同步检测和同步调整；

步骤2-2、UWB测距装置每间隔10分钟进行数据的采集，对待测监测装置之间的相互距离实现持续的实时监测，同时将数据实时传送回后台弧垂处理中心，进行数据的处理和计算。