CN104359438A - 基于导线温度的导线弧垂测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于导线温度的导线弧垂测量装置，包括中心控制模块，中心控制模块上分别连接有温度传感器a、温度传感器b、电源模块、ZigBee通讯模块。本发明还公开了基于导线温度的导线弧垂测量方法，主要利用温度传感器a和温度传感器b采集导线温度和空气温度，然后将采集到的导线温度和空气温度传给中心控制模块，中心控制模块计算得到输电导线的弧垂值。本发明的基于导线温度的导线弧垂测量装置及测量方法能实时监测导线弧垂的变化，并能将监测数据传输到监测中心，出现异常及时报警。

Description

基于导线温度的导线弧垂测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于输变电设备监测技术领域，涉及一种基于导线温度的导线弧垂测量装置，本发明还涉及采用上述基于导线温度的导线弧垂测量装置测量弧垂的方法。

背景技术

输电线路弧垂是线路设计和运行的主要指标，关系到线路的运行安全，因此必须控制在设计规定的范围内。由于线路运行负荷和周围环境的变化都会造成线路弧垂的变化，过大的弧垂不但会造成事故隐患，也限制了线路的输送能力，特别是在交叉跨越和人烟密集地段。近年我国社会经济快速发展，人民生活水平提高，对电能的需求也不断增加。且伴随特高压输电工程的开展，输电线路的电荷负载也随之加重，可提高电力传输导线的允许运行温度，增加电力传输导线的动态热容等级，部分输电线路的允许温度已经由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。

目前，测量导线弧垂所采用的装置复杂，操作不方便，并且测量时所需参数多，测得的弧垂精确度低，工作量还大。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于导线温度的导线弧垂测量装置，解决了现有技术中存在的测量导线弧垂装置复杂、所测参数多导致测得的弧垂精确度低的问题。

本发明的另一目的在于提供采用上述基于导线温度的导线弧垂测量装置测量弧垂的方法。

本发明所采用的技术方案是，基于导线温度的导线弧垂测量装置，包括中心控制模块，中心控制模块上分别连接有温度传感器a、温度传感器b、电源模块、ZigBee通讯模块。

本发明的特点还在于，

中心控制模块为MSP430单片机。

温度传感器a和温度传感器b均采用DALLAS公司的DS18B20。

电源模块采用导线互感取能加锂电池的供电方式。

本发明所采用的另一技术方案是，基于导线温度的导线弧垂测量装置测量弧垂的测量方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、温度传感器a采集导线温度，温度传感器b采集空气温度，温度传感器a和温度传感器b分别将采集到的导线温度和空气温度传给中心控制模块；

步骤2、在中心控制模块中进行计算，得到输电导线的弧垂值。

本发明另一技术方案的特点还在于，

步骤2中具体计算过程如下：

若把在杆塔上的导线看成是一条理想的、柔软的、载荷沿导线长均匀分布的悬链线，则导线悬链线方程为：

$y=\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{g}[\mathrm{ch}\frac{\mathrm{gx}}{{\mathrm{\σ}}_0}-1]---\left(1\right)$

式中，y：导线上任意点P的纵坐标；x：导线上任意点P的横坐标；σ₀：导线最低点的应力；g：沿导线均匀分布的比载；

在工程设计中，当悬点高差h与档距l之比h/l<0.1时，可将上式按级数展开并略去高次项，则可以得到导线任意点的纵坐标的平抛物线近似计算公式为：

$y=\frac{{\mathrm{gx}}^2}{{2\mathrm{\&sigma;}}_0}---\left(2\right)$

导线悬挂点不等高时，设档距为l，比载为g，最低点的应力为σ₀，P(x,y)为导线上任意点，A(x_A，y_A)、B(x_B，y_B)为导线的两个悬点；

由公式(2)得，A点与B点的纵坐标分别为：

$\begin{array}{c}{y}_A=\frac{{{\mathrm{gx}}_A}^2}{{2\mathrm{\&sigma;}}_0}\\ y_B=\frac{{{\mathrm{gx}}_B}^2}{{2\mathrm{\&sigma;}}_0}\end{array}$

则A与B的高度差Δh为：

$\mathrm{\&Delta;h}=y_A-y_B=\frac{g}{{2\mathrm{\&sigma;}}_0}({x_A}^2-{x_B}^2)---\left(3\right)$

且x_B＝l-x_A

由几何关系知：

$\mathrm{\&Delta;}{h}^{\&prime;}=\frac{x_A-x}{x_A+x_B}\mathrm{\&Delta;h}=\left(\frac{x_A-x}{x_A+x_B}\right)\&CenterDot;\frac{g}{2{\mathrm{\&sigma;}}_0}({x_A}^2-{x_B}^2)=\frac{g}{2{\mathrm{\&sigma;}}_0}(x_A-x)(x_A-x_B)$

则任意点P的弧垂为：

$f_P=y_A-\mathrm{\&Delta;}{h}^{\&prime;}-y=\frac{{{\mathrm{gx}}_A}^2}{{2\mathrm{\&sigma;}}_0}-\frac{g}{{2\mathrm{\&sigma;}}_0}(x_A-x)(x_A-x_B)-\frac{{\mathrm{gx}}^2}{{2\mathrm{\&sigma;}}_0}$

化简，得：

$f_P=\frac{g}{{2\mathrm{\&sigma;}}_0}(x_A-x)(x_B+x)=\frac{g}{{2\mathrm{\&sigma;}}_0}{l}_a{l}_b---\left(4\right)$

式中，l_a，l_b：悬点A，B至导线任意一点P的水平距离；

当x＝0时，即可得导线最低点O点的弧垂为：

$f_O=\frac{g}{{2\mathrm{\&sigma;}}_0}{x}_A\&CenterDot;x_B---\left(5\right)$

对于一档导线，设档距为l，导线温度由原来的t_c变为t_c'，导线最低点水平应力由原来的σ_m变为σ_n，线长从L_m变化到L_n。导线温度发生变化时，导线线长由于热胀冷缩也发生变化，这个变化过程可表示为：

L_n＝[1+α(t_c'-t_c)]L_m     (6)

式中，t_c为温度传感器b采集的空气温度，t_c'为温度传感器a采集的导线温度；

由“悬链线”理论知，在一定气象条件下，导线的线长表达式为：

$L=l+\frac{g^2{l}^3}{{{24\mathrm{\&sigma;}}_0}^2}---\left(7\right)$

将导线的线长表达式(7)代入上式(6)，得：

$l+\frac{g^2{l}^3}{{{24\mathrm{\&sigma;}}_n}^2}=[1+\mathrm{\&alpha;}({t_c}^{\&prime;}-t_c)](l+\frac{g^2{l}^3}{{{24\mathrm{\&sigma;}}_m}^2})$

整理，导线状态方程式为：

${{\mathrm{\&sigma;}}_n}^2=\frac{g^2{l}^2{{\mathrm{\&sigma;}}_m}^2}{g^2{l}^2+\mathrm{\&alpha;\&theta;}({{24\mathrm{\&sigma;}}_m}^2+g^2{l}^2)}---\left(8\right)$

式中，α：导线的线膨胀系数，1/℃；θ：导线的温升，℃；

从导线状态方程中，求出σ_n，将σ_n代入公式(3)求出x_A和x_B，再将x_A和x_B代入公式(5)，即求得导线最低点的弧垂；

将求得的弧垂通过ZigBee通讯模块发送到杆塔监测装置，再通过WiFi/Winmax/RS485发送到输电线路状态监测代理，最后通过GPRS/CDMA/3G/OPGW将弧垂值发送到监控中心。

本发明的有益效果是：

(1).本发明的基于导线温度的导线弧垂测量装置安装在导线上，可获得导线温度的变化，还能准确的计算出输电线的弧垂值；

(2).本发明的基于导线温度的导线弧垂测量装置采用ZigBee通讯模块实现测量装置与杆塔监测装置的通信，具有低成本、低功耗特点；

(3).本发明的基于导线温度的导线弧垂测量装置采用低功耗、超低功耗的温度传感器和中心控制模块，大大降低了测量装置的功耗。

附图说明

图1是本发明基于导线温度的导线弧垂测量装置的结构示意图；

图2是本发明测量装置中中心控制模块与温度传感器a、温度传感器b的连接示意图；

图3是本发明弧垂计算方法中的悬点不等高时导线弧垂示意图。

图中，1.中心控制模块，2.温度传感器a，3.电源模块，4.ZigBee通讯模块，5.温度传感器b。

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。

本发明基于导线温度的导线弧垂测量装置，如图1所示，包括中心控制模块1(中心控制模块1为MSP430单片机)，中心控制模块1上分别连接有温度传感器a2、温度传感器b5、电源模块3(电源模块3采用导线互感取能加锂电池的供电方式)、ZigBee通讯模块4。其中温度传感器a2和温度传感器b5均采用DALLAS公司的DS18B20，温度传感器a2测量导线温度，温度传感器b5测量空气温度。DS18B20采用单总线(1-wire)技术，读或写信息仅需单线接口，抗干扰性好，使用非常方便；内部集成A/D转换电路，直接输出数字温度信号，外围元件只需一个4.7K的上拉电阻；其测温范围为-55℃～+125℃，精度为±0.5℃，电压范围为3～5.5V，可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃；内置EEPROM，具有非易失性上、下限报警设定的功能，可通过编程修改上、下限的数值。它的引脚1为电源电压(VDD)，引脚2为电压地(GND)，引脚3为单数据总线(DQ)，其余引脚全部悬空(NC)，温度传感器a2、温度传感器b5与MSP430单片机的具体连接电路图如图2所示。

本发明采用基于导线温度的导线弧垂测量装置测量弧垂的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、温度传感器a2采集导线温度，温度传感器b5采集空气温度，温度传感器a2和温度传感器b5分别将采集到的导线温度和空气温度传给中心控制模块1；

步骤2、在中心控制模块1中进行计算，得到输电导线的弧垂值：

若把在杆塔上的导线看成是一条理想的、柔软的、载荷沿导线长均匀分布的悬链线，则导线悬链线方程为：

$y=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0}{g}[\mathrm{ch}\frac{\mathrm{gx}}{{\mathrm{\&sigma;}}_0}-1]---\left(1\right)$

式中，y：导线上任意点P的纵坐标；x：导线上任意点P的横坐标；σ₀：导线最低点的应力；g：沿导线均匀分布的比载；

在工程设计中，当悬点高差h与档距l之比h/l<0.1时，可将上式按级数展开并略去高次项，则可以得到导线任意点的纵坐标的平抛物线近似计算公式为：

$y=\frac{{\mathrm{gx}}^2}{{2\mathrm{\&sigma;}}_0}---\left(2\right)$

如图3所示，导线悬挂点不等高时，设档距为l，比载为g，最低点的应力为σ₀，P(x,y)为导线上任意点，A(x_A，y_A)、B(x_B，y_B)为导线的两个悬点；

由公式(2)得，A点与B点的纵坐标分别为：

$\begin{array}{c}{y}_A=\frac{{{\mathrm{gx}}_A}^2}{{2\mathrm{\&sigma;}}_0}\\ y_B=\frac{{{\mathrm{gx}}_B}^2}{{2\mathrm{\&sigma;}}_0}\end{array}$

则A与B的高度差Δh为：

$\mathrm{\&Delta;h}=y_A-y_B=\frac{g}{{2\mathrm{\&sigma;}}_0}({x_A}^2-{x_B}^2)---\left(3\right)$

且x_B＝l-x_A

由图3中几何关系知：

$\mathrm{\&Delta;}{h}^{\&prime;}=\frac{x_A-x}{x_A+x_B}\mathrm{\&Delta;h}=\left(\frac{x_A-x}{x_A+x_B}\right)\&CenterDot;\frac{g}{2{\mathrm{\&sigma;}}_0}({x_A}^2-{x_B}^2)=\frac{g}{2{\mathrm{\&sigma;}}_0}(x_A-x)(x_A-x_B)$

则从图3中得出任意点P的弧垂为：

$f_P=y_A-\mathrm{\&Delta;}{h}^{\&prime;}-y=\frac{{{\mathrm{gx}}_A}^2}{{2\mathrm{\&sigma;}}_0}-\frac{g}{{2\mathrm{\&sigma;}}_0}(x_A-x)(x_A-x_B)-\frac{{\mathrm{gx}}^2}{{2\mathrm{\&sigma;}}_0}$

化简，得：

$f_P=\frac{g}{{2\mathrm{\&sigma;}}_0}(x_A-x)(x_B+x)=\frac{g}{{2\mathrm{\&sigma;}}_0}{l}_a{l}_b---\left(4\right)$

式中，l_a，l_b：悬点A，B至导线任意一点P的水平距离；

当x＝0时，即可得导线最低点O点的弧垂为：

$f_O=\frac{g}{{2\mathrm{\&sigma;}}_0}{x}_A\&CenterDot;x_B---\left(5\right)$

对于一档导线，设档距为l，导线温度由原来的t_c变为t_c'，导线最低点水平应力由原来的σ_m变为σ_n，线长从L_m变化到L_n。导线温度发生变化时，导线线长由于热胀冷缩也发生变化，这个变化过程可表示为：

L_n＝[1+α(t_c'-t_c)]L_m     (6)

式中，t_c为温度传感器b5采集的空气温度，t_c'为温度传感器a2采集的导线温度；

由“悬链线”理论知，在一定气象条件下，导线的线长表达式为：

$L=l+\frac{g^2{l}^3}{{{24\mathrm{\&sigma;}}_0}^2}---\left(7\right)$

将导线的线长表达式(7)代入上式(6)，得：

$l+\frac{g^2{l}^3}{{{24\mathrm{\&sigma;}}_n}^2}=[1+\mathrm{\&alpha;}({t_c}^{\&prime;}-t_c)](l+\frac{g^2{l}^3}{{{24\mathrm{\&sigma;}}_m}^2})$

整理，导线状态方程式为：

${{\mathrm{\&sigma;}}_n}^2=\frac{g^2{l}^2{{\mathrm{\&sigma;}}_m}^2}{g^2{l}^2+\mathrm{\&alpha;\&theta;}({{24\mathrm{\&sigma;}}_m}^2+g^2{l}^2)}---\left(8\right)$

式中，α：导线的线膨胀系数，1/℃；θ：导线的温升，℃；

从线路跃迁时的导线状态方程中，求出σ_n，将σ_n代入公式(3)求出x_A和x_B，再将x_A和x_B代入公式(5)，即求得导线最低点的弧垂；

将求得的弧垂通过ZigBee通讯模块4发送到杆塔监测装置，再通过WiFi/Winmax/RS485发送到输电线路状态监测代理，最后通过GPRS/CDMA/3G/OPGW将弧垂值发送到监控中心。

根据导线弧垂在线监测的内容以及计算模型的参数，导线弧垂监测的传输数据报文应当包括如下表1信息。

表1 导线弧垂监测传感器数据报文格式

本发明基于导线温度的导线弧垂测量装置，采用温度传感器a2和温度传感器b5实时测得导线温度和空气温度，并且将实时温度传到中心控制模块1进行计算，得到了精确度高的导线弧垂，再通过ZigBee通讯模块4将导线弧垂值发送到杆塔监测装置，再通过WiFi/Winmax/RS485发送到输电线路状态监测代理，最后通过GPRS/CDMA/3G/OPGW将弧垂值发送到监控中心，当弧垂值出现异常时，系统会以多种方式发出预警信息，提示管理人员。

本发明基于导线温度的导线弧垂测量装置中电源模块3采用导线互感取能加锂电池的方式供电，由于高压侧测量装置的功耗很小，不会对电网的电能产生影响，且测量装置与高压线处于同一高压电位上，不存在高压隔离问题，能够在任意等级的高压线路上运行。

Claims (6)

1.基于导线温度的导线弧垂测量装置，其特征在于，包括中心控制模块(1)，中心控制模块(1)上分别连接有温度传感器a(2)、温度传感器b(5)、电源模块(3)、ZigBee通讯模块(4)。

2.根据权利要求1所述的基于导线温度的导线弧垂测量装置，其特征在于，所述中心控制模块(1)为MSP430单片机。

3.根据权利要求1所述的基于导线温度的导线弧垂测量装置，其特征在于，所述温度传感器a(2)和所述温度传感器b(5)均采用DALLAS公司的DS18B20。

4.根据权利要求1所述的基于导线温度的导线弧垂测量装置，其特征在于，所述电源模块(3)采用导线互感取能加锂电池的供电方式。

5.基于导线温度的导线弧垂测量装置方法，其特征在于，采用基于导线温度的导线弧垂测量装置，其结构为：

包括中心控制模块(1)，中心控制模块(1)上分别连接有温度传感器a(2)、温度传感器b(5)、电源模块(3)、ZigBee通讯模块(4)；

所述中心控制模块(1)为MSP430单片机；

所述温度传感器a(2)和所述温度传感器b(5)均采用DALLAS公司的DS18B20；

所述电源模块(3)采用导线互感取能加锂电池的供电方式；

具体按照以下步骤实施：

步骤1、温度传感器a(2)采集导线温度，温度传感器b(5)采集空气温度，温度传感器a(2)和温度传感器b(5)分别将采集到的导线温度和空气温度传给中心控制模块(1)；

步骤2、在中心控制模块(1)中进行计算，得到输电导线的弧垂值。

6.根据权利要求5所述基于导线温度的导线弧垂测量方法，其特征在于，所述步骤2中具体计算过程如下：

把在杆塔上的导线看成是一条理想的、柔软的、载荷沿导线长均匀分布的悬链线，则导线悬链线方程为：

$y=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0}{g}[\mathrm{ch}\frac{\mathrm{gx}}{{\mathrm{\&sigma;}}_0}-1],$

式中，y：导线上任意点P的纵坐标；x：导线上任意点P的横坐标；σ₀：导线最低点的应力；g：沿导线均匀分布的比载；

当悬点高差h与档距l之比h/l<0.1时，将上式按级数展开并略去高次项，得到导线任意点的纵坐标的平抛物线近似计算公式为：

$y=\frac{{\mathrm{gx}}^2}{2{\mathrm{\&sigma;}}_0},$

导线悬挂点不等高时，设档距为l，比载为g，最低点的应力为σ₀，P(x,y)为导线上任意点，A(x_A，y_A)、B(x_B，y_B)为导线的两个悬点；

由以上公式得，A点与B点的纵坐标分别为：

$y_A=\frac{{{\mathrm{gx}}_A}^2}{2{\mathrm{\&sigma;}}_0},$

$y_B=\frac{{{\mathrm{gx}}_B}^2}{2{\mathrm{\&sigma;}}_0},$

A与B的高度差Δh为：

$\mathrm{\&Delta;h}=y_A-y_B=\frac{g}{2{\mathrm{\&sigma;}}_0}({x_A}^2-{x_B}^2),$

且x_B＝l-x_A，

由几何关系知：

$\mathrm{\&Delta;}{h}^{\&prime;}=\frac{x_A-x}{x_A+x_B}\mathrm{\&Delta;h}=\left(\frac{x_A-x}{x_A+x_B}\right)\&CenterDot;\frac{g}{2{\mathrm{\&sigma;}}_0}({x_A}^2-{x_B}^2)=\frac{g}{2{\mathrm{\&sigma;}}_0}(x_A-x)(x_A-x_B),$

任意点P的弧垂为：

$f_P=y_A-\mathrm{\&Delta;}{h}^{\&prime;}-y=\frac{{{\mathrm{gx}}_A}^2}{2{\mathrm{\&sigma;}}_0}-\frac{g}{2{\mathrm{\&sigma;}}_0}(x_A-x)(x_A-x_B)-\frac{{\mathrm{gx}}^2}{2{\mathrm{\&sigma;}}_0},$

化简，得：

$f_P=\frac{g}{2{\mathrm{\&sigma;}}_0}(x_A-x)(x_B+x)=\frac{g}{2{\mathrm{\&sigma;}}_0}{l}_a{l}_b,$

式中，l_a，l_b：悬点A，B至导线任意一点P的水平距离；

当x＝0时，得导线最低点O点的弧垂为：

$f_O=\frac{g}{2{\mathrm{\&sigma;}}_0}{x}_A\&CenterDot;x_B,$

对于一档导线，设档距为l，导线温度由原来的t_c变为t_c'，导线最低点水平应力由原来的σ_m变为σ_n，线长从L_m变化到L_n，导线温度发生变化时，导线线长由于热胀冷缩也发生变化，这个变化过程表示为：

L_n＝[1+α(t_c'-t_c)]L_m，

式中，t_c为温度传感器b(5)采集的空气温度，t_c'为温度传感器a(2)采集的导线温度；

在一定气象条件下，导线的线长表达式为：

$L=l+\frac{g^2{l}^3}{24{{\mathrm{\&sigma;}}_0}^2},$

将导线的线长表达式代入导线线长变化过程公式，得：

$l+\frac{g^2{l}^3}{24{{\mathrm{\&sigma;}}_n}^2}=[1+\mathrm{\&alpha;}({t_c}^{\&prime;}-t_c)](l+\frac{g^2{l}^3}{24{{\mathrm{\&sigma;}}_m}^2}),$

整理，导线状态方程式为：

${{\mathrm{\&sigma;}}_n}^2=\frac{g^2{l}^2{{\mathrm{\&sigma;}}_m}^2}{g^2{l}^2+\mathrm{\&alpha;\&theta;}(24{{\mathrm{\&sigma;}}_m}^2+g^2{l}^2)},$

式中，α：导线的线膨胀系数，1/℃；θ：导线的温升，℃；

从导线状态方程中，求出σ_n，将σ_n代入A与B的高度差公式求出x_A和x_B，再将x_A和x_B代入导线最低点O点的弧垂公式，求得导线最低点的弧垂；

将求得的弧垂通过ZigBee通讯模块(4)发送到杆塔监测装置，再通过WiFi/Winmax/RS485发送到输电线路状态监测代理，最后通过GPRS/CDMA/3G/OPGW将弧垂值发送到监控中心。