CN104483007B - 一种架空输电线路振动监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

一种架空输电线路振动监测系统及监测方法，所述监测系统包括激光测振装置、铁塔控制器以及远程监控终端；所述激光测振装置通过导线连接铁塔控制器；铁塔控制器通过光纤复合架空地线连接远程监控终端；所述铁塔控制器包括机箱，机箱内设置有供电模块、通信模块、报警模块以及控制模块；所述控制模块分别与供电模块、通信模块和报警模块互连，通信模块通过光纤复合架空地线连接远程监控终端。本发明采用激光测振方法对输电线路的振动情况进行实时监测，提高了监测结果的精确性，由于本发明采用非接触方式测量、记录导线在振动过程中的运动轨迹，因此无需安装在输电线路上，降低了安装难度，减少了安装成本。

Description

一种架空输电线路振动监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及高压输电线路监测技术领域，尤其涉及一种基于激光测振的输电线路监测及监测方法。

背景技术

架空输电线路故障会影响着电力系统的安全运行，严重时将导致大面积电力供应瘫痪，给国民经济造成重大损失。架空输电线路的振动是引起导线疲劳断股、金具磨损失效、甚至线路断裂等事故的主要原因；而架空输电线路振动则主要受线路周围气候因素的影响，其中由以风对其影响最为显著。风致架空输电线路振动是一种高频率、小振幅的导线运动，由于其形成基理的复杂性，至今人们仍然不能解释它的形成基理，现有的防振理论、防振装置都是建立在工作经验基础之上，只是减轻了架空输电线路振动的危害，远远不能杜绝因架空输电线路振动造成的输电线路故障。而架空输电线路大多建在地形复杂、人迹罕至的地带，采用人工定期巡线的方式不仅成本高，而且不能准确的判断出架空输电线路的运行状态，鉴于此，研究开发一套架空输电线路振动监测系统具有重要意义。

现有的输电线路振动监测方法，主要是弯曲振幅法，是测取输电线路距线夹出口89mm处导线相对于线夹的弯曲振幅，以此值大小来测算导线在线夹出口处的动弯应变，作为衡量导线振动程度的标准。其中，设备安装形式主要有两种：一是“正装法”弯曲振幅法，二是“反装法”弯曲振幅法；“正装法” 弯曲振幅法只适用于对悬垂线夹处的导线进行测量，“反装法” 弯曲振幅法是对“正装法”弯曲振幅法的改进，不仅适用于对悬垂线夹处的导线进行测量，还可以对阻尼线夹头、防振锤夹头、间隔棒夹头等处的导线进行测量。传统的监测方法所使用的测量设备必须安装在输电线路上，借助输电线路上的线夹才能够得到固定，这大大影响了其测量范围及准确性。

经过对传统的监测方法的阐述，可以总结出这种方法具有以下几个缺点：1）输电线路是由各种材料绞制而成，线路表面并不光滑平整，因此会影响传统的接触测量方式的准确性。2）传统的测量方法所需要用到的设备必须安装到输电线路上，设备本身的重量等因素会影响到测量的准确性。3）输电线路周围存在强磁场会影响测量设备的正常工作。4）传统测量方法的安装难度大、安装成本高。由此可见，如何保证架空输电线路振动监测的精确性，降低振动监测装置的安装难度，减少安装成本是本领域内的技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中缺陷，提供一种架空输电线路振动监测系统及监测方法，用于对架空输电线路的振动情况进行实时监测。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

一种架空输电线路振动监测系统，包括激光测振装置、铁塔控制器以及远程监控终端；所述激光测振装置安装在架空输电线塔上，用于监测导线振动信息并传输给铁塔控制器；铁塔控制器安装在架空输电线塔上，用于将激光测振装置测得的信息通过光纤复合架空地线传输给远程监控终端；所述铁塔控制器包括机箱，机箱内设置有供电模块、通信模块、气候监测模块、报警模块以及控制模块；所述控制模块分别与供电模块、通信模块和报警模块互连，通信模块通过光纤复合架空地线连接远程监控终端。

上述架空输电线路振动监测系统，还包括通过数据线与铁塔控制器连接的安装在输电线塔顶端的气候监测模块。

一种架空输电线路振动监测方法，它采用如上所述的监测系统，并按以下操作步骤进行：

a)、在输电线路下方的输电线塔上安装激光测振装置、在输电线塔上安装铁塔控制器，在输电线塔的顶端安装气候监测模块，在输电线路监控室内设置远程监控终端；通过导线将激光测振装置和气候监测模块分别与铁塔控制器连接，再通过光纤复合架空地线连接铁塔控制器与远程监控终端；

b)、当需要对输电线路监测时，激光测振装置发出激光测试信号，并采集导线的反馈信号，转换成导线振动信息数据后，将导线振动信息数据传输给铁塔控制器；铁塔控制器根据远程监控终端的指令，通过光纤复合架空地线将数据传输到远程监控终端，远程监控终端完成对导线振动信息的分析；

c)、当需要对激光测振装置控制时，远程监控终端生成控制指令，经光纤复合架空地线将指令传达给铁塔控制器，铁塔控制器根据指令控制激光测振装置完成对导线不同位置的监测。

上述架空输电线路振动监测方法，所述远程监控终端采用如下方法处理铁塔控制器传输的导线振动信息，具体步骤如下：

步骤1：采用自适应时频分析方法-固有时间尺度分解方法对采集的振动信号进行分解，具体分解的步骤如下：

1）首先定义一个算子L用于提取低频基线信号，使得从原信号中去除一个基线信号后得到的剩余信号成为一个固有旋转分量，信号 的一次分解为

（1）

式中，和分别表示基线信号和固有旋转分量。

2）确定信号的局部极值点及其对应的时刻，M为极值点总数，定义，为了便于分析，设，。

3）在连续极点间隔上定义分段线性基线提取算子L如下

（2）

式中

（3）

式中：，通常取0.5。

4）同样定义一个固有旋转分量提取算子，则。

为分离出的第一个PR分量即高频分量PR1。

将基线信号作为原始信号，重复以上分解过程，直到基线信号为一单调信号或常函数。至此原信号被分解为

（4）；

式中：为第p个高频分量，为残余信号。

步骤2：从步骤1的分解结果中选择相关系数大的前三个固有旋转分量进行频谱分析，求得结果。

由于采用了以上技术方案，本发明所取得的技术进步如下。

本发明采用激光测振方法对输电线路的振动情况进行实时监测，提高了监测结果的精确性。本发明以多普勒原理为基础，综合了现代光学、电子技术及机械、力学等学科的知识，可以实现对输电线路振动的振幅及频率进行测量。由于本发明使用激光进行非接触式测量、记录导线在振动过程中的运动轨迹，因此无需安装在输电线路上，降低了安装难度，减少了安装成本。具体地本发明存在以下几项优点：一）测量不受表面质量影响，非常适合应用于输电线路这种表面不平整的测量；二）采用非接触式测量，不存在因测量设备本身重量影响测量结果的问题；三）次纳米级的分辨率，测试结果精确可靠；四）不会受到输电线路周围强磁场的干扰，确保测量精度；五）无需繁杂的布线工作，安装、调试简单。

附图说明

图1为本发明所述监测系统的安装结构示意图；

图2为本发明所述监测系统的结构框图；

图3为实施例中振动信号的波形图；

图4为图3的波形分解图；

图5为图3的频谱分析结果示意图。

图中各标号表示为：1.激光测振装置， 2.气候监测模块，3.铁塔控制器，4.激光束，5.光纤复合架空地线，6.远程监控终端。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

本发明包括激光测振装置1、气候监测模块2、、铁塔控制器3以及远程监控终端6。激光测振装置、气候监测模块、与铁塔控制器之间采用导线连接，铁塔控制器与远程监控终端之间采用光纤复合架空地线5连接。该监测系统的结构框图如图2所示，其安装结构示意图如图1所示。

所述激光测振装置安装在架空输电线塔上，用于监测导线振动信息并传输给铁塔控制器。本实施例中激光测振装置采用激光测振仪，激光测振仪通过位置调整装置安装在输电线塔上。激光测振仪利用发出的红色激光束进行非接触式测量，可以测得导线振动的速度、加速度、位移、运动轨迹、频率等信息。与传统振动测量方式相比，由于它不需要直接安装到输电线路上，因此不存在因振动传感器等设备的安装而影响最终测量结果，也不会因输电线路周围存在强磁场而引起测量结果不准确的问题发生。激光测振仪的分辨率较高，一般为1um/s，而普通接触式仅0.1m/s左右。

位置调整装置应具有位置左右、上下调节的调整功能，根据导线事先标定好的位置通过远程监控终端发出控制指令进行位置调整，以实现对激光束4的发射位置进行调整，使得激光束打在导线标定的位置。

本实施例中激光测振仪中设置有角度调整装置，用于根据监测导线上不同位置振动情况的需求调整激光的发射方向。

激光测振仪安装时，通常安装在输电线路下方的输电线塔上，发出的红色激光束通常为斜向上照射在导线上，以实现能够对两输电线塔间导线的任意位置进行监测。激光测振仪应安装在其量程范围内，量程范围通常为十几米。

本发明中激光测振仪的工作原理为由激光器发射出的激光束经过分光镜分成两束光，一路经望远系统（测量光）将激光束照射到输电线路上，另一路作为参考光，与由望远系统接收回来的反射光相干涉，再经光电转换将相干的光信号变成电信号，从而得出振动信号。激光测振仪的原理示意图如图3所示。

其中激光束干涉过程的原理图如图4所示，首先由激光器L发出的激光束经过反光镜R1、R2 之后到达分光镜S1，在分光镜S1之后的两个光路（参考光路与测量光路）中分别加入棱镜P1和棱镜P2，通过棱镜透射的两束光分别经反光镜R3、R4 到达合光镜C1，经过合光镜C1打到光电转换器IP的受光面上，在受光面上就可以得到干涉图。通过在光路中加入透射棱镜，可以把光方向的微小改变转化为干涉图形的改变，从而达到精确测量的目的。此种干涉不仅对光束方向微小改变敏感，能够满足对导线微振测量的要求，而且能够减小震动的干扰。

气候监测模块安装于输电铁塔的顶端，主要由测量风速、温度、湿度等气象条件的传感器构成，用于监测输电线路周围的气候情况。采用这种安装方式可以比较准确的监测输电线路周围的气候条件，而不会受到输电铁塔结构以及其它外界因素的干扰。

铁塔控制器安装在架空输电线塔上，用于将激光测振装置、气候监测模块测得的信息通过光纤复合架空地线传输给远程监控终端；并能够根据远程监控终端的指令对激光测振装置的激光发射位置进行调整。

铁塔控制器包括机箱，机箱内设置有供电模块、通信模块、报警模块以及控制模块；控制模块分别与供电模块、通信模块和报警模块互连，通信模块通过光纤复合架空地线连接远程监控终端。

本实施例中供电模块、通信模块、报警模块以及控制模块均置于该机箱中，构成监测系统的一个基站，机箱采用防锈的铝合金材料制成，箱体外部涂有绝缘材料。

供电模块用于给机箱内的各个模块提供所需要的工作电压。本实施例中供电模块采用两种供电方式，太阳能电池供电和蓄电池供电两种供电模式。供电模式的选择逻辑如图5所示，首先由控制模块判断当下供电模块中太阳能供电模式的工作状态，当太阳能供电模式正常时，采用太阳能供电模式；当太阳能供电模式出现异常，如光照不足等情况下，通过控制模块将供电模式切换至蓄电池供电模式；当太阳能供电模式恢复正常时，再切换至太阳能供电模式。

通讯模块，用于向远程监控终端发送即时监测数据，并接收远程监控终端发出的控制指令。

报警模块，用于将系统故障、电量情况等及时反馈给远程监控终端，还可根据远程监控终端分析的数据发出报警信息，例如当风速达到一定级数，导线的舞动使得其不在激光的监测范围，这时候报警模块会自动报警。

控制模块分别与供电模块、通信模块、报警模块、气候监测模块、激光测振装置相连，作用如下：1）控制供电模块向其它各个模块提供工作电压，2）控制和监测通讯模块的工作状态，将控制模块中存储的各种监测数据通过通讯模块传送到远程监控终端，3）控制报警模块的工作状态以及将对系统中出现的故障进行及时的报警，4）控制和监测气候监测模块的工作状态以及将气候监测模块测得的数据存储于控制模块中，5）控制和监测激光测振装置的工作状态以及将激光测振装置测得的数据存储于控制模块中，6）控制和监测张力监测模块的工作状态以及将张力监测模块测得的数据存储于控制模块中。

铁塔控制器通过光纤复合架空地线连接远程监控终端，用于向远程监控终端传送系统监测的数据以及系统自身产生的数据。其中，系统监测数据包括：由气候监测模块测得的雨量、风速、湿度等数据，由激光测振装置测得的线路振动数据，通信介质选择光纤复合架空地线(OPGW)，将光纤放置在架空高压输电线的地线中，这种结构形式具有抗电磁干扰、自重轻等特点，具有较高的可靠性、成本也较低。

远程监控终端设置在输电线路监控室内，可连接多个铁塔控制器。用于将由各个铁塔控制器传送来的数据进行分析，得到在不同的气候条件下输电线路的振动轨迹，用于输电线路的设计、防振工作以及输电线路振动基理研究。

一种基于激光的架空输电线路振动监测方法，包含以下步骤：

1））在输电线路下方的输电线塔上安装激光测振装置；在输电线塔上安装铁塔控制器；在输电线塔的顶端安装气候监测模块；；在输电线路监控室内设置远程监控终端；通过导线将激光测振装置和气候监测模块分别与铁塔控制器连接，再通过光纤复合架空地线连接铁塔控制器与远程监控终端。

2）当需要对输电线路监测时，激光测振装置发出激光测试信号，并采集导线的反馈信号，转换成导线振动信息数据后，将导线振动信息数据传输给铁塔控制器；铁塔控制器根据远程监控终端的指令，通过光纤复合架空地线将数据传输到远程监控终端，远程监控终端完成对导线振动信息的分析。

远程监控终端采用自适应时频分析方法-固有时间尺度分解方法处理铁塔控制器传输的导线振动信号。

具体步骤如下：

对某一测得的导线振动信号如图3所示，运用此方法进行处理：

步骤1：采用自适应时频分析方法-固有时间尺度分解方法对采集的振动信号进行分解，分解后的波形图如图4所示。

具体分解的步骤如下：

1）首先定义一个算子L用于提取低频基线信号，使得从原信号中去除一个基线信号后得到的剩余信号成为一个固有旋转分量，信号的一次分解为

（1）

式中，和分别表示基线信号和固有旋转分量。

2）确定信号的局部极值点及其对应的时刻，M为极值点总数，定义，为了便于分析，设，。

3）在连续极点间隔上定义分段线性基线提取算子L如下

（2）

式中

（3）

式中：，通常取0.5。

4）同样定义一个固有旋转分量提取算子，则。

为分离出的第一个PR分量即高频分量PR1。

将基线信号作为原始信号，重复以上分解过程，直到基线信号为一单调信号或常函数。至此原信号被分解为

（4）

式中：为第p个高频分量，为残余信号。

步骤2：从步骤1的分解结果中选择相关系数大的前三个固有旋转分量(ProperRotation Component, 简称PRC) 进行频谱分析，结果如图5所示。

在本实施例中，采用ITD方法可以有效提取出采集信号中的三个频率成分，用该方法提取出的频率一方面可以与导线的固有频率进行对比，以避免导线发生共振；另一方面当导线振动频率过大时，会严重影响导线的疲劳寿命，该方法可以起到对导线振动频率的实时监测。

3）当需要对激光测振装置控制时，远程监控终端生成控制指令，经光纤复合架空地线将指令传达给铁塔控制器，铁塔控制器根据指令控制激光测振装置完成对导线不同位置的监测。

Claims (1)

1.一种架空输电线路振动监测系统的监测方法，其特征在于：所述检测系统包括激光测振装置、铁塔控制器以及远程监控终端；所述激光测振装置安装在架空输电线塔上，用于监测导线振动信息并传输给铁塔控制器；铁塔控制器安装在架空输电线塔上，用于将激光测振装置测得的信息通过光纤复合架空地线传输给远程监控终端；所述铁塔控制器包括机箱，机箱内设置有供电模块、通信模块、气候监测模块、报警模块以及控制模块；所述控制模块分别与供电模块、通信模块和报警模块互连，通信模块通过光纤复合架空地线连接远程监控终端；

所述监测方法按以下操作步骤进行：

a)、在输电线路下方的输电线塔上安装激光测振装置、在输电线塔上安装铁塔控制器，在输电线塔的顶端安装气候监测模块，在输电线路监控室内设置远程监控终端；通过导线将激光测振装置和气候监测模块分别与铁塔控制器连接，再通过光纤复合架空地线连接铁塔控制器与远程监控终端；

b)、当需要对输电线路监测时，激光测振装置发出激光测试信号，并采集导线的反馈信号，转换成导线振动信息数据后，将导线振动信息数据传输给铁塔控制器；铁塔控制器根据远程监控终端的指令，通过光纤复合架空地线将数据传输到远程监控终端，远程监控终端完成对导线振动信息的分析；

c)、当需要对激光测振装置控制时，远程监控终端生成控制指令，经光纤复合架空地线将指令传达给铁塔控制器，铁塔控制器根据指令控制激光测振装置完成对导线不同位置的监测；

所述远程监控终端采用如下方法处理铁塔控制器传输的导线振动信息，具体步骤如下：

步骤1：采用自适应时频分析方法-固有时间尺度分解方法对采集的振动信号进行分解，具体分解的步骤如下：

1)首先定义一个算子L用于提取低频基线信号，使得从原信号中去除一个基线信号后得到的剩余信号成为一个固有旋转分量，信号X_t的一次分解为

X_t＝LX_t+(1-L)X_t＝L_t+H_t

式中，L_t和H_t分别表示基线信号和固有旋转分量；

2)确定信号{X_t，t≥0}的局部极值点X_k及其对应的时刻τ_k{k＝1，2，…，M}，M为极值点总数，定义τ_n＝0，为了便于分析，设LX_t＝L_t，HX_t＝H_t；

3)在连续极点间隔[τ_k，τ_k+1]上定义分段线性基线提取算子L如下

${\mathrm{LX}}_t=L_t=L_k+\frac{L_{k+1}-L_k}{X_{k+1}-X_k}(X_t-X_k)$

式中

$L_{k+1}=\mathrm{\α}\[X_k+\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_{k+1}-{\mathrm{\τ}}_k}{{\mathrm{\τ}}_{k+2}-{\mathrm{\τ}}_k}\right)(X_{k+2}-X_k)\]+(1-\mathrm{\α})X_{k+1}$

式中：0＜α＜1，通常α取0.5；

4)同样定义一个固有旋转分量提取算子，则

为分离出的第一个PR分量即高频分量PR1；将基线信号作为原始信号，重复以上分解过程，直到基线信号为一单调信号或常函数；至此原信号被分解为：

$\begin{array}{c}{X}_t={\mathrm{LX}}_t+{\mathrm{HX}}_t=(H+L){\mathrm{LX}}_t+{\mathrm{HX}}_t=\\ \[H(1+L)+L^2\]X_t=(H\underset{k=0}{\overset{p-1}{\Σ}}{L}^k+L^p)X;\\ =H_t^1+H_t^2+H_t^3+\mathrm{...}+H_t^p+L_t^p\end{array};$

式中：为第p个高频分量，为残余信号；

步骤2：从步骤1的分解结果中选择相关系数大的前三个固有旋转分量进行频谱分析，求得结果。