CN104535233A - 一种覆冰输电线路应力监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种覆冰输电线路应力监测系统，包括覆冰监测单元，覆冰监测单元通过光芯与光纤接续盒连接，光纤接续盒通过OPGW与光纤信号解调主机连接，光纤信号解调主机通过LAN与监测系统主站连接；其中：光纤信号解调主机用于对OPGW中光栅反射波特征量进行数据采集并解调后通过LAN传递给监测系统主站；监测系统主站集成有架空输电线线型与应力状态模型，将光纤信号解调主机解调后的数据进行整合，测算输电导线悬链线线型，估算出输电导线最大拉力和应力及其位置，对覆冰形势进行判断，并记录结果。本发明精确度高和实时性强，能够对输电导线应力状态和覆冰进行实时估算，实现了可靠的输电导线覆冰实时监测。

Description

一种覆冰输电线路应力监测系统

技术领域

本发明涉及电力系统输电线路覆冰检测技术领域，特别是指一种覆冰输电线路应力监测系统。

背景技术

随着电网规模的不断扩大，高压输电线路的分布也越来越广，其中大部分输电线路处于山高谷深、地形复杂、环境恶劣的地区，人工巡线较为困难，对这些输电线路的运行情况进行自动化的监测是十分必要的，尤其是对线路覆冰灾害进行监测。

处理输电线路覆冰问题的基本原则是以防为主，目前应用的覆冰监测系统基本实现手段主要为：对覆冰的相关参数(气象参数、绝缘子串拉力和绝缘子倾角等)进行远程实时测量，然后通过相关公式计算覆冰程度，并结合现场图像监测检修综合判断。但由于输电线路所处环境复杂，各影响因子间相互干扰严重，目前没有一种模型可以精确预测覆冰状况。

当前导线覆冰预测模型种类繁多，主要有Imai、Lenhard、Goodwin、Chaine、Makkone等覆冰预测模型。由于导线覆冰增长过程是非线形的，与周围的微气象状况密切相关，以上模型均存在不同程度的误差。因此将导致在线覆冰监测系统监测数据与人工观冰数据的偏差，一定程度上阻碍了在线监测系统的效率发挥。

总之，输电线路覆冰灾害是影响电力系统安全稳定运行的重点灾害之一，每年因输电线路覆冰造成的闪络跳闸、断线、甚至倒塔事故严重影响了电网的安全稳定运行及国民经济的发展，因此建立一套有效可靠的输电线路覆冰监测系统显的尤为重要。

发明内容

本发明提出一种覆冰输电线路应力监测系统，解决了现有技术中无法在低温雨雪气象环境下精确分析和预测覆冰输电导线应力变化情况的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种覆冰输电线路应力监测系统，包括覆冰监测单元，所述覆冰监测单元通过光芯与光纤接续盒连接，所述光纤接续盒通过OPGW与光纤信号解调主机连接，所述光纤信号解调主机通过LAN与监测系统主站连接；其中：

所述光纤信号解调主机用于对所述OPGW中光栅反射波特征量进行数据采集并解调后通过LAN传递给所述监测系统主站；

所述监测系统主站集成有架空输电线线型与应力状态模型，将光纤信号解调主机解调后的数据进行整合，测算输电导线悬链线线型，估算出输电导线最大拉力和应力及其位置，对覆冰形势进行判断，并记录结果。

作为优选，所述监测系统主站采用网站形式。能够向用户发布覆冰预警信息，展示输电导线实时微气象环境、输电线路最大拉应力状态和位置、覆冰趋势等。

作为优选，所述架空输电线线型与应力状态模型的输入量为监测点的温度、湿度、气压、风速和风向五个气象要素的微气象数据与输电导线的弹性模量、输电导线的横截面面积、输电导线的线膨胀系数及输电导线的重量四个输电导线的参数。其输出量为导线单元节点坐标(x，y，z)、各单元拉应力(MPa)、最大拉应力及其位置、覆冰趋势等信息。

作为优选，所述架空输电线线型与应力状态模型采用下述步骤进行测算：

(1)无自重状态下输电导线单元长度及输电导线总长度的获取：将输电导线的理想无自重状态取为二次抛物线形状，然后将其划分为多个单元，并获取每个单元节点的横坐标，然后根据每个单元节点的横坐标计算出每个单元节点的纵坐标，得到每个单元节点的整体坐标值，根据每个单元节点的整体坐标值计算出无自重状态下输电导线的单元长度和输电导线的总长度；

(2)计算得到自重作用下，每个输电导线单元节点的新坐标值，再由新坐标值计算得到自重作用下输电导线单元的长度和输电导线的总长度，完成导线的找形分析；

(3)以自重状态下输电导线的新单元节点坐标为基础，代入单元刚度矩阵，得到新的单元刚度矩阵；根据单元定位向量λ^e，由输电导线的单元刚度矩阵形成自重状态下总刚矩阵，即根据自重状态下输电导线的新单元节点坐标，得到载荷列阵、切线刚度矩阵及非线性基本方程；

(4)计算得到输电导线当前覆冰状态下各个单元节点的坐标值；

(5)下述由公式实时计算出输电导线当前荷载作用下各部位的张力： $T_c=\frac{1}{2}\mathrm{EA}\sqrt{{\left\{X_N\right\}}^{\mathrm{cT}}{\left[N_c^{\′}\right]}^T\left[N_c^{\′}\right]{\left\{X_N\right\}}^c}\left({\left\{X_N\right\}}^{\mathrm{cT}}{\left[N_c^{\′}\right]}^T\right[N_c^{\′}]{\left\{X_N\right\}}^c-1),$ 式中：T_c指输电导线的拉力，E指输电导线的弹性模量，A指输电导线的横截面面积，[N′c]指输电导线单元的形函数矩阵，[N′c]^T指输电导线单元形函数矩阵的转置矩阵，{X_N}^c指输电导线单元的最终节点坐标列阵，{X_N}^cT指输电导线单元最终节点坐标列阵的转置矩阵；

(6)由下述公式可求出输电导线在当前覆冰状态下的应力：

${\mathrm{\σ}}_c=\frac{1}{2}E\sqrt{{\left\{X_N\right\}}^{\mathrm{cT}}{\left[N_c^{\′}\right]}^T\left[N_c^{\′}\right]{\left\{X_N\right\}}^c}\left({\left\{X_N\right\}}^{\mathrm{cT}}{\left[N_c^{\′}\right]}^T\right[N_c^{\′}]{\left\{X_N\right\}}^c-1),$ 式中：σ_c指输电导线的应力；

通过将上述计算结果与输电导线的力学性能设定值比较，决定是否需要启动除冰程序。

作为优选，所述步骤(2)的具体实现方法如下：

①将输电导线视为一维体，以无自重状态下单元长度的中点为原点，取沿输电导线长方向的无量纲坐标s，得到三节点二次曲线单元的形函数；输电导线单元的应变其中ds、分别指输电导线单元变形前和变形后的长度；根据胡克定理，输电导线的广义应力为 $\mathrm{\σ}=E\left(\frac{1}{2}{\left\{X_N\right\}}^{\mathrm{cT}}{\left[N_c^{\′}\right]}^T\right[N_c^{\′}]{\left\{X_N\right\}}^c-\frac{1}{2});$ 再根据虚功原理，最终得到输电导线的单元刚度矩阵

${\left[K_E\right]}^e={\∫}_{-l/2}^{l/2}\mathrm{EA}\left(\frac{1}{2}{\left\{X_N\right\}}^{\mathrm{cT}}{\left[N_c^{\′}\right]}^T\right[N_c^{\′}]{\left\{X_N\right\}}^c-\frac{1}{2})\×{\left[N_c^{\′}\right]}^T\left[N_c^{\′}\right]\mathrm{ds};$ 根据输电导线单元的定位向量λ^e，由输电导线的单元刚度矩阵形成总刚矩阵根据步骤(1)中得到的每个单元节点的整体坐标值，得到载荷列阵、切线刚度矩阵及非线性基本方程；

②根据步骤(1)中得到的输电导线无自重状态下单元节点的初始坐标，得到迭代计算的u⁽⁰⁾；

③对于第i次迭代，在得到一组{X_N}ⁱ后，计算出[K_E]，代入方程

[K_E]ⁱ{X_N}ⁱ-{G}＝{e}ⁱ，式中：[K_E]ⁱ指第i次迭代时输电导线的刚度矩阵，{X_N}ⁱ指第i次迭代时输电导线单元节点的位移列阵，{G}指重力荷载列阵，{e}ⁱ指误差列；

④将步骤③中得到的误差列{e}ⁱ代入方程([K_E]ⁱ+[K_F]ⁱ)δ{X_N}ⁱ＝-{e}ⁱ，式中：[K_E]ⁱ指第i次迭代时输电导线的单元刚度矩阵，[K_F]ⁱ指第i次迭代时输电导线系统的几何刚度矩阵，δ{X_N}ⁱ指第i次迭代时节点位移调整值列阵；

⑤将δ{X_N}ⁱ代入方程{X_N}ⁱ⁺¹＝{X_N}ⁱ+δ{X_N}ⁱ，式中：{X_N}ⁱ指第i次迭代时输电导线单元节点的位移列阵，δ{X_N}ⁱ指第i次迭代时输电导线单元节点的位移调整值列阵，{X_N}ⁱ⁺¹指第i+1次迭代时输电导线单元节点的位移列阵；求得的{X_N}ⁱ⁺¹即为新的{X_N}；然后再返回到步骤③，重新开始迭代计算；

⑥反复执行步骤①～步骤⑤的迭代过程，直到最大相对校正值满足方程为止，式中：η指给定的正小数，n指方程的阶数，xⁱ指第i次迭代时输电导线单元节点的位移值，δxⁱ指第i次迭代时输电导线单元节点的位移调整值，xⁱ∈{X_N}，δxⁱ∈δ{X_N}。

作为优选，所述步骤(4)的具体实现方法如下：

①取输电导线的自重状态为初始状态，根据步骤(2)得到的自重状态下输电导线单元节点的新坐标值，得到迭代计算的u⁽⁰⁾；

②对于第i次迭代，在得到一组{X_N}ⁱ后，由此计算出[K_E]，代入方程[K_E]ⁱ{X_N}ⁱ-{G}-{Q}-{R}＝{e}ⁱ，式中：[K_E]ⁱ指第i次迭代时输电导线的刚度矩阵，{G}指重力荷载列阵，{Q}指分布荷载列阵，{R}指节点集中力列阵，{e}ⁱ指误差列；

③将步骤②中得到的误差列{e}ⁱ，代入方程([K_E]ⁱ+[K_F]ⁱ)δ{X_N}ⁱ＝-{e}ⁱ，式中：[K_E]ⁱ指第i次迭代时输电导线的单元刚度矩阵，[K_F]ⁱ指第i次迭代时输电导线系统的几何刚度矩阵，δ{X_N}ⁱ指第i次迭代时输电导线单元节点位移调整值列阵；由此得到调整值δ{X_N}ⁱ；

④将步骤③中得到的调整值δ{X_N}ⁱ，代入方程{X_N}ⁱ⁺¹＝{X_N}ⁱ+δ{X_N}ⁱ，式中：{X_N}ⁱ指第i次迭代时输电导线单元节点的位移列阵，δ{X_N}ⁱ指第i次迭代时输电导线单元节点的位移调整值列阵，{X_N}ⁱ⁺¹指第i+1次迭代时输电导线单元节点的位移列阵；求得的{X_N}ⁱ⁺¹即为新的{X_N}；然后再返回到步骤②，重新开始迭代计算；

⑤反复执行步骤②～步骤④的迭代过程，直到最大相对校正值满足方程为止，式中：η指给定的正小数，n指方程的阶数，xⁱ指第i次迭代时输电导线单元节点的位移值，δxⁱ指第i次迭代时输电导线单元节点的位移调整值，其中xⁱ∈{X_N}，δxⁱ∈δ{X_N}。

作为优选，所述步骤(1)中在开始计算前，事先输入输电导线的几何参数和材料参数信息；所述步骤(6)中输电导线的力学性能设定值根据输电导线的几何参数和材料参数信息得出。

本发明的实现原理如下：

采用本发明所述系统预测覆冰导线应力变化情况的特点是从结构力学有限位移弹性理论的虚功方程出发，取初始输电电线呈二次抛物线形状，划分单元，得到每个单元节点的坐标，根据节点坐标值计算得到无自重状态下的单元长度及输电电线总长度。

将输电导线视为一维体，以无自重状态下单元长度的中点为原点，取沿导线长方向的无量纲坐标s，得到三节点二次曲线单元的形函数。根据索单元的应力应变关系，结合虚功原理，最终得到输电导线的单元刚度矩阵。再根据节点坐标，得到自重状态下的载荷列阵、切线刚度矩阵，推导出输电导线的非线性基本方程，采用Newton-Raphson迭代法求解。

计算得到自重状态下，输电导线每个单元节点新的坐标，从而得到自重状态下输电导线的单元长度及输电电线的总长度，完成输电导线的找形分析。

以输电导线单元节点的新坐标为基础，代入输电导线的单元刚度矩阵，即可得到新的输电导线单元刚度矩阵。再根据新的节点坐标，得到覆冰荷载作用下的载荷列阵、切线刚度矩阵，推导出输电导线的非线性基本方程，采用Newton-Raphson迭代法求解。计算得到覆冰荷载作用下，输电导线的张力与应变。通过与输电导线力学性能设定值相比较，判断输电导线的安全性，为是否启动融冰程序提供参考。

本系统可对自重、冰雪载及风载作用下的输电导线的张力进行动态预测，具有实时性强和精确度高的特点，不仅可以有效解决自重、冰雪载及覆冰荷载作用下输电导线张力预测的技术难题，还可以得到电线形态，从而得到架设时输电导线电缆下料长度与成形状态下输电导线各位置的张力。有效解决了低温雨雪冰冻情况下覆冰输电导线应力预测准确性的技术难题，推导出具有较好经济性实用性的覆冰力学模型，从而为监测数据的精度优化及直流融冰后输电导线疲劳损伤评估提供理论支撑。

本发明的有益效果为：

使用三节点二次曲线单元模拟柔索，考虑到输电线路的大变形导致的几何非线性性质，计算自重和冰雪载荷及风载荷作用下的输电导线形态和输电导线各单元的拉应力状态，集成为监测系统主站的架空输电线线型与应力状态模型，精确度高和实时性强，能够对输电导线应力状态和覆冰进行实时估算，实现了可靠的输电导线覆冰实时监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的架空输电线线型与应力状态模型实现方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，本发明所述的一种覆冰输电线路应力监测系统，包括覆冰监测单元，所述覆冰监测单元通过光芯与光纤接续盒连接，所述光纤接续盒通过OPGW与光纤信号解调主机连接，所述光纤信号解调主机通过LAN与监测系统主站连接；其中：

所述光纤信号解调主机用于对所述OPGW中光栅反射波特征量进行数据采集并解调后通过LAN传递给所述监测系统主站；

所述监测系统主站集成有架空输电线线型与应力状态模型，将光纤信号解调主机解调后的数据进行整合，测算输电导线悬链线线型，估算出输电导线最大拉力和应力及其位置，对覆冰形势进行判断，并记录结果。

本实施例中，所述监测系统主站采用网站形式。能够向用户发布覆冰预警信息，展示输电导线实时微气象环境、输电线路最大拉应力状态和位置、覆冰趋势等。

本实施例中，所述架空输电线线型与应力状态模型的输入量为监测点的温度、湿度、气压、风速和风向五个气象要素的微气象数据与输电导线的弹性模量、输电导线的横截面面积、输电导线的线膨胀系数及输电导线的重量四个输电导线的参数。其输出量为导线单元节点坐标(x，y，z)、各单元拉应力(MPa)、最大拉应力及其位置、覆冰趋势等信息。

本实施例中，所述架空输电线线型与应力状态模型采用下述步骤进行测算：

(1)在计算机系统中事先输入输电导线的几何参数和材料参数信息，并根据上述信息计算得出输电导线的力学性能设定值；将输电导线的理想无自重状态取为二次抛物线形状，然后将其划分为多个单元，并获取每个单元节点的横坐标，然后根据每个单元节点的横坐标计算出每个单元节点的纵坐标，得到每个单元节点的整体坐标值，根据每个单元节点的整体坐标值计算出无自重状态下输电导线的单元长度和输电导线的总长度；

(2)将输电导线视为一维体，以无自重状态下单元长度的中点为原点，取沿输电导线长方向的无量纲坐标s，得到三节点二次曲线单元的形函数；输电导线单元的应变其中ds、分别指输电导线单元变形前和变形后的长度；根据胡克定理，输电导线的广义应力为 $\mathrm{\σ}=E\left(\frac{1}{2}{\left\{X_N\right\}}^{\mathrm{cT}}{\left[N_c^{\′}\right]}^T\right[N_c^{\′}]{\left\{X_N\right\}}^c-\frac{1}{2});$ 再根据虚功原理，最终得到输电导线的单元刚度矩阵 ${\left[K_E\right]}^e={\∫}_{-l/2}^{l/2}\mathrm{EA}\left(\frac{1}{2}{\left\{X_N\right\}}^{\mathrm{cT}}{\left[N_c^{\′}\right]}^T\right[N_c^{\′}]{\left\{X_N\right\}}^c-\frac{1}{2})\×{\left[N_c^{\′}\right]}^T\left[N_c^{\′}\right]\mathrm{ds};$ 根据输电导线单元的定位向量λ^e，由输电导线的单元刚度矩阵形成总刚矩阵根据步骤(1)中得到的每个单元节点的整体坐标值，得到载荷列阵、切线刚度矩阵及非线性基本方程；

(3)根据步骤(1)中得到的输电导线无自重状态下单元节点的初始坐标，得到迭代计算的u⁽⁰⁾；

(4)对于第i次迭代，在得到一组{X_N}ⁱ后，计算出[K_E]，代入方程

[K_E]ⁱ{X_N}ⁱ-{G}＝{e}ⁱ，式中：[K_E]ⁱ指第i次迭代时输电导线的刚度矩阵，{X_N}ⁱ指第i次迭代时输电导线单元节点的位移列阵，{G}指重力荷载列阵，{e}ⁱ指误差列；

(5)将步骤(4)中得到的误差列{e}ⁱ代入方程([K_E]ⁱ+[K_F]ⁱ)δ{X_N}ⁱ＝-{e}ⁱ，式中：[K_E]ⁱ指第i次迭代时输电导线的单元刚度矩阵，[K_F]ⁱ指第i次迭代时输电导线系统的几何刚度矩阵，δ{X_N}ⁱ指第i次迭代时节点位移调整值列阵；

(6)将δ{X_N}ⁱ代入方程{X_N}ⁱ⁺¹＝{X_N}ⁱ+δ{X_N}ⁱ，式中：{X_N}ⁱ指第i次迭代时输电导线单元节点的位移列阵，δ{X_N}ⁱ指第i次迭代时输电导线单元节点的位移调整值列阵，{X_N}ⁱ⁺¹指第i+1次迭代时输电导线单元节点的位移列阵；求得的{X_N}ⁱ⁺¹即为新的{X_N}；然后再返回到步骤(4)，重新开始迭代计算；

(7)反复执行步骤(4)～步骤(6)的迭代过程，直到最大相对校正值满足方程为止，式中：η指给定的正小数，n指方程的阶数，xⁱ指第i次迭代时输电导线单元节点的位移值，δxⁱ指第i次迭代时输电导线单元节点的位移调整值，xⁱ∈{X_N}，δxⁱ∈δ{X_N}；计算得到自重作用下，每个输电导线单元节点的新坐标值，再由新坐标值计算得到自重作用下输电导线单元的长度和输电导线的总长度，完成导线的找形分析；

(8)以自重状态下输电导线的新单元节点坐标为基础，代入单元刚度矩阵，得到新的单元刚度矩阵；根据单元定位向量λ^e，由输电导线的单元刚度矩阵形成自重状态下总刚矩阵，即根据自重状态下输电导线的新单元节点坐标，得到载荷列阵、切线刚度矩阵及非线性基本方程；

(9)取输电导线的自重状态为初始状态，根据步骤(7)得到的自重状态下输电导线单元节点的新坐标值，得到迭代计算的u⁽⁰⁾；

(10)对于第i次迭代，在得到一组{X_N}ⁱ后，由此计算出[K_E]，代入方程[K_E]ⁱ{X_N}ⁱ-{G}-{Q}-{R}＝{e}ⁱ，式中：[K_E]ⁱ指第i次迭代时输电导线的刚度矩阵，{G}指重力荷载列阵，{Q}指分布荷载列阵，{R}指节点集中力列阵，{e}ⁱ指误差列；

(11)将步骤(10)中得到的误差列{e}ⁱ，代入方程([K_E]ⁱ+[K_F]ⁱ)δ{X_N}ⁱ＝-{e}ⁱ，式中：[K_E]ⁱ指第i次迭代时输电导线的单元刚度矩阵，[K_F]ⁱ指第i次迭代时输电导线系统的几何刚度矩阵，δ{X_N}ⁱ指第i次迭代时输电导线单元节点位移调整值列阵；由此得到调整值δ{X_N}ⁱ；

(12)将步骤(11)中得到的调整值δ{X_N}ⁱ，代入方程{X_N}ⁱ⁺¹＝{X_N}ⁱ+δ{X_N}ⁱ，式中：{X_N}ⁱ指第i次迭代时输电导线单元节点的位移列阵，δ{X_N}ⁱ指第i次迭代时输电导线单元节点的位移调整值列阵，{X_N}ⁱ⁺¹指第i+1次迭代时输电导线单元节点的位移列阵；求得的{X_N}ⁱ⁺¹即为新的{X_N}；然后再返回到步骤(10)，重新开始迭代计算；

(13)反复执行步骤(10)～步骤(12)的迭代过程，直到最大相对校正值满足方程为止，式中：η指给定的正小数，n指方程的阶数，xⁱ指第i次迭代时输电导线单元节点的位移值，δxⁱ指第i次迭代时输电导线单元节点的位移调整值，其中xⁱ∈{X_N}，δxⁱ∈δ{X_N}；

(14)得到输电导线当前覆冰状态下各个单元节点的坐标值后，由公式 $T_c=\frac{1}{2}\mathrm{EA}\sqrt{{\left\{X_N\right\}}^{\mathrm{cT}}{\left[N_c^{\′}\right]}^T\left[N_c^{\′}\right]{\left\{X_N\right\}}^c}\left({\left\{X_N\right\}}^{\mathrm{cT}}{\left[N_c^{\′}\right]}^T\right[N_c^{\′}]{\left\{X_N\right\}}^c-1),$ 实时计算出输电导线当前荷载作用下各部位的张力；式中：T_c指输电导线的拉力，E指输电导线的弹性模量，A指输电导线的横截面面积，[N′_c]指输电导线单元的形函数矩阵，[N′_c]^T指输电导线单元形函数矩阵的转置矩阵，{X_N}^c指输电导线单元的最终节点坐标列阵，{X_N}^cT指输电导线单元最终节点坐标列阵的转置矩阵；

(15)由下述公式可求出输电导线在当前覆冰状态下的应力：

${\mathrm{\σ}}_c=\frac{1}{2}E\sqrt{{\left\{X_N\right\}}^{\mathrm{cT}}{\left[N_c^{\′}\right]}^T\left[N_c^{\′}\right]{\left\{X_N\right\}}^c}\left({\left\{X_N\right\}}^{\mathrm{cT}}{\left[N_c^{\′}\right]}^T\right[N_c^{\′}]{\left\{X_N\right\}}^c-1),$ 式中：σ_c指输电导线的应力；

通过将上述计算结果与输电导线的力学性能设定值比较，决定是否需要启动除冰程序。

本发明首先运用已有的输电导线数据或输入相关数据构建悬垂线方程，计算输电导线未变形时的单元长度及总长度；其次用Newton-Raphson迭代法求解基本方程建立输电导线悬垂线模型，运用结构力学方法计算各输电导线单元应力状态；最后计算出覆冰输电导线应力在未来若干小时内的预测值。本发明能够对覆冰输电导线应力进行动态预测，具有精确度高和实时性强的特点，有效解决了低温雨雪冰冻情况下覆冰输电导线应力预测准确性的技术难题，推导出具有较好经济性实用性的覆冰力学模型从而为监测数据的精度优化及直流融冰后导线疲劳损伤评估提供理论支撑。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种覆冰输电线路应力监测系统，其特征在于，包括覆冰监测单元，所述覆冰监测单元通过光芯与光纤接续盒连接，所述光纤接续盒通过OPGW与光纤信号解调主机连接，所述光纤信号解调主机通过LAN与监测系统主站连接；其中：

所述光纤信号解调主机用于对所述OPGW中光栅反射波特征量进行数据采集并解调后通过LAN传递给所述监测系统主站；

所述监测系统主站集成有架空输电线线型与应力状态模型，将光纤信号解调主机解调后的数据进行整合，测算输电导线悬链线线型，估算出输电导线最大拉力和应力及其位置，对覆冰形势进行判断，并记录结果。

2.根据权利要求1所述的一种覆冰输电线路应力监测系统，其特征在于，所述监测系统主站采用网站形式。

3.根据权利要求1所述的一种覆冰输电线路应力监测系统，其特征在于，所述架空输电线线型与应力状态模型的输入量为监测点的温度、湿度、气压、风速和风向五个气象要素的微气象数据与输电导线的弹性模量、输电导线的横截面面积、输电导线的线膨胀系数及输电导线的重量四个输电导线的参数。

4.根据权利要求1所述的一种覆冰输电线路应力监测系统，其特征在于，所述架空输电线线型与应力状态模型采用下述步骤进行测算：

(1)无自重状态下输电导线单元长度及输电导线总长度的获取：将输电导线的理想无自重状态取为二次抛物线形状，然后将其划分为多个单元，并获取每个单元节点的横坐标，然后根据每个单元节点的横坐标计算出每个单元节点的纵坐标，得到每个单元节点的整体坐标值，根据每个单元节点的整体坐标值计算出无自重状态下输电导线的单元长度和输电导线的总长度；

(2)计算得到自重作用下，每个输电导线单元节点的新坐标值，再由新坐标值计算得到自重作用下输电导线单元的长度和输电导线的总长度，完成导线的找形分析；

(3)以自重状态下输电导线的新单元节点坐标为基础，代入单元刚度矩阵，得到新的单元刚度矩阵；根据单元定位向量λ^e，由输电导线的单元刚度矩阵形成自重状态下总刚矩阵，即根据自重状态下输电导线的新单元节点坐标，得到载荷列阵、切线刚度矩阵及非线性基本方程；

(4)计算得到输电导线当前覆冰状态下各个单元节点的坐标值；

(5)下述由公式实时计算出输电导线当前荷载作用下各部位的张力： $T_c=\frac{1}{2}\mathrm{EA}\sqrt{{\left\{X_N\right\}}^{\mathrm{cT}}{\left[N_c^{\′}\right]}^T\left[N_c^{\′}\right]{\left\{X_N\right\}}^c}\left({\left\{X_N\right\}}^{\mathrm{cT}}{\left[N_c^{\′}\right]}^T\right[N_c^{\′}]{\left\{X_N\right\}}^c-1),$ 式中：T_c指输电导线的拉力，E指输电导线的弹性模量，A指输电导线的横截面面积，[N′_c]指输电导线单元的形函数矩阵，[N′_c]^T指输电导线单元形函数矩阵的转置矩阵，{X_N}^c指输电导线单元的最终节点坐标列阵，{X_N}^cT指输电导线单元最终节点坐标列阵的转置矩阵；

(6)由下述公式可求出输电导线在当前覆冰状态下的应力：

${\mathrm{\σ}}_c=\frac{1}{2}E\sqrt{{\left\{X_N\right\}}^{\mathrm{cT}}{\left[N_c^{\′}\right]}^T\left[N_c^{\′}\right]{\left\{X_N\right\}}^c}\left({\left\{X_N\right\}}^{\mathrm{cT}}{\left[N_c^{\′}\right]}^T\right[N_c^{\′}]{\left\{X_N\right\}}^c-1),$ 式中：σ_c指输电导线的应力；

通过将上述计算结果与输电导线的力学性能设定值比较，决定是否需要启动除冰程序。