CN104764403A - 分布式架空导线脱冰跳跃实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式架空导线脱冰跳跃实验系统，属于输配电技术领域，该系统包括脱冰跳跃实验模块、脱冰控制模块、动张力采集模块和导线跳跃位移采集模块四部分，其中脱冰跳跃实验模块建立实验基础环境，脱冰控制模块接收脱冰控制系统发送过来的时序配置指令，并在接收到脱冰控制指令后按指定的时序执行脱冰动作，动张力采集模块对架空导线脱冰跳跃过程中的动张力进行实时采集，并对之进行时频域分析得出其动态特性，导线跳跃位移采集模块对导线脱冰跳跃档中位置处的位移进行采集识别，绘制出位移时程曲线。
Description
技术领域
本发明涉及一种架空导线脱冰跳跃实验系统，属于输配电技术领域。
背景技术
架空导线在冬季常会产生覆冰现象，由于气温升高、自然风力或者人为敲击等作用，覆冰脱离架空导线产生脱冰跳跃动力学过程。导线脱冰后会发生上下起伏状形态的变化，反映到端部张力上则会形成变化的动张力工况，区别于静态载荷，该动张力对输电塔的结构安全性影响很大。2008年冰雪灾害中，有90％左右的倒塔都是由于脱冰跳跃形成的动张力对铁塔的冲击作用所致，因此对脱冰跳跃这一非线性动力学过程进行研究具有重要的意义。
但是目前针对该现象的实验系统较少，华北电力大学设计了一套输电线路脱冰模拟实验系统(专利号：ZL201220701605.X)，该系统利用电磁铁悬吊和释放重物，操作灵活、方便，大大提高了试验的工作效率；该系统利用计算机软件设置重物脱落的时序，有效提高了试验过程的控制精度及试验系统的可操作性，可以模拟出多种复杂的脱冰工况；同时，可以实现针对每路覆冰重物单独控制，进而完成按一定时序进行脱冰的工况模拟，该系统可多次重复，且准确率高、一致性好。
但是，上述系统主要存在以下缺陷：1)对采集信号处理的速度。利用一个单片机同时处理多个重物同时掉落的指令，很大程度上影响了处理速度，若采用分布式的系统架构可以提高系统的灵活性，适用于多种档距工况下的脱冰跳跃实验。2)所述系统只有一个控制核心，即为星形连接方式，可扩展性较差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种分布式架空导线脱冰跳跃实验系统，该系统能够对架空导线脱冰跳跃工况进行模拟实验，并实时采集架空导线脱冰跳跃过程中端部动张力变化情况，对进一步研究架空导线脱冰跳跃非线性动力学过程大有裨益。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种分布式架空导线脱冰跳跃实验系统，其特征在于包括脱冰跳跃实验模块、脱冰控制模块、动张力采集模块和导线跳跃位移采集模块；
所述的脱冰跳跃试验模块搭建脱冰跳跃实验系统基本环境，包括两个支架，以及在两个支架之间的架空导线，在架空导线上分布设置有重物，所述的重物的质量为可调型，重物上安装有电磁铁，用于模拟不同厚度的覆冰工况；
所述的脱冰控制模块控制包括脱冰控制单元，所述的脱冰控制单元通过控制线与1个以上的电磁铁连通，脱冰控制单元经过控制箱与计算机连接，所述的脱冰控制单元与电磁铁通过外部的电磁铁电源供电，脱冰控制模块实现架空导线覆冰和脱冰工况的模拟，其中脱冰控制单元负责按照脱冰控制系统指定的时序进行脱冰动作执行；
所述的动张力采集模块包括设于架空导线一端的张力感应器，所述的张力感应器依次经过变送器和采集卡与计算机连接，利用计算机实时采集架空导线脱冰跳跃过程中的动张力，并对该动张力特性进行时频域分析；
所述的导线跳跃位移采集模块实现导线档中位置脱冰跳跃位移变化时程情况的采集，其包括摄像头，所述的摄像头与架空导线中部的档中标示点对正，并且摄像头对架空导线的跳跃位移进行识别拍摄，并利用导线脱冰跳跃位移识别系统对档中位置标识点在各个时刻下的位置进行识别，进而得出脱冰跳跃的位移时程。
对上述系统做进一步说明，所述的脱冰控制单元为一个以上，脱冰控制单元之间通过总线串联，串联后的脱冰控制单元经过控制箱与计算机连接，每个脱冰控制单元均分别与四路重物的电磁铁连通，各路重物相互独立互不干扰，同时又相互等价，重物与脱冰控制单元共同形成分布式架构的连接关系。
对上述系统做进一步说明，所述的脱冰控制单元采用光耦合元器件将重物中的电磁铁通断产生的瞬间高压与核心芯片隔离开来，所述的脱冰控制单元内部继电器与电磁铁连接端反接有续流5819二极管，用于动作执行时将电磁铁上电流消耗掉。
对上述系统做进一步说明，所述的脱冰控制系统控制脱冰控制单元切断每路重物上的电磁铁供电，控制每路重物坠落时间不同，可实现覆冰重物部分档、顺序以及随机脱落之类的非同期脱冰，并且脱冰动作指令由控制箱拨动开关统一发出，利用总线上电平瞬间一致性，确保各个脱冰控制单元能够在同一时刻收到动作指令，实现精确时序脱冰工况模拟。
对上述系统做进一步说明，所述的脱冰控制系统中利用每个控制脱冰控制单元物理地址的差异，区分控制脱冰控制单元的位置，并要求各个脱冰控制单元在同一时刻接收到动作指令，并且脱冰控制单元通过高精度晶振提供精确时间周期，用于提高时间执行精度及脱冰动作时序精度。
对上述系统做进一步说明，所述的位移识别系统利用摄像头采集的架空导线中档中标示点位移变化图像，对图像进行分帧处理，而后识别每帧图像中档中标示点的位移值，再将各位移值与每帧图像的时间刻对应，绘制出架空导线脱冰跳跃档中位置位移时程曲线。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
1)本发明能够模拟多种架空导线脱冰跳跃工况，跳跃过程中的动张力由动张力采集模块实时采集，有助于进一步分析架空导线脱冰跳跃非线性动力学过程，进而设计出更为有效的脱冰跳跃抑舞装置，提高输电线路抗冰能力；
2)本发明采用分布式的系统架构，将多个分布式控制单元采用总线方式连接，可以根据线路长度和覆冰厚度方便地增加或缩减控制重物数，可以提高系统的灵活性和可扩展性，适应于多种档距工况下的脱冰跳跃实验；
3)本发明中时序配置采用统一发送指令实现，动作执行则由控制箱拨动开关统一发送。为提高时间精度，新系统单独设立一根控制总线，拨动开关即改变总线上的电平，利用电传播的高速性，使系统具有毫秒级执行时间误差，提高系统的执行精度；
3)为减小干扰作用，本系统中分布式控制单元采用光耦合元器件将电磁铁通断产生的瞬间高压与核心芯片隔离开来，光耦合元器件可为单通道高速光耦合器，其型号为6N137，同时，脱冰控制单元中的继电器与电磁铁连接端反接有续流5819二极管，动作执行时将电磁铁上电流消耗掉，保证重物即刻坠落，系统的抗干扰性能及稳定性增加；
4)本发明将各控制单元硬件部分设计成完全一样，只需从软件角度改变各自物理地址区分各控制单元的位置，只需每个脱冰控制单元的动作执行时各指令格式一样，动作执行时具有很高的一致性，进而提高时间执行精度；
5)本系统增加了有动张力和跳跃幅值测量子系统，可以实时采集脱冰跳跃过程中的动力学特性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1本发明的系统组成示意图；
图2是分布式架空导线脱冰跳跃实验系统总线结构图；
图3是脱冰控制系统的逻辑流程图；
图4是动张力采集模块逻辑流程图；
图5是导线脱冰跳跃位移识别系统逻辑流程图；
图6是三种覆冰工况下整档同时脱冰导线动张力时程曲线，其中图6(a)为5mm覆冰整档同时脱冰，图6(b)为10mm覆冰整档同时脱冰，图6(c)为15mm覆冰整档同时脱冰；
图7为15mm从左往右间隔20、50、100ms顺序脱冰动张力；
图8为档中位置处脱冰跳跃位移时程曲线，其中图8(a)为5mm覆冰时档中位置处脱冰跳跃位移时程曲线，图8(b)10mm覆冰时档中位置处脱冰跳跃位移时程曲线，图8(c)15mm覆冰时档中位置处脱冰跳跃位移时程曲线；
其中：1、支架，2、重物，3、架空导线，4、档中标示点，5、摄像头，6、张力传感器，7、变动器，8、采集卡，9、计算机，10、控制箱，11、脱冰控制单元，12、总线，13、电磁铁电源，14、控制线，
具体实施方式
根据附图1可知，本发明具体涉及一种分布式架空导线脱冰跳跃实验系统，该系统包括脱冰跳跃实验模块、脱冰控制模块、动张力采集模块和导线跳跃位移采集模块四大部分。
脱冰跳跃试验模块搭建脱冰跳跃实验系统基本环境，包括两个支架1，以及在两个支架1之间的架空导线3，在架空导线3上分布设置有重物2，用于模拟覆冰，重物2的质量为可调型，重物2上安装有电磁铁，通过控制电磁铁通断就可以方便控制重物2脱离架空导线3动作实现，用于模拟不同厚度的覆冰工况。
在附图1中，脱冰控制模块控制包括脱冰控制单元11、控制箱10和计算机9，每四路重物2接入一台脱冰控制单元11，脱冰控制单元11对每路电磁铁进行单独控制，这样的机制确保每路电磁铁之间动作执行相互独立，同时各个重物2和脱冰控制单元11采用同样的设计方式，这样确保了各重物相互等价，进而可以实现任意时序的脱冰跳跃动作。其中各个脱冰控制单元11采用分布式结构，图1中绘制出了5个脱冰控制单元11，将脱冰任务分散至各脱冰控制单元11上，与此同时，系统还可以链接更多的脱冰控制单元，完成更大档距的脱冰工况实验。为减小电磁铁通断对实验系统的影响，系统对电磁铁单独进行供电，所有的电磁铁从电源总线上取电，互不干扰。各个脱冰控制单元采用总线12连接，总线12包括电源总线、控制总线和通信总线，其中电源总线主控对各脱冰控制单元11进行供电，控制总线对挂接在其上的各个脱冰控制单元11发送动作指令，通信总线完成各个脱冰控制单元的指令传递任务，实现各路覆冰重物脱冰时序设置，其中脱冰动作指令有控制箱统一发出。
参见图2，分布式架空导线脱冰跳跃实验系统中脱冰控制模块控制包括脱冰控制单元11，脱冰控制单元11通过控制线14与1个以上的电磁铁连通，脱冰控制单元11经过控制箱10与计算机9连接，脱冰控制单元11与电磁铁通过外部的电磁铁电源13供电，脱冰控制模块实现架空导线3覆冰和脱冰工况的模拟，其中脱冰控制单元11负责按照脱冰控制系统指定的时序进行脱冰动作执行。脱冰控制模块采用总线结构构成一个整体，各个脱冰控制单元11与控制箱10挂接在总线12上，该总线由485总线、控制总线、电源总线等组成。485总线实现各个脱冰控制单元11与控制箱12之间的通信，计算机9通过脱冰控制系统对各路覆冰进行时序设置，脱冰控制单元11内置存储单元，将各路覆冰坠落时间存储记录下来。控制箱12通过控制总线向各个脱冰控制单元11发送脱冰执行指令，控制单元接收到该指令后开始计时，当某路覆冰重物达到预设时间时即执行脱冰动作，由于各路重物2之间相互等价独立，因此可以实现多种不同脱冰时序的模拟。电源总线用于对各个脱冰控制单元进行供电。
如附图3所示，脱冰控制系统控制脱冰控制单元11切断每路重物2上的电磁铁供电，控制每路重物2坠落时间不同，可实现覆冰重物部分档、顺序以及随机脱落之类的非同期脱冰，并且脱冰动作指令由控制箱10拨动开关统一发出，利用总线12上电平瞬间一致性，确保各个脱冰控制单元能够在同一时刻收到动作指令，实现精确时序脱冰工况模拟。
动张力采集模块包括设于架空导线3一端的张力感应器6，张力感应器6依次经过变送器7和采集卡8与计算机9连接，利用计算机9实时采集架空导线3脱冰跳跃过程中的动张力，并对该动张力特性进行时频域分析；架空导线3端部连接有电阻应变式张力传感器6，实时采集导线端部动张力变化情况，所采集的信号接入变送器7，经过转换后成为标准电压模拟量，并由采集卡8采集传送至计算机9。计算机9上安装有架空导线脱冰跳跃动张力实时采集与分析软件，实现动张力的实时采集与存储，并通过图形的方式显示出来，另外软件提供时频域分析功能，能够有效分析动张力特性。
参见图4，架空导线脱冰跳跃动张力采集模块用于实时采集导线端部动张力时程变化情况。脱冰跳跃过程中，导线端部会产生变化的动张力，该动张力经过电阻应变式张力传感器转化为电阻应变量，变送器对该电阻应变量进行转化，成为标准电压模拟量，并为高精度数据采集卡DT9800所采集，监控计算机上安装有DEWEsoft软件接收经过DT9800采集的动张力值，并加以显示。
导线跳跃位移采集模块实现导线档中位置脱冰跳跃位移变化时程情况的采集，其包括摄像头5，所述的摄像头5与架空导线3中部的档中标示点4对正，并且摄像头5对架空导线3的跳跃位移进行识别拍摄，并利用导线脱冰跳跃位移识别系统对档中位置标识点在各个时刻下的位置进行识别，进而得出脱冰跳跃的位移时程。
参见图5，架空导线脱冰跳跃位移采集模块实时采集导线在脱冰跳跃过程中的跳跃位移时程变化情况。首先，架设位移识别摄像头，拍摄导线脱冰跳跃过程中的位移视频。而后，对拍摄到的视频进行分帧处理，分解为按时间排列的图像帧。再者，采用导线脱冰跳跃位移识别系统软件对每帧图像中的档中位置标识点进行为位移识别，每个位移值对应该帧图像的时刻值。最后，将识别出来的位移值串接绘制成跳跃位移时程曲线。
利用本发明可以实现架空导线脱冰跳跃试验，其具体实现过程为：架设一段架空输电导线，导线型号可以根据实际试验要求而定，导线上的等间距安装有轻质铁吸盘。覆冰质量采用可调覆冰重物模拟，重物上安装有电磁铁，当电磁铁通电时，即产生吸力，与吸盘吸合，悬挂导线上实现覆冰工况模拟。整档导线上悬挂有多个覆冰重物，每路重物与脱冰控制模块相连，受其分别控制，重物之间相互独立且等价。当脱冰控制模块切断可调覆冰重物上的电磁铁供电时，模拟覆冰重物从架空导线脱离，实现脱冰工况模拟。控制每路可调覆冰重物坠落时间不同即可实现覆冰重物部分档、顺序以及随机脱落之类的非同期脱冰。脱冰时序由脱冰控制软件统一设置，提高了系统的自动化性能，同时，脱冰动作指令由控制箱统一发出，确保各个脱冰控制单元能够在同一时刻收到动作指令，各控制单元即开始计时，并按照脱冰跳跃时序驱动各路覆冰重物动作。可调覆冰重物脱离导线后导线发生脱冰跳跃现象，张力传感器实时采集导线动张力变化情况，并通过变送器转换为标准模拟电压量。实验系统采用DT9800高性能数据采集卡采集该模拟电压量，并传送至DEWEsoft数据采集软件，该软件实现动张力值存储、显示以及分析等功能。脱冰跳跃过程中导线档中位置位移变化采用位移识别摄像头拍摄，图像识别系统软件将拍摄到的视频图像进行分帧处理，而后识别每帧图像中导线档中位置的位移值，再将各位移值与每帧图像的时间刻对应，绘制出导线脱冰跳跃档中位置位移时程曲线。
实施例：使用本发明对一段档距为130米的架空导线进行模拟脱冰跳跃试验，其基本工况如下表1所示。
表1脱冰跳跃试验工况
可调覆冰重物可以调整质量以模拟不厚度的覆冰工况，本实验中采用等间距悬挂20个重物的方式模拟覆冰，可调覆冰重物质量分配如表2所示。
表2可调覆冰重物分配
| 覆冰厚度mm | 覆冰总质量kg | 每个可调覆冰重物质量kg |
| 5 | 37.73 | 1.89 |
| 10 | 89.58 | 4.48 |
| 15 | 155.57 | 7.78 |
利用本发明对各种试验工况下三种覆冰工况下整档同时脱冰架空导线脱冰跳跃动张力时程曲线进行采集，其试验结果如图6所示。
从图6中可以明显看出架空导线发生整档脱冰后，导线动张力呈逐步衰减趋势，随着覆冰厚度的增加，架空导线脱冰跳跃动张力变化幅值加大。本实验系统可以实现多种覆冰工况的脱冰跳跃模拟实验，并能采集到整档脱冰跳跃过程中的导线动张力值。
设置各路覆冰重物坠落时间按照一定的时间间隔依次坠落可以实现覆冰顺序脱落工况。在15mm覆冰工况下，分别实现从左往右间隔20ms、50ms和100ms顺序脱落实验结果如图7所示。
从图7可以发现，从左往右和从右往左脱冰工况下，随着脱冰时间间隔的增加，动张力波动幅值减小。
导线跳跃位移采集模块采集脱冰跳跃过程中档中位置跳跃位移情况，在5mm、10mm、15mm覆冰工况下整档同时脱冰跳跃位移时程如图8所示。
由图8可见，本发明可以采集到导线脱冰跳跃过程中档中位置处位移时程变化情况。
本发明的积极效果是：分布式架空导线脱冰跳跃实验系统能够模拟多种架空导线脱冰跳跃工况，跳跃过程中的动张力由动张力采集模块实时采集，有助于进一步分析架空导线脱冰跳跃非线性动力学过程，进而设计出更为有效的脱冰跳跃抑舞装置，提高输电线路抗冰能力。
Claims (6)
1.一种分布式架空导线脱冰跳跃实验系统，其特征在于包括脱冰跳跃实验模块、脱冰控制模块、动张力采集模块和导线跳跃位移采集模块；
所述的脱冰跳跃试验模块搭建脱冰跳跃实验系统基本环境，包括两个支架(1)，以及在两个支架(1)之间的架空导线(3)，在架空导线(3)上分布设置有重物(2)，所述的重物(2)的质量为可调型，重物(2)上安装有电磁铁，用于模拟不同厚度的覆冰工况；
所述的脱冰控制模块控制包括脱冰控制单元(11)，所述的脱冰控制单元(11)通过控制线(14)与1个以上的电磁铁连通，脱冰控制单元(11)经过控制箱(10)与计算机(9)连接，所述的脱冰控制单元(11)与电磁铁通过外部的电磁铁电源(13)供电，脱冰控制模块实现架空导线(3)覆冰和脱冰工况的模拟，其中脱冰控制单元(11)负责按照脱冰控制系统指定的时序进行脱冰动作执行；
所述的动张力采集模块包括设于架空导线(3)一端的张力感应器(6)，所述的张力感应器(6)依次经过变送器(7)和采集卡(8)与计算机(9)连接，利用计算机(9)实时采集架空导线(3)脱冰跳跃过程中的动张力，并对该动张力特性进行时频域分析；
所述的导线跳跃位移采集模块实现导线档中位置脱冰跳跃位移变化时程情况的采集，其包括摄像头(5)，所述的摄像头(5)与架空导线(3)中部的档中标示点(4)对正，并且摄像头(5)对架空导线(3)的跳跃位移进行识别拍摄，并利用导线脱冰跳跃位移识别系统对档中位置标识点在各个时刻下的位置进行识别，进而得出脱冰跳跃的位移时程。
2.根据权利要求1所述的分布式架空导线脱冰跳跃实验系统，其特征在于所述的脱冰控制单元(11)为一个以上，脱冰控制单元(11)之间通过总线(12)串联，串联后的脱冰控制单元(11)经过控制箱(10)与计算机(9)连接，每个脱冰控制单元(11)均分别与四路重物(2)的电磁铁连通，各路重物(4)相互独立互不干扰，同时又相互等价，重物(2)与脱冰控制单元(11)共同形成分布式架构的连接关系。
3.根据权利要求1或2所述的分布式架空导线脱冰跳跃实验系统，其特征在于所述的脱冰控制单元(11)采用光耦合元器件将重物(2)中的电磁铁通断产生的瞬间高压与核心芯片隔离开来，所述的脱冰控制单元(11)内部继电器与电磁铁连接端反接有续流5819二极管，用于动作执行时将电磁铁上电流消耗掉。
4.根据权利要求1所述的分布式架空导线脱冰跳跃实验系统，其特征在于所述的脱冰控制系统控制脱冰控制单元(11)切断每路重物(2)上的电磁铁供电，控制每路重物(2)坠落时间不同，可实现覆冰重物部分档、顺序以及随机脱落之类的非同期脱冰，并且脱冰动作指令由控制箱(10)拨动开关统一发出，利用总线(12)上电平瞬间一致性，确保各个脱冰控制单元能够在同一时刻收到动作指令，实现精确时序脱冰工况模拟。
5.根据权利要求4所述的分布式架空导线脱冰跳跃实验系统，其特征在于所述的脱冰控制系统中利用每个控制脱冰控制单元(11)物理地址的差异，区分控制脱冰控制单元(11)的位置，并要求各个脱冰控制单元(11)在同一时刻接收到动作指令，并且脱冰控制单元(11)通过高精度晶振提供精确时间周期，用于提高时间执行精度及脱冰动作时序精度。
6.根据权利要求1所述的分布式架空导线脱冰跳跃实验系统，其特征在于所述的位移识别系统利用摄像头(5)采集的架空导线(3)中档中标示点(4)位移变化图像，对图像进行分帧处理，而后识别每帧图像中档中标示点(4)的位移值，再将各位移值与每帧图像的时间刻对应，绘制出架空导线(3)脱冰跳跃档中位置位移时程曲线。
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