CN104833393A - 输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置，包括有输电线路综合在线监测单元和设置于覆冰导线上的导线舞动在线监测单元；输电线路综合在线监测单元通过3G信号与导线舞动在线监测单元连接，输电线路综合在线监测单元通过3G网络与监测中心后台系统相连。本发明还公开了利用输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置监测覆冰导线舞动空气动力参数的方法。本发明输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置及其监测方法能够准确获取输电线路覆冰导线的覆冰厚度及覆冰导线舞动时的实时空气动力参数。

Description

输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置及监测方法

技术领域

本发明属于输变电设备状态监测装置技术领域，具体涉及一种输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置，本发明还涉及利用输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置监测覆冰导线舞动空气动力参数的方法。

背景技术

冬季，我国某些地区受大气候和微地形、微气象条件的影响，输电线路覆冰导线舞动事故频繁发生，而输电线路覆冰导线舞动会使输电线路机械和电气性能急剧下降，容易引起相间闪络、金具及绝缘子损坏，导线断股断线，杆塔螺栓松动脱落，塔材损伤，基础受损，甚至会引发倒塔等一系列严重事故，从而造成巨大的经济损失。

由此可见，频繁的输电线路覆冰导线舞动事故会对电网的安全运行造成严重的威胁，迫切需要对输电线路覆冰导线舞动技术进行研究，以保障电网能够在严重自然灾害条件下安全稳定运行和可靠供电。

在对输电线路覆冰导线舞动研究的过程中，获取真实有效的输电线路覆冰导线空气动力参数是非常重要的，也是当今的难题，基于此原因，开发出一种能够获取输电线路覆冰导线舞动空气动力参数的装置及方法尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置，该监测装置能够准确获取输电线路覆冰导线上的覆冰厚度及覆冰导线舞动时的空气动力参数。

本发明的另一目的在于提供利用输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置监测输电线路覆冰导线舞动空气动力参数的方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置，包括有输电线路综合在线监测单元和设置于覆冰导线上的导线舞动在线监测单元；输电线路综合在线监测单元通过3G信号与导线舞动在线监测单元信号连接，输电线路综合在线监测单元通过3G网络与监测中心后台系统相连。

本发明第一种技术方案的特点还在于：

输电线路综合在线监测单元，包括有微控制器a，微控制器a分别通过导线与数据存储模块a、供电电源连接；微控制器a通过RS232总线与ZigBee模块a连接；微控制器a分别通过RS485总线与微气象传感器、拉力传感器及倾角传感器连接；微控制器a通过以太网模与高清摄像机连接；微控制器a通过RJ45通信方式与3G路由器连接，3G路由器与监测中心后台系统连接。

微控制器a采用的是STM32F407ZGT6微控制器。

数据存储模块a采用的是存储器AT24C32；供电电源由太阳能发电供电模块及蓄电池组成；ZigBee模块a采用的是XBEE-PRO模块；以太网模块内采用DP83848I芯片和HR601680网络变压器；3G路由器采用型号为CM8350R的路由器；高清摄像机(1-7)至少设置有两台。

微气象传感器采用的是KX-5一体化微气象传感器；拉力传感器采用的是QP-16拉力传感器；倾角传感器采用的是PM-TSⅡ型数字双轴倾角传感器。

导线舞动在线监测单元，包括有微控制器b，微控制器b分别通过RS232总线与ZigBee模块b、扭转传感器及微惯性传感器连接；微控制器b还分别通过导线与数据存储模块b、电源模块连接。

微控制器b采用的是MSP430F5438单片机；扭转传感器采用的是AKC-215动态应变片扭矩传感器；微惯性传感器采用的是CS-IMU-09A型惯性测量单元；ZigBee模块b采用的是XBEE-PRO模块；数据存储模块b采用的是存储器AT24C32。

本发明所采用的第二种技术方案是，利用输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置监测输电线路覆冰导线舞动空气动力参数的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、安装输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置；

步骤2、经步骤1后，分别利用输电线路综合在线监测单元及导线舞动在线监测单元获取如下信息：

利用输电线路综合在线监测单元获取如下信息：

利用拉力传感器获取覆冰导线舞动前后载荷；

利用倾角传感器获取绝缘子串倾斜角和风偏角；

利用微气象传感器获取环境温度、湿度、风速及风向信息；

利用两台高清摄像机获取覆冰导线舞动前后的视频图像；

利用导线舞动在线监测单元获取如下信息：

利用扭转传感器获取覆冰导线舞动扭矩；

利用微惯性传感器获取覆冰导线舞动轨迹；

步骤3、将经步骤2得到覆冰导线舞动前后载荷、绝缘子串倾斜角、风偏角、环境温度、湿度、风速、风向、覆冰导线舞动前后的视频图、覆冰导线舞动扭矩和覆冰导线舞动轨迹像上传至输电线路综合在线监测单元内的微处理器a中；

步骤4、输电线路综合在线监测单元内的微处理器a将经步骤3上传的所有信息进行汇总后，借助3G路由器传输到监测中心后台系统内；

步骤5、经步骤4，监测中心后台系统对经输电线路综合在线监测单元传输来的数据进行分析处理和存储，首先通过导线覆冰力学计算模型计算得到覆冰导线的等值覆冰厚度及覆冰导线舞动时的升力、阻力；然后结合覆冰形貌、气象参数得到覆冰导线的升力系数、阻力系数；最后结合覆冰导线的舞动扭矩得到覆冰导线舞动扭转系数，完成对覆冰导线舞动空气动力参数的监测。

本发明第二种技术方案的特点还在于：

步骤5具体按照以下步骤实施：

将输电线路综合在线监测单元内的拉力传感器及倾角传感器安装于杆塔与绝缘子低压侧相连接处，将微气象传感器和两台高清摄像机安装于杆塔上，要将两台高清摄像机设置于杆塔不同的角度，要求能够拍摄到覆冰导线的正视图和俯视图；

将导线舞动在线监测单元安装于覆冰导线上。

步骤5.1、通过导线覆冰力学计算模型计算得到覆冰导线的等值覆冰厚度，并通过计算得到覆冰导线舞动时的升力和阻力：

导线覆冰力学计算模型，计算综合载荷q：

设定杆塔等效档距，定义主杆塔绝缘子串上的竖直方向上张力值T_V与两侧导线某点到主杆塔A点间导线上的竖向载荷相互平衡的点称为“平衡点”；

综合载荷q按照如下算法获得：

$\begin{array}{c}q=\frac{2\mathrm{\Δ}{T}_V}{S_{D1}^{\mathrm{AB}}+S_{D1}^{\mathrm{AC}}}\\ =\frac{2\mathrm{\Δ}{T}_V}{\frac{2T_H^{\mathrm{AC}}}{q_0}\mathrm{sh}\frac{l_{D1}^{\mathrm{AC}}{q}_0}{2T_H^{\mathrm{AC}}}+\frac{2(T_H^{\mathrm{AC}}+T_V\mathrm{tg\θ})}{q_0}\mathrm{sh}\frac{l_{D1}^{\mathrm{AB}}{q}_0}{2(T_H^{\mathrm{AC}}+T_V\mathrm{tg\θ})}}\end{array};$

其中，q为综合载荷，ΔT_V为有冰载荷、风载荷作用与只有自重载荷作用时主杆塔上竖向载荷的差值，θ为杆塔上绝缘子串倾斜角，为导线在自重载荷下长度，为导线的最低点水平拉力，l_D1为主杆塔两侧对应的等效档距，l_D1主要由组成；

另外，综合载荷q还满足以下关系：

q＝q₀+q_wind+q_ice；

式中，q_ice为覆冰载荷，q₀为导线自重载荷，q_wind为风载荷；

风载荷q_wind＝0.735a(d+2b)v²；

式中，a为风速的不均匀系数，b为覆冰导线的覆冰厚度，d为覆冰导线的计算直径，v为设计风速m/s；

根据覆冰载荷q_ice，结合覆冰的密度0.9g/cm³、覆冰导线的计算直径d，经计算得到覆冰导线的覆冰厚度为b：

$b=(\sqrt{\frac{4q_{\mathrm{ice}}}{9.8\mathrm{\π}{\mathrm{\γ}}_0}}+d^2-d)/2;$

式中，γ₀为冰的密度；d为覆冰导线的计算直径，b为覆冰导线的覆冰厚度；

步骤5.2、通过在覆冰导线悬挂点处安装拉力传感器、倾角传感器、微惯性传感器及扭转传感器分别测得导线覆冰舞动之前的绝缘子串拉力T₁和倾斜角θ₁，覆冰导线发生舞动时的拉力T₂和倾斜角θ₂、风偏角α以及导线舞动扭矩M_z，而倾斜角θ₁与倾斜角θ₂、风偏角α之间存在如下关系：

$\cos {\mathrm{\θ}}_2=1/\left(\cos \mathrm{\α}\sqrt{1+{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_1+{\tan }^2\mathrm{\α}}\right);$

由绝缘子串拉力T₁、倾斜角θ₁、覆冰导线发生舞动时的拉力T₂、倾斜角θ₂、风偏角α之间的关系，经计算得到导线覆冰舞动时的气动升力F_D和阻力F_L；

F_D＝T₂sinθ₂sinα；

F_L＝T₂cosθ₂-T₁cosθ₁；

步骤5.3、根据步骤5.2计算出来的气动升力F_D和阻力F_L，结合步骤2中扭转传感器测得的覆冰导线的舞动扭矩及微气象传感器获取环境温度、湿度、风速及风向信息，按照如下算法得到覆冰导线的阻力系数C_L、升力系数C_D和扭转系数C_M：

C_L＝f₁(F_L,ρ,U,L,D)；

C_D＝f₂(F_D,ρ,U,L,D)；

C_M＝f₃(M_Z,ρ,U,L,D)；

上式中：ρ为监控时环境温度下空气的密度，U为风速沿垂线方向的速度分量，L为覆冰导线的有效长度，D为覆冰导线的特征长度。

本发明的有益效果在于：

1.在本发明输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置内，输电线路综合在线监测单元与监测中心后台系统均采用独立设计，两者通过3G进行数据通信；输电线路综合在线监测单元可独立定时或实时采集覆冰导线舞动前后载荷、绝缘子串倾斜角、风偏角、环境温度、湿度、风速、风向以及覆冰导线舞动前后的视频图像等数据；监控中心后台系统可远程对输电线路综合在线监测单元的采集时间间隔、拉力传感器、倾角传感器、微气象传感器运行参数以及高清摄像机分辨率和拍摄角度等参数进行设置。

2.本发明输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置可同时在线监测输电线路导线覆冰舞动前后载荷、绝缘子串倾斜角、风偏角、环境温度、湿度、风速、风向以及覆冰导线舞动前后的视频图像等数据；监测中心后台系统能将输电线路综合在线监测单元传输的数据进行分析处理和存储，并通过力学分析计算出导线舞动时的升力和阻力，结合覆冰形貌、气象参数得到导线升力、阻力系数，结合导线舞动扭矩，得到舞动扭转系数；利用等值覆冰厚度模型及Macklin参量估算覆冰载荷及覆冰体积并结合多角度覆冰图像进行覆冰形状包络，根据覆冰体积对覆冰包络线进行多次验算及修正，最终估算出舞动过程中覆冰导线外形；最后将得到导线升力、阻力系数、舞动扭转系数以及等值覆冰厚度和舞动过程中覆冰导线外形等变化规律通过专家软件界面显示出来。

3.为了保证输电线路综合在线监测单元和导线舞动在线监测单元在高压环境下测得信号的可靠和准确性，不仅采取硬件抗干扰措施，同时采取软件抗干扰措施；在硬件设计上，实现整机高屏蔽、高密封设计，具有良好的耐高温，耐腐蚀性能，并采用看门狗电路、等电位接地的方法，以增强其抗干扰性能并有效防止了系统的死机；输电线路综合在线监测单元和导线舞动在线监测单元之间软件采取主动校时并遵循不同地址监测单元按不同时间段通过Zigbee模块主动上传舞动有效数据以及陷阱技术、冗余设计、滤波技术和故障自动恢复技术措施。

4.本发明输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置，将所有输电线路综合在线监测单元采集到数据存入中心计算机数据库，因此可对一段时期的监测数据进行分析，并建立该线路的覆冰厚度和覆冰导线舞动空气动力参数信息等数据库，在输电线路舞动空气动力参数测试关键技术研究方面具有重要指导意义。

附图说明

图1是本发明输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置的结构示意图；

图2是本发明输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置内输电线路综合在线监测单元的结构示意图；

图3是本发明输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置内导线舞动在线监测单元的结构示意图；

图4是利用输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置监测输电线路覆冰导线舞动空气动力参数的方法中涉及的导线覆冰力学计算模型。

图中，1.输电线路综合在线监测单元，2.导线舞动在线监测单元，3.覆冰导线，4.监测中心后台系统，1-1.微控制器a，1-2.数据存储模块a，1-3.供电电源，1-4.ZigBee模块a，1-5.以太网模块，1-6.3G路由器，1-7.高清摄像机，1-8.微气象传感器，1-9.拉力传感器，1-10.倾角传感器，2-1.微控制器b，2-2.扭转传感器，2-3.微惯性传感器，2-4.ZigBee模块b，2-5.数据存储模块b，2-6.电源模块。

具体实施方式

下面根据附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置，其结构如图1所示，包括有输电线路综合在线监测单元1和设置于覆冰导线3上的导线舞动在线监测单元2；输电线路综合在线监测单元1通过3G信号与导线舞动在线监测单元2信号连接，输电线路综合在线监测单元1通过3G网络与监测中心后台系统4相连。

输电线路综合在线监测单元1，其结构如图2所示，包括有微控制器a1-1，微控制器a1-1分别通过导线与数据存储模块a1-2、供电电源1-3连接，微控制器a1-1通过RS232总线与ZigBee模块a1-4连接，微控制器a1-1通过RS485总线与传感器单元连接，微控制器a1-1通过以太网模块1-5与高清摄像机1-7连接，微控制器a1-1通过RJ45通信方式与3G路由器1-6连接，3G路由器1-6与监测中心后台系统4连接。

高清摄像机1-7至少设置有两台。

传感器单元由微气象传感器1-8、拉力传感器1-9及倾角传感器1-10组成。

微控制器a1-1采用的是意法半导体公司的STM32F407ZGT6微控制器；STM32F407ZGT6微控制器内部具有1M的FLASH存储器，采用1.8V～3.6V的低电压供电，并且功耗较低，适合程序量和运算量以及数据量较大的系统开发。

输电线路综合在线监测单元1采用STM32F407ZGT6微处理器后不需要扩展存储器，降低了硬件复杂度和系统功耗，提高了系统稳定性；此外，考虑到处理的实时性能和高速性能要求，微控制器a1-1内的时钟由25MHz外部晶振提供。

数据存储模块a1-2内的存储器芯片采用的是Atmel公司推出的新一代大容量快闪存储器AT24C32。

存储器AT24C32只需1.8～3.6V电源并支持32字节页写模式；存储器AT24C32具有硬件数据保护、软件数据保护、数据查询和自举模块等其他功能。存储器AT24C32的结构采用两线串行接口，支持双向数据传输协议，它有1条串行数据线(SDA)、1条串行时钟线(SCL)、1条写保护线(WP)、3条地址线(A0、A1、A2)以及电源、地线共8个引脚，它的最大优点是可直接用电信号擦除，也可用电信号写入。

供电电源1-3由太阳能发电供电模块及蓄电池组成。

输电线路综合在线监测单元1要实现对各种参量的不间断监测和数据处理传输，对其供电非常重要，考虑到输电线路综合在线监测单元1要运行在野外高压复杂恶劣的环境，并且要长期、连续地工作条件下，所以将供电电源1-3设计成太阳能供电和蓄电池供电联合的供电方式。白天有阳光时，由太阳能发电供电单元直接给输电线路综合在线监测单元1供电，同时给蓄电池充电；夜晚或无太阳光照时，由蓄电池给输电线路综合在线监测单元1供电，从而保证输电线路综合在线监测单元1连续、稳定的工作；当输电线路综合在线监测单元1定时采样工作启动后，供电电源1-3实现对输电线路综合在线监测单元1的供电以及为传感器单元内微气象传感器1-8、拉力传感器1-9及倾角传感器1-10的工作提供电能。

ZigBee模块a1-4采用的是XBEE-PRO模块。XBEE-PRO模块主要特性为：工作频率为2.4GHz，数据接口为标准RS-232接口，数据传输速率最快可达250Kbps，其传输距离最远可达100m，网络建置简单提供Mini Tool工具软件，使相关网络参数的设定更容易，网络建置更简单；并且拓扑结构支持基于ZigBee网络的星状、混合树状、网状网络等弹性化拓朴设计，最大支持65535个节点；电源电压为2.7～3.6V，工作环境温度在-20～70℃。

以太网模块1-5内采用了DP83848I芯片和HR601680网络变压器相结合的方式，该设计提高了抗干扰能力；TI公司DP83848I芯片为单路物理层10/100Mb/s以太网收发器，采用低功耗设计，供电电压为3.3V，与微控制器a1-1之间可以支持RMII和MII两种物理层接口；其次HR601680网络变压器具有隔离和抗干扰作用，提高了以太网数据传输可靠和稳定性。

3G路由器1-6采用型号为CM8350R的路由器；它是一款采用3G网络，工业级设计，带1个以太网口RJ45的无线路由器；采用高性能的工业级ARM9通信处理器，以嵌入式实时操作系统为软件支撑平台，系统集成了全系列从逻辑链路层到应用层通信协议，支持VPN(包括PPTP+L2TP+MPPE和IPSEC+GRE)，IPTABLE防火墙，静态及动态路由，PPP server及PPP client，DHCP server及DHCPclient，DDNS，防火墙，SNAT/DNAT，DMZ主机,WEB配置，支持APN/VPDN，支持上电自动拨号，自动维护通信链路，保证链路永远在线，支持自动定时上线和下线功能等功能；CM8350R的路由器带有看门狗WDT保护，另外加载了系统监测保护SWP(System WatchProtect)，产品性能稳定可靠。

微气象传感器1-8采用的是KX-5一体化微气象传感器，它主要集成了风速、风向、温湿度及大气压等诸多要素，可以根据使用需求自定义搭配要素，稳定的RS485信号输出，抗干扰能力强，具有高精度及高可靠性的特点。

微气象传感器1-8主要用于采集气象信息，为覆冰导线的覆冰厚度和覆冰导线舞动的计算提供重要参数，更为覆冰机理、覆冰条件、覆冰预测以及舞动参数的研究和相关线路运行及新建线路的设计提供分析数据依据；微气象传感器1-8采集的气象信息有风速、风向、雨量、环境温湿度以及大气压力。

拉力传感器1-9采用的是QP-16拉力传感器，它在传统的模拟力传感器中增加了A/D转换模块，输出信号为数字量，并采用数字滤波技术，增加了抗干扰能力和信号传输距离，具有结构紧凑、测量精度高、抗偏载能力强及温度漂移影响低的特点。

倾角传感器1-10采用的是西安精准测控有限公司生产的PM-TSⅡ型数字双轴倾角传感器；它具有满量程测试精度高、宽电源输入、零位稳定、温度漂移小、坚固耐用等特点，而且内置多重电路保护，适用于恶劣电磁环境，内置的动态补偿算法可保证监测基本不受应用环境干扰。PM-TSⅡ型数字双轴倾角传感器的主要技术指标如下：①测量范围0～±90°；②最小分辨率：0.001°；测量精度：5/1000；③输入电压：12V～18V；工作电流：≤40mA；④数据接口：标准的RS232或RS485接口；⑤数据传输速率：9600bps(可调)；更新速率：5～10次/秒；⑥零点漂移：≤0.01°；⑦稳定时间：3min。

导线舞动在线监测单元2，其结构如图3所示，包括有微控制器b2-1，微控制器b2-1分别通过RS232总线与ZigBee模块b2-4、扭转传感器2-2及微惯性传感器2-3连接；微控制器b2-1还分别通过导线与数据存储模块b2-5、电源模块2-6连接。

微控制器b2-1采用的是美国TI公司推出的MSP430F5438单片机。MSP430系列单片机是一款超低功耗、采用高效的精简指令集(RISC)结构的16位单片机，具有强大处理能力，运算速度快，集成了丰富的片内外设，具有较多中断源，可以支持在线编程和仿真，开发环境高效，关键是该芯片采用1.8V～3.6V的低电压供电，在RAM数据保持方式下电流仅为0.1μA，真正做到了超低功耗；与该系列其他单片机相比，MSP430F5438不仅具有以上优点，而且它的主频更快，能达到25MHZ，串口增加到了4个，FLASH闪存大小为256K，RAM空间增大为16K，还增加了PMM电源管理。

考虑到高压绝缘、安装位置以及导线舞动特点等问题，扭转传感器2-2采用的是AKC-215动态应变片扭矩传感器；即在弹性轴上粘贴应变计组成测量电桥，当弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化，应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现扭矩测量。传感器就完成如下的信息转换；AKC-215动态应变片扭矩传感器由弹性轴、测量电桥、仪器用放大器及接口电路等组成，具有它具有精度高、频响快、可靠性好及寿命长的优点。

考虑到高压绝缘、安装位置以及导线舞动特点的问题，微惯性传感器2-3采用的是CS-IMU-09A型惯性测量单元；CS-IMU-09A型惯性测量单元是基于MEMS技术的惯性传感器，用于检测架空电力线路的舞动运动状态，可测量导线的舞动频率，以及在三维空间的舞动加速度、舞动速度和舞动幅度，可输出被检测点舞动轨迹及姿态的变化；CS-IMU-09A型惯性测量单元具有体积小、功耗低及可靠性高的特点并广泛应用于电力线路自动化监控系统中。

ZigBee模块b2-4与ZigBee模块a1-4相同。

数据存储模块b2-5与数据存储模块a1-2相同。

电源模块2-6由导线互感取能模块和锂电池组成；导线舞动在线监测单元2在应用的过程中需要直接安装在导线上，无法由输电线路综合在线监测单元1的电源供电，也无法采用太阳能或风能供电，因此电源模块2-4采用导线互感取能与锂电池联合的供电方式。

导线取能的原理是用特制的穿心式电流互感器从高压导线利用电磁感应原理感应出能量，把母线上几安到几十千安的电流转换为1V～60V的电压能量，再经过限流、整流、滤波、DC/DC后，一方面给导线舞动在线监测单元2实时供电，另一方面给锂电池充电；当导线上流过稳定负载电流时，由导线互感取能模块直接给导线舞动在线监测单元2供电，同时给锂电池充电；当导线上流过的负载电流过低时，由锂电池直接给导线舞动在线监测单元2供电；从而保证了导线舞动在线监测单元2的持续稳定地工作。

本发明输电线路导线舞动空气动力参数在线监测装置中输电线路综合在线监测单元1的作用如下：

输电线路综合在线监测单元1用于定时/实时完成导线舞动前后载荷、绝缘子串倾斜角、风偏角、环境温度、湿度、风速、风向、导线覆冰舞动前后的视频图像的采集；并将采集到的所有信息汇总后通过3G路由器1-6以3G网络传输到监测中心后台系统4内进行处理。

本发明输电线路导线舞动空气动力参数在线监测装置中导线舞动在线监测单元2的作用：

导线舞动在线监测单元2通过ZigBee模块b2-4与输电线路综合在线监测单元1进行无线通信；导线舞动在线监测单元2安装在导线上，主要完成线路侧导线舞动轨迹和特征量以及导线舞动扭矩数据的采集，并将采集的导线舞动轨迹和特征量以及导线舞动扭矩数据发送到输电线路综合在线监测单元1内。

考虑到高压绝缘、安装位置以及导线舞动特点等问题，导线舞动在线监测单元2内采用微惯性传感器和扭转传感器进行导线舞动信息的采集。

本发明输电线路导线舞动空气动力参数在线监测装置中监测中心后台系统4的作用如下：

将输电线路综合在线监测单元1传输的所有信息进行分析处理和存储，并通过力学分析计算出输电线路覆冰导线舞动时的升力和阻力，结合覆冰形貌、气象参数得到导线升力、阻力系数；结合覆冰导线舞动扭矩，得到舞动扭转系数；利用等值覆冰厚度模型及Macklin参量估算覆冰载荷及覆冰体积并结合多角度覆冰图像进行覆冰形状包络，根据覆冰体积对覆冰包络线进行多次验算及修正，估算出舞动过程中覆冰导线外形；最后将得到覆冰导线升力系数、阻力系数、舞动扭转系数以及等值覆冰厚度和舞动过程中覆冰导线外形变化规律通过专家软件界面显示出来。

监测中心后台系统4可对输电线路综合在线监测单元1进行远程参数设置(如采样时间间隔、系统时间以及实时数据请求等)，并借助专家软件了解相应线路的覆冰导线舞动状况，及时给出预报警信息，有效防止冰害事故的发生。

本发明利用输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置监测覆冰导线舞动空气动力参数的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、安装输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置，具体安装方法如下：

将输电线路综合在线监测单元1内的拉力传感器1-9及倾角传感器1-10安装于杆塔与绝缘子低压侧相连接处，将微气象传感器1-8和两台高清摄像机1-7安装于杆塔上，要将两台高清摄像机1-7设置于杆塔不同的角度，要求能够拍摄到覆冰导线3的正视图和俯视图；

将导线舞动在线监测单元2安装于覆冰导线3上；

步骤2、经步骤1后，分别利用输电线路综合在线监测单元1及导线舞动在线监测单元2获取如下信息：

利用输电线路综合在线监测单元1获取如下信息：

利用拉力传感器1-9获取覆冰导线3舞动前后载荷；

利用倾角传感器1-10获取绝缘子串倾斜角和风偏角；

利用微气象传感器1-8获取环境温度、湿度、风速及风向信息；

利用两台高清摄像机1-7获取导线覆冰舞动前后的视频图像；

利用导线舞动在线监测单元2获取如下信息：

利用扭转传感器2-2获取覆冰导线3舞动扭矩；

利用微惯性传感器2-3获取覆冰导线3舞动轨迹；

步骤3、将经步骤2得到覆冰导线3舞动前后载荷、绝缘子串倾斜角、风偏角、环境温度、湿度、风速、风向、覆冰导线3舞动前后的视频图、覆冰导线3舞动扭矩和覆冰导线3舞动轨迹像上传至输电线路综合在线监测单元1内的微处理器a1-1中；

步骤4、输电线路综合在线监测单元1内的微处理器a1-1将经步骤3上传的所有信息进行汇总后，借助3G路由器1-6传输到监测中心后台系统4内；

步骤5、经步骤4，监测中心后台系统4对经输电线路综合在线监测单元1传输来的数据进行分析处理和存储，首先通过导线覆冰力学计算模型计算得到覆冰导线3的等值覆冰厚度及覆冰导线3舞动时的升力、阻力；然后结合覆冰形貌、气象参数得到覆冰导线3的升力系数、阻力系数；最后结合覆冰导线3的舞动扭矩得到覆冰导线3舞动扭转系数，完成对覆冰导线舞动空气动力参数的监测，具体按照以下步骤实施：

步骤5.1、通过导线覆冰力学计算模型计算得到覆冰导线3的等值覆冰厚度，并通过计算得到覆冰导线3舞动时的升力和阻力：

导线覆冰力学计算模型具体如下：

如图4所示，设定杆塔等效档距示意图，定义主杆塔绝缘子串上的竖直方向上张力值T_V与两侧导线某点到主杆塔A点间导线上的竖向载荷相互平衡的点称为“平衡点”；

经计算得到综合载荷q，综合载荷q按照如下算法获得：

$\begin{array}{c}q=\frac{2\mathrm{\Δ}{T}_V}{S_{D1}^{\mathrm{AB}}+S_{D1}^{\mathrm{AC}}}\\ =\frac{2\mathrm{\Δ}{T}_V}{\frac{2T_H^{\mathrm{AC}}}{q_0}\mathrm{sh}\frac{l_{D1}^{\mathrm{AC}}{q}_0}{2T_H^{\mathrm{AC}}}+\frac{2(T_H^{\mathrm{AC}}+T_V\mathrm{tg\θ})}{q_0}\mathrm{sh}\frac{l_{D1}^{\mathrm{AB}}{q}_0}{2(T_H^{\mathrm{AC}}+T_V\mathrm{tg\θ})}}\end{array}---\left(1\right);$

式(1)中，q为综合载荷，ΔT_V为有冰载荷、风载荷作用与只有自重载荷作用时主杆塔上竖向载荷的差值，θ为杆塔上绝缘子串倾斜角，为导线在自重载荷下长度，为导线的最低点水平拉力，l_D1为主杆塔两侧对应的等效档距，在图4中l_D1主要由组成；

另外，综合载荷q还满足以下关系：

q＝q₀+q_wind+q_ice  (2)；

式(2)中，q_ice为覆冰载荷，q₀为导线自重载荷，q_wind为风载荷；

风载荷q_wind＝0.735a(d+2b)v²  (3)；

式(3)中，a为风速的不均匀系数，b为覆冰导线3的覆冰厚度，d为覆冰导线3的计算直径，v为设计风速(m/s)；

根据覆冰载荷q_ice，结合覆冰的密度(0.9g/cm³)、覆冰导线3的计算直径d，经计算得到覆冰导线3的覆冰厚度b为：

$b=(\sqrt{\frac{4q_{\mathrm{ice}}}{9.8\mathrm{\π}{\mathrm{\γ}}_0}}+d^2-d)/2---\left(4\right);$

式(4)中，γ₀为冰的密度(雨淞)；d为覆冰导线3的计算直径，b为覆冰导线的覆冰厚度；

步骤5.2、通过在覆冰导线3悬挂点处安装拉力传感器1-9、倾角传感器1-10、微惯性传感器2-3及扭转传感器2-2分别测得导线覆冰舞动之前的绝缘子串拉力T₁和倾斜角θ₁，覆冰导线发生舞动时的拉力T₂和倾斜角θ₂、风偏角α以及导线舞动扭矩M_z，而倾斜角θ₁与倾斜角θ₂、风偏角α之间存在如下关系：

$\cos {\mathrm{\θ}}_2=1/\left(\cos \mathrm{\α}\sqrt{1+{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_1+{\tan }^2\mathrm{\α}}\right)---\left(5\right);$

由绝缘子串拉力T₁、倾斜角θ₁、覆冰导线发生舞动时的拉力T₂、倾斜角θ₂、风偏角α之间的关系，经计算得到导线覆冰舞动时的气动升力F_D和阻力F_L；

F_D＝T₂sinθ₂sinα  (6)；

F_L＝T₂cosθ₂-T₁cosθ₁  (7)；

步骤5.3、根据步骤5.2计算出来的气动升力F_D和阻力F_L，结合步骤2中扭转传感器2-2测得的覆冰导线3的舞动扭矩及微气象传感器1-8获取环境温度、湿度、风速及风向信息(即气象条件)，按照如下算法得到覆冰导线3的阻力系数C_L、升力系数C_D和扭转系数C_M：

C_L＝f₁(F_L,ρ,U,L,D)  (8)；

C_D＝f₂(F_D,ρ,U,L,D)  (9)；

C_M＝f₃(M_Z,ρ,U,L,D)  (10)；

上式中：ρ为监控时环境温度下空气的密度，U为风速沿垂线方向的速度分量，L为覆冰导线3的有效长度，D为覆冰导线3的特征长度。

本发明输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置，以相邻杆塔之间覆冰导线舞动为研究对象，其中杆塔侧输电线路综合在线监测单元1采用微气象传感器1-8、拉力传感器1-9及倾角传感器1-10与图像处理相结合的方法来计算和分析覆冰的厚度和形状；输电线路侧的导线舞动在线监测单元2则采用微惯性传感器2-3和扭转传感器2-2相结合的方法，可以采集到的覆冰导线舞动轨迹、特征量及覆冰导线舞动扭矩数据，更能贴近真实导线覆冰舞动时所处环境下动态特征，因此获得覆冰导线的覆冰厚度和形状以及覆冰导线舞动时的实时空气动力参数具有一定研究价值。

本发明输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置是通过监测输电线路覆冰导线舞动前后导线拉力的变化、舞动轨迹和特征量、覆冰导线舞动扭矩、视频图像、绝缘子串倾斜角度、绝缘子串风偏角度、以及环境温度、湿度、风速、风向信息来计算获得覆冰导线的覆冰厚度和形状以及覆冰导线舞动时的实时空气动力参数；通过监测计算获得覆冰形状和空气动力参数能更能真实反应导线舞动影响因素，为输电线路舞动机理与防舞措施研究提供一种新的思路，对输电线路舞动空气动力参数测试关键技术研究方面也具有重要指导意义。

Claims (10)

1.输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置，其特征在于，包括有输电线路综合在线监测单元(1)和设置于覆冰导线(3)上的导线舞动在线监测单元(2)；

所述输电线路综合在线监测单元(1)通过3G信号与导线舞动在线监测单元(2)信号连接，所述输电线路综合在线监测单元(1)通过3G网络与监测中心后台系统(4)相连。

2.根据权利要求1所述的输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置，其特征在于，所述输电线路综合在线监测单元(1)，包括有微控制器a(1-1)，所述微控制器a(1-1)分别通过导线与数据存储模块a(1-2)、供电电源(1-3)连接；

所述微控制器a(1-1)通过RS232总线与ZigBee模块a(1-4)连接；

所述微控制器a(1-1)分别通过RS485总线与微气象传感器(1-8)、拉力传感器(1-9)及倾角传感器(1-10)连接；

所述微控制器a(1-1)通过以太网模(1-5)与高清摄像机(1-7)连接；

所述微控制器a(1-1)通过RJ45通信方式与3G路由器(1-6)连接，所述3G路由器(1-6)与监测中心后台系统(4)连接。

3.根据权利要求2所述的输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置，其特征在于，所述微控制器a(1-1)采用的是STM32F407ZGT6微控制器。

4.根据权利要求2所述的输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置，其特征在于，所述数据存储模块a(1-2)采用的是存储器AT24C32；

所述供电电源(1-3)由太阳能发电供电模块及蓄电池组成；

所述ZigBee模块a(1-4)采用的是XBEE-PRO模块；

所述以太网模块(1-5)内采用DP83848I芯片和HR601680网络变压器；

所述3G路由器(1-6)采用型号为CM8350R的路由器；

所述高清摄像机(1-7)至少设置有两台。

5.根据权利要求2所述的输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置，其特征在于，所述微气象传感器(1-8)采用的是KX-5一体化微气象传感器；

所述拉力传感器(1-9)采用的是QP-16拉力传感器；

所述倾角传感器(1-10)采用的是PM-TSⅡ型数字双轴倾角传感器。

6.根据权利要求1所述的输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置，其特征在于，所述导线舞动在线监测单元(2)，包括有微控制器b(2-1)，微控制器b(2-1)分别通过RS232总线与ZigBee模块b(2-4)、扭转传感器(2-2)及微惯性传感器(2-3)连接；

所述微控制器b(2-1)还分别通过导线与数据存储模块b(2-5)、电源模块(2-6)连接。

7.根据权利要求6所述的输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置，其特征在于，所述微控制器b(2-1)采用的是MSP430F5438单片机；

所述扭转传感器(2-2)采用的是AKC-215动态应变片扭矩传感器；

所述微惯性传感器(2-3)采用的是CS-IMU-09A型惯性测量单元；

所述ZigBee模块b(2-4)采用的是XBEE-PRO模块；

所述数据存储模块b(2-5)采用的是存储器AT24C32。

8.利用输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置监测覆冰导线舞动空气动力参数的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、安装输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置；

步骤2、经步骤1后，分别利用输电线路综合在线监测单元(1)及导线舞动在线监测单元(2)获取如下信息：

利用输电线路综合在线监测单元(1)获取如下信息：

利用拉力传感器(1-9)获取覆冰导线(3)舞动前后载荷；

利用倾角传感器(1-10)获取绝缘子串倾斜角和风偏角；

利用微气象传感器(1-8)获取环境温度、湿度、风速及风向信息；

利用两台高清摄像机(1-7)获取导线覆冰舞动前后的视频图像；

利用导线舞动在线监测单元(2)获取如下信息：

利用扭转传感器(2-2)获取覆冰导线(3)舞动扭矩；

利用微惯性传感器(2-3)获取覆冰导线(3)舞动轨迹；

步骤3、将经步骤2得到覆冰导线(3)舞动前后载荷、绝缘子串倾斜角、风偏角、环境温度、湿度、风速、风向、覆冰导线(3)舞动前后的视频图、覆冰导线(3)舞动扭矩和覆冰导线(3)舞动轨迹像上传至输电线路综合在线监测单元(1)内的微处理器a(1-1)中；

步骤4、输电线路综合在线监测单元(1)内的微处理器a(1-1)将经步骤3上传的所有信息进行汇总后，借助3G路由器(1-6)传输到监测中心后台系统(4)内；

步骤5、经步骤4，监测中心后台系统(4)对经输电线路综合在线监测单元(1)传输来的数据进行分析处理和存储，首先通过导线覆冰力学计算模型计算得到覆冰导线(3)的等值覆冰厚度及覆冰导线(3)舞动时的升力、阻力；然后结合覆冰形貌、气象参数得到覆冰导线(3)的升力系数、阻力系数；最后结合覆冰导线(3)的舞动扭矩得到覆冰导线(3)舞动扭转系数，完成对覆冰导线舞动空气动力参数的监测。

9.根据权利要求8所述的利用输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置监测覆冰导线舞动空气动力参数的方法，其特征在于，所述步骤1具体按照以下步骤实施：

将输电线路综合在线监测单元(1)内的拉力传感器(1-9)及倾角传感器(1-10)安装于杆塔与绝缘子低压侧相连接处，将微气象传感器(1-8)和两台高清摄像机(1-7)安装于杆塔上，要将两台高清摄像机(1-7)设置于杆塔不同的角度，要求能够拍摄到覆冰导线(3)的正视图和俯视图；

将导线舞动在线监测单元(2)安装于覆冰导线(3)上。

10.根据权利要求8所述的利用输电线路覆冰导线舞动空气动力参数监测装置监测覆冰导线舞动空气动力参数的方法，其特征在于，所述步骤5具体按照以下步骤实施：

步骤5.1、通过导线覆冰力学计算模型计算得到覆冰导线(3)的等值覆冰厚度，并通过计算得到覆冰导线(3)舞动时的升力和阻力：

导线覆冰力学计算模型，计算综合载荷q：

设定杆塔等效档距，定义主杆塔绝缘子串上的竖直方向上张力值T_V与两侧导线某点到主杆塔A点间导线上的竖向载荷相互平衡的点称为“平衡点”；

综合载荷q按照如下算法获得：

$\begin{array}{c}q=\frac{2\mathrm{\Δ}{T}_V}{S_{D1}^{\mathrm{AB}}+S_{D1}^{\text{AC}}}\\ =\frac{2\mathrm{\Δ}{T}_V}{\frac{2T_H^{\mathrm{AC}}}{q_0}\mathrm{sh}\frac{l_{D1}^{\mathrm{AC}}{q}_0}{2T_H^{\mathrm{AC}}}+\frac{2(T_H^{\mathrm{AC}}+T_V\mathrm{tg\θ})}{q_0}\mathrm{sh}\frac{l_{D1}^{\mathrm{AB}}{q}_0}{2(T_H^{\mathrm{AC}}+T_V\mathrm{tg\θ})}}\end{array}$

其中，q为综合载荷，ΔT_V为有冰载荷、风载荷作用与只有自重载荷作用时主杆塔上竖向载荷的差值，θ为杆塔上绝缘子串倾斜角，为导线在自重载荷下长度；为导线的最低点水平拉力；l_D1为主杆塔两侧对应的等效档距，l_D1主要由组成；

另外综合载荷q还满足以下关系：

q＝q₀+q_wind+q_ice；

式中，q_ice为覆冰载荷，q₀为导线自重载荷，q_wind为风载荷；

风载荷q_wind＝0.735a(d+2b)v²；

式中，a为风速的不均匀系数，b为覆冰导线的覆冰厚度，d为覆冰导线(3)的计算直径，v为设计风速m/s；

根据覆冰载荷q_ice，结合覆冰的密度0.9g/cm³、覆冰导线(3)的计算直径d，经计算得到覆冰导线(3)覆冰厚度b为：

$b=(\sqrt{\frac{4q_{\mathrm{ice}}}{9.8\mathrm{\π}{\mathrm{\γ}}_0}}+d^2-d)/2;$

式中，γ₀为冰的密度；d为覆冰导线(3)的计算直径，b为覆冰导线(3)的覆冰厚度；

步骤5.2、通过在覆冰导线(3)悬挂点处安装拉力传感器(1-9)、倾角传感器(1-10)、微惯性传感器(2-3)及扭转传感器(2-2)分别测得导线覆冰舞动之前的绝缘子串拉力T₁和倾斜角θ₁，覆冰导线发生舞动时的拉力T₂和倾斜角θ₂、风偏角α以及导线舞动扭矩M_z，而倾斜角θ₁与倾斜角θ₂、风偏角α之间存在如下关系：

$\cos {\mathrm{\θ}}_2=1/\left(\cos \mathrm{\α}\sqrt{1+{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_1+{\tan }^2\mathrm{\α}}\right);$

由绝缘子串拉力T₁、倾斜角θ₁、覆冰导线发生舞动时的拉力T₂、倾斜角θ₂、风偏角α之间的关系，经计算得到导线覆冰舞动时的气动升力F_D和阻力F_L；

F_D＝T₂sinθ₂sinα；

F_L＝T₂cosθ₂-T₁cosθ₁；

步骤5.3、根据步骤5.2计算出来的气动升力F_D和阻力F_L，结合步骤2中扭转传感器(2-2)测得的覆冰导线(3)的舞动扭矩及微气象传感器(1-8)获取环境温度、湿度、风速及风向信息，按照如下算法得到覆冰导线(3)的阻力系数C_L、升力系数C_D和扭转系数C_M：

C_L＝f₁(F_L,ρ,U,L,D)；

C_D＝f₂(F_D,ρ,U,L,D)；

C_M＝f₃(M_Z,ρ,U,L,D)；

上式中：ρ为监控时环境温度下空气的密度，U为风速沿垂线方向的速度分量，L为覆冰导线(3)的有效长度，D为覆冰导线(3)的特征长度。