CN105716565A - 一种基于分布式角度信息的架空输电线路舞动的重建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式角度信息的架空输电线路舞动的重建方法，该方法使用倾角传感器，采集输电导线分散点处的倾角，通过射频无线传输模块，将此数据传输至后台计算机进行数据分析，利用插值算法重建倾角与弧长参数的函数，再根据倾角与曲线的关系，通过积分得到曲线的弧长参数函数，最终实现舞动曲线现场的还原，该方法能够直观地反应出输电线路的舞动情况，且实现成本较低，对输电线路舞动的检测有重要意义。

Description

一种基于分布式角度信息的架空输电线路舞动的重建方法

技术领域

本发明属于架空输电线路检测技术领域，涉及一种基于分布式角度信息的输电线路舞动重建的方法。

背景技术

架空输电线路的舞动发生在其受到不对称的覆冰或风力的作用，引起低频(0.1-3Hz)、大振幅(振幅为导线直径的20-300倍)的振动，多数发生在冬季，其形成主要取决于导线覆冰、风激励和线路结构参数，具有一定非线性和随机性。覆冰导线发生舞动能量很大，持续时间较长，一旦发生舞动，易对输电线路造成危害，轻则引起相间闪络、损伤导线、地线和金具，重则导致线路断裂、倒塔等严重事故，严重影响线路的安全运行，造成大量经济损失。因此，重建架空输电线路舞动曲线对监测和预警具有现实意义。

当前在线监测传输线舞动曲线的方法主要有基于摄像技术和无线传感网络技术来实现。摄像技术是通过对舞动现场的图像描述做出判断，只有定性结果而无定量分析且精确度太低。无线传感网路在线监测是基于加速度传感器和位移传感器采集各观测点的三维坐标数据通过曲线拟合实现对曲线的舞动检测，这种方法需要传输大量数据，且对舞动现场的整体描述缺少直观性。

发明内容

本发明针对上述问题，提出一种基于分布式角度信息的架空输电线路舞动的重建方法，能够直观地还原曲线的舞动现场，对曲线的舞动实现简单可靠的监控，同时减少传感器的投入成本以及数据传输成本。

本发明提出针对上述目的提出的技术方案，是一种基于分布式角度信息的架空输电线路舞动的重建方法，具体的实施步骤包括以下几步：

步骤1：在架空输电导线上间隔一定距离安装一个倾角传感器，间隔长度相等，采集导线测量点处的切向信息α，此切向信息指输电线某时刻所在平面的曲线测量点处的切线方向与水平方向的夹角；

步骤2：每个测量点处于各配置一个射频无线传输模块，由接收系统控制该模块发送实时切向信息；

步骤3：接收系统将数据传至后台计算机进行数据分析；

步骤4：后台计算机处理数据，根据切向信息的采样值α_i＝α(s_i),i＝0,...n，利用三次样条函数插值算法，重建切向信息函数α(s)，通过积分获得曲线函数φ(s)＝(x(s)＝∫cos(s),y(s)＝∫sin(s))，实现输电线路曲线的舞动现场还原。

本发明中，将输电线路导线某一时刻的状态视为空间中的一条平面曲线Г，建立曲线弧长参数函数模型φ(s)＝(x(s),y(s))。倾角传感器的输出数据为测量点处倾角对应的电压值经过模/数转换之后的二进制数，转换关系式如下：

$\mathrm{\α}=\arcsin \left(\frac{D_{out}\[LSB\]-D_{out{0}^0}\[LSB\]}{Sens\[LSB/g\]}\right)$

其中D_out[LSB]为数字输出，[LSB]为offset值，Sens[LSB]是传感器的敏感系数(1638或819)。

上述发明中，传感器及传输模块安装的间距的确定，先测量两杆塔之间导线的长度，根据要求的误差精度e的计算式：其中C为常数，取值为导线的长度，n+1表示所述倾角传感器的个数，再按照等间距的原则，从导线的一端开始，距离C/n的长度在导线上安装传感器。

在上述发明中，重建切向信息函数α(s)使用三次样条函数插值算法，其原理如下：

假设有数据点X:a＝x₀＜x₁＜...＜x_n＝b，对应的y∈[y₀,y_n]，样条曲线S(x)是一条分段定义的公式，给定n+1个数据点，划分成n个区间,

在每个分段区间[x_i,x_i+1],(i＝0,1...n-1)内都有一个三次多项式S(x)＝S_i(x)，且S(x_i)＝y_i，S(x)的一阶导数S’(x)，二阶导数S”(x)在[a，b]区间是连续的，即S(x)是一条光滑曲线，n个区间对应的n个三次多项式分段可以写作：

S_i(x)＝a_i+b_i(x-x_i)+c_i(x-x_i)²+d_i(x-x_i)³

其中a_i，b_i，c_i，d_i代表4n个未知系数。我们已知曲线上的n+1个数据点[x_i,y_i]，即倾角传感器采集的数据，一般情况下，输电线路是一条光滑曲线，满足在测量点处的二阶微分连续的条件，则把两个传感器之间的导线视为一个三次多项式函数曲线，根据定点，求出每段样条曲线方程中的系数，即可得到每段曲线的具体表达式，再把各段组合起来，就得到了一条完成曲线。

在上述发明中，空间曲线的弧长参数可表示为φ(s)＝(x(s),y(s))，其微分函数φ'(s)称为曲线在s点处的正切线，而α(s)为水平方向与曲线的单位正切向量的夹角，即则微分函数可以转换成：φ'(s)＝(x'(s)＝cos(α(s)),y'(s)＝sin(α(s)))，根据倾角传感器测得的切向信息，插值运算得到切向信息函数α(s)，再通过积分运算得到曲线的函数，即为实时的舞动现场。

在上述发明中，间隔一定时间采集数据重建所述曲线，在后台系统中实现舞动曲线的实时重建，能够直观地还原舞动现场，检测导线舞动情况，及时做出预警判断，同时对环境的敏感程度小，在雨雪等恶劣天气情况也能有效的进行实时传输。

附图说明

图1为本发明的数据流动示意图；

图2为本发明的方法流程图；

图3为本发明的传感器装置和传输模块的安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

参考图1数据流程示意图和图2方法流程图，本发明提出一种基于分布式角度信息的架空输电线路舞动的重建方法，该方法的具体步骤包括：

步骤1：在架空输电导线上间隔一定距离安装一个倾角传感器，间隔长度相等，根据杆塔在搭建时的数据记录查询两杆塔之间的输电线路长度，根据误差精度e的计算式：确定传感器个数和间隔距离，其中C为输电线的长度，n+1表示所述倾角传感器的个数，再按照等间距的原则，从导线的一端开始，间隔C/n的距离在传输线上安装传感器；

步骤2：在各测量点配套安装射频无线传输模块，此切向信息指输电线某时刻所在平面的曲线测量点处的切线方向与水平方向的夹角，接收系统向传输模块发送接收指令，则n+1个数据被传至后台系统；

步骤3：据切向信息的n+1个采样值α_i＝α(s_i),i＝0,...n，根据三次样条函数插值算法，把n+1个数据点分成n个区间，每个区间的曲线视为一个三次多项式，表示为α_i(s)＝a_i+b_i(s-x_i)+c_i(s-x_i)²+d_i(s-x_i)³，求出式子对应的系数a_i，b_i，c_i，d_i，得到每一段曲线重建切向信息函数α_i(s)，由于曲线光滑，满足二阶微分连续，组合各段函数，得到完整的α(s)；

步骤4：空间曲线的弧长参数可表示为φ(s)＝(x(s),y(s))，其微分函数φ'(s)称为曲线在s点处的正切线，而α(s)为水平方向与曲线的单位正切向量的夹角，即则微分函数可以转换成：φ'(s)＝(x'(s)＝cos(α(s)),y'(s)＝sin(α(s)))，上述步骤3中已计算出α(s)，通过积分获得曲线函数φ(s)＝(x(s)＝∫cos(s),y(s)＝∫sin(s))，消去参数则可直观地实现舞动曲线的现场还原。

Claims (6)

1.一种基于分布式角度信息的架空输电线路舞动的重建方法，其特征在于，将某一个时刻的输电导线视为空间中的一条平面曲线Г，其弧长参数化后为φ(s)。

2.权利要求1中所述一种基于分布式角度信息的架空输电线路舞动的重建方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1：在架空输电导线上间隔一定距离安装一个倾角传感器，间隔长度相等，采集导线测量点处的切向信息α，所述切向信息指输电线某时刻所在平面的曲线测量点处的切线方向与水平方向的夹角；

步骤2：每个测量点处于各配置一个无线传输模块，由接收系统控制该模块读取传感器的输出并发送实时切向信息，所述无线传输模块为射频传输模块；

步骤3：接收系统将数据传至后台计算机进行数据分析；

步骤4：后台计算机处理数据，根据切向信息的采样值α_i＝α(s_i),i＝0,...n，利用三次样条函数插值算法，重建切向信息函数α(s)，通过积分获得曲线函数φ(s)＝(x(s)＝∫cos(s),y(s)＝∫sin(s))，实现输电线路曲线的舞动现场还原。

3.如权利要求2所述的一种基于分布式角度信息的架空输电线路舞动曲线的重建方法，其特征在于，所述步骤1具体实施方法如下：

查阅杆塔建设记录中两塔之间的导线长度C，根据误差精度e的计算式：确定传感器的个数，为n+1，再按照等间距的原则，从导线的一端开始，距离C/n的长度在导线上安装传感器。

4.如权利要求2所述的一种基于切向信息的架空输电线路舞动的重建方法，其特征在于，所述步骤2中射频信号无线传输模块与每个倾角传感器安装在同一个位置，传感器利用自带的模/数转换功能将测量点处倾角对应的电压值转化成二进制数。

5.如权利要求2所述一种基于分布式角度信息的架空输电线路舞动的重建方法，其特征在于，所述步骤2中接收器向射频传输模块发送指令，使其读取传感器的输出，并发送至接收器。

6.如权利要求2所述一种基于分布式角度信息的架空输电线路舞动的重建方法，其特征在于，所述步骤4中将一条空间曲线用其弧长参数可表示为φ(s)＝(x(s),y(s))，其微分函数φ'(s)称为曲线在s点处的正切线，而α(s)为水平方向与曲线的单位正切向量的夹角，即则微分函数可转换成：

φ'(s)＝(x'(s)＝cos(α(s)),y'(s)＝sin(α(s)))