CN106370147A - 基于风偏监测的输电线路风偏预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风区输电线路运行与管理技术领域，是一种基于风偏监测的输电线路风偏预警系统及方法，包括监控中心和气象监测装置，监控中心与气象监测装置通信连接；监控中心包括中心数据库、数据处理单元、前置通信单元、应用服务单元、WEB服务单元、系统管理单元和报警单元，气象监测装置包括主控单元、能进行气象监测的传感器单元、电源单元、通信单元、数据存储单元、键盘显示单元和时钟芯片。本发明结构合理，实时监测的气象数据和杆塔结构尺寸计算出输电线路各风区某一杆塔当前的风偏角及电气间隙，在大风来临时，判断输电线路是否处于运行危险阶段，提前准备电网应急预案，在风偏后，提供可能的风偏跳闸区段，减少巡检人员巡视时间与供电负荷损失。

Description

基于风偏监测的输电线路风偏预警系统及方法

技术领域

本发明涉及风区输电线路运行与管理技术领域，是一种基于风偏监测的输电线路风偏预警系统及方法。

背景技术

根据统计，近3年，国网公司所属110kV的线路共发生风偏闪络300多起，涉及新疆、江苏、浙江、安徽、湖北、河南、山东、山西、北京、内蒙古、黑龙江、辽宁等省市区。以新疆为例，2014年4月22日夜间到24日，受强冷空气影响，北疆各地、天山山区、哈密等地出现以大风、降温为主的寒潮天气过程，共造成新疆电力公司所属35千伏及以上输电线路跳闸49条68次，其中750千伏线路3条7次(天中直流、哈天一线陪停)，220千伏线路15条26次，110千伏线路16条20次，35千伏线路15条15次。风偏故障一般发生在强风并通常伴有雨雪或冰雹天气情况下，表现为:大风使绝缘子串或导线大幅度摆动,由于持续的风力使带电线路接近塔身并维持较长一段时间,因空气间隙距离不够造成线路对塔身或线路间多次放电，造成跳闸故障，且一般重合闸不成功，从而导致了线路停运，给电网的安全稳定运行造成了较大的危害，造成较大的供电负荷损失，同时也造成了重大的经济损失。国内目前针对高压线风偏通常采用定期检测和故障后维修的方式，该方式在大风来临前，没有相应的预警方式，无法提前做出应急预案，合理安排电网运行方式的改变，在风偏闪络后，只能人工进行排查，耗费人力物力大，效率低，精度差，从而造成较大经济和安全损失。

发明内容

本发明提供了一种基于风偏监测的输电线路风偏预警系统及方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有技术存在的不能实时判断风区危险段并进行预警，在发生风偏闪络后，无法提供风偏跳闸区段造成的浪费巡检人员巡视时间，增大供电负荷损失的问题。

本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种基于风偏监测的输电线路风偏预警系统，包括监控中心和气象监测装置，所述监控中心与气象监测装置通信连接；所述监控中心包括中心数据库、数据处理单元、前置通信单元、应用服务单元、WEB服务单元、系统管理单元和报警单元，系统管理单元与中心数据库双向电连接，中心数据库与数据处理单元双向电连接，数据处理单元与报警单元电连接，中心数据库分别与应用服务单元、前置通信单元电连接，应用服务单元与WEB服务单元电连接；所述气象监测装置包括主控单元、能进行气象监测的传感器单元、电源单元、通信单元、数据存储单元、键盘显示单元和时钟芯片，能进行气象监测的传感器单元与主控单元电连接，通信单元、数据存储单元分别与主控单元双向电连接，电源单元、键盘显示单元和时钟芯片分别与主控单元电连接。

下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：

上述监控中心还包括企业短信单元，企业短信单元与前置通信单元通信连接。

上述能进行气象监测的传感器单元为风速传感器或/和风向传感器。

上述电源单元包括太阳能电池、控制器和蓄电池，蓄电池与控制器双向电连接，控制器与太阳能电池双向电连接。

上述通信单元为ZigBee通信模块或OPGW通信光缆。

本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种基于风偏监测的输电线路风偏预警方法，包括以下步骤：

第一步：通过安装在线路杆塔上的气象监测装置实时采集一条线路各风区段气象数据，包括风速和风向参数发送给监控中心；

第二步：监控中心根据风偏角计算公式，计算得出输电线路各风区段的杆塔绝缘子风偏角；绝缘子风偏角计算公式如下：

Φ＝arctan(W_x+W_t/2/G_d+G_j/2)

其中，WX为垂直于导线方向的水平风荷载；Wt为绝缘子串风荷载；Gd为导线垂直荷载；Gj为绝缘子串重力荷载；

第三步：监控中心根据电气间隙计算公式，计算得出其他接地部分的电气间隙；电气间隙计算公式如下：

$L3=\sqrt{L{1}^2+L{2}^2-2\·L1\·L2\·cos\left(c\right)}$

其中，L3为风偏后绝缘子金具带电部分距离塔材、横担的最小距离，即电气间隙；L1为绝缘子长度；L2为塔头横担长度；c为绝缘子风偏后与横担的夹角；

第四步：监控中心根据整条线路各风区段的绝缘子风偏角及其电气间隙，判断各风区段的某个杆塔风偏角及电气间隙是否接近运行规程允许的最大值，若风偏角及电气间隙其中之一接近规程允许的最大值，则进行报警，若风偏角及电气间隙均不接近运行规程允许的最大值，则进行下一杆塔的风偏角及电气间隙的计算与判断。

下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：

上述垂直于导线方向的水平风荷载按下式计算得出：

W_X＝α·W₀·μ_z·μ_sc·β_c·d·L_P·B·sin²θ

其中，W0＝V2/1600，V为基准高度为10m的风速；WX为垂直于导线方向的水平风荷载；α为风压不均匀系数；βc为750kV线路导线及地线风荷载；μz为风压高度变化系数；μsc为导线或地线的体型系数；LP为杆塔的水平档距；B为覆冰时风荷载增大系数；θ为风向与导线或地线方向之间的夹角。

上述绝缘子风荷载按下式计算得出：

W_t＝W_O·μ_z·B·A₁

其中，Wt为绝缘子串风荷载；A1为绝缘子串承受风压面积计算值；μz为风压高度变化系数；B为覆冰时风荷载增大系数。

本发明中气象监测装置安装在杆塔上，监控中心安装在后方集中控制室，通过气象监测装置的通信模块把信号传输给监控中心的中心数据库，中心数据库存储并发送给数据处理单元，数据处理单元进行信号处理，即根据实时监测的气象数据和杆塔结构尺寸计算出输电线路各风区某一杆塔当前的风偏角及电气间隙，在大风来临前，判断在强风下输电线路是否安全可靠的运行，并得出其安全裕度，并提前预警，调度运行人员据此对电网运行方式进行相应调整，有效降低风偏后产生的经济损失；在发生风偏后，提供可能的风偏跳闸区段，减少巡检人员巡视时间，减少供电负荷损失。

附图说明

附图1为本发明最佳实施例1的监控中心模块电路图。

附图2为本发明最佳实施例1的气象监测装置模块电路图。

附图3为本发明最佳实施例2的工作流程图。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

在本发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图1的布图方式来进行描述的，如：前、后、上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图的布图方向来确定的。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：

实施例1：如附图1、2所示，该基于风偏监测的输电线路风偏预警系统包括监控中心和气象监测装置，所述监控中心与气象监测装置通信连接；所述监控中心包括中心数据库、数据处理单元、前置通信单元、应用服务单元、WEB服务单元、系统管理单元和报警单元，系统管理单元与中心数据库双向电连接，中心数据库与数据处理单元双向电连接，数据处理单元与报警单元电连接，中心数据库分别与应用服务单元、前置通信单元电连接，应用服务单元与WEB服务单元电连接；所述气象监测装置包括主控单元、能进行气象监测的传感器单元、电源单元、通信单元、数据存储单元、键盘显示单元和时钟芯片，能进行气象监测的传感器单元与主控单元电连接，通信单元、数据存储单元分别与主控单元双向电连接，电源单元、键盘显示单元和时钟芯片分别与主控单元电连接。

如附图1所示，中心数据库能存储和管理系统的所有数据，如各分区的风速和风向数据，所计算的各风区某一杆塔风偏角和电气间隙及报警信息；数据处理单元对系统采集到的数据进行数据处理，根据系统中建立的风偏角及电气间隙计算公式进行各风区某一杆塔风偏角及电气间隙的计算，并对风偏角和电气间隙是否接近运行规程允许的最大值进行判断，若风偏角和电气间隙其中之一接近运行规程允许的最大值，则产生报警信息；前置通信单元负责与现场设备通信，并接收中心数据库发送的报警信息；应用服务单元为WEB服务单元应用提供业务逻辑处理；WEB服务单元为用户提供系统操作界面；系统管理单元监视整个系统的工作状况，对设备的工况进行召测及设置；报警单元在接收来自数据处理单元的报警信息后，在后台控制电脑上弹出报警提示。

如附图2所示，能进行气象监测的传感器单元采集信号，将信号发送给主控单元，主控单元将信号发送给数据存储单元进行存储，并将信号通过通信单元发送给监控中心进行下一步处理；电源单元给主控单元进行供电。

如图1、2所述，气象监测装置安装在杆塔上，监控中心安装在集中控制室，通过通信单元把信号传输给中心数据库，中心数据库进行存储并发送给数据处理单元，数据处理单元进行信号处理，即根据实时监测的气象数据和杆塔结构尺寸计算出输电线路各风区某一杆塔当前的风偏角及电气间隙，在大风来临前，判断在强风下输电线路是否安全可靠的运行，并得出其安全裕度，并提前预警，调度运行人员据此对电网运行方式进行相应调整，有效降低风偏后产生的经济损失；在发生风偏后，提供可能的风偏跳闸区段，减少巡检人员巡视时间，减少供电负荷损失。

可根据实际需要，对上述基于风偏监测的输电线路风偏预警系统作进一步优化或/和改进：

如附图1所示，所述监控中心还包括企业短信单元，企业短信单元与前置通信单元通信连接。前置通信单元把从中心数据库中接收到的报警信息发送企业短信单元，企业短信单元把报警信息已短信的方式发送给巡检维护人员，供巡检维护人员查看。

如附图2所示，所述能进行气象监测的传感器单元为风速传感器或/和风向传感器。根据需要，风速传感器和风向传感器分别用来采集各风区的风速信号及风向信号。

如附图2所示，所述电源单元包括太阳能电池、控制器和蓄电池，蓄电池与控制器双向电连接，控制器与太阳能电池双向电连接。电源模块输出电源为直流12V，太阳能电池将太阳的辐射能量转换为电能，送往蓄电池中存储起来，控制器控制整个电源单元的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用，蓄电池采用免维护方式，用于提供监测装置的电能。

如附图2所示，所述通信单元为ZigBee通信模块或OPGW通信光缆。采用两种通信方式有效保证通信的稳定性，在有公用无线通信信号的地方可以采用ZigBee通信模块，在无线通信信号微弱或不存在地区采用OPGW通信光缆，采用有线通信方式。

实施例2：如附图3所示，一种基于风偏监测的输电线路风偏预警方法，包括以下步骤：

第一步：通过安装在线路杆塔上的气象监测装置实时采集一条线路各风区段气象数据，包括风速和风向参数发送给监控中心；

第二步：监控中心根据风偏角计算公式，计算得出输电线路各风区段的杆塔绝缘子风偏角；绝缘子风偏角计算公式如下：

Φ＝arctan(W_x+W_t/2/G_d+G_j/2)

其中，WX为垂直于导线方向的水平风荷载；Wt为绝缘子串风荷载；Gd为导线垂直荷载；Gj为绝缘子串重力荷载；

第三步：监控中心根据电气间隙计算公式，计算得出其他接地部分的电气间隙；电气间隙计算公式如下：

$L3=\sqrt{L{1}^2+L{2}^2-2\·L1\·L2\·cos\left(c\right)}$

其中，L3为风偏后绝缘子金具带电部分距离塔材、横担的最小距离，即电气间隙；L1为绝缘子长度；L2为塔头横担长度；c为绝缘子风偏后与横担的夹角；

第四步：监控中心根据整条线路各风区段的绝缘子风偏角及其电气间隙，判断各风区段的某个杆塔风偏角及电气间隙是否接近运行规程允许的最大值，若风偏角及电气间隙其中之一接近规程允许的最大值，则发出报警信息，若风偏角及电气间隙均不接近运行规程允许的最大值，则进行下一杆塔的风偏角及电气间隙的计算与判断。

下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：

如附图3所示，垂直于导线方向的水平风荷载按下式计算得出：

W_X＝α·W₀·μ_z·μ_sc·β_c·d·L_P·B·sin²θ

其中，W0＝V2/1600，V为基准高度为10m的风速；WX为垂直于导线方向的水平风荷载；α为风压不均匀系数；βc为750kV线路导线及地线风荷载；μz为风压高度变化系数；μsc为导线或地线的体型系数；LP为杆塔的水平档距；B为覆冰时风荷载增大系数；θ为风向与导线或地线方向之间的夹角V为基准高度为10m的风速。这里的α为风压不均匀系数，应当根据设计基本风速，按GB50545《110～750架空输电线路设计规范》的规定确定，当校验杆塔电气间隙时，α随水平档距变化取值按设计规范的规定确定；βc为750kV线路导线及地线风荷载调整系统，仅用于计算作用于杆塔上的导线及地线风荷载，按GB50545《110～750架空输电线路设计规范》的规定取值；μz为风压高度变化系数，基准高度为10m的风压高度变化系数按GB50545《110～750架空输电线路设计规范》的规定确定；μsc为导线或地线的体型系数，线径小于17mm或覆冰时(不论线径大小)应取μsc＝1.2；线径大于或等于17mm，取1.1；d为导线或地线的外径或覆冰时的计算外径；分裂导线取所有子导线外径总和；B为覆冰时风荷载增大系数，5mm冰区取1.1，10mm冰区取1.2。

如附图3所示，绝缘子风荷载按下式计算得出：

W_t＝W_O·μ_z·B·A₁

其中，Wt为绝缘子串风荷载值；A1为绝缘子串承受风压面积计算值；μz为风压高度变化系数；B为覆冰时风荷载增大系数。这里的A1为现有公知技术，μz为风压高度变化系数，基准高度为10m的风压高度变化系数按GB50545《110～750架空输电线路设计规范》的规定确定。

以上技术特征构成了本发明的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

Claims (10)

1.一种基于风偏监测的输电线路风偏预警系统，其特征在于包括监控中心和气象监测装置，所述监控中心与气象监测装置通信连接；所述监控中心包括中心数据库、数据处理单元、前置通信单元、应用服务单元、WEB服务单元、系统管理单元和报警单元，系统管理单元与中心数据库双向电连接，中心数据库与数据处理单元双向电连接，数据处理单元与报警单元电连接，中心数据库分别与应用服务单元、前置通信单元电连接，应用服务单元与WEB服务单元电连接；所述气象监测装置包括主控单元、能进行气象监测的传感器单元、电源单元、通信单元、数据存储单元、键盘显示单元和时钟芯片，能进行气象监测的传感器单元与主控单元电连接，通信单元、数据存储单元分别与主控单元双向电连接，电源单元、键盘显示单元和时钟芯片分别与主控单元电连接。

2.根据权利要求1所述的基于风偏监测的输电线路风偏预警系统，其特征在于：所述监控中心还包括企业短信单元，企业短信单元与前置通信单元通信连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于风偏监测的输电线路风偏预警系统，其特征在于：所述能进行气象监测的传感器单元为风速传感器或/和风向传感器。

4.根据权利要求1或2所述的基于风偏监测的输电线路风偏预警系统，其特征在于：所述电源单元包括太阳能电池、控制器和蓄电池，蓄电池与控制器双向电连接，控制器与太阳能电池双向电连接。

5.根据权利要求3所述的基于风偏监测的输电线路风偏预警系统，其特征在于：所述电源单元包括太阳能电池、控制器和蓄电池，蓄电池与控制器双向电连接，控制器与太阳能电池双向电连接。

6.根据权利要求1或2或5所述的基于风偏监测的输电线路风偏预警系统，其特征在于：所述通信单元为ZigBee通信模块或OPGW通信光缆。

7.根据权利要求3或4所述的基于风偏监测的输电线路风偏预警系统，其特征在于：所述通信单元为ZigBee通信模块或OPGW通信光缆。

8.一种基于风偏监测的输电线路风偏预警方法，包括以下步骤：

第一步：通过安装在线路杆塔上的气象监测装置实时采集一条线路各风区段气象数据，包括风速和风向参数发送给监控中心；

第二步：监控中心根据风偏角计算公式，计算得出输电线路各风区段的杆塔绝缘子风偏角；绝缘子风偏角计算公式如下：

Φ＝arctan(W_x+W_t/2/G_d+G_j/2)

其中，WX为垂直于导线方向的水平风荷载；Wt为绝缘子串风荷载；Gd为导线垂直荷载；Gj为绝缘子串重力荷载；

第三步：监控中心根据电气间隙计算公式，计算得出其他接地部分的电气间隙；电气间隙计算公式如下：

$L3=\sqrt{L{1}^2+L{2}^2-2\·L1\·L2\·cos\left(c\right)}$

其中，L3为风偏后绝缘子金具带电部分距离塔材、横担的最小距离，即电气间隙；L1为绝缘子长度；L2为塔头横担长度；c为绝缘子风偏后与横担的夹角；

第四步：监控中心根据整条线路各风区段的绝缘子风偏角及其电气间隙，判断各风区段的某个杆塔风偏角及电气间隙是否接近运行规程允许的最大值，若风偏角及电气间隙其中之一接近规程允许的最大值，则发出报警信息，若风偏角及电气间隙均不接近运行规程允许的最大值，则进行下一杆塔的风偏角及电气间隙的计算与判断。

9.根据权利要求8所述的基于风偏监测的输电线路风偏预警方法，其特征在于第二步中：垂直于导线方向的水平风荷载按下式计算得出：

W_X＝α·W₀·μ_z·μ_sc·β_c·d·L_P·B·sin²θ

其中，W0＝V2/1600，V为基准高度为10m的风速；WX为垂直于导线方向的水平风荷载；α为风压不均匀系数；βc为750kV线路导线及地线风荷载；μz为风压高度变化系数；μsc为导线或地线的体型系数；LP为杆塔的水平档距；B为覆冰时风荷载增大系数；θ为风向与导线或地线方向之间的夹角。

10.根据权利要求8或9所述的基于风偏监测的输电线路风偏预警方法，其特征在于第二步中：绝缘子串风荷载按下式计算得出：

W_t＝W_O·μ_z·B·A₁

其中，Wt为绝缘子串风荷载；A1为绝缘子串承受风压面积计算值；μz为风压高度变化系数；B为覆冰时风荷载增大系数。