CN107356218A - 输电线路覆冰监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种线路覆冰监测系统，它包括系统监控总机、各级监控分机、线路杆塔监测终端、专家软件、通讯模块和电源模块。线路杆塔监测终端包括采用光纤布拉格光栅传感器和光纤光栅温度传感器，利用专家软件的覆冰厚度计算模型较为精确的计算覆冰厚度，采用光纤布拉格光栅对绝缘子芯棒应力进行监测，提供了较为精确的参数，光纤布拉格光栅在芯棒上的安装结构可以有效防止芯棒的脆断等问题，而且制作工艺简单，成本低。本发明设计的光纤光栅传感器结构具有很薄的金属套管，大大减小了金属套管对光栅温度测量的影响，而且，在金属套管的周围设置连接杆，保护了金属套管不被异物损坏，使光纤光栅传感器的使用寿命得到延长。
Description
技术领域
本发明涉及一种输电线路覆冰监测系统。
背景技术
电力线路覆冰在线监测是电力线路状态监测很重要的一部分，在实际的工作中，对电力线路覆冰状态参数进行全天候的实时监视，可以对电力线路的潜在故障做出及时的预警，调控中心的主机实时查看各条线路覆冰状况，实现了统一规划、统一调度以及事故下的统一指挥，以便提前采取措施以避免故障的发生，提高电力系统运行的可靠性和安全性。
目前的电力线路覆冰在线监测系统监测方法比较多，常见的有直接测量法，图像法，称重法等。其系统的大致结构包括监控总机、各级变电站的监控分机、线路杆塔监测终端、专家软件和通讯模块，线路杆塔监测终端包括采集各类气象参数以及力的参数的传感器，线路杆塔监测终端通过通讯模块与接近的变电站通讯分站(即监控分机)进行通讯，通讯分站通过通讯模块连接有系统主站(即监控总机)。专家软件按照各种算法对所述线路杆塔监测终端采集的数据信息进行分析和处理，得出监测所需要的环境数据和覆冰厚度。
光纤布拉格光栅传感器因其不受电磁干扰、测量精度高等有点被应用在电力线路应力监测方面，架空电力线路的覆冰厚度变化能够改变芯棒的轴向应力，这种应力的变化会反映到反射光波长的变化上，从而实现覆冰厚度的监测。但是，在绝缘子芯棒中心设置通孔放置光线光栅工艺复杂，成本高，若在绝缘子芯棒一侧开设凹槽铺设光栅光线，然后用胶固定，这种容易使芯棒与金具压紧处密封不严，造成芯棒的脆断等问题。
而且，为了提高计算精确度，有些覆冰厚度计算模型中采用了温度参数，但是，目前的温度传感器为非光学传感器，受电磁干扰影响造成计算精度不高。虽然有些文献公开过利用光纤光栅传感器测量温度的结构，但是，一般是在套管内填充胶水固定，这种结构套管较厚，对光纤光栅的温度测量影响较大，使光纤光栅的温度测量具有滞后性，不能实时反映温度状况。而且，填充胶水对光纤光栅的预张力也会产生影响。授权公告号为CN102213625 B的中国发明专利公开了一种光纤光栅温度传感器，它采用光纤固定片解决了填充胶水固定存在的问题，但是，在封装管内设置固定光纤固定片的槽，且封装管的两端需要设置与光缆连接头配合的螺纹，这两种方式必须将封装管做的较厚，势必影响温度的实时测量。而且，在恶劣的天气里，封装管的表面容易结冰，影响内部光纤光栅温度传感器的温度测量准确性。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够较为准确的提供电力线路覆冰厚度的输电线路覆冰监测系统。
为了解决上述问题，本发明提出以下技术方案：一种输电线路覆冰监测系统，包括系统监控总机、各级监控分机、线路杆塔监测终端、专家软件、通讯模块和电源模块，所述线路杆塔监测终端包括导线应力传感器、绝缘子串倾斜角传感器、风偏角传感器、处理器和电源模块，所述各级监控分机采集和存储所述线路杆塔监测终端采集的各种数据信息，并通过所述通讯模块传送给所述系统监控总机，所述专家软件对所述线路杆塔监测终端采集的数据信息进行分析和处理，得出监测所需要的环境数据和覆冰厚度，其特征在于，
所述导线应力传感器包括设置在绝缘子芯棒内的光纤布拉格光栅传感器，在所述绝缘子芯棒轴向上开设有一个固定所述光纤布拉格光栅传感器的凹槽，所述光纤布拉格光栅传感器放入所述凹槽后灌入双组份环氧树脂胶，然后压上压条固定，待胶干后，将所述压条打磨与所述绝缘子芯棒表面平齐；所述光纤布拉格光栅传感器包括从内到外的纤芯、涂覆层、胶结层和毛细钢管，在光纤布拉格光栅传感器的末端留有一段光纤用于与解码器连接；
所述线路杆塔监测终端还包括温度传感器，所述温度传感器采用光纤光栅温度传感器；
所述专家软件采用的覆冰厚度计算模型为：
式中，b为按照线路设计标准覆冰形状为均匀圆柱体时导线等效覆冰厚度；
qice为均匀覆冰时每根分裂导线的载荷集度；ρ为覆冰密度；d为导线直径；
其中，
式中，F为绝缘子串轴向拉力；θ＇为绝缘子串倾角；η为风偏角；G为导线和绝缘子串及金具自重总和；Sa＇和Sb＇为风偏平面内大、小号杆塔侧导线最低点到主杆塔的线长；n为导线分裂数；l＇a和lb＇分别为风偏平面内大、小号侧杆塔导线最低点到主杆塔的水平档距；γ风偏平面内竖直方向综合比载；σ＇20和σ＇10分别为风偏平面内大、小号杆塔侧的导线的水平应力；β2＇和β1＇分别为风偏平面内对应的大、小号塔杆的高差角；
l＇a和lb＇可由公式求出，式中，lx为垂直平面内杆塔档距；βx为垂直平面内杆塔的高差角；ηx为风偏平面与垂直平面的夹角；
cosβ1＇和cosβ2＇可由公式求出，式中，βx为垂直平面内杆塔的高差角；ηx为风偏平面与垂直平面的夹角；
σ＇10和σ＇20可由公式求出，式中，σx0为垂直平面内的导线应力；βx为垂直平面内杆塔的高差角；ηx为风偏平面与垂直平面的夹角；
γ＇＝γ/cosη，式中，γ为导线自重比载；η为风偏平面与垂直平面的夹角。
进一步的，所述光纤光栅温度传感器包括金属套管、定位片、套接固定母座和套接固定子座，所述套接固定母座和套接固定子座均包括一个圆柱形的插入端和一个与所述插入端同轴且直径大于所述插入端的连接端，在所述套接固定母座的连接端上呈圆周排列设置有连接杆，在所述套接固定子座的连接端设置有与所述连接杆对应的插孔；在所述套接固定母座和套接固定子座的轴线上均设置有一个圆通孔；在所述套接固定母座和套接固定子座的插入端前端均设置有定位片插槽；所述定位片为方形框。
更进一步的，所述套接固定母座的插入端上的定位片插槽的深度小于所述插孔的深度，所述连接杆的长度大于所述定位片的长度，当所述连接杆进入所述插孔后，所述定位片再进入所述定位片插槽。
更进一步的，至少两个所述连接杆的末端设置有螺纹孔，与带有螺纹孔的连接杆对应的插孔设置有螺钉孔。
进一步的，所述凹槽的底部为逐渐变窄的弧形槽。
进一步的，所述专家软件对所述线路杆塔监测终端采集的数据信息进行分析和处理，得出监测所需要的环境数据和覆冰厚度，再以数据包的形式向系统监控总机传输，系统监控总机对数据进行进一步处理后获得报警信号或做出辅助决策，提供检修方案。
优选的，所述电源模块的输入端连接有控制器，所述控制器分别连接有蓄电池、太阳能板。
进一步的，所述系统监控总机和各级监控分机可对所述线路杆塔监测终端进行远程参数设置，包括采样间隔、终端时间和实时数据请求。
进一步的，该输电线路覆冰监测系统与融冰系统结合，当所述输电线路覆冰监测系统监测的覆冰厚度达到设定值后，启动所述融冰系统。
有益效果：本发明覆冰厚度监测系统的覆冰厚度计算模型能够较为精确的计算覆冰厚度，采用光纤布拉格光栅对绝缘子芯棒应力进行监测，提供了较为精确的参数，光纤布拉格光栅在芯棒上的安装结构可以有效防止芯棒的脆断等问题，而且制作工艺简单，成本低。本发明设计的光纤光栅温度传感器结构具有很薄的金属套管，大大减小了金属套管对光栅温度测量的影响。
而且，在金属套管的周围设置连接杆，不仅保护了金属套管不被异物损坏，使光纤光栅温度传感器可以直接暴露安装在恶劣环境中，而且，在金属套管周围分布的连接杆具有很好的冰霜阻挡效果，能防止金属套管表面结冰。
对电力线路覆冰状态参数进行全天候的实时监视，可以对电力线路的潜在故障做出及时的预警，系统监控总机、各级监控分机实时查看各条线路覆冰状况，实现了统一规划、统一调度以及事故下的统一指挥。并提前采取措施以避免故障的发生，提高电力系统运行的可靠性和安全性。
附图说明
图1为本发明的系统原理图；
图2为本发明的绝缘子芯棒纵剖示意图；
图3为本发明的光纤光栅温度传感器结构示意图(未画出定位片和光纤光栅)；
图4为本发明的光纤光栅温度传感器结构示意图(未画出定位片和光纤光栅)；
图5为本发明光纤光栅温度传感器剖视结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本专利的精神和范围的情况下，可以用各种不同的常规手段对所描述的实施例进行修正。
如图1所示，输电线路覆冰监测系统包括系统监控总机、各级监控分机(即各级变电站监控分机)、线路杆塔监测终端、专家软件、通讯模块和电源模块。所述系统监控总机和各级监控分机可对所述线路杆塔监测终端进行远程参数设置，包括采样间隔、终端时间和实时数据请求。
所述线路杆塔监测终端包括导线应力传感器(本发明采用光纤布拉格光栅传感器)、绝缘子串倾斜角传感器、风偏角传感器、风速传感器、风向传感器、处理器和电源模块，导线应力传感器(本发明采用光纤布拉格光栅传感器)、绝缘子串倾斜角传感器、风偏角传感器、风速传感器、风向传感器等各种传感器分别与所述处理器连接，所述电源模块包括控制器、蓄电池和太阳能板，电源模块的输入端连接有控制器，所述控制器分别连接有蓄电池、太阳能板。正常情况下采用导线供电方式，同时，太阳能电池板为内部蓄电池充电；当电力线路停电时，采用内部蓄电池维持72小时的正常工作。
所述各级监控分机采集和存储所述线路杆塔监测终端采集的各种数据信息，并通过所述通讯模块传送给所述系统监控总机，所述专家软件对所述线路杆塔监测终端采集的数据信息进行分析和处理，得出监测所需要的环境数据和覆冰厚度，再以数据包的形式向系统监控总机传输，系统监控总机对数据进行进一步处理后获得报警信号或做出辅助决策，提供检修方案。
所述导线应力传感器采用设置在绝缘子芯棒1内的光纤布拉格光栅传感器，如图2所示，在所述绝缘子芯棒1轴向上贯穿芯棒开设有一个固定所述光纤布拉格光栅传感器2的凹槽11，凹槽11内通过双组份环氧树脂胶3固定光纤布拉格光栅传感器2，在凹槽11的最上端设置与绝缘子芯棒1的曲面一致的压条4。优选的，为了方便光纤布拉格光栅能够水平放入凹槽11防止弯曲或倾斜，所述凹槽11的底部为逐渐变窄的弧形槽，放入光纤光栅后光纤光栅可以直接落在凹槽11底部。所述光纤布拉格光栅传感器放入所述凹槽后灌入双组份环氧树脂胶3，然后压上压条4固定，待胶干后，将所述压条4打磨与所述绝缘子芯棒1表面平齐，这样在绝缘子芯棒1与金具连接处不会出现缝隙导致雨水等渗入造成绝缘子芯棒脆断。所述光纤布拉格光栅传感器包括从内到外的纤芯、涂覆层、胶结层和毛细钢管，在光纤布拉格光栅传感器的末端留有一段光纤。固定好光纤布拉格光栅传感器后，在金具上打孔，将光纤布拉格光栅传感器的末端留有的一段光纤从金具的孔中引出后与解码器连接，然后将孔密封。解码器是对输入信号电平作调整和抑制干扰提高信噪比的，包括程控放大器和组合滤波器。解码器与处理器连接。
如图3-5所示，线路杆塔监测终端还包括温度传感器，所述温度传感器采用光纤光栅温度传感器。所述光纤光栅温度传感器包括金属套管51、定位片52、套接固定母座53和套接固定子座54，所述套接固定母座53和套接固定子座54均包括一个圆柱形的插入端(531、541)和一个与所述插入端(531、541)同轴且直径大于所述插入端(531、541)的连接端(532、542)。金属套管51的两端分别套接在所述套接固定母座53和套接固定子座54的圆柱形的插入端(531、541)。在所述套接固定母座53的连接端532上呈圆周排列设置有连接杆533，在所述套接固定子座54的连接端542上设置有与所述连接杆533对应的插孔543。由于设计了连接杆533，可以对金属套管51起到很好的保护作用，防止冰雹等异物对金属套管51造成损坏，因此，金属套管51可以设计的很薄，提高了光纤布拉格光栅传感器对温度的实时感应速度。对在所述套接固定母座53和套接固定子座54的轴线上均设置有一个圆通孔(534、544)，该圆通孔用于穿入光纤布拉格光栅传感器。在所述套接固定母座53和套接固定子座54的插入端前端均设置有定位片插槽(535、545)。所述定位片52为方形框，在定位片52的左右两端设置有放置光纤布拉格光栅传感器的凹槽，当光纤布拉格光栅传感器放入凹槽中后，用胶固定。
为了方便定位片52能够顺利插入定位片插槽内，所述套接固定母座53的插入端531上的定位片插槽535的深度小于所述插孔543的深度，所述连接杆533的长度大于所述定位片52的长度。安装时，先将定位片插入套接固定子座54的定位片插槽545内，然后将套接固定子座54和定位片52插入金属套管51，然后再将套接固定母座53插入金属套管51，在插入套接固定母座53时，当所述连接杆533进入所述插孔543后，所述定位片52才进入所述定位片插槽，这样能保证定位片52与定位片插槽535的准确对准。
为了固定套接固定母座53、套接固定子座54和金属套管51，至少两个所述连接杆533的末端设置有螺纹孔5331，与带有螺纹孔的连接杆533对应的插孔543设置有螺钉孔546。通过螺钉6连接将固定套接固定母座53、套接固定子座54连接在一起。安装光纤光栅温度传感器时，将其竖直安装，可以更好的防止表面结冰。
所述专家软件采用的覆冰厚度计算模型如下，将各参数代入下述模型后即可得出覆冰厚度：
式中，b为按照线路设计标准覆冰形状为均匀圆柱体时导线等效覆冰厚度；qice为均匀覆冰时每根分裂导线的载荷集度；ρ为覆冰密度；d为导线直径；
其中，
式中，F为绝缘子串轴向拉力，由光纤布拉格光栅传感器可测得；θ＇为绝缘子串倾角，由绝缘子串倾斜角传感器测得；η为风偏角，由风偏角传感器测得；G为导线和绝缘子串及金具自重总和；Sa＇和Sb＇为风偏平面内大、小号杆塔侧导线最低点到主杆塔的线长；n为导线分裂数；l＇a和lb＇分别为风偏平面内大、小号侧杆塔导线最低点到主杆塔的水平档距；γ＇风偏平面内竖直方向综合比载；σ＇20和σ＇10分别为风偏平面内大、小号杆塔侧的导线的水平应力；β2＇和β1＇分别为风偏平面内对应的大、小号杆塔的高差角。
l＇a和lb＇可由公式求出，式中，lx为垂直平面内杆塔档距；βx为垂直平面内杆塔的高差角；ηx为风偏平面与垂直平面的夹角。其中，下标x指代大小号侧杆塔，如计算大号侧杆塔导线最低点到主杆塔的水平档距l＇a，则βx、ηx和lx均为大号侧杆塔的相应数值。下面的公式中的下标x同理。
cosβ1＇和cosβ2＇可由公式求出，式中，βx为垂直平面内杆塔的高差角；ηx为风偏平面与垂直平面的夹角。
σ＇10和σ＇20可由公式求出，式中，σx0为垂直平面内的导线应力；βx为垂直平面内杆塔的高差角；ηx为风偏平面与垂直平面的夹角。
γ＇＝γ/cosη，式中，γ为导线自重比载；η为风偏平面与垂直平面的夹角。
本发明还提出了一种与融冰系统结合的方案，当所述输电线路覆冰监测系统监测的覆冰厚度达到设定值后，启动所述融冰系统。对于融冰系统，属于现有技术，可以选择合适的融冰系统进行结合，如申请公布号为CN 106207925 A的中国发明专利公开的一种配电网线路融冰系统及其融冰方法，可以将融冰开关与本发明的系统监控总机，由系统监控总机自动判断启动融冰系统进行融冰。
Claims (9)
1.一种输电线路覆冰监测系统，包括系统监控总机、各级监控分机、线路杆塔监测终端、专家软件和通讯模块，所述线路杆塔监测终端包括导线应力传感器、绝缘子串倾斜角传感器、风偏角传感器、处理器和电源模块，所述各级监控分机采集和存储所述线路杆塔监测终端采集的各种数据信息，并通过所述通讯模块传送给所述系统监控总机，所述专家软件对所述线路杆塔监测终端采集的数据信息进行分析和处理，得出监测所需要的环境数据和覆冰厚度，其特征在于，
所述导线应力传感器包括设置在绝缘子芯棒内的光纤布拉格光栅传感器，在所述绝缘子芯棒轴向上开设有一个固定所述光纤布拉格光栅传感器的凹槽，所述光纤布拉格光栅传感器放入所述凹槽后灌入双组份环氧树脂胶，然后压上压条固定，待胶干后，将所述压条打磨与所述绝缘子芯棒表面平齐；所述光纤布拉格光栅传感器包括从内到外的纤芯、涂覆层、胶结层和毛细钢管，在光纤布拉格光栅传感器的末端留有一段光纤用于与解码器连接；
所述线路杆塔监测终端还包括温度传感器，所述温度传感器采用光纤光栅温度传感器；
所述专家软件采用的覆冰厚度计算模型为：
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<mi>b</mi>
<mo>=</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msqrt>
<mrow>
<mn>4</mn>
<msub>
<mi>q</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mi>c</mi>
<mi>e</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>/</mo>
<mn>9.8</mn>
<mi>&pi;</mi>
<mi>&rho;</mi>
<mo>+</mo>
<msup>
<mi>d</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
</msqrt>
<mo>-</mo>
<mi>d</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>&divide;</mo>
<mn>2</mn>
</mrow>
式中，b为按照线路设计标准覆冰形状为均匀圆柱体时导线等效覆冰厚度；qice为均匀覆冰时每根分裂导线的载荷集度；ρ为覆冰密度；d为导线直径；
其中，
式中，F为绝缘子串轴向拉力；θ＇为绝缘子串倾角；η为风偏角；G为导线和绝缘子串及金具自重总和；S＇a和S＇b为风偏平面内大、小号杆塔侧导线最低点到主杆塔的线长；n为导线分裂数；l＇a和l＇b分别为风偏平面内大、小号侧杆塔导线最低点到主杆塔的水平档距；γ＇风偏平面内竖直方向综合比载；σ＇20和σ＇10分别为风偏平面内大、小号杆塔侧的导线的水平应力；β＇2和β＇1分别为风偏平面内对应的大、小号塔杆的高差角；
l＇a和l＇b可由公式求出，式中，lx为垂直平面内杆塔档距；βx为垂直平面内杆塔的高差角；ηx为风偏平面与垂直平面的夹角；
cosβ＇1和cosβ＇2可由公式求出，式中，βx为垂直平面内杆塔的高差角；ηx为风偏平面与垂直平面的夹角；
σ＇10和σ＇20可由公式求出，式中，σx0为垂直平面内的导线应力；βx为垂直平面内杆塔的高差角；ηx为风偏平面与垂直平面的夹角；
γ＇＝γ/cosη，式中，γ为导线自重比载；η为风偏平面与垂直平面的夹角。
2.如权利要求1所述的输电线路覆冰监测系统，其特征在于，所述光纤光栅温度传感器包括金属套管、定位片、套接固定母座和套接固定子座，所述套接固定母座和套接固定子座均包括一个圆柱形的插入端和一个与所述插入端同轴且直径大于所述插入端的连接端，在所述套接固定母座的连接端上呈圆周排列设置有连接杆，在所述套接固定子座的连接端设置有与所述连接杆对应的插孔；在所述套接固定母座和套接固定子座的轴线上均设置有一个圆通孔；在所述套接固定母座和套接固定子座的插入端前端均设置有定位片插槽；所述定位片为方形框。
3.如权利要求2所述的输电线路覆冰监测系统，其特征在于，所述套接固定母座的插入端上的定位片插槽的深度小于所述插孔的深度，所述连接杆的长度大于所述定位片的长度，当所述连接杆进入所述插孔后，所述定位片再进入所述定位片插槽。
4.如权利要求2或3所述的输电线路覆冰监测系统，其特征在于，至少两个所述连接杆的末端设置有螺纹孔，与带有螺纹孔的连接杆对应的插孔设置有螺钉孔。
5.如权利要求1所述的输电线路覆冰监测系统，其特征在于，所述凹槽的底部为逐渐变窄的弧形槽。
6.如权利要求1所述的输电线路覆冰监测系统，其特征在于，所述专家软件对所述线路杆塔监测终端采集的数据信息进行分析和处理，得出监测所需要的环境数据和覆冰厚度，再以数据包的形式向系统监控总机传输，系统监控总机对数据进行进一步处理后获得报警信号或做出辅助决策，提供检修方案。
7.如权利要求1所述的输电线路覆冰监测系统，其特征在于，所述电源模块的输入端连接有控制器，所述控制器分别连接有蓄电池、太阳能板。
8.如权利要求1所述的输电线路覆冰监测系统，其特征在于，所述系统监控总机和各级监控分机可对所述线路杆塔监测终端进行远程参数设置，包括采样间隔、终端时间和实时数据请求。
9.如权利要求1所述的输电线路覆冰监测系统，其特征在于，该输电线路覆冰监测系统与融冰系统结合，当所述输电线路覆冰监测系统监测的覆冰厚度达到设定值后，启动所述融冰系统。
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