CN107817423B - 一种输电线路运动预警方法 - Google Patents
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Abstract
通过由MEMS加速度计和MEMS陀螺仪构建的导线运动MEMS惯性测量系统，测量出导线运动的加速度和角速度，进行数据预处理，采用加速度的平方和表示导线平动的程度，角速度的平方和表示转动的程度，对测量数据分段建立ARMA模型，进行FFT变换，获得输电导线运动的程频分布，得到主要的运动程度和频率，为了综合考虑平动和转动同时对导线的影响，构造等效综合运动力和运动效应，实际测量的综合运动力和持续效应只要有一个值超过时，输电线路就存在着风险。实际预测中不能等到到这个值时，利用持续的风引起的测量值是周期的变化，通过处理器计算出这个时间，而增加的导线运动幅度变化，可利用综合运动力的变化来表示，进而估计预测风险情况，提供预警信息。
Description
技术领域
本发明属于电网线路运动技术安全领域，具体涉及一种输电线路运动预警方法。
背景技术
输电线路在不同气候条件的影响下，特别是特高压输电线路，会出现不同的运动幅度和频率，主要为高频微幅的微风振动、中频中幅的次档距振荡和低频大振幅的舞动，总的来说输电线路运动包括水平、垂直和扭动等三自由度运动，水平和垂直运动可统称为平动，但当幅值和频率达到一定程度时，使输电线路弧垂度增大、轴向应力增加，疲劳极限降低，极易造成输电线路断股；同时会使绝缘子串、横担及杆塔荷载变大，造成绝缘子摆动、横担变形、杆塔倾斜等严重灾害，对电网安全稳定运行构成极大威胁，也会直接对国民经济造成损失。
目前对电网运动监测主要采用视频传感器、绕线传感器、GPS或差分GPS、光栅传感器(光幕传感器)、惯性传感器等。有一些已公开的发明专利，着重通过加速度计多点监测，以定量的监测架空输电线路运动轨迹，或通过采集输电线路各监测点处的加速度值，拟合出输电线路每一时刻的运动轨迹，这种方法理论上是可行的，但是要想采用惯性测量系统来实现输电线路的定位，进而计算出轨迹运动姿态和位置，需要导航级惯性导航系统，因为体积和成本都会很大，另外这些方法还需惯性测量系统的初始值，但也很难获得，随着时间的推移，这个值会变化。一些论文中提出用加速度值进行预测电网运动，这就忽视了输电线路的转动和频率，所以只有结合平动和转动，即通过加速度和角速度综合来判断电网运动是否安全，基于此本发明专利提出一种兼顾平动和转动的综合输电线路运动预警方法。
发明内容
本发明的目的在于通过由MEMS加速度计和MEMS陀螺仪构建的MEMS惯性测量系统测量出输电线路运动的幅度和频率，输电线路运动包括平动和转动，即加速度和角速度，进而根据输电线路运动的幅度和频率预测输电线路是否安全。
输电线路运动测量系统主要包括：输电线路运动MEMS惯性测量系统、无线传输、监控中心和供电四部分。
(1)输电线路运动MEMS惯性测量系统：①输电线路运动测量节点选用MEMS加速度计和MEMS陀螺仪，进行构建MIMU惯性测量节点，安装在距离杆塔较近输电线路上，在信号传输线、惯性测量节点和安装处的输电线路包上一层屏蔽网，同时把信号线和电源线分开以防电磁干扰；②杆塔处理器安装在杆塔上中间位置处，以减小电磁干扰，选择处理速度较高的处理器，带有一定容量的存储器，记录输电线路运动数据，并能够对运动数据进行比较和分析。
(2)无线数据传输：采用Zigbee无线通信。
(3)监控中心：监控主机处理并显示输电线路运动数据，对采集的输电线路运动幅值和频率进行计算和分析；同时，当输电线路运动异常时能够报警。
(4)供电：采用互感器、太阳能光伏电池或风力发电及备用储能电池构成，在输电网络有电时采用互感器经过整流和变压后直接供电，当电网无电时采用太阳能或风力发电及备用电池供电。
上述惯性测量系统、杆塔处理器和Zigbee无线传输部分均需加固防震、隔热、防磁干扰处理。
输电线路的垂直或水平或转动运动的幅度可能直接使输电出现不同程度的损毁或损坏，而输电线路运动的频率虽然没有运动幅度对输电线路影响那么直接，但在某一运动频率的持续作用下，会造成输电线路抗疲劳能力下降，即出现度不同程度的磨损，甚至造成输电线路断股，同时也会降低输电线路金具疲劳极限。
由于输电线路的平动程度由输电线路的速度及其运动周期决定，输电线路的速度又由加速度及其运动周期决定，可直接利用加速度信号进行平动程度等价分析，平动程度与加速度计输出加速度(ax,ay,az)又相关，所以采用加速度的平方和
表示输电线路的平动程度。
输电线路的转动程度由输电线路的角速度及其运动周期决定，可直接利用角速度信号进行程度等价分析，转动程度与陀螺仪输出的三轴角速度(ωx,ωy,ωz)又直接相关，因此采用角速度的平方和
表示输电线路的转动程度。
由于导线的运动，MEMS惯性测量系统采集的加速度和角速度数据具有高维、复杂、动态以及高噪声等特性，首先对采集的加速度采用五点三次平滑滤波，角速度采用最小二乘法消除趋势项，然后进行温度补偿处理，最后去除加速度和角速度的常值偏差。
由于加速度和角速度是测量点处输电线路的各轴平动和转动程度情况，可从A和Ω式中进行运动程度和频率的识别：通过分别采集L个(ax,ay,az)和L个(ωx,ωy,ωz)数据为一组，采集的数据长度根据一个地区的输电线路运动周期确定，如果不知道具体的运动周期可适当大一些；为消除偶然误差，每滑动m个数取一次平均；建立ARMA滑动自回归模型的一维时间序列Ah(a1,a2,...aN)和Ωr(ω1,ω2,...ωN)，其中N＝L/m，a1,a2,...aN和ω1,ω2,...ωN分别为一维时间序列的项，然后对第i段序列Ahi(ai1,ai2,...aiN)和Ωri(ωi1,ωi2,...ωiN)进行FFT变换，获得输电线路运动的幅频分布。
从幅频分布中找出主要的平动程度Ah{Ah1,Ah2,…Ahλ}及频率fh{fh1,fh2,…fhλ}和主要的转动程度Ωr{Ωr1,Ωr2,…Ωrλ}及频率fr{fr1,fr2,…frλ}。
输电线路在某一瞬间受到很大的运动力，即程度，或在某一运动力的持续作用下，即频率，输电线路都是受不了的。
为了综合考虑平动和转动对输电线路的影响，构造等效综合运动力F和为反应输电线路运动的持续作用，构造运动持续效应S。
F＝Ah·fh+Ωr·fr，其中Ah为平动程度，Ωr为转动程度，fh为平动频率，fr为转动频率，·为点乘；S＝(Ah·fh+Ωr·fr)T，T为该运动下的持续时间。
任何实际的输电线路都有一个可承受的力和一个抗疲劳的度，也就是输电线路可承受的等效综合运动力F和运动持续效应S，设输电线路运动的最大承受Fmax和最大运动持续效应Smax，实际的等效综合运动力F和运动持续效应S只要有一个值超过时，输电线路就存在着风险。
实际的输电线路随着时间的推移，输电线路可承受的设输电线路运动的最大承受Fmax和最大运动持续效应Smax都会减小。
当然实际预测中不能等到到Fmax和Smax的一个值时，才知道输电导导线有风险，那是不行的，因为自然界的风一般有持续的风和阵风这两种情况，持续的风会使输电线路进行持续的运动，阵风就不同了，可能会加大也可能会减小输电线路运动，这就需要通过处理器计算出持续风持续的时间和预测估计增加的输电线路运动变化程度。
对持续风持续时间的测量不用增加风速计和计时器，持续的风引起的运动近似于周期运动，那么
的测量值也是周期的变化，通过处理器的计时器计算出这个周期，这个可能没有那么十分准确，但没有关系，这样就可以计算出持续运动的时间T，进而求出该次运动持续效应St，加上以前输电线路运动导致的运动持续效应Sb，判断是否达到疲劳极限——最大运动持续效应Smax。
对于增加的输电线路运动变化程度，可以利用等效综合运动力F的变化来表示，即dF/dt，当dF/dt为正值并且很大时，输电线路将会有一定的安全问题；如果是负数，说明运动程度在减小；如果为0，说明是持续在运动，需要知道持续的时间即。
如果输电线路经过一段时间的运动磨损或疲劳，当增加的输电线路运动程度没有达到Fmax就会导致输电线路损毁或损坏了，这要考虑实际输电线路的已疲劳的情况。
该输电线路运动预警方法简单，更具有针对性，具有较长的使用寿命和较高的应用价值。
附图说明
图1是本发明输电线路运动MEMS惯性测量系统的结构；
图2是本发明输电线路运动预警流程。
具体实施方式
首先进行设计制作输电线路运动测量系统，进而测量和分析计算某一个地区的运动程度和频率，构造等效综合运动力和运动持续效应，进行输掉导线运动安全预测，以下结合附图说明本发明的具体实施。
如图1所示输电线路运动测量系统的结构，主要由输电线路运动MEMS惯性测量系统、Zigbee无线传输、监控中心和供电四部分组成。
(1)输电线路运动MEMS惯性测量系统：①输电线路运动测量节点选用MEMS加速度计和MEMS陀螺仪，进行构建MIMU惯性测量节点，安装在距离杆塔较近输电线路上，在信号传输线、惯性测量节点和安装处的导线包上一层屏蔽网，同时把信号线和电源线分开以防电磁干扰；②杆塔处理器安装在杆塔上中间位置处，以减小电磁干扰，选择处理速度较高的STM32F427处理器，带有一定容量的存储器，记录输电线路运动数据，并能够对运动数据进行比较和分析。
(2)无线数据传输：采用Zigbee无线通信。
(3)监控中心：监控主机处理并显示输电线路运动数据，对采集的输电线路运动幅值和频率进行计算和分析；同时，当输电线路运动异常时能够报警。
(4)供电：采用互感器、太阳能光伏电池或风力发电及备用储能电池构成，在输电网络有电时采用互感器经过整流和变压后直接供电，当电网无电时采用太阳能或风力发电及备用电池供电。
上述惯性测量系统、杆塔处理器和Zigbee无线传输部分均需加固防震、隔热、防磁干扰处理。
预警流程如图2所示。
由于输电线路的运动，MEMS惯性测量系统采集的加速度和角速度数据具有高维、复杂、动态以及高噪声等特性，进行数据预处理，首先对采集的加速度采用五点三次平滑滤波，角速度采用最小二乘法消除趋势项，然后进行温度补偿处理，最后去除加速度和角速度的常值偏差。
输电线路的垂直或水平或转动运动的程度可能直接使输电线路出现不同程度的损毁或损坏，而输电线路运动的频率虽然没有运动幅度对输电线路影响那么直接，但在某一运动频率的持续作用下，会造成输电线路抗疲劳能力下降，即出现度不同程度的磨损，甚至造成输电线路断股，同时也会降低输电线路金具疲劳极限。
由于输电线路的平动程度由导线的速度及其运动周期决定，输电线路的速度又由加速度及其运动周期决定，可直接利用加速度信号进行程度等价分析，平动程度与加速度计输出加速度(ax,ay,az)又相关，所以采用加速度的平方和
表示输电线路的平动程度。
输电线路的转动程度由导线的角速度及其运动周期决定，可直接利用角速度信号进行程度等价分析，转动程度与陀螺仪输出的三轴角速度(ωx,ωy,ωz)又直接相关，因此采用角速度的平方和
表示导线的转动程度。
由于加速度和角速度是测量点处输电线路的各轴平动和转动情况，可从A和Ω式中进行运动程度和频率的识别：分别每采集L个(ax,ay,az)和L个(ωx,ωy,ωz)数据为一组，采集的数据长度根据一个地区的导线运动周期大概确定，如果不知道具体的运动周期可适当大一些；为消除偶然误差，每滑动m个数取一次平均；建立ARMA滑动自回归模型的一维时间序列Ah(a1,a2,...aN)和Ωr(ω1,ω2,...ωN)，其中N＝L/m，a1,a2,...aN和ω1,ω2,...ωN分别为一维时间序列的项；然后对第i段序列Ahi(ai1,ai2,...aiN)和Ωri(ωi1,ωi2,...ωiN)进行FFT变换，获得输电线路运动的程度-频率分布。
从程度-频率分布中找出主要的平动程度Ah{Ah1,Ah2,…Ahλ}及频率fh{fh1,fh2,…fhλ}和主要的转动程度Ωr{Ωr1,Ωr2,…Ωrλ}及频率fr{fr1,fr2,…frλ}。
输电线路在某一瞬间受到很大的运动力，或在某一运动力的持续作用下，输电线路都是受不了的。
为了综合考虑平动和转动对导线的影响，构造等效综合运动力F，为反应导线运动的持续作用，构造运动持续效应S。
F＝Ah·fh+Ωr·fr，其中Ah为平动程度，Ωr为转动程度，fh为平动频率，fr为转动频率，·为点乘；S＝(Ah·fh+Ωr·fr)T，T为该运动下的持续时间。
任何实际的输电线路都有一个可承受的力和一个抗疲劳的度，也就是导线可承受的等效综合运动力F和运动持续效应S，设导线运动的最大承受Fmax和最大运动持续效应Smax，实测的等效综合运动力F和运动持续效应S只要有一个值超过时，输电线路就存在着危险。
在实际预警中不能等到F和S其中的一个值达到Fmax和Smax其中的一个值时，才知道输电导导线受不了，那是不行的，因为自然界的风一般有持续的风和阵风这两种情况，持续的风会使导线进行持续的运动，阵风就不同了，可能会加大也可能会减小导线运动，这就需要计算出持续风持续的时间和预测估计增加的导线运动变化程度。
对持续风持续时间的测量不用增加风速计和计时器，持续的风引起的运动近似于周期运动，那么
的测量值也是周期的变化，通过STM32F427的计时器计算出这个周期，这个可能没有那么十分准确，但没有关系，这样就可以计算出持续运动的时间T，进而求出该次运动持续效应St，加上以前输电线路运动导致的运动持续效应Sb，判断是否达到疲劳极限——最大运动持续效应Smax。
对于增加的输电线路运动变化程度，利用等效综合运动力F的变化来表示，即dF/dt，当dF/dt为正值并且很大时，输电线路将会有危险；如果是负数，说明程度在减小；如果为0，说明是持续在运动，需要知道持续的时间，然后求出损失的运动持续效应。
实际的输电线路随着时间的推移，输电线路可承受的设输电线路运动的最大承受Fmax和最大运动持续效应Smax都会减小。
如果输电线路经过一段时间的运动磨损或疲劳，当增加的输电线路运动程度没有达到Fmax就会导致输电线路损毁或损坏了，这要考虑实际输电线路的已疲劳的情况。
该输电线路运动预警方法简单，更具有针对性，具有较长的使用寿命和较高的应用价值。
最后说明的是以上实施案例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，可以对本发明进行修改或更换，而不脱离本技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.一种输电线路运动预警方法，其特征在于预警流程包括：(1)对MEMS惯性测量系统采集的加速度和角速度数据进行预处理：首先对采集的加速度采用五点三次平滑滤波，角速度采用最小二乘法消除趋势项，然后进行温度补偿处理，最后去除加速度和角速度的常值偏差；(2)采用加速度的平方和
表示输电线路的平动程度，角速度的平方和
表示输电线路的转动程度；(3)分别每采集L个(ax,ay,az)和L个(ωx,ωy,ωz)数据为一组，采集的数据长度根据一个地区的输电线路运动周期确定；为消除偶然误差，每滑动m个数取一次平均；建立ARMA滑动自回归模型的一维时间序列Ah(a1,a2,...aN)和Ωr(ω1,ω2,...ωN)，其中N＝L/m，a1,a2,...aN和ω1,ω2,...ωN分别为一维时间序列的项，然后对第i段序列Ahi(ai1,ai2,...aiN)和Ωri(ωi1,ωi2,...ωiN)进行FFT变换，获得输电线路运动的程度-频率分布；(4)从程度-频率分布中找出主要的平动程度Ah{Ah1,Ah2,…Ahλ}及其频率fh{fh1,fh2,…fhλ}和主要的转动程度Ωr{Ωr1,Ωr2,…Ωrλ}及其频率fr{fr1,fr2,…frλ}；(5)为综合考虑平动和转动对输电线路的影响，构造等效综合运动力F＝Ah·fh+Ωr·fr，其中Ah为平动程度，Ωr为转动程度，fh为平动频率，fr为转动频率，·为点乘，为反应输电线路运动的持续作用，构造运动持续效应S＝(Ah·fh+Ωr·fr)T，T为该运动下的持续时间；(6)任何实际的输电线路都有一个可承受的等效综合运动力F和运动持续效应S，设输电线路运动的最大承受Fmax和最大运动持续效应Smax，实际测量的等效综合运动力F和运动持续效应S只要有一个值超过时，输电线路就存在着危险；(7)在实际预警中不能等到F和S其中的一个值达到Fmax和Smax的其中的一个值时，才知道输电线路有危险，需要计算出持续风持续的时间和预测估计增加的输电线路运动变化程度；(8)由于持续的风引起的输电线路运动近似于周期运动，那么
的测量值也是周期的变化，通过处理器计算出这个周期，然后再根据运动的周期数来计算出持续运动的时间T，进而求出该次运动持续效应St，加上以前输电线路运动导致的运动持续效应Sb，判断是否达到疲劳极限——最大运动持续效应Smax；(9)对于预测估计增加的输电线路运动变化程度，利用等效综合运动力F的变化来表示，即dF/dt，当dF/dt为正值并且很大时，输电线路将会有危险；如果是负数，说明运动程度在减小；如果为0，说明是持续在运动，通过处理器计算出持续的时间，然后求出损失的运动持续效应；(10)如果输电线路经过一段时间的运动磨损或疲劳，当增加的输电线路运动程度没有达到Fmax就会导致输电线路损毁或损坏了，这要考虑实际输电线路的已疲劳的情况。
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