CN110146008A - 基于叉指电容传感器的覆冰参量和状态的监测方法 - Google Patents

基于叉指电容传感器的覆冰参量和状态的监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的基于叉指电容传感器的覆冰参量和状态的监测方法，安装好基于叉指电容传感器的覆冰参量和状态的监测系统，将输电导线表面均匀分为6个区域，每个区域均安装覆冰传感器，覆冰传感器连接微处理器；然后微处理器根据输电导线表面6个区域覆冰重量每增加50g时电容值，计算覆冰密度，结合覆冰密度和风向风速传感器采集到的数据判断出当前覆冰类别，微处理器通过将质量与密度关系得到的体积综合分析后分析出导线表面覆冰形状，微处理器将各项数据存储并通过发送到上位机实现输电导线覆冰参量及状态监测。本发明公开的方法解决了现有方法无法对导线覆冰生长质量或厚度进行测量，导致难以对覆冰的动态生长状态进行分析的问题。

Description

基于叉指电容传感器的覆冰参量和状态的监测方法
技术领域
本发明属于输电线路状态监测与诊断技术领域，具体涉及一种基于叉指电容传感器的覆冰参量和状态的监测方法。
背景技术
输电线路是电力传输的重要组成部分，其安全运行是保证电力系统中电能输送能力的重要因素。近年来，随着超高压与特高压线路的推进普及，更多的线路需要穿越气候复杂的覆冰重灾区。而覆冰造成的输电线路闪络、线路断裂甚至倒塔等事故，严重威胁了电力系统安全稳定运行，因此针对输电线路上覆冰的研究具有重要的应用价值。覆冰监测技术作为输电线路自然覆冰测量的有效方法，有助于电力部门及时掌握输电线路现场覆冰状况，制定有针对性的输电线路防冰、除冰方案。
就覆冰监测技术而言，目前较为成熟的有图像法、称重法等，然而上述方法大都针对导线覆冰生长质量或覆冰厚度进行测量，难以对覆冰的动态生长状态进行综合分析。因此设计一种覆冰参量及状态监测系统，并将该系统应用于现有的覆冰科研及小型户外输电线路覆冰监测站中，将有助于电力运行部门及时全面掌握输电线路现场覆冰状况，为快速准确的实施除冰工作提供准确的现场信息指导。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于叉指电容传感器的覆冰参量和状态的监测方法，解决了现有方法无法对导线覆冰生长质量或厚度进行测量，导致难以对覆冰的动态生长状态进行分析的问题。
本发明所采用的技术方案是，基于叉指电容传感器的覆冰参量和状态的监测方法，具体操作过程包括如下步骤：
步骤1，安装叉指电容传感器的覆冰参量和状态的监测系统，监测系统包括将输电导线表面均匀分为6个区域，每个区域均安装覆冰传感器，覆冰传感器连接Σ-Δ电容数字转换器，Σ-Δ电容数字转换器连接微处理器，输电导线外部安装绝缘材料的支架支撑，支架下部安装重力传感器，重力传感器连接A/D转换器将数字信号传给微处理器，微处理器还连接温湿度传感器和风速风向传感器；
步骤2，系统上电，微处理器通过重力传感器监测输电导线上的覆冰重量每增加50g时记录一次覆冰传感器的电容值，根据得到的电容值结合相对介电常数计算得到覆冰密度；
步骤3，根据步骤2得到的覆冰密度结合风速风向传感器的数据判断覆冰密度的是否准确，如果迎风向区域的覆冰密度明显大于顺风向区域覆冰密度，则覆冰密度计算准确，则根据风向及6个区域的覆冰传感器的电容值、覆冰密度分析出当前的导线覆冰类型，同时通过计算覆冰体积，结合6个区域覆冰密度、体积、风速风向传感器及温湿度传感器的数据判断出覆冰形状；反之，则返回步骤2重新计算覆冰密度；
步骤4，覆冰形状测量完成后，微处理器将所有的实时数据、覆冰密度、覆冰类型、覆冰形状和对应时间打包根据设定好的时间间隔1h～2h或上位机发送的传输数据的信号将各项数据上传至上位机，实现覆冰参量及状态的监测。
本发明的其他特点还在于，
步骤1中基于叉指电容传感器的覆冰参量和状态的监测系统中微处理器还分别连接A/D转换器、光电隔离电路、RS485电路、存储模块、RTC模块、看门狗、通讯模块和电源管理模块。
优选的，重力传感器输出端连接A/D转换器，风速风向传感器设在输电导线的绝缘支架上表面，并且输出端连接光电隔离电路，温湿度传感器安装在输电导线的绝缘外壳上表面，并且输出端连接RS485电路，电源管理模块的输出端还连接通讯模块。
优选的，每个覆冰传感器包括叉指电容和叉指电容引线，叉指电容由两个交叉沿着输电导线轴向放置的U型铜片组成，每个铜片分别连接一叉指电容引线，叉指电容引线连接Σ-Δ电容数字转换器。
优选的，每个铜片宽度d1＝1.5mm，两个铜片的间距d2＝1.5mm。
优选的，Σ-Δ电容数字转换器(2)的型号为AD7746。
优选的，微处理器(1)的型号为STM32F407。
优选的，步骤2中计算覆冰密度的过程如下：
定义Cf和Ci表示覆冰传感器(14)在每50g质量增量时监测到的结冰前和结冰后的电容值；ΔCi为每50g增量下的电容差值：
将叉指电容的电容差代入电容定义中得到公式(1)：
则输电导线覆冰后的相对介电常数如式(2)所示：
则覆冰密度如式(3)所示：
其中，ε是实际覆冰的相对介电常数，ε1为纯冰的相对介电常数，ε0是空气的相对介电常数，取8.854*10-12F/m，ρ冰为纯冰的密度，L为叉指电容相交部分长度，取0.30m，d2为叉指电容间距，d1为叉指电容厚度。
优选的，步骤3中当覆冰密度介于800～900kg/m3时，覆冰类型为雨凇类型；当密度介于600～800kg/m3时，覆冰类型为硬雾凇类型；当密度介于300～600kg/m3时，覆冰类型为软雾凇类型；当密度小于300kg/m3，覆冰类型为凝霜类型；
覆冰体积计算式如公式(4)所示：
其中，m为覆冰质量，单位为kg，V为覆冰体积，单位为m3。
本发明的有益效果是，基于叉指电容传感器的覆冰参量和状态的监测方法，相比于现有技术存在以下优势：
(1)通过设计一种基于叉指电容传感器的覆冰参量和状态的监测系统，6组叉指电容固定在模拟导线上，且每组叉指电容的电极板各连接一条引线。6组叉指电容同时作业用于覆冰参量及状态监测和严重覆冰的测量，得到6个区域的电容值，推算得到覆冰形状；
(2)本发明的监测系统中加入温湿度传感器，克服了在雨天由于导线悬垂液滴及导线表面水膜引入的测量误差。重力传感器将对整个导线的重量进行测量，其增量主要由覆冰生长引起，以每米50g为一个单位重量求电容值，根据各个气象传感器同时判定测量值变化，进而可以对覆冰测量结果进行验证；
(3)通过设定风向风速传感器、温湿度传感器及重力传感器阈值，进行重覆冰预警，覆冰监测站的微处理器通过远程无线通信将数据发送到监测中心的上位机，实现输电导线覆冰参量测量及综合分析的远程监测功能。随着系统运行，会逐渐积累覆冰各因素数据及单位增量下电容值、密度和厚度值，建立各数据之间联系和微气象数据库，从而进一步修正该地区覆冰模型，以达到更精确地覆冰监测。
附图说明
图1是本发明的基于叉指电容传感器的覆冰参量和状态的监测系统的结构示意图；
图2是本发明的监测系统中的叉指电容传感器的结构示意图；
图3是本发明中模拟导线表面贴附的叉指电容叉指电容结构示意图。
图中，1.微处理器，2.Σ-Δ电容数字转换器，3.A/D转换器，4.光电隔离电路，5.RS485电路，6.存储模块，7.看门狗，8.通讯模块，9.电源管理模块，10.RTC模块，11.重力传感器，12.风速风向传感器，13.温湿度传感器，14.覆冰传感器，15.叉指电容引线，16.叉指电容。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的基于叉指电容传感器的覆冰参量和状态的监测方法，具体操作过程包括如下步骤：
步骤1，安装叉指电容传感器的覆冰参量和状态的监测系统，如图1和图2所示，监测系统包括将输电导线表面均匀分为6个区域，每个区域各占60°恰好围绕导线一圈，每个区域均安装覆冰传感器14，覆冰传感器14连接Σ-Δ电容数字转换器2，Σ-Δ电容数字转换器2连接微处理器1，输电导线外部安装具有绝缘材料的支架支撑，支架下部装设有重力传感器11，重力传感器11连接A/D转换器3将数字信号传给微处理器1，微处理器1还连接风速风向传感器12、温湿度传感器13；
基于叉指电容传感器的覆冰参量和状态的监测系统中微处理器1还分别连接A/D转换器3、光电隔离电路4、RS485电路5、存储模块6、看门狗7、通讯模块8电源管理模块9和RTC模块10。
重力传感器11输出端连接A/D转换器3，风速风向传感器12设在输电导线的绝缘支架上表面，并且输出端连接光电隔离电路4，温湿度传感器13安装在输电导线的绝缘外壳上表面，并且输出端连接RS485电路5，电源管理模块9的输出端还连接通讯模块8，通讯模块8用于与上位机通讯。
每个覆冰传感器14包括叉指电容16和叉指电容引线15，叉指电容16由两个交叉沿着输电导线轴向放置的U型铜片组成，每个铜片分别连接一叉指电容引线15，叉指电容引线15连接Σ-Δ电容数字转换器2。
如图3所示，每个铜片宽度d1＝1.5mm，两个铜片的间距d2＝1.5mm。
Σ-Δ电容数字转换器2的型号为AD7746，两端分别连接激励电极与感应电极可以实时监测当前电容值。
微处理器1的型号为STM32F407，负责整个传感器的数字信号处理部分。
RTC模块用于保持各传感器数据的记录时间与后台装置时间的一致性。
步骤2，系统上电，当覆冰在输电线路上积聚，会导致覆冰传感器14间的介电材料由空气改变为冰晶，进而通过电容变化值判断覆冰生长状况；微处理器1与RTC模块10连接，保持传感器数据的记录时间与后台装置时间的一致性；
微处理器1控制A/D转换器3实时将所连接的重力传感器11的信号转换成数字信号后进行采集，微处理器1实时测量长度为1米的输电导线上每增加覆冰重量0.050kg时的电容值C，单位记作pF/(kg/m)，经过RTC模块10对时，微处理器1通过重力传感器11监测输电导线上的覆冰重量每增加50g时记录一次电容值，根据得到的电容值C，结合覆冰相对介电常数计算覆冰密度，具体过程如下：
覆冰前后叉指电容器的改变值主要是由覆冰造成的，Cf和Ci表示覆冰传感器在每50g质量增量时监测到的结冰前和结冰后的电容值，ΔCi为每50g覆冰增量下的电容差值：
将叉指电容的电容差代入电容定义中得到公式(1)：
则输电导线覆冰后的相对介电常数如式(2)所示：
则覆冰密度如式(3)所示：
其中，ε是实际覆冰的相对介电常数，ε1为纯冰的相对介电常数，ε0是空气的相对介电常数，取8.854*10-12F/m，ρ冰为纯冰的密度，L为叉指电容相交部分长度，取0.30m，d2为叉指电容间距，d1为叉指电容厚度；
步骤3，根据步骤2得到的覆冰密度结合风速风向传感器12的数据判断覆冰密度的是否准确，如果迎风向区域的覆冰密度明显大于顺风向区域覆冰密度，则覆冰密度计算准确，则根据风向及6个区域的覆冰传感器14的电容值、覆冰密度分析出当前的导线覆冰类型，同时通过计算覆冰体积，结合6个区域覆冰密度、体积、风速风向传感器12及温湿度传感器13的数据判断出覆冰形状；反之不准确，则返回步骤2重新计算覆冰密度；
步骤3中当覆冰密度介于800～900kg/m3时，覆冰类型为雨凇类型；当密度介于600～800kg/m3时，覆冰类型为硬雾凇类型；当密度介于300～600kg/m3时，覆冰类型为软雾凇类型；当密度小于300kg/m3，覆冰类型为凝霜类型，如表1所示：
表1 不同覆冰类型的密度
编号 密度(kg/m<sup>3</sup>) 覆冰类型
A 800～900 雨凇
B 600～800 硬雾凇
C 300～600 软雾凇
D 100～300 凝霜类型
覆冰体积计算式如公式(4)所示：
其中，m为覆冰质量，单位为kg，V为覆冰体积，单位为m3。
结合6个等分区域覆冰密度、体积、风速风向传感器12及温湿度传感器13数据能够准确判断出覆冰形状，通过对各项传感器进行阈值设定可以在重覆冰时进行预警。微处理器1控制数据存储模块将所有实时数据、覆冰状况及对应时间进行记录。
步骤4，覆冰形状测量完成后，微处理器1将所有的实时数据、覆冰密度、覆冰类型、覆冰形状和对应时间打包根据设定好的时间间隔1h～2h或数据上位机发送的传输数据的信号将各项数据上传至上位机，实现覆冰参量及状态的监测。

Claims (9)

1.基于叉指电容传感器的覆冰参量和状态的监测方法，其特征在于，具体操作过程包括如下步骤：
步骤1，安装叉指电容传感器的覆冰参量和状态的监测系统，监测系统包括将输电导线表面均匀分为6个区域，每个区域均安装覆冰传感器(14)，所述覆冰传感器(14)连接Σ-Δ电容数字转换器(2)，所述Σ-Δ电容数字转换器(2)连接微处理器(1)，输电导线外部安装具有绝缘材料的支架支撑，支架下部安装重力传感器(11)，所述重力传感器(11)连接A/D转换器(3)将数字信号传给微处理器(1)，所述微处理器(1)还连接温湿度传感器(13)和风速风向传感器(12)；
步骤2，系统上电，所述微处理器(1)通过所述重力传感器(11)监测输电导线上的覆冰重量每增加50g时记录一次覆冰传感器的电容值，根据得到的电容值结合相对介电常数计算得到覆冰密度；
步骤3，根据步骤2得到的覆冰密度结合所述风速风向传感器(12)的数据判断覆冰密度的是否准确，如果迎风向区域的覆冰密度明显大于顺风向区域覆冰密度，则覆冰密度计算准确，则根据风向及6个区域的覆冰传感器(14)的电容值、覆冰密度分析出当前的导线覆冰类型，同时通过计算覆冰体积，结合6个区域覆冰密度、体积、所述风速风向传感器(12)及所述温湿度传感器(13)的数据判断出覆冰形状；反之，则返回步骤2重新计算覆冰密度；
步骤4，覆冰形状测量完成后，微处理器(1)将所有的实时数据、覆冰密度、覆冰类型、覆冰形状和对应时间打包根据设定好的时间间隔1h～2h或上位机发送的传输数据的信号将各项数据上传至上位机，实现覆冰参量及状态的监测。
2.如权利要求1所述的基于叉指电容传感器的覆冰参量和状态的监测方法，其特征在于，所述步骤1中基于叉指电容传感器的覆冰参量和状态的监测系统中所述微处理器(1)还分别连接A/D转换器(3)、光电隔离电路(4)、RS485电路(5)、存储模块(6)、RTC模块(10)、看门狗(7)、通讯模块(8)和电源管理模块(9)。
3.如权利要求2所述的基于叉指电容传感器的覆冰参量和状态的监测方法，其特征在于，所述重力传感器(11)输出端连接所述A/D转换器(3)，所述风速风向传感器(12)设在所述输电导线的绝缘支架上表面，并且输出端连接所述光电隔离电路(4)，所述温湿度传感器(13)安装在输电导线的绝缘外壳上表面，并且输出端连接所述RS485电路(5)，所述电源管理模块(9)的输出端还连接所述通讯模块(8)。
4.如权利要求1所述的基于叉指电容传感器的覆冰参量和状态的监测方法，每个所述覆冰传感器(14)包括叉指电容(16)和叉指电容引线(15)，所述叉指电容(16)由两个交叉沿着输电导线轴向放置的U型铜片组成，每个铜片分别连接一叉指电容引线(15)，所述叉指电容引线(15)连接所述Σ-Δ电容数字转换器(2)。
5.如权利要求4所述的基于叉指电容传感器的覆冰参量和状态的监测方法，每个所述铜片宽度d1＝1.5mm，两个所述铜片的间距d2＝1.5mm。
6.如权利要求1所述的基于叉指电容传感器的覆冰参量和状态的监测方法，所述Σ-Δ电容数字转换器(2)的型号为AD7746。
7.如权利要求1所述的基于叉指电容传感器的覆冰参量和状态的监测方法，所述微处理器(1)的型号为STM32F407。
8.如权利要求3所述的基于叉指电容传感器的覆冰参量和状态的监测方法，所述步骤2中计算覆冰密度过程如下：
定义Cf和Ci表示覆冰传感器(14)在每50g质量增量时监测到的结冰前和结冰后的电容值；ΔCi为每50g增量下的电容差值：
将叉指电容的电容差代入电容定义中得到公式(1)：
则输电导线覆冰后的相对介电常数如式(2)所示：
则覆冰密度如式(3)所示：
其中，ε是实际覆冰的相对介电常数，ε1为纯冰的相对介电常数，ε0是空气的相对介电常数，取8.854*10-12F/m，ρ冰为纯冰的密度，L为叉指电容相交部分长度，取0.30m，d2为叉指电容间距，d1为叉指电容厚度。
9.如权利要求8所述的基于叉指电容传感器的覆冰参量和状态的监测方法，所述步骤3中当覆冰密度介于800～900kg/m3时，覆冰类型为雨凇类型；当密度介于600～800kg/m3时，覆冰类型为硬雾凇类型；当密度介于300～600kg/m3时，覆冰类型为软雾凇类型；当密度小于300kg/m3，覆冰类型为凝霜类型；
覆冰体积计算式如公式(4)所示：
其中，m为覆冰质量，单位为kg，V为覆冰体积，单位为m3。
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