CN110501612A - 一种分布式的输电线路状态监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分布式的输电线路状态监测系统，包括采集装置、RKT基准站以及地面监测站，采集装置与地面监测站双向通信连接，所述的RKT基准站与地面监测站双向通信连接；采集装置安装于输电线路上，用于实时采集数据；RKT基准站用于获得差分校准信息；地面监测站，用于接收采集装置及RKT基准站发送的数据。本发明通过分布在导线多点的北斗卫星导航终端对输电线路上的多点空间位置进行直接精确测量得到导线多点的空间位置，并通过无线网络及时将采集的传感器数据和特征点坐标传输到监控中心；利用导线状态方程，结合同步测量的拉力参数，精确计算导线参数包括弧垂、应力、比载等，实现弧垂/风偏/比载的实时监测。

Description

一种分布式的输电线路状态监测系统及方法

技术领域

本发明属于输电线路监测技术领域，尤其是涉及一种分布式的输电线路状态监测系统及方法。

背景技术

随着我国电力系统的发展，高压、特高压等输电线路的建设，输电线路里程也越来越长，输电线路逐渐成为了电网中资产最重要的组成部分之一。同时输电线路分布广泛，不仅各市区城镇还有高山大岭都有架空线路，所处地形复杂，由于自然环境恶劣，具有点多、面广、线长、裸露野外且易受外力影响因素多发的特点。

随着对线路运行技术要求不断提高，掌握线路状态是有效分析输电线路故障和异常、并采取有效措施的前提。例如，在所有输电线路的故障中，覆冰是比较常见和后果严重的问题之一。线路覆冰到一定程度会产生覆冰过荷载,过载荷严重会导致弧垂增大，导线对地间距减小，从而有可能发生闪络事故。架空输电线路导线发生偏心覆冰后，在风的激励下可能发生舞动现象。舞动轻者会发生闪络、跳闸，重者发生金具及绝缘子损坏，导线断股、断线，杆塔螺栓松动、脱落，甚至倒塔，导致重大电网事故。在大风的作用下，导线与导线或导线与地之间可由于距离不足，会造成短路跳闸，烧伤甚至烧断导线的事故。上述故障的现象发生从物理上讲是比载、应力的变化导致弧垂和受力状态变化，所以对线路的弧垂、风偏、比载的实时监测变得尤为重要。

随着智能电网的发展，近些年输电线路在线监测技术得到了长足发展，但是对于导线弧垂、风偏、比载等方面的监测，普遍存在测试不准确的情况，尚不能有效指导线路运维工作。特别是对于线路舞动、大风下风偏以及覆冰这类情况，现有技术手段还不能满足对于准确掌握线路实时位置状态、受力状态等准确信息。目前主要使用拉力测量方法、北斗单点测量、图像分析方法等对线路弧垂、风偏、比载进行监测。

1)传统定位技术采用的是GPS技术。GPS是由美国研发，所以我们在使用时可能将受到他们的牵制。其次，GPS规模太大、造价太高，只能用作导航却无法实现通信功能；

2)现有的方法中，北斗单点测量技术只能在无风的环境下对输电线路的弧垂进行静态测量，不能测量风偏，也不能测量比载、拉力等力学参量。而在实际应用中在有风环境下，对线路的监测更为重要；

3)现有的方法中，拉力测量通过力学传感器测量拉力等力学参数的变化，根据设计参数和经验值推到线路弧垂，测量数据不是线路的实时位置数据，而是导线张力、振动频率、风偏角、倾斜、绝缘子倾斜角等的间接数据，这就导致了对于弧垂等参量测量不准；

4)现有技术由于传感器精度和环境影响，监测精度较差，同时不便于维护与校准。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种分布式的输电线路状态监测系统，以解决上述背景技术中提到的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种分布式的输电线路状态监测系统，包括采集装置、RKT基准站以及地面监测站，所述的采集装置与地面监测站双向通信连接，所述的RKT基准站与地面监测站双向通信连接；

所述的采集装置安装于输电线路上，用于实时采集数据；

所述的RKT基准站分别安装于输电线路的两端挂点上，用于获得差分校准信息；

所述的地面监测站，用于接收采集装置及RKT基准站发送的数据。

进一步的，所述的采集装置包括第一控制模块、北斗定位模块、第一通信模块、接口与电源模块、以及温度传感器；所述的第一控制模块分别与北斗定位模块、第一通信模块、温度传感器相连，接口与电源模块用于为第一控制模块、定位模块、第一通信模块供电。

进一步的，所述的采集装置还包括拉力传感器，所述的拉力传感器与第一控制模块相连。

进一步的，所述的RTK基站包括北斗差分模块、第二控制模块、第二通信模块以及接口与电源模块；所述的第二控制模块分别与第二通信模块以及北斗差分模块相连，接口与电源模块用于为第二控制模块、北斗差分模块、第二通信模块供电。

进一步的，所述接口与电源模块的电路包括依次连接的取电线圈、整流单元、稳压单元、滤波单元，所述整流单元包括4个整流二极管，所述滤波单元包括滤波电容和电感。

进一步的，所述的地面监测站包括通信服务器、网关以及处理服务器，通信服务器、网关、处理服务器依次相连，处理器服务器与外部的用户终端相连。

本发明的另一目的在于提出一种分布式的输电线路状态监测方法，包括以下步骤：

(1)由若干采集装置将精确的位置信息发送到地面监测站，生成坐标；

(2)地面监测站生成由步骤(1)坐标组成的共面方程，并获得风偏角；

(3)架空线路方程拟合；

(4)计算应力与比载的比值

(5)计算线路弧垂；

(6)计算线路比载、应力。

相对于现有技术，本发明所述的一种分布式的输电线路状态监测系统与方法具有以下优势：

(1)本发明采用北斗卫星导航定位技术来取代以往的GPS技术对输电线路进行监测通过北斗，卫星导航定位终端结合网络RTK差分技术对线路特征点空间坐标进行直接精确测量，然后根据线路悬挂方程直接拟合线路空间形状曲线，结合初始线路资料精确计算线路弧垂、比载等工况参数，解决现有弧垂、应力、风偏、比载难以实时、准确监测的难题；

(2)本发明用将导线的空间位置参数与力学参数测量相结合的方法，来解决传统拉力测量方法中对弧垂等测量不准的问题；

(3)本发明通过无线网络及时将采集的传感器数据传输到监控中心，监控中心对数据进行存储、分析，根据即时分析结果确定缺陷等级，从而形成完整的架空线路弧垂、应力、风偏在线监测系统。解决低功耗、小型化，以及北斗天线/4G天线与在线终端的集成问题。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种分布式的输电线路状态监测系统的原理示意图；

图2为本发明实施例所述的系统拓扑意图示意图；

图3为本发明实施例所述的采集装置原理示意图；

图4为本发明实施例所述的RTK基站原理示意图；

图5为本发明实施例所述的接口与电源模块的电路图；

图6为本发明实施例所述的监测方法的流程图；

图7为本发明实施例所述的架空线路示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明提供一种分布式的输电线路状态监测系统，其中，

高精度导线位置实时采集装置：北斗定位模块接收卫星导航信号和无线通信模块传输的网络RTK差分信息，完成安装点的坐标测量，并通过无线传输模块将测量信息传输到监控中心。

RKT基准站：基站接收卫星发送的位置信息，将此信号和已知的基站精确位置进行比较，得到基站的差分校准信息。基站将该信息发送到处理中心得到差分校准信息，该差分校准信息主要是作为移动站定位信息的校正信号。当移动站收到网络发来的差分校准信息，通过和自己获得的卫星发送的信号相校准，得到移动站的准确位置信息，然后输出到终端。由此可以提高系统的测量精度。

地面监测站：主要完成设备管理、通信网络维护，线路弧垂、风偏、比载、应力等参数计算与分析，以及结果的可视化展示。

整个系统拓扑意图如图2所示；

采集装置由北斗定位模块、第一无线通信模块、第一控制模块、接口与电源模块组成，如图3所示，其中北斗定位模块接收卫星导航信号和无线通信模块传输的网络RTK差分信息，完成安装点的坐标测量，并通过第一无线传输模块将测量信息传输地面监测站，第一控制模块主要功能是对测量信息进行前端存储以及单元的状态采集和控制，接口与电源模块的功能是通过感应取电方式从线路上获取电能，并通过稳压等供其他单元使用。

其中，北斗定位模块采用型号为主板：BD930，天线：AV37，第一无线通信模块采用型号为USR-G781，第一控制模块采用型号为DPB3500-01，接口与电源模块采用从带电线路感应取电，然后一次整流、二次稳压的方案，该方案具有可靠性高、输出电压稳定、纹波小的特点。整个模块有取电线圈、整流二极管、稳压芯片和滤波电容、电感组成，具体器件的电路连接如下图5所示。

还包括温度传感器和拉力传感器，温度传感器用来监测设备本身工作状态。

RTK基站包括北斗差分模块、第二控制模块、第二通信模块以及接口与电源模块；所述的第二控制模块分别与第二通信模块以及北斗差分模块相连，接口与电源模块用于为第二控制模块、北斗差分模块、第二通信模块供电，如图4所示。

本发明应用北斗多点同步测量，在导线两侧挂点附近各安装一个基准站，移动站安装在线路中部。基站接收卫星发送的位置信息，将此信号和已知的基站精确位置进行比较，得到基站的差分校准信息。基站将该信息发送到处理中心得到差分校准信息，该差分校准信息主要是作为移动站定位信息的校正信号。当移动站收到网络发来的差分校准信息，通过和自己获得的卫星发送的信号相校准，得到移动站的准确位置信息，然后输出到终端，得出线路三点坐标。

地面监测站针对架空输电线路导线弧垂、风偏、应力、比载等关键参数，研究基于空间坐标直接的实时、快速收敛的曲线拟合算法并软件实现；线路弧垂、比载等工况参数计算软件与实现；通信接口、人机界面监控中心软件设计与集成。具体工作流程如图6所示。将空间位置测量、拉力测量与线路方程结合计算线路参数。通过测出的线路三点坐标拟合出导线状态曲线，从而求出弧垂、风偏角、应力与比载之比，再辅以一个挂点的应力值，即可计算出比载、线路各点应力。

各步计算方法如下：

1)A、B、C三点坐标测量

直接通过北斗定位模块测量出A、B、C三点坐标。

2)ABC共面方程和风偏角计算

根据解析几何原理，直接求解ABC三点的共面方程，该平面与垂直平面的夹角即为风偏角。

3)线路方程拟合

架空线路示意图如图7所示，

线路各点的坐标满足悬链线方程如下：

h——该档的高差，大号侧(前侧)高为正，反之为负，m

x——计算点距离小号侧的水平距离，m

γ——比载，MPa/m

σ₀——弧垂最低处的应力，MPa

β——高差角，

l——档距，m

L——悬挂曲线长度，m

当时，悬链线方程可简化为斜抛物线方程：

当时，进一步简化为平抛物线方程：

对于悬链线方程已知曲线上的3点，可按最小均方差,拟合出悬链线方程，表示为如下：

其中α₁为拟合出曲线方程的系数，即

4)计算应力与比载的比值

对比悬链线方程的表达式可知

则应力与比载的比值

5)计算线路弧垂

线路弧垂按如下公式计算

档距中间的弧垂：

最低点弧垂：

最大弧垂：

出现最大弧垂的位置为：

其中：

6)计算线路比载、应力

根据挂点A测出的应力σ_A，以及步骤4求出的应力与比载的比值代入下述方程，

即可就出水平应力σ₀、比载

则线路各点应力如下：

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种分布式的输电线路状态监测系统，包括采集装置、RKT基准站以及地面监测站，其特征在于：所述的采集装置与地面监测站双向通信连接，所述的RKT基准站与地面监测站双向通信连接；

所述的采集装置安装于输电线路上，用于实时采集数据；

所述的RKT基准站分别安装于输电线路的两端挂点上，用于获得差分校准信息；

所述的地面监测站，用于接收采集装置及RKT基准站发送的数据。

2.根据权利要求1所述的一种分布式的输电线路状态监测系统，其特征在于：所述的采集装置包括第一控制模块、北斗定位模块、第一通信模块、接口与电源模块、以及温度传感器；所述的第一控制模块分别与北斗定位模块、第一通信模块、温度传感器相连，接口与电源模块用于为第一控制模块、北斗定位模块、第一通信模块供电。

3.根据权利要求2所述的一种分布式的输电线路状态监测系统，其特征在于：所述的采集装置还包括拉力传感器，所述的拉力传感器与第一控制模块相连。

4.根据权利要求2或4所述的一种分布式的输电线路状态监测系统，其特征在于：所述的RTK基站包括北斗差分模块、第二控制模块、第二通信模块以及接口与电源模块；所述的第二控制模块分别与第二通信模块以及北斗差分模块相连，接口与电源模块用于为第二控制模块、北斗差分模块、第二通信模块供电。

5.根据权利要求1所述的一种分布式的输电线路状态监测系统，其特征在于：所述接口与电源模块电路包括依次连接的取电线圈、整流单元、稳压单元、滤波单元，所述整流单元包括4个整流二极管，所述滤波单元包括滤波电容和电感。

6.根据权利要求1所述的一种分布式的输电线路状态监测系统，其特征在于：所述的地面监测站包括通信服务器、网关以及处理服务器，通信服务器、网关、处理服务器依次相连，处理器服务器与外部的用户终端相连。

7.一种应用于权利要求1～6所述的分布式的输电线路状态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)由若干采集装置将精确的位置信息发送到地面监测站，生成坐标；

(2)地面监测站生成由步骤(1)坐标组成的共面方程，并获得风偏角；

(3)架空线路方程拟合；

(4)计算应力与比载的比值

(5)计算线路弧垂；

(6)计算线路比载、应力。