CN112345128B - 一种架空输电线路导地线机械力学监测分析方法 - Google Patents
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Abstract
一种架空输电线路导地线监测分析方法，包括导地线监测模块、智能化输电线路导地线运行状态判断模块、电源模块、通信模块、数据处理及分析模块、智能化预警决策模块。本发明在导地线监测中引入高精度光纤传感技术，对架空输电线路杆塔的关键受力材进行准确检测，使得在线监测更加全面、精确。
Description
技术领域
本发明涉及一种架空输电线路导地线机械力学监测分析方法，属于电力工业的技术领域。
背景技术
近几年来，电网系统越来越重视输电线路的在线监测，倾大力气进行输电线路在线监测的研究，将研究成果适用于实际线路之后，却出现了不可预料的问题：
1)传感器电源都是风力、光伏或者两者组合的电源，暴露在自然环境中，寿命短，大多数情况下几个月就发生损坏，不能保证监测装置持续有效地工作；
2)传统传感器只是进行表象的定性检测，无法检测线路材料(元器件)的受力数据，形成不了数字化分析，难以实现输电线路的精细化管理；
3)传感装置的附属设备技术不成熟，需要不断进行运行维护，在实际工作中加大了运维人员的劳动强度。
表象的定性监测对智能电网支撑力有限，现有输电线路在线监测无法达到智能电网对于监测数据的要求，需要引入先进的数字化监测技术。
分布式光纤传感器是采用独特的分布式光纤探测技术，对沿光纤传输路径上的空间分布和随时间变化信息进行测量或监控的传感器。它将传感光纤沿场排布，可以同时获得被测场的空间分布和随时间的变化信息，对于许多工业应用有许多吸引力。近年来，分布式光纤传感技术有了长足发展，检测范围越来越大，测量精度越来越高，传输方向也开始双向化，以前制约其应用于输电线路监测技术的功能短板已经不存在，是一项适用于输电线路在线监测的先进数字化监测技术。输电线路利用光纤传感器高精度测量构件内力信息、传输距离大、影响小的特点，可以对输电线路进行全方位的机械力学监测分析，保障输电线路的可靠稳定运行。
输电线路导地线是电网传输的血管，是电能传输的主要载体，导线的安全运行将关系着整个电网电能传输的稳定性，地线可以保护导线不受雷击，另外还担负着电网通信的重要职责。另外，导地线常年处于风吹、日晒、雨淋的自然条件下，是最容易出问题的线路装置。例如，冬天大雪大雪天气下容易发生覆冰，导致导地线断开，影响周边地区送电；大风条件下容易发生舞动，相间导线舞动时发生相间放电，发生不正常运行状态，需要尽快发现并处理；长时间运行下，导地线内导体发生局部的断股，成为电网不一发现的薄弱点，影响整个系统的稳定可靠性。诸如此类的事故由很多，在此不一一列举。由此我们可以看出，对导地线进行精细化的准确在线监测，及时发现异常并处理，是保证线路稳定运行的必要条件。
综上所述，从现实意义来看，在架空输电线路、电缆线路，尤其是特高压、超高压、电网主架构的导地线在线检测方面，至今还没有出现一种合理有效的架空输电线路导地线监测分析方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种精细、准确、可靠、全面、持久的架空输电线路导地线监测分析方法。
本发明的技术方案如下：
一种架空输电线路导地线监测分析方法，包括导地线监测模块、智能化输电线路导地线运行状态判断模块、电源模块、通信模块、数据处理及分析模块、智能化预警决策模块；
所述导地线监测模块包括分布式光纤传感单元、机械应力数学分析单元：所述高精度光纤传感单元由一系列的高精度光纤传感器组成，根据输电线路重要程度、电压等级、导地线截面合理选择BOTDR或BOTDA等技术，将分布式光纤传感器紧密贴合分布于架空输电线路的导地线中，导线可以采用OPPC的方法将2根光缆整合于钢芯中，一根在中心部位，一根螺旋式缠绕在钢芯外层，根据不同导地线的受力特点、发热及散热特点、运行状态，结合工频、大风、过电压、覆冰等几种气象条件，及时连续地取得沿导地线分布的材料型变量、温度变化量，形成导地线横截面的应力场、温度场，沿线路的应力、温度变化特点，监测时间间隔非常短，目前已达到秒级，可以对不同温度、湿度、风速、覆冰厚度、光照等气象条件下的导地线型变进行连续性不间断地检测，完美呈现导地线随气象条件变化而呈现的型变曲线、变化特点，最重要的是，检测单元完全可以利用于特高压、超高压、电网主架构等重要线路，信号稳定，监测精度高，可靠性强；所述机械应力数学分析单元是根据光纤传感器采集的导地线型变、温度信息进行高精度的数学建模，需要在实验室进行试验确定杆塔受力机械分析模型，达到可以直接分析计算出准确应力值与温度值的程度，通过对构件形变进行即时的、快速的建模分析，来得到塔材构件受到的即时应力值，应力精度可完全满足系统状态分析实际需要；
所述智能化输电线路导地线运行状态判断模块负责及时正确将各导地线应力场、温度场、振动情况、舞动情况转换为导地线的真实运行状态，包括导地线覆冰状态判断系统、导地线风偏判断系统、导地线舞动判断系统、导地线最低弧垂判断系统、导地线断股判断系统、导地线老化程度判断系统等，正确判断各个系统监测的正常、不正常、危险状态，同步于数据应用终端显示提醒。
所述电源模块负责为整个系统提供电源，其主要方式有：1、根据架空输电线路地域分布情况，结合周边现存电源状况，合理规划高精度光纤传感检测系统位置，就近利用现存电源，条件如果允许，可以使用附近变电站中的电源；2、在偏远地区，结合远期成本，为高精度光纤传感检测系统新建两回线路，保证供电可靠性；
所述通信模块负责监测信息的安全传输，它主要包括有线传输与无线传输两部分，有线传输主要利用电网现有通信通道，可以考虑利用现有线路OPGW的一根通信通道，无线传输主要以电力专网为主体、根据具体情况安全接入联通移动等公司的专网，接入要加密保证安全性；
所述数据处理及分析模块包括数据存储单元、数据分析单元、数据显示单元、交互单元：所述数据存储单元主要对导地线检测信息进行有序存储、可靠分类；数据分析单元主要利用大数据技术、互联网+技术、云计算技术等先进数据分析工具，对杆塔受力数据进行精细化地分析管理，分析线路各元器件随着周边温度、湿度、风速、覆冰厚度、光照等气象条件的变化得瞬时应力变化规律，结合系统潮流状态，寻找线路运行漏洞、总结线路运行规律，为加强智能电网提供可靠丰富的数据支持；数据显示单元主要利用各种终端设备，对线路状态数据进行3D显示，结合利用VR穿戴设备，真实反映模拟线路状态；交互单元能够使操作人员与数据系统进行交流，将操作人员行为信息作为线路检测数据的一部分存储起来，进行合理分析、准确预测。
所述智能化预警决策模块负责接收各方面的数据信息，及时对输电线路状态做出判断，当线路状态不正常时及时进行预警，完全消除运行安全隐患，并为运行管理部门提供决策数据支持。
一种架空输电线路导地线监测分析方法，是通过以下过程实现的。
根据本发明优选的，所述导地线监测单元向数据处理及分析单元传送即时的、全面的、详细的架空输电线路杆塔塔材数据信息(导地线型变量、温度变化量)：利用现有OPPC技术，将分布式光纤作为一根内芯在出厂前置入到导地线，由于光纤传感器利用的光缆是最普通的光缆，且是集传感测量与传输于一体，就可以做到在不新建任何通信通道的同时，安全可靠地对导地线内外部的运行状态进行监测，可以取得沿导地线分布的应力、温度变化规律，也可以取得导地线风险的横截面应力场、温度场，例如在老旧导地线连接处、与金具连接处、弧垂最低点等风险点，保证监测数据的准确性，保证其稳定可靠牢固，不断优化光纤传感排布方式，减少排布数量，提高数据准确性与可靠性，光纤传感单元得到的杆塔材料受力数据，实时传输到机械力学数学分析单元后，经过导地线塔材机械应力分析数学模型处理后得到各受力材的瞬时应力、温度信息库。
根据本发明优选的，所述智能化输电线路导地线运行状态判断模块负责及时正确将各导地线应力场、温度场、振动情况、舞动情况转换为导地线的真实运行状态，包括导地线覆冰状态判断系统、导地线风偏判断系统、导地线舞动判断系统、导地线最低弧垂判断系统、导地线断股判断系统、导地线老化程度判断系统等，正确判断各个系统监测的正常、不正常、危险状态，同步于数据应用终端显示提醒。
根据本发明优选的，所述电源模块采设置在电网沿线的管理区域，区域位置以不同代码存储在数据处理及应用系统中，用不同的供电方式对整个系统进行可靠持续性供电。
根据本发明优选的，所述数据处理及分析模块接收通信模块传输过来的导地线机械应力数据信息，以合理方式存储于数据存储单元中，由数据分析单元进行全方位、高深度的分析处理，将处理结果传送到数据显示单元，由数据显示单位模拟各设备受力情况及未来状态，对各种不正常状态进行预警，提供运维、检修、规划、设计等多方面工作的数据支持。
智能化预警决策模块负责对线路状态进行及时预警，并为决策部门提供数据支持。
根据本发明优选的，所述通信传输单位负责状态信息的全方位传输。
本发明的优点在于：
本发明在导地线监测中引入高精度光纤传感技术，对架空输电线路杆塔的关键受力材进行准确检测，使得在线监测更加全面、精确。
本发明利用最新的光纤传感技术，首次提出通过检测导地线型变来得到精确的瞬时应力值，对应力值进行分析，准确判断出各受力材的运行状态，此种方法是基于准确的数据信息，可以对整个杆塔塔材进行精细化管理、准确化定位、预测式发展。
本发明利用光纤传感技术检测范围大(一台设备可达10-70km检测半径)的特点，合理安排整个系统的供应电源，投入小、收效大，运行安全可靠，寿命可达几十年，运维工作少，避免了传统在线检测方法电源寿命短、费用高的致命缺点。
本发明通过对导地线最为本质的应力及温度进行监测，所有目前出现的不正常运行状态都和应力、温度有直接关系，对应力、温度变化规律进行分析归纳，可以实现导地线的真正精细化管理。
本发明可以实现对导地线所有状态进行监测分析，包括导地线覆冰、导地线风偏、导地线舞动、导地线部分断股、导地线老化、导地线电晕等，一次投入即可对所有状态进行监测，实用性高，经济性好，功能全面。
本发明可以实现对架空输电线路的所有导地线都进行检测，信息全面，数据精度高，为电网决策与发展提供了可靠了前提。
对导地线实际受力状态进行机械力学分析，不再是完全基于数据理论进行输电线路工程设计，极大程度影响了工程设计理论，在当今输电线路工程设计经济性越来越受重视的时代，无疑是一种良好的输电线路工程设计催化剂，不断提高设计质量与水平，提高整个电力工程建设的经济性。
本发明完全可以在特高压、超高压、电网主架构线路上使用，填补了之前的检测技术空白，提供了几种重要线路在线监测的合理有效手段。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做详细的说明，但不限于此。
实施例1、
某一工业重镇的架空输电线路在线监测，利用本发明(一种架空输电线路导地线监测分析方法)进行配置，实现此镇范围内架空输电线路各元器件的全状态、高精度、精细化检测。乡镇范围60km左右，各大重工业厂家分布于郊区，输电线路等级较高、可靠性要求高，35kV以上全部实现全状态检测。
一种架空输电线路导地线监测分析方法，是通过以下过程实现的。
根据本发明优选的，所述导地线监测模块向数据处理及分析模块传送即时的、全面的、详细的架空输电线路导地线机械力学数据信息：光纤传感单元合理分布于乡镇35kV输电线路的导地线中，利用光纤传感单元检测各段导地线设备的形变，经过分析规划，6台主设备就可满足整个乡镇的需要，将设备检测的线路信息传输到机械力学数学分离单元后，适应到特定数学计算模型，经过数学模型处理后得到各电网设备的瞬时应力值。
根据本发明优选的，所述电源模块采设置在电网沿线的管理区域，区域位置以不同代码存储在数据处理及应用系统中，用不同的供电方式对整个系统进行可靠持续性供电，乡镇可利用电源较多，利用就近电源供电。
根据本发明优选的，所述数据处理及分析模块结构通信传输系统传输过来的线路机械应力数据信息，以合理方式存储于数据存储单元中，由数据分析单元进行全方位、高深度的分析处理，将处理结果传送到数据显示单元，由数据显示单位模拟各设备受力情况及未来状态，对各种不正常状态进行预警，提供运维、检修、规划等多方面工作的数据支持。
根据本发明优选的，所述通信传输单位负责状态信息的全方位传输。
实施例2、
如实施例1所述的一种架空输电线路导地线监测分析方法，其区别在于，线路位于偏远山区，线路较少，一台主设备就可满足需要，另一点是附近无供电电源，需从最近的电源新建两回线路专门进行供电。
实施例3、
如实施例1所述的一种架空输电线路导地线监测分析方法，其区别在于，线路位于市区，电压等级高的线路较少，一台主设备就可满足需要。
实施例4、
如实施例1所述的一种架空输电线路导地线监测分析方法，其区别在于，线路位于偏远沿海地区，线路较多，等级低，需要的设备数量较多，另一点是附近无供电电源，需从最近的电源新建两回线路专门进行供电。
实施例5、
如实施例1所述的一种架空输电线路机械力学监测分析方法，其区别在于，线路位于偏盐碱，设备需加设防腐措施。
实施例6、
如实施例1所述的一种架空输电线路导地线监测分析方法，其区别在于，使用于城市内电缆线路，设备电源可布置在就近的居民区内。
实施例7、
如实施例1所述的一一种架空输电线路导地线监测分析方法，其区别在于，使用于海缆线路，线路重要等级较高，处于海底，需要专门建设一路电源，另外，由于空间制约性，要考虑使用无线传输进行通信。
Claims (2)
1.一种架空输电线路导地线监测分析方法，其特征在于，包括导地线监测模块、智能化输电线路导地线运行状态判断模块、电源模块、通信模块、数据处理及分析模块、智能化预警决策模块；
所述导地线监测模块包括分布式光纤传感单元、机械应力数学分析单元：高精度光纤传感单元由一系列的高精度光纤传感器组成，根据输电线路重要程度、电压等级、导地线截面合理选择BOTDR或BOTDA技术，将分布式光纤传感器紧密贴合分布于架空输电线路的导地线中；所述机械应力数学分析单元是根据光纤传感器采集的导地线型变、温度信息进行高精度的数学建模，在实验室进行试验确定杆塔受力机械分析模型，达到直接分析计算出准确应力值与温度值的程度，通过对构件形变进行即时的、快速的建模分析，来得到塔材构件受到的即时应力值；
所述智能化输电线路导地线运行状态判断模块负责及时正确将各导地线应力场、温度场、振动情况、舞动情况转换为导地线的真实运行状态，包括导地线覆冰状态判断系统、导地线风偏判断系统、导地线舞动判断系统、导地线最低弧垂判断系统、导地线断股判断系统、导地线老化程度判断系统，正确判断各个系统监测的正常、不正常、危险状态，同步于数据应用终端显示提醒；
所述电源模块负责为整个系统提供电源；
所述通信模块负责监测信息的安全传输；
所述数据处理及分析模块包括数据存储单元、数据分析单元、数据显示单元、交互单元：所述数据存储单元对导地线检测信息进行有序存储、可靠分类；数据分析单元利用大数据技术、互联网+技术、云计算技术先进数据分析工具，对杆塔受力数据进行精细化的分析管理，分析线路各元器件随着周边温度、湿度、风速、覆冰厚度、光照气象条件的变化的瞬时应力变化规律，结合系统潮流状态，寻找线路运行漏洞、总结线路运行规律，为监测智能电网提供可靠丰富的数据支持；数据显示单元利用各种终端设备，对线路状态数据进行3D显示，结合利用VR穿戴设备，真实反映模拟线路状态；交互单元能够使操作人员与数据系统进行交流，将操作人员行为信息作为线路检测数据的一部分存储起来，进行合理分析、准确预测；
所述智能化预警决策模块负责接收各方面的数据信息，及时对输电线路状态做出判断，当线路状态不正常时及时进行预警，完全消除运行安全隐患，并为运行管理部门提供决策数据支持；
所述电源模块采设置在电网沿线的管理区域，区域位置以不同代码存储在数据处理及应用系统中，用不同的供电方式对整个系统进行可靠持续性供电。
2.根据权利要求1所述的一种架空输电线路导地线监测分析方法，其特征在于，所述数据处理及分析模块接收通信模块传输过来的导地线机械应力数据信息，以合理方式存储于数据存储单元中，由数据分析单元进行全方位、高深度的分析处理，将处理结果传送到数据显示单元，由数据显示单位模拟各设备受力情况及未来状态，对各种不正常状态进行预警，提供运维、检修、规划、设计多方面工作的数据支持。
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