CN114384352A - 基于地线电磁信号的架空线路覆冰监测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于地线电磁信号的架空线路覆冰监测方法及装置，其中包括：在架空线路地线上安装电压监测装置或电流监测装置，结合配套的数据处理和通信模块，实时监测地线上的感应电压或感应电流；当感应电压或感应电流发生变化时，经相关模块判断后将变化前后的地线感应电压或感应电流值发送至数据处理端；结合线路运行电流大小以及采集到的地线电磁信号变化情况，反推导、地线间的互感变化情况，基于此进一步反推导线弧垂变化情况；根据所述导线弧垂变化情况反推线路覆冰厚度，并在所述覆冰厚度超过阈值时发出警报。本申请能够自供电地对线路弧垂状态进行在线监测，无需额外电源，并且在监测装置发生故障时不影响线路正常运行。

Description

基于地线电磁信号的架空线路覆冰监测方法及装置
技术领域
本发明属于高电压技术领域。
背景技术
导线的覆冰主要包括两种类型：雾凇和雨凇，通常来说雾凇密度较小、冻结不紧实；而雨凇密度大且附着能力强，易在导线周围形成冰壳，常会引起过荷载、冰闪、舞动、脱冰跳跃等现象，会严重影响线路正常运行，如我国南方2008年的冰灾引发大量线路断线、杆塔倒塌。故本文后续讨论的覆冰问题主要针对雨凇的情况。
对架空线路导线覆冰厚度进行实时在线监测具有重要意义，目前常采取的监测手段为利用监控摄像头获取现场视频画面，进而监测线路覆冰情况。该方法有如下缺点：a.可监测距离短；b.无法直接判断覆冰厚度，只能进行粗略估计；c.供电问题受到制约。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的第一个目的在于提出一种基于地线电磁信号的架空线路覆冰监测方法，解决了现有方法涉及到的传感器较多，成本高且安装困难的问题，同时解决了现有方法计算原理复杂，并且在传感器故障时会影响线路正常运行的技术问题，能够通过地线电磁信号和导线电流的信息判断线路的弧垂情况，同时无需额外电源，可实现自供电地对线路弧垂状态进行在线监测，并且安装的装置体积小、故障代价低，发生故障的时候不影响线路正常运行。本申请提出的基于分段绝缘地线上的感应电压或OPGW上的感应电流变化情况来判断输电导线的覆冰厚度监测方法，原理简单，成本低，并且安装维修简便，可行性高。
本发明的第二个目的在于提出一种基于地线电磁信号的架空线路覆冰监测装置。
本申请的第三个目的在于提出一种非临时性计算机可读存储介质。
为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种基于地线电磁信号的架空线路覆冰监测方法，包括：在架空线路地线上安装电压监测装置或电流监测装置，结合配套的数据处理和通信模块，实时监测地线上的感应电压或感应电流；基于所述感应电压或感应电流值，将变化前后的地线感应电压或感应电流值发送至数据处理端；根据线路运行电流大小及采集到的地线电磁信号变化情况，反推导线、地线间的互感变化情况，并进一步反推导线弧垂变化情况；根据所述导线弧垂变化情况反推线路覆冰厚度，并在所述覆冰厚度超过阈值时发出警报。
本发明实施例提出的基于地线电磁信号的架空线路覆冰监测方法，不仅可以利用地线上的电压或电流信号对线路进行监测，还可以利用其对监测装置进行供电，实现自供电甚至可以给别的装置供电的目标。
另外，根据本发明上述实施例的基于地线电磁信号的架空线路覆冰监测方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，结合线路运行电流大小以及采集到的地线电磁信号变化情况，反推导、地线间的互感变化情况，基于此进一步反推导线弧垂变化情况，包括：
基于监测到的地线电压或电流变化情况来分析判断导、地线间的互感变化情况；
根据导、地线间的互感变化情况反推导、地线间的距离变化情况；
根据导、地线间的距离变化情况进一步细化得到导线的弧垂变化情况。
进一步地，在本发明的一个实施例中，根据所述导线弧垂变化情况反推线路覆冰厚度，包括：
在考虑了导线形变的基础上，分析冰的重力对导线比载、水平应力和最大弧垂的影响，得到导线水平应力以及最大弧垂与覆冰厚度的关系。
进一步地，在本发明的一个实施例中，根据导线弧垂变化情况进行判断，当导线最大弧垂超过预设阈值时发出警报。
为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种基于地线电磁信号的架空线路覆冰监测装置，其特征在于，包括以下模块：监测模块，用于在架空线路地线上安装电压监测装置或电流监测装置，结合配套的数据处理和通信模块，实时监测地线上的感应电压或感应电流；采集模块，用于基于所述感应电压或感应电流值，将变化前后的地线感应电压或感应电流值发送至数据处理端；分析模块，用于根据线路运行电流大小及采集到的地线电磁信号变化情况，反推导线、地线间的互感变化情况，并进一步反推导线弧垂变化情况；警示模块，用于根据所述导线弧垂变化情况反推线路覆冰厚度，并在所述覆冰厚度超过阈值时发出警报。
可选地，在本申请的一个实施例中，还包括供电模块，用于利用地线上的感应电压或感应电流对监测装置进行供电，实现自供电。
为了实现上述目的，本申请第三方面实施例提出了一种非临时性计算机可读存储介质，当所述存储介质中的指令由处理器被执行时，能够执行一种基于地线电磁信号的架空线路覆冰监测方法。
本发明实施例提出的基于地线电磁信号的架空线路覆冰监测方法、基于地线电磁信号的架空线路覆冰监测装置和非临时性计算机可读存储介质，解决了现有方法涉及到的传感器较多，成本高且安装困难的问题，同时解决了现有方法计算原理复杂，并且在传感器故障时会影响线路正常运行的技术问题，能够通过地线电磁信号和导线电流的信息判断线路的弧垂情况，同时无需额外电源，可实现自供电地对线路弧垂状态进行在线监测，并且安装的装置体积小、故障代价低，发生故障的时候不影响线路正常运行。本申请提出的基于分段绝缘地线上的感应电压或OPGW上的感应电流变化情况来判断输电导线的覆冰厚度监测方法，原理简单，成本低，并且安装维修简便，可行性高。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例所提供的一种基于地线电磁信号的架空线路覆冰监测方法的流程示意图。
图2为本发明实施例所提供的一种基于地线电磁信号的架空线路覆冰监测装置的流程示意图。
图3为本发明实施例所提供的地线感应原理示意图。
图4为本发明实施例所提供的导线弧垂计算示意图。
图5为本发明实施例所提供的监测方案示意图。
图6为本发明实施例所提供的导线最大弧垂与水平应力随覆冰厚度变化情况示意图。
图7为本发明实施例所提供的不同覆冰厚度下的导线弧垂情况示意图。
图8为本发明实施例所提供的地线感应电流随覆冰厚度变化情况示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例的基于地线电磁信号的架空线路覆冰监测方法和装置。
图1为本发明实施例所提供的一种基于基于地线电磁信号的架空线路覆冰监测方法的流程示意图。
如图1所示，该基于地线电磁信号的架空线路覆冰监测方法包括以下步骤：
S101：在架空线路地线上安装电压监测装置或电流监测装置，结合配套的数据处理和通信模块，实时监测地线上的感应电压或感应电流；
S102：基于感应电压或感应电流值，将变化前后的地线感应电压或感应电流值发送至数据处理端；
S103：根据线路运行电流大小及采集到的地线电磁信号变化情况，反推导、地线间的互感变化情况，并进一步反推导线弧垂变化情况；
S104：根据导线弧垂变化情况反推线路覆冰厚度，并在覆冰厚度超过阈值时发出警报。
本申请实施例提出的基于地线电磁信号的架空线路的覆冰监测方法，通过在架空线路地线上安装电压监测装置或电流监测装置，结合配套的数据处理和通信模块，实时监测地线上的感应电压或感应电流；当感应电压或感应电流发生变化时，经相关模块判断后将变化前后的地线感应电压或感应电流值发送至数据处理端；结合线路运行电流大小以及采集到的地线电磁信号变化情况，反推导、地线间的互感变化情况，基于此进一步反推导线弧垂变化情况；根据所述导线弧垂变化情况反推线路覆冰厚度，并在所述覆冰厚度超过阈值时发出警报。由此，能够解决现有方法涉及到的传感器较多，成本高且安装困难的问题，同时还可以解决现有方法计算原理复杂，并且在传感器故障时会影响线路正常运行的技术问题，能够通过地线电磁信号和导线电流的信息判断线路的弧垂情况，同时无需额外电源，可实现自供电地对线路弧垂状态进行在线监测，并且安装的装置体积小、故障代价低，发生故障的时候不影响线路正常运行。本申请提出的基于分段绝缘地线上的感应电压或OPGW上的感应电流变化情况来判断输电导线的覆冰厚度监测方法，原理简单，成本低，并且安装维修简便，可行性高。
本申请提出的一种基于地线电磁信号的架空线路的覆冰监测方法，可用于对架空线路导线覆冰厚度进行实时在线监测，即通过监测地线上的感应电压或感应电流来判断架空线路导线覆冰厚度。
在交流输电线路正常通电运行时，导线中的交变电流会在空间中产生变化磁场，该变化磁场作用在“地线—大地”或两根地线构成的回路上时，会产生感应电压进而产生感应电流，该现象的基本原理为法拉第电磁感应定律，示意图如图3所示，法拉第电磁感应定律表示为：
Figure BDA0003393955240000051
当线路发生覆冰时，导线会因冰的重力产生弧垂的变化，即导、地线间的距离发生变化，进而造成导、地线间的互感发生变化，在线路电流一定时地线上的感应电压和感应电流也会随之变化，并且覆冰越厚，地线电磁信号变化越大，故可利用地线的电磁信号对线路覆冰情况进行在线监测。如图5所示。
进一步地，在本发明的一个实施例中，结合线路运行电流大小以及采集到的地线电磁信号变化情况，反推导、地线间的互感变化情况，基于此进一步反推导线弧垂变化情况，包括：
基于监测到的地线电压或电流变化情况来分析判断导、地线间的互感变化情况；
根据导、地线间的互感变化情况反推导、地线间的距离变化情况；
根据导、地线间的距离变化情况进一步细化得到导线的弧垂变化情况。
通过地线电磁信号变化情况得到导线、地线之间的互感变化情况，第一公式表示为：
EG＝ZGLIL，
其中，EG为地线上单位长度压降，ZGL为导、地线间互感，IL为导线电流；
通过导、地线互感变化情况，得到导、地线之间距离变化情况，第二公式表示为：
Figure BDA0003393955240000052
其中，Zij表示第i个导、地线和第j个导、地线之间的互感，dij为第i个导体与第j个导体间的距离，Dg为导线对大地的镜像等值深度，单位为m，可取
Figure BDA0003393955240000053
其中ρ为土壤电阻率(Ω·m)，f为工频频率(Hz)；
在计算导线弧垂时应用导线的悬链线模型，并出于计算简便考虑，使用平抛物线公式来代替相关的悬链线公式，以导线一端悬挂点位原点时，具体如图4所示，第三公式表示为：
Figure BDA0003393955240000054
其中，y是位于x处的导线的垂直位置；β为高差角，
Figure BDA0003393955240000061
其中，h为导线两端悬挂点的高度差，l为该段导线的档距；γ为导线的比载，单位为N/(m·mm2)；σ0为导线各点的水平应力，单位为N/mm2；
进一步地，在本发明的一个实施例中，根据所述导线弧垂变化情况反推线路覆冰厚度，包括：
在考虑了导线形变的基础上，分析冰的重力对导线比载、水平应力和最大弧垂的影响，得到导线水平应力以及最大弧垂与覆冰厚度的关系。
其中，在不考虑风的作用时，计算导线覆冰后的比载，第四公式表示为：
Figure BDA0003393955240000062
其中，ρ1为导线的单位荷载，为出厂已知参数，单位为kg/m；δ为导线的覆冰厚度，单位为mm；d为导线的直径，单位为mm；A为导线的截面积，单位为mm2。
具体地，计算时设置导线悬挂点高度差为0，导线档距为500m，选取的导线型号为四分裂的JLHA1/GA1-400/95，其具体参数如表1所示。计算时还结合相关仿真软件考虑了覆冰与温度变化导致导线的形变，所以在此基础上我们可以得到导线最大弧垂以及导线各点水平应力与覆冰厚度的关系，如图6所示，并且可以进一步得到导线弧垂情况随覆冰厚度的变化，如图7所示。根据计算结果我们可以看出，导线的最大弧垂以及导线的水平应力随覆冰厚度的增加而近似呈线性增加。得到导线弧垂情况随覆冰厚度的变化后，以普通地线分段绝缘、OPGW逐塔接地的地线运行方式为例，结合相关计算推导，可以得到地线上感应电流随覆冰厚度的变化规律，如图8所示。
表1计算选择导线的具体参数
Figure BDA0003393955240000063
得到上述地线感应电流随覆冰厚度变化关系后，在后续实际应用中即可根据监测到的地线感应电流反推该型号线路下的导线覆冰厚度值。利用地线感应电压监测时的方法和效果同理。
进一步地，在本发明的一个实施例中，根据导线弧垂变化情况进行判断，当导线最大弧垂超过预设阈值时发出警报。
本发明实施例提出的基于地线电磁信号的架空线路覆冰监测方法，不仅可以利用地线上的电压或电流信号对线路进行监测，还可以利用其对监测装置进行供电，实现自供电甚至可以给别的装置供电的目标。同时具备以下优点和特点：无需额外电源，可实现自供电地对线路覆冰状态进行在线监测；原理简单、成本低、可行性高、安装维修简便；设备体积小、故障代价低，不影响线路正常运行。
为了实现上述目的，本发明还提出一种基于地线电磁信号的架空线路覆冰监测装置。
图2为本发明实施例提供的一种基于地线电磁信号的架空线路覆冰监测装置的结构示意图。
如图2所示，该基于地线电磁信号的架空线路覆冰监测装置包括：监测模块模块10，采集模块20，分析模块30，警示模块40，其中，监测模块10用于在架空线路地线上安装电压监测装置或电流监测装置，结合配套的数据处理和通信模块，实时监测地线上的感应电压或感应电流；分析模块30用于根据线路运行电流大小及采集到的地线电磁信号变化情况，反推导线、地线间的互感变化情况，并进一步反推导线弧垂变化情况；警示模块40用于根据所述导线弧垂变化情况反推线路覆冰厚度，并在所述覆冰厚度超过阈值时发出警报。
进一步地，在本申请实施例中，还包括供电模块，用于利用地线上的感应电压或感应电流对监测装置进行供电，实现自供电。
本发明实施例提出的基于地线电磁信号的架空线路覆冰监测装置，不仅可以利用地线上的电压或电流信号对线路进行监测，还可以利用其对监测装置进行供电，实现自供电甚至可以给别的装置供电的目标。同时具备以下优点和特点：无需额外电源，可实现自供电地对线路覆冰状态进行在线监测；原理简单、成本低、可行性高、安装维修简便；设备体积小、故障代价低，不影响线路正常运行。
为了实现上述实施例，本申请还提出了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例的基于地线电磁信号的架空线路覆冰监测方法。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种基于地线电磁信号的架空线路覆冰监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
在架空线路地线上安装电压监测装置或电流监测装置，结合配套的数据处理和通信模块，实时监测地线上的感应电压或感应电流；
当感应电压或感应电流发生变化时，经相关模块判断后将变化前后的地线感应电压或感应电流值发送至数据处理端；
结合线路运行电流大小以及采集到的地线电磁信号变化情况，反推导、地线间的互感变化情况，基于此进一步反推导线弧垂变化情况；
根据所述导线弧垂变化情况反推线路覆冰厚度，并在所述覆冰厚度超过阈值时发出警报。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述结合线路运行电流大小以及采集到的地线电磁信号变化情况，反推导、地线间的互感变化情况，基于此进一步反推导线弧垂变化情况，包括：
基于监测到的地线电压或电流变化情况来分析判断导、地线间的互感变化情况；
根据导、地线间的互感变化情况反推导、地线间的距离变化情况；
根据导、地线间的距离变化情况进一步细化得到导线的弧垂变化情况。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述导线弧垂变化情况反推线路覆冰厚度，包括：
在考虑了导线形变的基础上，分析冰的重力对导线比载、水平应力和最大弧垂的影响，得到导线水平应力以及最大弧垂与覆冰厚度的关系。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括，利用地线上的感应电压或感应电流对监测装置进行供电，实现自供电。
5.一种基于地线电磁信号的架空线路覆冰监测装置，其特征在于，包括电压或电流监测模块、数据传输模块、数据处理模块、在线监测模块，其中，
所述电压或电流监测模块，用于在架空线路地线上安装电压监测装置或电流监测装置，结合配套的数据处理和通信模块，实时监测地线上的感应电压或感应电流；
所述数据传输模块，用于当感应电压或感应电流发生变化时，经相关模块判断后将变化前后的地线感应电压或感应电流值发送至数据处理端；
所述数据处理模块，用于结合线路运行电流大小以及采集到的地线电磁信号变化情况，反推导、地线间的互感变化情况，基于此进一步反推导线弧垂变化情况；
所述在线监测模块，用于根据所述导线弧垂变化情况反推线路覆冰厚度，并在所述覆冰厚度超过阈值时发出警报。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括供电模块，用于利用地线上的感应电压或感应电流对监测装置进行供电，实现自供电。
7.一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-4中任一所述的方法。
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