CN114384554A - 一种基于北斗差分定位的输电线舞动监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于北斗差分定位的输电线舞动监测系统，其提供了一种对线路舞动状况监测的高精度定位装置。通过北斗差分定位技术，可直接测量导线的相对位移变化，精度高；可以根据测量出的导线位移坐标拟合出导线的舞动轨迹，并可以在服务器上直观监测；只需要一个移动站，安装、调试及维护方便，数据读取的效率很高；基于读取得到的电力灾害高危监测数据，可对舞动数据进行进一步的分析处理，以形成危控区大数据挖掘与风险态势预警系统。
Description
技术领域
本发明属于输电线路在线状态监测与故障诊断技术领域，具体涉及一种基于北斗差分定位的输电线舞动监测系统。
背景技术
随着电力网络的规模日益扩大，输电线路作为电力传输的主要手段，其安全稳定的运行是我国必须考虑的首要问题。输电线舞动是危害线路安全稳定运行的一种严重灾害，它是偏心覆冰的导线在风的激励下产生的一种低频、大振幅的自激振动，往往造成闪络跳闸，金具及绝缘子损坏、导线的断股断线、杆塔螺栓松动脱落、塔材损伤、基础受损，甚至倒塔严重等严重事故。
由于全球气候的变化，由极端天气所引起的自然灾害事件年年攀升。复杂气象环境和地质环境影响下的输电安全问题愈发突出，容易导致输电线路发生大幅度线路舞动，极易导致电网的大区域故障及瘫痪。掌握输电线舞动的精确位置，及时发现并对危险区域排查维护，减轻线路舞动对电网的威胁，从而保障电网安全可靠运行是电力系统亟需解决的关键问题之一。
现有导线舞动监测常用的方法为加速度法，在导线上安装多个基于加速度传感器的监测节点，通过采集各个传感器的加速度数据，经过滤波和上位机数据处理后得到导线的舞动幅值及频率。该方法由于加速度传感器受外界环境影响大，精度不高；往往两塔之间会安置多个传感器，且安装要求较高，系统及算法较复杂，成本较高。
发明内容
为解决上述问题，本发明一种基于北斗差分定位的输电线舞动监测系统，其提供了一种对线路舞动状况监测的高精度定位装置。通过北斗差分定位技术，可直接测量导线的相对位移变化，精度高；可以根据测量出的导线位移坐标拟合出导线的舞动轨迹，并可以在服务器上直观监测；只需要一个移动站，安装、调试及维护方便，数据读取的效率很高；基于读取得到的电力灾害高危监测数据，可对舞动数据进行进一步的分析处理，以形成危控区大数据挖掘与风险态势预警系统。
本发明提供一种基于北斗差分定位的输电线舞动监测系统，包括北斗卫星系统、移动站、基准站和监控中心，其中移动站部署在输电杆线上，基准站部署在基准地面上，两者与北斗卫星系统建立通讯连接，所述监控中心作为移动站和基准站连接的枢纽站，移动站与监控中心、基准站与监控中心之间通过4G/5G网络进行无线通讯，
所述移动站包括北斗差分定位模块A、微处理器/微控制器模块A、4G/5G通信模块A、电源管理模块A、太阳能取电模块A和蓄电池A，所述北斗差分定位模块A与北斗卫星系统建立连接，4G/5G通信模块A与监控中心建立通讯连接，其中北斗差分定位模块A、微处理器/微控制器模块A、4G/5G通信模块A依次连接，电源管理模块A一侧与太阳能取电模块A和蓄电池A连接，另一侧与微处理器/微控制器模块A连接。其中4G/5G通信模块A与监控中心通过4G/5G无线连接的方式进行通信。
北斗差分定位模块A为TAU1202高精度定位定向模块，微处理器为STM32F103C8T6型号的处理器。北斗差分定位模块A用于接收北斗卫星系统的位置信息及所述服务器发送的差分校正量并将北斗卫星系统的位置信息及差分校正量发送至所述微处理器。
微处理器A利用得到的北斗差分校正量校正得到的定位坐标数据，解算得到该时刻移动站精确的位置信息即准确位置三维坐标，并根据移动站的准确位置三维坐标计算舞动传感器的舞动水平辐值和垂直幅值并将移动站的三维坐标及水平辐值和垂直幅值数据通过4G/5G通信模块A发送至监控中心。
由于北斗信号容易受到遮挡、干扰等影响，有时会存在较大的系统噪声和测量噪声，会引起北斗的定位精度存在较大差异，针对这种问题，通过卡尔曼滤波算法对解算后数据存在的噪声进行处理。
所述电源管理模块A与所述微处理器A、所述蓄电池A和所述太阳能取电模块A连接。
所述基准站均包括北斗差分定位模块B、微处理器/微控制器模块B、4G/5G通信模块B、电源管理模块B、太阳能取电模块B和蓄电池B，所述北斗差分定位模块B与北斗卫星系统建立连接，4G/5G通信模块B与监控中心建立通讯连接，其中北斗差分定位模块B、微处理器/微控制器模块B和4G/5G通信模块B依次连接，电源管理模块B一侧与太阳能取电模块B和蓄电池B连接，另一侧与微处理器/微控制器模块B连接。基准站负责进行卫星信号的捕获、跟踪、数据采集，并通过4G/5G模块B向监控中心播发基准站的基准北斗定位信息。
供电模块包括电源管理模块B、太阳能取电模块B和蓄电池B，所述电源管理模块B与所述微处理器B、所述蓄电池B和所述太阳能取电模块B连接。
北斗差分定位模块B为TAU1202高精度定位定向模块，微处理器型号为STM32L052T6。微处理器将北斗差分定位模块B采集到的已知高度和位置数据通过4G/5G模块B发送给监控中心，监控中心进过比较获得修正值。
移动站和基准站的太阳能取电模块A和太阳能取电模块B安装在移动站和基准站的两侧，且其与站点铰链相连，能够调节采光角度，可实现和阳光的充分接触，所述蓄电池A和蓄电池B在太阳能取电模块A和太阳能取电模块B的电压值低于预设值时为站点供电。
监控中心主要完成以下功能：判断得到的各个移动站采集到的输电线舞动数据，将数据与提前设定的阈值进行对比分析，给输电线路运维人员提醒并预警，从而及时控制舞动导致的电力灾害。
移动站和基准站接收到北斗卫星系统传来的数据后，主要有以下几个任务：
其一：基准站进行跟踪接收北斗定位系统传来的数据，并将基准北斗定位信息通过4G/5G模块发送给监控中心；
其二：监控中心对获取的基准信息与基准站已知测量数据进行比较，得到误差修正值，将误差修正值和基准站的基准数据存储并发送给移动站；
其三：移动站通过4G/5G通信模块A获取监控中心发送的修正值，并实时接收北斗卫星数据，进行差分解算，得到输电线的舞动参数矩阵，实现输电线位姿的实时高精度解算，将舞动数据通过4G/5G通信模块A发送给监控中心；
其四：监控中心通过判断得到的各个移动站采集到的输电线舞动数据，将数据与提前设定的阈值进行对比分析，给输电线路运维人员提醒并预警，从而及时避免由输电线舞动可能导致的一系列电力事故。
监控中心接收到解算数据后，将数据进行存储，并根据存储数据库中的数据信息进行分析，可研制基于北斗差分定位的输电线舞动危控区大数据挖掘与风险态势预警系统，以此保障电网系统的正常运行。
监控中心具有对信息处理的云平台和对信息加解密的安全平台，移动站给监控中心提供线路舞动数据，基准站为监控中心提供基准参量，能够对接收到的输电线舞动数据进行加解密。
监测中心工作时，位于导线上的移动站北斗天线随着导线而发生运动，经过载波相位动态实时差分测量技术，将移动站天线的位置信息实时发送到控制室内的监控中心，监控中心对接收到的数据进行实时分析处理，提取出位于输电线上移动站在地心直角坐标系下的XYZ坐标值，并根据坐标值的变化绘制出其在地心直角坐标系下的运动轨迹。通过舞动轨迹，能够得到实时的舞动幅值以及频率。监控中心对处理得到的线路舞动高危数据进行分析、探讨、研究主要是对电力灾害进行风险评估，以便确定故障风险概率与风险等级预警数据，实现典型故障风险评估，解决由线路舞动导致的电力灾害的量化问题。
本发明所述的基于北斗差分定位的舞动监测系统，通过移动站基准站与监控中心的配合工作，可得到包含有具有较高精度的线路舞动数据。与现有线路舞动监测设备相比，其显著优点在于：
1.不需要安装大量的加速度传感器，避免了加速度传感器带来的采样精度要求和成本问题；
2.数据处理算法较为简单，不需要FFT变化处理后得到导线的舞动幅值和相对位移坐标；
3.北斗差分定位具有较高的精度，对舞动姿态可以精确到毫米级的三维显示。
基于此基础上，进一步可构建输电线线路舞动的模型和方法，助力电网运行系统和相关部门提前感知线路运行风险，做好有针对性的降风险运行措施，防范大面积停电事故，提高保障电力系统安全运行的能力。
附图说明
图1为本发明一种基于北斗差分定位的输电线舞动监测系统的原理示意图；
图2为本发明一种基于北斗差分定位的输电线舞动监测系统的原理框图；
图3为本发明一种基于北斗差分定位的输电线舞动监测系统的移动站的原理框图；
图4为本发明一种基于北斗差分定位的输电线舞动监测系统的基准站的原理框图。
图2中：1、北斗卫星系统；2、移动站；3、基准站；4、监控中心；
图3中：2-1、4G/5G通信模块A；2-2、蓄电池A；2-3、北斗差分定位模块A；2-4、微处理器A；2-5、电源管理模块A；2-6、太阳能取电模块A；
图4中：3-1、4G/5G通信模块B；3-2、蓄电池B；3-3、北斗差分定位模块B；3-4、微处理器B；3-5、电源管理模块B；3-6、太阳能取电模块B。
具体实施方式
下面结合附图对发明一种基于北斗差分定位的输电线舞动监测系统的具体实施方式做详细阐述。
如图1-2所示，一种基于北斗差分定位的输电线舞动监测系统，包括北斗卫星系统1、移动站2、基准站3和监控中心4，其中移动站2部署在输电杆线上，基准站3部署在基准地面上，两者与北斗卫星系统1建立通讯连接，所述监控中心4作为移动站2和基准站3连接的枢纽站，移动站2与监控中心4、基准站3与监控中心4之间通过4G/5G网络进行无线通讯，移动站2给监控中心4提供线路舞动数据，基准站3为监控中心4提供基准参量。
如图3所示，移动站2包括依次连接的北斗差分定位模块A2-3、微处理器A2-4、4G/5G通信模块A2-1、电源管理模块A2-5、太阳能取电模块A2-6和蓄电池A2-2。其中4G/5G通信模块A2-1与监控中心4通过4G/5G无线连接的方式进行通信。
北斗差分定位模块A2-3为TAU1202高精度定位定向模块，微处理器为STM32F103C8T6型号的处理器。北斗差分定位模块A2-3用于接收北斗卫星系统1的位置信息及所述服务器发送的差分校正量并将北斗卫星系统1的位置信息及差分校正量发送至所述微处理器。
微处理器A2-4利用得到的北斗差分校正量校正得到的定位坐标数据，解算得到该时刻移动站2精确的位置信息即准确位置三维坐标，并根据移动站2的准确位置三维坐标计算舞动传感器的舞动水平辐值和垂直幅值并将移动站2的三维坐标及水平辐值和垂直幅值数据通过4G/5G通信模块A2-1发送至监控中心4。
由于北斗信号容易受到遮挡、干扰等影响，有时会存在较大的系统噪声和测量噪声，会引起北斗的定位精度存在较大差异，针对这种问题，通过卡尔曼滤波算法对解算后数据存在的噪声进行处理。
所述电源管理模块A2-5与所述微处理器A2-4、所述蓄电池A2-2和所述太阳能取电模块A2-6连接。
4G/5G通信模块A2-1负责为移动站2提供无线通信服务，微处理器A2-4负责整个移动站2的运行控制，北斗差分定位模块A2-3为移动站2提供北斗定位通信服务。太阳能取电模块A2-6为整个移动站2提供电源，当太阳能取电模块A2-6的电压值低于预设值时，电源管理模块A2-5通过切换单元选择蓄电池A2-2为移动站2供电。
如图4所示，基准站3包括依次连接的北斗差分定位模块B3-3、微处理器B3-4、4G/5G通信模块B3-1、供电模块。基准站3负责进行卫星信号的捕获、跟踪、数据采集，并通过4G/5G模块向监控中心4播发基准站3的基准北斗定位信息。
供电模块包括电源管理模块B3-5、太阳能取电模块B3-6和蓄电池B3-2，所述电源管理模块B3-5与所述微处理器B3-4、所述蓄电池B3-2和所述太阳能取电模块B3-6连接。
北斗差分定位模块B3-3为TAU1202高精度定位定向模块，微处理器型号为STM32L052T6。
基准站3的选址应该满足以下条件：距易发生多路径效应的地物的距离不小于200m、应有15度以上地平高度角的卫星通视前提、距电磁干扰区的距离不小于200M、避开易发生震动的地带。
微处理器将北斗差分定位模块B3-3采集到的已知高度和位置数据通过4G/5G通信模块A2-1发送给监控中心4，监控中心4进过比较获得修正值。
移动站2和基准站3的太阳能取电模块A2-6和太阳能取电模块B3-6安装在移动站2和基准站3的两侧，且其与站点铰链相连，能够调节采光角度，可实现和阳光的充分接触，所述蓄电池A2-2和蓄电池B3-2在太阳能取电模块A2-6和太阳能取电模块B3-6的电压值低于预设值时为站点供电。
移动站2对解算后的输电线舞动数据进行卡尔曼滤波处理，以获取更加平稳的输电线舞动数据。
移动站2和基准站3接收到北斗卫星系统1传来的数据后，主要有以下几个任务：
其一：基准站3进行跟踪接收北斗定位系统传来的数据，并将基准北斗定位信息通过4G/5G模块发送给监控中心4；
其二：监控中心4对获取的基准信息与基准站3已知测量数据进行比较，得到误差修正值，将误差修正值和基准站3的基准数据存储并发送给移动站2；
其三：移动站2通过4G/5G通信模块A2-1获取监控中心4发送的修正值，并实时接收北斗卫星数据，进行差分解算，得到输电线的舞动参数矩阵，实现输电线位姿的实时高精度解算，将舞动数据通过4G/5G通信模块A2-1发送给监控中心4；
其四：监控中心4通过判断得到的各个移动站2采集到的输电线舞动数据，将数据与提前设定的阈值进行对比分析，给输电线路运维人员提醒并预警，从而及时避免由输电线舞动可能导致的一系列电力事故。
监控中心4接收到解算数据后，将数据进行存储，并根据存储数据库中的数据信息进行分析，可研制基于北斗差分定位的输电线舞动危控区大数据挖掘与风险态势预警系统，以此保障电网系统的正常运行。
监控中心4具有对信息处理的云平台和对信息加解密的安全平台，移动站2给监控中心4提供线路舞动数据，基准站3为监控中心4提供基准参量，能够对接收到的输电线舞动数据进行加解密。
监测中心工作时，位于导线上的移动站2北斗天线随着导线而发生运动，经过载波相位动态实时差分测量技术，将移动站2天线的位置信息实时发送到控制室内的监控中心4，监控中心4对接收到的数据进行实时分析处理，提取出位于输电线上移动站2在地心直角坐标系下的XYZ坐标值，并根据坐标值的变化绘制出其在地心直角坐标系下的运动轨迹。通过舞动轨迹，能够得到实时的舞动幅值以及频率。
监控中心4对处理得到的线路舞动高危数据进行分析、探讨、研究主要是对电力灾害进行风险评估，以便确定故障风险概率与风险等级预警数据，实现典型故障风险评估，解决由线路舞动导致的电力灾害的量化问题。
最后应该说明的是，结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到，本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。
Claims (10)
1.一种基于北斗差分定位的输电线舞动监测系统，其特征在于，包括北斗卫星系统、移动站、基准站和监控中心；所述监控中心作为移动站和基准站连接的枢纽站，负责完成数据的处理与传递。
2.根据权利要求1所述的一种基于北斗差分定位的输电线舞动监测系统，其特征在于，所述移动站包括北斗差分定位模块A、微处理器A、4G/5G通信模块A、电源管理模块A、太阳能取电模块A和蓄电池A，所述北斗差分定位模块A与北斗卫星系统建立连接，4G/5G通信模块A与监控中心建立通讯连接，其中北斗差分定位模块A、微处理器/微控制器模块A、4G/5G通信模块A依次连接，电源管理模块A一侧与太阳能取电模块A和蓄电池A连接，另一侧与微处理器/微控制器模块A连接；基准站包括北斗差分定位模块B、微处理器B、4G/5G通信模块B和供电模块，其中供电模块包括电源管理模块B、太阳能取电模块B和蓄电池B，所述北斗差分定位模块B与北斗卫星系统建立连接，4G/5G通信模块B与监控中心建立通讯连接，其中北斗差分定位模块B、微处理器/微控制器模块B和4G/5G通信模块B依次连接，电源管理模块B一侧与太阳能取电模块B和蓄电池B连接，另一侧与微处理器/微控制器模块B连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于北斗差分定位的输电线舞动监测系统，其特征在于，所述移动站利用得到的北斗差分校正量校正得到的定位坐标数据，解算得到该时刻移动站精确的位置信息即准确位置三维坐标，并根据移动站的准确位置三维坐标计算舞动传感器的舞动水平辐值和垂直幅值并将移动站的三维坐标及水平辐值和垂直幅值数据通过4G/5G通信模块A发送至监控中心。
4.根据权利要求2所述的一种基于北斗差分定位的输电线舞动监测系统，其特征在于，所述监控中心对判断得到的各个移动站采集到的输电线舞动数据，将数据与提前设定的阈值进行对比分析，给输电线路运维人员提醒并预警，从而及时控制舞动导致的电力灾害。
5.根据权利要求2所述的一种基于北斗差分定位的输电线舞动监测系统，其特征在于，所述移动站和基准站在接收到北斗数据，能够完成以下任务：1、对基准站跟踪接收到的基准北斗定位信息通过4G/5G模块发送给监控中心；2、对监控中心获取的基准信息与基准站已知的测量数据进行比较，并将误差修正值和基准数据发送给移动站；3、对移动站获取的基准数据、修正值以及北斗定位数据进行差分解算，得到输电线的舞动参数矩阵，实现输电线位姿的实时高精度解算；4、对监控中心获取的输电线舞动数据对比分析。
6.根据权利要求2所述的一种基于北斗差分定位的输电线舞动监测系统，其特征在于，所述的移动站和基准站的太阳能取电模块A和太阳能取电模块B安装在移动站和基准站的两侧，且其与站点铰链相连，能够调节采光角度，可实现和阳光的充分接触，所述蓄电池A和蓄电池B在太阳能取电模块A和太阳能取电模块B的电压值低于预设值时为站点供电。
7.根据权利要求3所述的一种基于北斗差分定位的输电线舞动监测系统，其特征在于，所述移动站对解算后的输电线舞动数据进行卡尔曼滤波处理，去除北斗信号的系统噪声和测量噪声，从而获得更加平稳的输电线舞动数据。
8.根据权利要求4所述的一种基于北斗差分定位的输电线舞动监测系统，其特征在于，所述监控中心对接收到的数据进行实时分析处理，提取出位于输电线上移动站在地心直角坐标系下的XYZ坐标值，并根据坐标值的变化绘制出其在地心直角坐标系下的运动轨迹，通过舞动轨迹，能够得到实时的舞动幅值以及频率。
9.根据权利要求5所述的一种基于北斗差分定位的输电线舞动监测系统，其特征在于，所述移动站给监控中心提供线路舞动数据，基准站为监控中心提供基准参量，监控中心作为一个信息处理的安全云平台，负责对接收到的输电线舞动数据进行加解密。
10.根据权利要求5所述的一种基于北斗差分定位的输电线舞动监测系统，其特征在于，所述监控中心接收到解算数据后，将数据进行存储，并根据存储数据库中的数据信息进行分析。
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| CN102279084A (zh) * | 2011-05-03 | 2011-12-14 | 西安工程大学 | 基于微惯性测量组合的输电导线舞动定位系统及定位方法 |
| CN207730940U (zh) * | 2018-01-17 | 2018-08-14 | 四川汇源光通信有限公司 | 一种基于北斗差分定位的导线舞动系统 |
| CN110068849A (zh) * | 2019-05-06 | 2019-07-30 | 国网山东省电力公司东营供电公司 | 基于差分定位的输电线路多维形变实时监测方法及系统 |
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2021
- 2021-12-22 CN CN202111583530.XA patent/CN114384554A/zh active Pending
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| CN108196268A (zh) * | 2018-01-19 | 2018-06-22 | 深圳华大北斗科技有限公司 | 基准站及卫星地基增强系统 |
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