CN114397009A - 一种基于北斗差分定位的输电导线舞动监测系统及方法 - Google Patents

一种基于北斗差分定位的输电导线舞动监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于输电导线舞动监测技术领域，具体公开了一种基于北斗差分定位的输电导线舞动监测系统，包括系统移动站、系统基准站、上位机三个部分，舞动传感器安装在系统移动站输电导线上。上位机将系统移动站测量的输电导线舞动轨迹坐标修正量分析拟合，求解出输电导线精确的舞动轨迹坐标，实现了对输电导线舞动的监测，降低了输电导线运行的安全隐患。

Description

一种基于北斗差分定位的输电导线舞动监测系统及方法
技术领域
本发明属于输电导线舞动监测技术领域，特别涉及一种基于北斗差分 定位的输电导线舞动监测系统。
背景技术
输电线路的工作环境位于不可预测的自然环境当中，在种种复杂的环 境影响下会使输电线路的稳定性、安全性下降，损害电网基础设施。其中 在特定的天气下，覆冰导线受到侧向风的作用力时会发生低频率、大幅度 的振动现象，即我们所说的导线舞动。输电线路导线舞动会致使导线相间 闪络、损坏金具,甚至导致铁塔倒塌，对电网设施造成巨大的损伤，所以 对导线舞动开展相关的研究是十分有必要的。
基于无线通讯网络的输电导线舞动在线监测技术是目前业内比较热 点的一种监测技术，主要是通过监测输电线路运行的各种状态参数(风速、 温度和导线舞动频率等)，然后根据输电导线舞动的三自由度数学模型进 行舞动的计算。但由于导线舞动机理、数学模型的不完善，导致该监测技 术的推广应用受到局限，并且该技术数学模型的建立依赖于输电线路所处 环境的气象信息，只有结合当地的气象信息对状态参数进行修改，才能建立理想的数学模型，进而得到结论。
因此，提供一种新的基于北斗差分定位的输电导线舞动监测系统是本 领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中输电线路运行的各种状态参数监 测不准确的缺陷，提供一种基于北斗差分定位的输电导线舞动监测系统。
本发明提供了一种基于北斗差分定位的输电导线舞动监测系统，包括 系统基准站、系统移动站和上位机；
所述系统移动站设置在待测输电导线上，分别与所述系统基准站和所 述上位机信号连接；
所述系统基准站用于向其监测的系统移动站提供基准空间坐标；
所述系统移动站用于将接收的数据以无线通讯的方式上传至上位机；
所述上位机用于将所述系统移动站上传的数据进行存储，根据存储不 同站点的多个地理坐标数据结合北斗差分定位算法解算出导线舞动轨迹 的精确位置坐标。
进一步的方案为，所述系统基准站包括：微控制器以及分别和所述微 控制器连接的北斗导航接收器、通讯模块、模数转换电路、晶振电路、复 位电路、蓄电池。
进一步的方案为，所述系统基准站还包括太阳能光伏板，所述太阳能 光伏板与所述微控制器连接。
进一步的方案为，所述系统移动站包括微控制器以及分别和所述微控 制器连接的北斗导航接收器、舞动传感器、通讯模块、RTC电路、存储电 路、复位电路、蓄电池。
进一步的方案为，所述系统移动站还包括太阳能光伏板，所述太阳能 光伏板与所述微控制器连接。
本发明的第二方面，提供了一种基于北斗差分定位的输电导线舞动监 测方法，采用上述监测系统，包括以下步骤：
S1：系统基准站和系统移动站实时接收北斗卫星采集的位置坐标信 息，同时系统移动站的舞动传感器实时采集导线的舞动坐标；
S2：系统移动站对采集到的数据进行预处理，并将预处理后的数据发 送至上位机；
S3：上位机存储并解析系统移动站传输的数据，得出输电导线舞动轨 迹。
进一步的方案为，所述步骤S1中，所述系统基准站安装在坐标已知 的地点，所述系统基准站和系统移动站通过北斗导航接收器接收来自北斗 的定位信号。
进一步的方案为，所述步骤S2中，系统移动站根据差分校正量修正 接收的输电导线舞动轨迹坐标。
进一步的方案为，所述系统移动站设置有3个，所述系统基准站建立 在离所述系统移动站5-10km的变电站。
所述步骤S2包括：
对所述基准位置坐标信息和系统移动站的位置坐标信息作差，得到校 正量。
进一步的方案为，所述基准位置坐标信息为系统基准站到北斗卫星i的距离，通过式(1)计算得到：
Figure BDA0003405256000000031
其中(X0，Y0，Z0)为系统基准站的地理三维坐标，(Xi，Yi，Zi)为 第i颗北斗卫星的地理三维坐标。
进一步的方案为，所述系统移动站的位置坐标信息为系统移动站到北 斗卫星i的距离；
第n个系统基准站与北斗卫星i的距离为：
Figure BDA0003405256000000032
其中i为第i颗北斗卫星，n为第n个系统基准站，
Figure BDA0003405256000000033
为系统基站与 北斗卫星的伪距，c为光速，
Figure BDA0003405256000000034
为系统基准站到北斗卫星的理论距离，
Figure BDA0003405256000000035
为 北斗卫星的时钟偏差值，
Figure BDA0003405256000000036
为系统基准站接收机的时钟偏差值，
Figure BDA0003405256000000037
为 对流层延迟，
Figure BDA0003405256000000038
为电离层延迟，
Figure BDA0003405256000000039
为卫星星历的误差；
系统基准站和北斗卫星理论距离与伪距的差值即为卫星的差分校正 量，系统移动站将观测的坐标量进行修正即可发送至上位机；
系统移动站的修正坐标如下：
Figure BDA00034052560000000310
Figure BDA00034052560000000311
Figure BDA00034052560000000312
其中，(Xa，Ya，Za)，(Xb，Yb，Zb)，(Xc，Yc，Zc)分别为系 统移动站a,b,c的三维坐标；
Figure BDA00034052560000000313
分别 为系统移动站的修正三维坐标；
利用最小二乘法原理对上式进行线性数据拟合，即可求出k1、k2、k3、 m1、m2、m3、n1、n2、n3的值；
利用综合伪距改正修正系统移动站i，系统移动站i修正后的Xi、Yi、Zi为：
Figure BDA0003405256000000041
Figure BDA0003405256000000042
Figure BDA0003405256000000043
其中Xa，Ya，Za，Xb，Yb，Zb是已知的，
Figure BDA0003405256000000044
是可 测的，k1、k2、k3、m1、m2、m3的值可求解，所以可以通过伪距差分线 性组合模型求解出Xi，Yi，Zi的值，即可经过上位机处理后可以得出高精度 的输电导线舞动轨迹。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明通过系统移动站接 收系统基准站的基准空间坐标和差分校正量，同时接收北斗导航移动站的 空间坐标信息，并将接收的所有数据以无线通讯的方式上传至上位机。上 位机将系统移动站上传的数据进行存储，之后据存储不同站点的多个地理 坐标数据结合北斗差分定位算法解算出导线舞动轨迹的精确位置坐标，从 而起到监测的作用。
附图说明
以下附图仅对本发明作示意性的说明和解释，并不用于限定本发明的 范围，其中：
图1：输电导线舞动监测系统框图；
图2：系统基准站的结构框图；
图3：系统移动站的结构框图；
图中：1上位机、2系统移动站、3系统基准站、4微控制器、5通讯 模块、6北斗导航接收器、7模数转换电路、8晶振电路、9复位电路、10 蓄电池、11太阳能光伏板、12 RTC电路、13存储电路、14舞动传感器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案、设计方法及优点更加清楚明了，以 下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所 描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的第一方面，提供了一种基于北斗差分定位的输 电导线舞动监测系统，包括系统基准站3、系统移动站2和上位机1；所 述系统移动站2设置在待测输电导线上，分别与所述系统基准站3和所述 上位机1信号连接；所述系统基准站3用于向其监测的系统移动站2提供 基准空间坐标；所述系统移动站2用于将接收的数据以无线通讯的方式上 传至上位机1；所述上位机1用于将所述系统移动站2上传的数据进行存 储，根据存储不同站点的多个地理坐标数据结合北斗差分定位算法解算出 导线舞动轨迹的精确位置坐标。
如图2所示，系统基准站3包括：微控制器4以及分别和所述微控制 器4连接的北斗导航接收器6、通讯模块5、模数转换电路7、晶振电路8、 复位电路9、蓄电池10。所述系统基准站3还包括太阳能光伏板11，所述 太阳能光伏板11与所述微控制器4连接。
系统基站配备有蓄电池和太阳能光伏板双重供电方式，可以实现全年 不断电实时监测，监测准确度高。数据的采集通过北斗导航接收器接收北 斗卫星发送的地理位置信息；微控制器采用32位处理器，配合模数转换 电路、晶振电路、复位电路等完成数据的处理，最后通过通讯模块与系统 移动站传输处理后的数据。
如图3所示，系统移动站2包括微控制器4以及分别和所述微控制器 4连接的北斗导航接收器6、舞动传感器14、通讯模块5、RTC电路12、 存储电路13、复位电路9、蓄电池10。所述系统移动站2还包括太阳能光 伏板11，所述太阳能光伏板11与所述微控制器4连接。
系统移动站与系统基准站相较不同的是装配了舞动传感器，舞动触感 器安装在导线上，用来采集导线舞动的轨迹坐标。系统移动站同样采取双 电源供电方式。微控制器采用与系统基准站相同的32位处理器。RTC电路、 存储电路、复位电路等系统内置电路，实现了实时监测系统移动站状态并 接收系统基准站传输的差分校正量，以得到更为精确的输电导线舞动的轨 迹坐标。然后通过通讯模块传输给上位机，上位机将数据存储后从中提取 出坐标信息建立舞动轨迹，更为准确的监测输电导线的舞动。
本发明的第二方面，提供了一种基于北斗差分定位的输电导线舞动监 测方法，采用上述的监测系统，包括以下步骤：
步骤1、系统的安装和布置；
步骤2、数据采集及预处理；
步骤3、上位机分析数据。
具体的，所述步骤1包括：
步骤1.1：在输电导线上安装舞动传感器，建立起3个系统移动站。
步骤:1.2：系统基准站建立在离系统移动站5-10公里远的变电站。 系统移动站和基准站均装配北斗导航接收器、蓄电池和太阳能光伏板，数 据的处理均采用32位处理器。
步骤1.3：在上位机安装服务器，并装配算法分析仪。
所述步骤2包括：
步骤2.1：系统基准站和系统移动站实时接收北斗卫星采集的位置坐 标信息，同时系统移动站的舞动传感器实时采集导线的舞动坐标。若上位 机没有发出“查看运行状态”的指令，微控制器每隔12小时向舞动传感 器下发采集命令；若上位机发出“查看运行状态”的指令，微控制器立即 向舞动传感器下发采集命令。
步骤2.2：系统移动站对采集到的数据进行预处理，然后将数据打包 发送至上位机。
首先，系统基准站要选择安装在坐标已知的地点，然后系统基准站和 系统移动站通过北斗导航接收器接收来自北斗的定位信号。
其次，系统基准站测得与北斗卫星的距离与基准站接收的卫星星历的 伪距作差，就可以得到北斗导航接收器的差分校正量。系统移动站可以根 据差分校正量修正接收的输电导线舞动轨迹坐标。
系统基准站到北斗卫星i的理论距离为：
Figure BDA0003405256000000061
其中(X0，Y0，Z0)为系统基准站的地理三维坐标，(Xi，Yi，Zi)为 第i颗北斗卫星的地理三维坐标。
第n个系统基准站与北斗卫星i的伪距为：
Figure BDA0003405256000000062
其中i为第i颗北斗卫星，n为第n个系统基准站，
Figure RE-GDA0003533922120000063
为系统基站与 北斗卫星的伪距，c为光速，
Figure RE-GDA0003533922120000064
为系统基准站到北斗卫星的理论距离，
Figure RE-GDA0003533922120000065
为北斗卫星的时钟偏差值，
Figure RE-GDA0003533922120000066
为系统基准站接收机的时钟偏差值，
Figure RE-GDA0003533922120000067
为对流层延迟，
Figure RE-GDA0003533922120000071
为电离层延迟，
Figure RE-GDA0003533922120000072
为卫星星历的误差。
系统基准站和北斗卫星理论距离与伪距的差值即为卫星的差分校正 量，系统移动站将观测的坐标量进行修正即可发送至上位机。
所述步骤3包括：
步骤3.1：上位机存储并解析系统移动站传输的数据；
步骤3.2：系统移动站的修正坐标如下：
Figure BDA0003405256000000073
Figure BDA0003405256000000074
Figure BDA0003405256000000075
其中，(Xa，Ya，Za)，(Xb，Yb，Zb)，(Xc，Yc，Zc)分别为系 统移动站a,b,c的三维坐标；
Figure BDA0003405256000000076
分别 为系统移动站的修正三维坐标。
利用最小二乘法原理对上式进行线性数据拟合，即可求出k1、k2、k3、 m1、m2、m3、n1、n2、n3的值。
利用综合伪距改正修正系统移动站i，系统移动站i修正后的Xi、Yi、 Zi为：
Figure BDA0003405256000000077
Figure BDA0003405256000000078
Figure BDA0003405256000000079
其中Xa，Ya，Za，Xb，Yb，Zb是已知的，
Figure BDA00034052560000000710
是可 测的，k1、k2、k3、m1、m2、m3的值可求解，所以可以通过伪距差分线 性组合模型求解出Xi，Yi，Zi的值，即可经过上位机处理后可以得出高精度 的输电导线舞动轨迹。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽 性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范 围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更 都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原 理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术 人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种基于北斗差分定位的输电导线舞动监测系统，其特征在于，包括系统基准站(3)、系统移动站(2)和上位机(1)；
所述系统移动站(2)设置在待测输电导线上，分别与所述系统基准站(3)和所述上位机(1)信号连接；
所述系统基准站(3)用于向其监测的系统移动站(2)提供基准空间坐标；
所述系统移动站(2)用于采集输电导线的舞动坐标数据，采集所述系统移动站(2)的位置坐标信息，并将采集到的信息上传至上位机(1)；
所述上位机(1)用于接收所述基准位置坐标信息、舞动坐标数据、系统移动站(2)的位置坐标信息，根据所述基准位置坐标信息和系统移动站(2)的位置坐标信息得出校正量，根据所述校正量修正舞动坐标数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于北斗差分定位的输电导线舞动监测系统，其特征在于，所述系统基准站(3)包括：微控制器(4)以及分别和所述微控制器(4)连接的北斗导航接收器(6)、通讯模块(5)、模数转换电路(7)、晶振电路(8)、复位电路(9)、蓄电池(10)。
3.根据权利要求2所述的一种基于北斗差分定位的输电导线舞动监测系统，其特征在于，所述系统基准站(3)还包括太阳能光伏板(11)，所述太阳能光伏板(11)与所述微控制器(4)连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于北斗差分定位的输电导线舞动监测系统，其特征在于，所述系统移动站(2)包括微控制器(4)以及分别和所述微控制器(4)连接的北斗导航接收器(6)、舞动传感器(14)、通讯模块(5)、RTC电路(12)、存储电路(13)、复位电路(9)、蓄电池(10)。
5.根据权利要求4所述的一种基于北斗差分定位的输电导线舞动监测系统，其特征在于，所述系统移动站(2)还包括太阳能光伏板(11)，所述太阳能光伏板(11)与所述微控制器(4)连接。
6.一种基于北斗差分定位的输电导线舞动监测方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一所述的监测系统，包括以下步骤：
S1：系统基准站(3)实时采集基准位置坐标信息；
实时采集所述系统移动站(2)的位置坐标信息和导线的舞动坐标；
S2：对步骤S1采集到的数据进行预处理，获取校正量，并传输值上位机；
S3：上位机(1)根据所述校正量修正所述舞动坐标，得出输电导线舞动轨迹。
7.根据权利要求6所述的一种基于北斗差分定位的输电导线舞动监测方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述系统基准站(3)安装在坐标已知的地点，所述系统基准站(3)和系统移动站(2)通过北斗导航接收器(6)接收来自北斗的定位信号。
8.根据权利要求7所述的一种基于北斗差分定位的输电导线舞动监测方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
对所述基准位置坐标信息和系统移动站(2)的位置坐标信息作差，得到校正量。
9.根据权利要求8所述的一种基于北斗差分定位的输电导线舞动监测方法，其特征在于，所述基准位置坐标信息为系统基准站到北斗卫星i的距离，通过式(1)计算得到：
Figure FDA0003405255990000021
其中(X0，Y0，Z0)为系统基准站的地理三维坐标，(Xi，Yi，Zi)为第i颗北斗卫星的地理三维坐标。
10.根据权利要求8所述的一种基于北斗差分定位的输电导线舞动监测方法，其特征在于，所述系统移动站(2)的位置坐标信息为系统移动站到北斗卫星i的距离；
第n个系统基准站与北斗卫星i的距离为：
Figure FDA0003405255990000022
其中i为第i颗北斗卫星，n为第n个系统基准站，
Figure FDA0003405255990000023
为系统基站与北斗卫星的伪距，c为光速，
Figure FDA0003405255990000024
为系统基准站到北斗卫星的理论距离，
Figure FDA0003405255990000025
为北斗卫星的时钟偏差值，
Figure FDA0003405255990000026
为系统基准站接收机的时钟偏差值，
Figure FDA0003405255990000027
为对流层延迟，
Figure FDA0003405255990000028
为电离层延迟，
Figure FDA0003405255990000029
为卫星星历的误差；
系统基准站(2)和北斗卫星理论距离与伪距的差值即为卫星的差分校正量，系统移动站将观测的坐标量进行修正即可发送至上位机(1)；
系统移动站(3)的修正坐标如下：
Figure FDA0003405255990000031
Figure FDA0003405255990000032
Figure FDA0003405255990000033
其中，(Xa，Ya，Za)，(Xb，Yb，Zb)，(Xc，Yc，Zc)分别为系统移动站a,b,c的三维坐标；
Figure FDA0003405255990000034
分别为系统移动站的修正三维坐标；
利用最小二乘法原理对上式进行线性数据拟合，即可求出k1、k2、k3、m1、m2、m3、n1、n2、n3的值；
利用综合伪距改正修正系统移动站i，系统移动站i修正后的Xi、Yi、Zi为：
Figure FDA0003405255990000035
Figure FDA0003405255990000036
Figure FDA0003405255990000037
其中Xa，Ya，Za，Xb，Yb，Zb是已知的，
Figure FDA0003405255990000038
是可测的，k1、k2、k3、m1、m2、m3的值可求解，所以可以通过伪距差分线性组合模型求解出Xi，Yi，Zi的值，即可经过上位机处理后可以得出高精度的输电导线舞动轨迹。
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