CN115086904A - 一种基于低功耗广域网的输电线路弧垂监测方法及系统 - Google Patents

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任克崇
王浩
王政达
杜毅明
魏星
陈泽瑞
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于悦
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Abstract

本发明涉及一种基于低功耗广域网的输电线路弧垂监测方法及系统，属于输电线监测领域，用于解决现有技术中的测量方法准确度难以保障，并且不易实现低成本、低功耗的缺陷。本发明的方法包括：将第一测量装置和第二测量装置分别设置在架空线的两端；根据第一测量装置测得的第一倾角和第二测量装置所测得的第二倾角计算架空线的最大弧垂。本发明的系统包括：第一测量装置以及第二测量装置，其中第一测量装置包括：第一传感模块以及第一LoRa模块；第二测量装置包括：第二传感模块、第二LoRa模块以及NB‑loT模块；本发明的一个应用是高压输电线路的弧垂实时监控系统。

Description

一种基于低功耗广域网的输电线路弧垂监测方法及系统
技术领域
本发明涉及输电线监测领域，具体涉及一种基于低功耗广域网的输电线路弧垂监测方法及系统。
背景技术
弧垂是指相邻两基电杆上的导线最低点与两悬挂点间连线的垂直距离。一般地，当输电距离较远时，由于导线自重，会形成轻微的弧垂，使导线呈悬链线的形状。
现有技术中一般采用单点测量，并且未考虑架空线由于摆动而造成的随机误差，容易导致测量数值不准确，并且测量元件难以做到低成本、低功耗。
发明内容
本发明的一个目的是解决现有技术的测量方法准确度难以保障，并且不易实现低成本、低功耗的缺陷。
根据本发明的第一方面，提供了一种基于低功耗广域网的输电线路弧垂监测方法，包括：将第一测量装置和第二测量装置分别设置在架空线的两端；根据第一测量装置测得的第一倾角和第二测量装置所测得的第二倾角计算所述架空线的最大弧垂。
优选地，所述第一测量装置包括第一传感模块以及第一LoRa模块；所述第二测量装置包括第二传感模块、第二LoRa模块以及NB-loT模块；第一传感模块和第二传感模块分别用于测量第一倾角和第二倾角；第一LoRa模块将第一倾角发送至第二LoRa模块；NB-loT模块将第一倾角和第二倾角发送至云端，并从所述云端接收由第一倾角和第二倾角拟合计算得到的最大弧垂。
优选地，本发明的方法还包括：持续监测所述最大弧垂是否大于预设值，若是，则通过NB-loT模块向云端发送报警信息。
优选地，所述第一传感模块和所述第二传感模块还用于分别获取第一摆动角度和第二摆动角度，所述NB-loT模块还用于将第一摆动角度和第二摆动角度也发送至云端，并从云端接收由第一倾角、第二倾角、第一摆动角度和第二摆动角度拟合计算得到的最大弧垂。
优选地，步骤S2的计算过程为：
Figure BDA0003737887700000021
Figure BDA0003737887700000022
其中fm为所述最大弧垂；fm1为根据第一倾角计算的弧垂；fm2为根据第二倾角计算的弧垂；l为水平档距；β为高差角；θA为第一倾角，θB为第二倾角。
优选地，所述步骤S2用于在所述架空线其中的一端发生扰动时减少误报。
根据本发明的第二方面，提供一种基于低功耗广域网的输电线路弧垂监测系统，包括第一测量装置以及第二测量装置，其中第一测量装置包括：第一传感模块以及第一LoRa模块；第一传感模块用于获取架空线的第一端与水平方向所成的第一倾角，第一LoRa模块用于将所述第一倾角发送至第二LoRa模块；第二测量装置包括：第二传感模块、第二LoRa模块以及NB-loT模块；第二传感模块用于获取架空线第二端与水平方向所成的第二倾角，第二LoRa模块用于将从第一LoRa模块接收到的第一倾角以及第二传感器采集到的第二倾角通过NB-loT模块发送至云端，并由NB-loT模块从所述云端接收由第一倾角和第二倾角拟合计算得到的最大弧垂。
优选地，所述系统还包括设置在第二测量装置中的预警模块，用于持续监测所述最大弧垂是否大于预设值，若是，则通过NB-loT模块向云端发送报警信息。
优选地，第一传感模块和第二传感模块还用于分别获取第一摆动角度和第二摆动角度，所述NB-loT模块还用于将第一摆动角度和第二摆动角度也发送至云端，并从云端接收由第一倾角、第二倾角、第一摆动角度和第二摆动角度拟合计算得到的最大弧垂。
优选地，最大弧垂通过以下公式计算：
Figure BDA0003737887700000023
Figure BDA0003737887700000024
其中fm为所述最大弧垂；fm1为根据第一倾角计算的弧垂；fm2为根据第二倾角计算的弧垂；l为水平档距；β为高差角；θA为第一倾角，θB为第二倾角。
本发明的有益效果是，采用双端测量，可以将采集到的倾角上传至云端通过拟合获得更准确的弧垂数据，并且具有低功耗低成本的优势。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明一个实施例的输电线路弧垂监测方法流程图；
图2为本发明一个实施例中架空线斜抛物线下的受力图；
图3为本发明一个实施例的第一测量装置和第二测量装置的原理框图；
图4为本发明一个实施例的原理示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
<实施方式一>
本实施方式提供一种输电线路弧垂监测方法，如图1所示，包括：将第一测量装置和第二测量装置分别设置在架空线的两端；根据第一测量装置测得的第一倾角和第二测量装置所测得的第二倾角计算所述架空线的最大弧垂。
通过倾角计算架空线最大弧垂的示意图如图2所示，在弧垂监测时，并不需要所有弧垂数据，一般只监测导线的最大弧垂。本实施方式通过测量悬点处架空线的倾角角与弧垂的数学关系来获取弧垂数据。
根据图2，采用斜抛物线公式，即
Figure BDA0003737887700000041
悬挂点处的倾角关系为
Figure BDA0003737887700000042
Figure BDA0003737887700000043
将式(2)和(3)分别代入(1)后可得到测量得到的倾角与最大弧垂的关系，即
Figure BDA0003737887700000044
式中：fm为架空线的最大弧垂；γ为比载；1为水平档距；σ0为水平应力的分量；β为高差角；θA为在A点测得的导线倾角，θB为在B点测得的导线倾角。
在一个具体的计算实例中，可以对A点和B点分别计算各自的弧垂值，再取平均作为所求的最大弧垂，即算过程为：
Figure BDA0003737887700000051
Figure BDA0003737887700000052
Figure BDA0003737887700000053
其中fm为所述最大弧垂；fm1为根据第一倾角计算的弧垂；fm2为根据第二倾角计算的弧垂。
通过测量悬挂点A或B处的导线倾角，以及预设的架空线两端高差和水平档距就可以估算该段架空线的最大弧垂。单独的通过倾角-弧垂关系测得的弧垂可能并不准确，为了提高测量的准确度，又不过多提高成本，本实施方式采用了两点倾角监测的方式。
在理想情况下，θA和θB应为相同值。当A或B点因环境因素而发生扰动时，则架空线则不能视为严格的斜抛物线形状，此时θA和θB可能存在差值，按照现有方式计算可能会根据存在扰动的一侧获取到的数据计算出高于报警阈值的结果，进而导致误警情况发生。因此可通过公式(4)分别计算A点和B点的最大弧垂，再取平均，即可得到更接近真实情况的计算结果，减少误警情况的发生。
本发明的进步在于：将架空线视为斜抛物线进行求解计算，兼顾精简计算和准确度。并且本发明在A端和B端同时计算弧垂，可以避免因为其中一点发生扰动而出现的监测数据不准确或者误警的问题。
<实施方式二>
本实施方式在实施方式一的基础上，进一步提供了第一测量装置和第二测量装置的硬件构成。
如图3所示，第一测量装置可以包括第一传感模块以及第一LoRa模块；第二测量装置可以包括第二传感模块、第二LoRa模块以及NB-loT模块；第一传感模块和第二传感模块分别用于测量第一倾角和第二倾角；第一LoRa模块将第一倾角发送至第二LoRa模块；NB-loT模块将第一倾角和第二倾角发送至云端，并从云端接收由第一倾角和第二倾角拟合计算得到的最大弧垂。
可将第一测量装置视为子节点，将第二测量装置视为主节点。在一段架空线的测量过程中，子节点将采集到的倾角数据发送给主节点，再由主节点将两端分别测得的倾角上传至云端，由云端计算得出结果后在传回到主节点的控制器/存储器中并加以存储。本实施方式使用传感模块测量倾角，使用LoRa模块实现倾角数据从子节点传输到主节点的过程，并使用NB-loT模块完成从主节点到云端的数据传输过程。其中LoRa通信是一种基于扩频调制技术的远程无线通讯技术，是众多LPWAN通讯技术之一，通讯距离恰好符合输电线路的通讯距离，并且在该距离下实现了低功耗。同样的功耗下仅有LoRa传输距离满足要求。NB-IoT是近几年物联网领域中较为流行的无线通讯技术，构建于蜂窝网络。本实施方式采用独立部署方式降低了成本，在该系统中的NB-IoT模块负责向云平台发送数据，待机时间长、网络连接稳定。
本实施方式为了使最大弧垂测量结果尽可能准确，采用了两种改进手段：1.在架空线两端均设置测量装置，按照实施方式一提供的计算方式仅通过一个测量装置即可计算得出最大弧垂值，而本实施方式通过两点测量的方式能够提高测量准确率。2.本实施方式能够将测量得到的倾角上传至云端，并由云端对采集到的数据进行拟合得到弧垂数据。这是考虑到测量节点所能存储的数据有限，难以获得全局数据，而云端存有大量历史数据，并可以将杆塔型号、距离等信息也作为拟合参数，进而得出更为准确的计算结果。同时云端还能够便于通过移动设备访问，可以随时向手机发送实时数据和报警信息等。
<实施方式三>
本实施方式在实施方式一和二基础上进一步包括步骤S3：持续监测最大弧垂是否大于预设值，若是，则通过NB-loT模块向云端发送报警信息。
弧垂过高会导致供电线路安全问题，因此本实施方式持续采样并在弧垂过大时向云端发送报警信息，可再由云端向运维人员的移动设备发送短信、邮件等预警信息，实现实时监测的目的。
<实施方式四>
本实施方式在实施方式一和二的基础上，进一步增加了传感器采集的信号种类，并在拟合时引用新的参数。具体而言：
第一传感模块和第二传感模块还用于分别获取第一摆动角度和第二摆动角度，NB-loT模块还用于将第一摆动角度和第二摆动角度也发送至云端，并从云端接收由第一倾角、第二倾角、第一摆动角度和第二摆动角度拟合计算得到的最大弧垂。
本实施方式用于解决架空线的摆动问题，摆动一般是由风或者覆冰导致的，现有技术普遍不考虑摆动问题，但是摆动过程中若最大弧垂超过了预设值，同样会产生安全隐患，现有技术不能识别这类问题。因此本实施方式将摆动角度引入到拟合计算中，大大提高了安全保障。
<实施方式五>
本实施方式提供一种输电线路弧垂监测系统，包括第一测量装置以及第二测量装置，结构如图3所示。其中第一测量装置包括第一传感模块以及第一LoRa模块；第一传感模块用于获取架空线的第一端与水平方向所成的第一倾角，第一LoRa模块用于将第一倾角发送至第二LoRa模块；第二测量装置包括第二传感模块、第二LoRa模块以及NB-loT模块；第二传感模块用于获取架空线第二端与水平方向所成的第二倾角，第二LoRa模块用于将从第一LoRa模块接收到的第一倾角以及第二传感器采集到的第二倾角通过NB-loT模块发送至云端，并由NB-loT模块从云端接收由第一倾角和第二倾角拟合计算得到的最大弧垂。
本实施方式还可以包括设置在第二测量装置中的预警模块，用于持续监测所述最大弧垂是否大于预设值，若是，则通过NB-loT模块向云端发送报警信息。
为了准确识别由于摆动导致的最大弧垂变化，第一传感模块和第二传感模块还可以用于分别获取第一摆动角度和第二摆动角度，NB-loT模块还用于将第一摆动角度和第二摆动角度也发送至云端，并从云端接收由第一倾角、第二倾角、第一摆动角度和第二摆动角度拟合计算得到的最大弧垂。
<实施例>
本实施例考虑到高压输电线路大多地处郊外或较为偏远的地区，杆塔的距离也都在几百米左右。为了实现杆塔之间的通信，本实施例采用了LoRa技术进行节点之间的数据传输，为了实现远距离传输，主节点利用NB-IoT的远距离通信特点将数据上传至云平台。
本实施例的原理示意图如图4所示，一段高压输电线路的两端各有一个节点。子节点包括倾角传感器、stm32单片机以及LoRa模块，主节点在子节点基础上额外增加了NB-loT模块。子节点和主节点各自自主采集端点处导线的倾角并且经过计算得出弧垂数据，子节点通过LoRa通信将数据发送给主节点，主节点将子节点的数据以及自身的数据汇总后通过NB-IoT无线网络上传至云平台，实现远程在线监测以及报警功能。
本实施例的一个工作过程为：(1)弧垂测量：传感器采集输电线路两端导线的倾角温度等数据，通过倾角-弧垂的数学关系以及预设好的杆塔型号距离等数据计算出该段输电线路的最大弧垂。(2)子节点-主节点-云平台的通信：子节点将采集的数据通过LoRa通信将数据汇总到主节点，主节点将最终的弧垂数据通过NB-IoT技术上传至云平台，运维人员可以通过云平台或移动端远程实时监测输电线路的弧垂信息。(3)实时监测与报警：由于节点上传的数据是实时从传感器获取的，所以运维人员可以在PC端登录云平台实时查看弧垂数据是否符合要求。当数据超过预设的报警阈值，云平台将会显示报警信息，并且通过邮件、短信等方式报警，确保实时监测输电线路安全。
本实施例的监测系统采用低功耗的广域通信技术，有低功耗和抗干扰等特点。相比于传统的有线通信和WiFi、蓝牙、3G、4G等无线通信方式功耗更低。通过合理的软硬件设计，并且采用LoRa和NB-IoT相结合的方法，不仅可以满足实时监测的需求，也同样能达到长期稳定运行的目的。
本实施例于现有技术相比的优势主要在于以下几个方面：
1.采用LoRa和NB-IoT相结合的通信方式
LoRa通信是一种基于扩频调制技术的远程无线通讯技术，是众多LPWAN通讯技术之一，通讯距离恰好符合输电线路的通讯距离，并且在该距离下实现了低功耗。同样的功耗下仅有LoRa传输距离满足要求。
NB-IoT是近几年物联网领域中较为流行的无线通讯技术，构建于蜂窝网络。本设计采用独立部署方式降低了成本，在该系统中的NB-IoT模块负责向云平台发送数据，待机时间长、网络连接稳定。
2.弧垂测量方法
在弧垂监测时，并不需要所有弧垂数据，一般只监测导线的最大弧垂。本设计通过倾角-弧垂的数学关系来计算弧垂。为了提高测量的准确度，又能控制成本，采用了两点倾角监测的方式。分别测量输电线路两端点处导线的倾角，在云端对采集的数据进行拟合后得出弧垂值，以减小单个测量值不准带来的误差。
3.实时监测与报警
主节点能将采集到的数据经过计算后实时上传至云平台，运维人员可以通过PC或移动端实时监测弧垂数据是否安全。运维人员也不能时刻看守时，提前设置好报警值，弧垂数据达到报警值将会通过云平台或手机短信发送给运维人员，降低了巡检成本，提高了用电可靠性。
4.低功耗
系统采用太阳能电池和蓄电池相结合的电源方案，并且软硬件的设计也让该系统的功耗大大降低，可以满足电力物联网设备的安全、稳定长期运行要求。
本实施例的监测系统在设计之初就考虑了测量准确度、安全稳定、成本等各个方面。对于传感器的选择，选用了高精度双轴倾角传感器来测量输电线路的倾角，可以准确的测量所需数据，并且内置温度补偿器。对于弧垂监测，相比于光纤传输、视频监控、人工巡检、无人机巡检有更低的成本。对于通信方式，仅用到两个LoRa模块和一个NB-IoT模块便可以组成这个系统与云端的通信，大大降低了通信成本。
本实施例中每个节点通过公式(1)～公式(4)计算最大弧垂，即通过测量悬挂点A或B处的导线倾角，以及预设的架空线两端高差和水平档距就可以估算该段架空线的最大弧垂。单独的通过倾角-弧垂关系测得的弧垂可能并不准确，为了提高测量的准确度，又不过多提高成本，本文采用了两点倾角监测的方式。即分别采集出A和B两点的倾角数据，在云端对采集的数据进行拟合后得出弧垂值，以减小单个测量值不准带来的误差。在测量时，必然会有随机误差和系统误差存在。随机误差是导线由于风的作用或覆冰而摆动，摆动角度也可由倾角传感器测得，将该参数引入公式进行修正。系统误差即为设备安装时的安装误差，安装误差可以后续在云端进行补偿。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种基于低功耗广域网的输电线路弧垂监测方法，其特征在于，包括：
S1:将第一测量装置和第二测量装置分别设置在架空线的两端；
S2:根据第一测量装置测得的第一倾角和第二测量装置所测得的第二倾角计算所述架空线的最大弧垂。
2.根据权利要求1所述的基于低功耗广域网的输电线路弧垂监测方法，其特征在于：
所述第一测量装置包括第一传感模块以及第一LoRa模块；
所述第二测量装置包括第二传感模块、第二LoRa模块以及NB-loT模块；
第一传感模块和第二传感模块分别用于测量第一倾角和第二倾角；
第一LoRa模块将第一倾角发送至第二LoRa模块；NB-loT模块将第一倾角和第二倾角发送至云端，并从所述云端接收由第一倾角和第二倾角拟合计算得到的最大弧垂。
3.根据权利要求2所述的基于低功耗广域网的输电线路弧垂监测方法，其特征在于，还包括：
S3:持续监测所述最大弧垂是否大于预设值，若是，则通过NB-loT模块向云端发送报警信息。
4.根据权利要求2所述的基于低功耗广域网的输电线路弧垂监测方法，其特征在于，所述第一传感模块和所述第二传感模块还用于分别获取第一摆动角度和第二摆动角度，所述NB-loT模块还用于将第一摆动角度和第二摆动角度也发送至云端，并从云端接收由第一倾角、第二倾角、第一摆动角度和第二摆动角度拟合计算得到的最大弧垂。
5.根据权利要求1所述的基于低功耗广域网的输电线路弧垂监测方法，其特征在于，步骤S2的计算过程为：
Figure FDA0003737887690000011
Figure FDA0003737887690000021
Figure FDA0003737887690000022
其中fm为所述最大弧垂；fm1为根据第一倾角计算的弧垂；fm2为根据第二倾角计算的弧垂；l为水平档距；β为高差角；θA为第一倾角，θB为第二倾角。
6.根据权利要求5所述的基于低功耗广域网的输电线路弧垂监测方法，其特征在于，所述步骤S2用于在所述架空线其中的一端发生扰动时减少误报。
7.一种基于低功耗广域网的输电线路弧垂监测系统，其特征在于，包括第一测量装置以及第二测量装置，其中
第一测量装置包括：第一传感模块以及第一LoRa模块；第一传感模块用于获取架空线的第一端与水平方向所成的第一倾角，第一LoRa模块用于将所述第一倾角发送至第二LoRa模块；
第二测量装置包括：第二传感模块、第二LoRa模块以及NB-loT模块；第二传感模块用于获取架空线第二端与水平方向所成的第二倾角，第二LoRa模块用于将从第一LoRa模块接收到的第一倾角以及第二传感器采集到的第二倾角通过NB-loT模块发送至云端，并由NB-loT模块从所述云端接收由第一倾角和第二倾角拟合计算得到的最大弧垂。
8.根据权利要求7所述的基于低功耗广域网的输电线路弧垂监测系统，其特征在于，还包括设置在第二测量装置中的预警模块，用于持续监测所述最大弧垂是否大于预设值，若是，则通过NB-loT模块向云端发送报警信息。
9.根据权利要求7所述的基于低功耗广域网的输电线路弧垂监测系统，其特征在于，第一传感模块和第二传感模块还用于分别获取第一摆动角度和第二摆动角度，所述NB-loT模块还用于将第一摆动角度和第二摆动角度也发送至云端，并从云端接收由第一倾角、第二倾角、第一摆动角度和第二摆动角度拟合计算得到的最大弧垂。
10.根据权利要求7所述的基于低功耗广域网的输电线路弧垂监测系统，其特征在于，最大弧垂通过以下公式计算：
Figure FDA0003737887690000031
Figure FDA0003737887690000032
Figure FDA0003737887690000033
其中fm为所述最大弧垂；fm1为根据第一倾角计算的弧垂；fm2为根据第二倾角计算的弧垂；l为水平档距；β为高差角；θA为第一倾角，θB为第二倾角。
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