CN203501999U - 一种输电线路弧垂在线监测装置 - Google Patents

Abstract

一种输电线路弧垂在线监测装置，该装置包含现场监测终端，数据中心和工作站。监测终端包含一双轴倾角传感器用来测量悬挂点输电线路导线倾角，即导线切线方向与水平方向的夹角。通信模块采用GPRS通讯方式将测量数据传输至数据中心，数据中心根据输电线路结构参数和悬挂点输电线路倾角，通过悬链线弧垂计算方法得出线路弧垂值。工作站主要完成监测***的建立设置、监测信息的查询、弧垂测量结果的查询和分析以及对现场终端的控制设置。本实用新型具有测量精度高、测量方法简单、易于安装、成本低廉且具备实时在线监测能力等优良特点，解决了现有技术中存在的缺陷。

Description

一种输电线路弧垂在线监测装置

所属技术领域

本实用新型属于输电线路实时监测领域，尤其涉及一种输电线路弧垂的在线监测方法，主要是用于解决传统的人工弧垂测量方法存在误差大，费时费力且不能用于实时监测的问题以及现代弧垂测量方法中，基于张力传感器、导线温度弧垂测量及图像弧垂测量存在现场安装可实施性较困难、测量精度低等问题。

背景技术

输电线路弧垂是线路安全运行的关键指标之一，由于输电线路弧垂与运行负荷和周围气象环境密切相关，任一个因素的变化都可能会造成线路的变化，过大的弧垂不但会造成事故隐患，也会减小输电线路的热容量，限制了线路的输送能力，对线路运行的经济性和安全性都有至关重要的影响。

弧垂测量分为传统的弧垂观测法和现代实时监测方法。观测架空输电线路导线弧垂或地线弧垂常用的方法一般有异常法、等长法、角度法及平视法四种。一般优先选用等长法或异常法。当受到客观条件限制不能采用等长法或异常法时，可选用角度法。只有不能使用上述三种方法时，才采用平视法。传统弧垂监测方法需要人工测量，且角度法可以只测一个角度便计算出弧垂，但因偏应用于架空线施工时人工测量，因此不能用于实时监测。

现代弧垂实时监测方法主要有三种，通过导线温度估算弧垂、基于张力传感器的抛物线方程计算方法和通过图像直接测量弧垂。导线温度估算弧垂的原理是先测取线路的温度，然后通过线路的状态方程来计算水平应力，之后利用水平应力与弧垂之间的关系来计算出线路弧垂，主要问题是由于风速沿线变化较大，造成导线温度沿线变化较大，而测取导线某点的温度估算弧垂值可能与实际值存在较大偏差，另外温度传感器测取的温度是导线表面温度，与导线内部钢芯的温度差距也会造成测量和计算误差。基于张力传感器的抛物线方程计算方法的原理是通过在杆塔和绝缘子之间安装张力传感器测量导线轴向张力再通过抛物线方程计算出弧垂大小，主要问题是在导线端安装张力传感器比较麻烦，且***供电问题难以很好地解决；另外，抛物线方程计算弧垂虽然相对简单但存在误差较大的缺点。直接通过高精度图像分辨相机来测量弧垂的原理是通过在导线上挂一个标靶，用相机摄取图像中标靶的坐标值来计算出线路弧垂，该方法对相机的灵敏度提出了很高的要求，需要相机在任何光线下甚至晚上都能工作，这样的相机必然很昂贵，同时在户外恶劣条件下，如此高精度相机的可靠性也会降低。

根据对目前同类技术的应用现状及缺陷分析知，传统的弧垂测量方法为人工测量，量误差大，费时费力且不能用于实时监测；现代弧垂测量方法中，虽然基于张力传感器的弧垂监测方法相对导线温度弧垂测量及图像弧垂测量具有较高精度的特点，但现场安装可实施性较困难且对张力传感器的电气性能要求较高。

发明内容

针对传统弧垂测量及现有弧垂在线监测技术中存在的不足，本实用新型提出了一种输电线路弧垂在线监测装置。在输电线路上设置现场监测终端，内置双轴倾角传感器，测量悬挂点输电线路导线倾角。根据悬挂点输电线路导线倾角及其它输电线路已知结构参数，利用基于输电线路悬链结构状态方程提出的弧垂计算算法，直接计算出导线弧垂值，具备实时在线功能。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

高压导线上杆塔临近端设置一在线监测装置，在线监测装置包含一现场监测终端，一数据中心，以及一工作站。

现场监测终端设置于输电线路上任一档距内，包含一内置双轴倾角传感器，一电源供电***，一嵌入式***和一通信模块。双轴倾角传感器测量悬挂点输电线路导线倾角，即输电线路切线方向与水平方向的夹角；电源供电***为双轴倾角传感器，嵌入式***和通信模块供电；嵌入式***接收悬挂点输电线路倾角，对悬挂点输电线路倾角做滤波、计算处理；通信模块采用GPRS通讯模式将经过嵌入式***处理的悬挂点输电线路倾角传送至所述数据中心。

数据中心包含一数据库，数据中心将实时在线监测的输电线路结构参数和输电线路导线倾角信息一并录入数据库。

工作站完成监测***的建立设置、监测信息的查询、弧垂测量结果的查询和分析以及对现场终端的控制设置。

弧垂计算方法为基于悬链线弧垂模型的数值解析方法，其中该输电线路结构参数包括跨距、输电导线线密度、输电线路两端的高度差。

本专利提出的一种输电线路弧垂在线监测装置，根据双轴倾角传感器测量的悬挂点输电线路导线倾角，利用基于悬链线弧垂模型的数值解析方法计算出线路弧垂值。与现有技术相比，该弧垂监测方法具有测量精度高、测量方法简单、易于安装、成本低廉且具备实时在线能力等的优良特点。

附图说明

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

图1是输电线路弧垂在线监测结构示意图。

图2是输电线路弧垂在线监测装置现场监测终端安装示意图。

图3是现场监测终端结构示意图。

图4是悬链线弧垂计算负荷沿导线长均匀分布示意图。

图2中，1.输电导线，2.监测终端，3.输电杆塔，4.导线倾角。

具体实施方式

在图1中，现场监测终端分布安装于输电线路上上任一档距内，能够实时采集悬挂点输电线路导线倾角并上传到数据中心；数据中心通过现场监测终端的通信模块，接收上传的监测信息并下传相关控制信息，通信模块采用GPRS通讯模式。数据中心将上传数据信息录入数据库用于弧垂计算；工作站分布于各管理办公室，是***人机交互的窗口，主要完成监测***的建立设置、监测信息的查询、弧垂测量结果的查询和分析以及对现场终端的控制设置等任务。

在图2中，监测终端[2]的安装点位于杆塔[3]与输电导线[1]的连接处附近且紧靠杆塔位置端。输电线路导线倾角[4]为输电线路左端切线方向与水平方向的夹角，由于监测终端实际安装位置与杆塔和输电线路连接处具有一定的位移，在悬链线弧垂计算算法中添加此偏移量，对弧垂值进行修正，降低计算误差。

在图3中，现场监测终端由双轴倾角传感器、供电电源、嵌入式***和通信模块四大部分组成。双轴倾角传感器将采集到的导线倾角传送给嵌入式***，嵌入式***接收双轴倾角传感器发送的数据，并对数据做滤波、计算等一系列处理最后将该数据传输给通信模块，通信模块完成数据的接收与发送，将该输电线路导线倾角发送给数据中心。所述各个模块的工作由供电电源负责供电，为现场监测终端提供电能。

输电线路弧垂在线监测装置的数据中心与通信模块相连，并接收通信模块传递的悬挂点输电线路导线倾角。该数据中心包含一数据库，数据中心将实时在线监测的输电线路结构参数和输电导线倾角信息一并录入数据库，并通过基于悬链线弧垂模型的数值解析方法计算出线路弧垂值。其中该输电线路结构参数包括跨距、输电导线线密度、输电线路两端的高度差。该输电线路结构参数可以通过简单测量得到，在此不再赘述。

弧垂计算方法为基于悬链线弧垂模型的数值解析方法，具体实施步骤如下所述：

在图4中，负荷沿导线长均布示意图用于悬链线弧垂计算，该计算方法建立在悬链线方程理论基础上。其解析方法为：首先根据从抛物线方程推导得弧垂水平张力H_p，然后基于悬链线方程，在H_p领域内搜索得到悬链线方程下的水平张力H_x，最后根据推导得到的悬链线方程弧垂计算公式计算得到导线的最大弧垂值。

输电线所受自身重力沿输电线长s方向均布，c为杆塔两端高度差，l为杆塔档距，导线左端点处导线切向方向与水平线的夹角为双轴倾角传感器测量值用，s方向均布载荷为q₀，则有：

q₀ds＝q_ydx   (1)

因此，

$q_y=q_0\frac{\mathrm{ds}}{\mathrm{dx}}=q_0\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2}---\left(2\right)$

将式(2)代入到方程(1)得

$H\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dx}}^2}+q_0\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2}=0---\left(3\right)$

求解可得到满足图4所示边界条件的解为：

$y=\frac{H}{q_0}[\cosh \mathrm{\α}-\cosh (\frac{2\mathrm{\βx}}{l}-\mathrm{\α})]---\left(4\right)$

其中

$\mathrm{\α}={\sinh }^{-1}\left[\frac{\mathrm{\β}\left(\mathrm{cl}\right)}{\sinh \mathrm{\β}}\right]+\mathrm{\β},\mathrm{\β}=\frac{q_{0}l}{2H}---\left(5\right)$

方程(5)所代表的曲线是一族悬链线，如果给定曲线上任一点的坐标值，整条曲线即可完全确定。

采用mathematica软件对悬链线方程(5)进行求一阶导数，即得到悬链线各点处的斜率

$y^{\′}\left(x\right)=\sinh (\frac{{\mathrm{lq}}_0}{2H}-\frac{q_{0}x}{H}+a\sinh \left(\frac{{\mathrm{cq}}_0}{2H\sinh \left({\mathrm{lq}}_{0}2H\right)}\right))---\left(6\right)$

在x＝0处，即导线左端处，悬链线的斜率为：

$y^{\′}(x=0)=\sinh [\frac{{\mathrm{lq}}_0}{2H}+a\sinh [\frac{{\mathrm{cq}}_0}{2H\sinh \left({\mathrm{lq}}_{0}2H\right)}\left]\right]---\left(7\right)$

则根据斜率的定义有：

$\tan {\mathrm{\α}}_1=y^{\′}(x=0)\sinh [\frac{{\mathrm{lq}}_0}{2H}+a\sinh [\frac{{\mathrm{cq}}_0}{2H\sinh \left({\mathrm{lq}}_{0}2H\right)}\left]\right]---\left(8\right)$

导线两端的高度差c、跨距l以及沿弧长s方向的均布载荷q₀均为线路结构参数作为已知量，输电线路导线倾角α₁为测量值。根据式(8)通过数值计算求得水平张力H的值，进而确定悬链线方程(5)便可计算出输电导线上任一点的弧垂值，如公式(9)所示。

$f\left(x\right)=\frac{H}{q_0}[\cosh \mathrm{\α}-\cosh (\frac{2\mathrm{\βx}}{l}-\mathrm{\α})]-\frac{c}{l}x---\left(9\right)$

Claims (5)

1.一种输电线路弧垂在线监测装置，其特征在于，该装置包括：

一现场监测终端，该现场监测终端包含一双轴倾角传感器，一电源供电***，一嵌入式***和一通信模块，所述双轴倾角传感器测量悬挂点输电线路导线倾角即输电线路切线方向与水平方向的夹角；一数据中心，该数据中心根据输电线路结构参数和悬挂点输电线路导线倾角，基于悬链线弧垂模型的数值解析方法计算出线路弧垂值；一工作站。

2.根据权利要求1所述的一种输电线路弧垂在线监测装置，其特征在于：所述电源供电***为双轴倾角传感器、嵌入式***和通信模块供电；所述嵌入式***接收悬挂点输电线路导线倾角，对所述悬挂点输电线路倾角做滤波、计算处理；所述通信模块采用GPRS通讯模式将经过嵌入式***处理的悬挂点输电线路导线倾角传送至所述数据中心。

3.根据权利要求1所述一种输电线路弧垂在线监测装置，其特征在于：所述数据中心还包括一数据库，所述数据库接收输电线路结构参数和悬挂点输电线路导线倾角。

4.根据权利要求1所述一种输电线路弧垂在线监测装置，其特征在于：所述工作站完成监测***的建立设置、监测信息的查询、弧垂测量结果的查询和分析以及对现场终端的控制设置。

5.根据权利要求1所述一种输电线路弧垂在线监测装置，其特征在于：所述弧垂计算方法为基于悬链线方程的数值解析方法。

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