一种基于倾角传感器的分裂导线扭绞在线监测系统及方法与流程

[0001]
本发明属于输电线路在线监测技术领域，具体涉及一种基于倾角传感器的分裂导线扭绞在线监测系统，还涉及一种基于倾角传感器的分裂导线扭绞在线监测方法。


背景技术：

[0002]
近些年来，随着输电线路的分布越来越广，其跨越的地理环境也愈复杂，也因此导致输电线路所存在的问题多种多样，其中比较突出的有输电线路的覆冰、舞动、风偏、雷击跳闸等等，分裂导线的扭绞也为其中之一。而所谓扭绞，指分裂导线受外界众多因素影响，导线间互相紧贴，并发生转动。当分裂导线发生扭绞时，导线及间隔棒会利用自身能量进行自我恢复，同时在外界风力等因素的影响下，扭绞结点可能顺导线来回移动，使子导线之间来回不停地鞭击、摩擦，从而对导线表面造成不同程度的磨损，并且受导线扭绞的影响，周围间隔棒也不能正常运行，可能造成间隔棒螺栓松动，顺导线滑动、脱落的现象，造成输电故障，严重地威胁了输电线路的安全运行，降低了电网供电的可靠性。
[0003]
相关研究表明，分裂导线治理存在很大的难度，对扭绞的分裂导线进行治理后，仍有再次发生扭绞的风险。目前还没有专门针对分裂导线扭绞监测的方案，仅应用传统的人工巡检方式，花费时间长、工作量大；亦或是近年来技术逐渐成熟的无人机巡检方式，投资较大。为实时地掌握输电线路分裂导线易扭绞处导线转动状态，合理选择一种在线监测方法是很有必要的。而基于倾角传感器的导线扭绞在线监测方法及扭绞判据，使人们在远程监测中心实时地掌握易扭绞处导线转动情况成为可能，从而及时针对突发状况采取措施，提高了工作人员的工作效率，对线路安全运行的可靠性和经济性具有指导性意义。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的是提供一种基于倾角传感器的分裂导线扭绞在线监测系统，能够实时地显示当前导线的扭转情况。
[0005]
本发明的第二个目的是提供一种基于倾角传感器的分裂导线扭绞在线监测方法。
[0006]
本发明所采用的技术方案是，一种基于倾角传感器的分裂导线扭绞在线监测系统，包括依次连接的扭绞在线监控前端、zigbee通信模块、通信控制模块、gprs通信模块及远程监测中心，还包括电源模块，电源模块分别与扭绞在线监控前端、zigbee通信模块、通信控制模块及gprs通信模块连接。
[0007]
本发明的特征还在于，
[0008]
扭绞在线监控前端包括相互连接的倾角传感器及信号处理模块，信号处理模块与zigbee通信模块连接，倾角传感器及信号处理模块均与电源模块连接。
[0009]
倾角传感器的型号为jy61；zigbee通信模块的型号为zm5161p2-2c；gprs通信模块的型号为sim800c 24mbit；
[0010]
通信控制模块为stm32系列微处理器。
[0011]
本发明所采用第二种的技术方案是，一种基于倾角传感器的分裂导线扭绞在线监
测方法，采用上述系统，具体包括以下步骤：
[0012]
步骤1：数据监测
[0013]
将对倾角传感器安装在间隔棒上，将倾角传感器，zigbee通信模块，通信控制模块和gprs通信模块进行初始化，对倾角传感器进行校准后，开始监测导线扭转角度；
[0014]
步骤2：数据传输
[0015]
信号处理模块对倾角传感器监测的导线扭转角度数据进行采集，信号处理模块将导线扭转角度数据通过zigbee无线通信模块发送给安装于杆塔上的通信控制模块，通信控制模块又将汇聚的导线扭转角度数据就地存储以后通过gprs通信模块远距离无线发送给远程监测中心，通信控制模块作为汇聚节点，负责转发远程监测中心下发的采集周期等控制指令，并筛选出10ms内相对稳定的采集的y轴角度数据，通过公式(1)计算出扭转角度θ：
[0016][0017]
式中：θ
i
为10ms内采集的y轴角度数据；i＝1,2,3,...。
[0018]
步骤3：扭绞判断
[0019]
通过远程监测中心对分裂导线扭绞进行判断，在已知分裂导线扭转刚度的前提下，找出分裂导线扭转的失稳点角度α，与扭转角度θ进行比较分析，具体如下：
[0020]
若|θ|<α，说明监测区域导线状况正常；若|θ|≥α，说明监测区域导线状况异常，发生扭绞现象，需及时进行处理。
[0021]
本发明的特征还在于，
[0022]
步骤3中，确定扭矩作用处的分裂导线扭转刚度k符合如下关系：
[0023][0024]
式中：k为扭矩作用处的分裂导线扭转刚度(单位为：n
·
m/rad)；k为次档距数；n为子导线数；s为子导线单位长度扭转刚度(单位为：n
·
m
2
/rad)；l为档距(单位为：m)；d为分裂圆直径(单位为：m)；z为扭矩作用的位置(扭矩作用点距离后端杆塔的距离)(单位为：m)；u为权重项，对四分裂导线对二分裂导线u＝1，对三分裂导线对二分裂导线u＝1，对三分裂导线为间隔棒的初始角位置；t表示分裂导线初始扭转时刻子导线的实际水平张力，当扭转角较小时，可认为扭转时导线的水平张力t保持不变，其计算公式如下：
[0025][0026]
式中：w为导线单位长度重力(单位为：n/m)；l为线路档距；e为导线的综合弹性模量(单位为：n/mm
2
)；a为导线的横截面积(单位为：mm
2
)；t
0
为导线初始水平张力(单位为：n)；β为高差角。
[0027]
步骤3中，失稳点角度α符合如下关系：
[0028][0029]
式中：t
max
为对分裂导线已发生过扭绞现象的区域在治理过程中采用绝缘绳反向
转动时测量出该处的最大扭矩。
[0030]
步骤2中，所述一定周期为10ms。
[0031]
本发明的有益效果是：
[0032]
本发明一种基于倾角传感器的分裂导线扭绞在线监测系统中倾角传感器用于对导线监测区域的扭转角度信号进行监测，发送到信号处理模块；信号处理模块将角度信号接受和发送；zigbee无线通信用于扭绞监测前端与通信控制模块之间双向数据无限传输；通信控制模块接受周围各监测点的扭转监测数据，进行现场数据存储，通过gprs通信模块将所需数据上传至远程监测中心；远程监测中心将扭转监测角度数据接受后，进行分析、计算，实时掌握监测点的导线扭转状况；电源模块采用小容量电容型太阳能电池板，用于提供扭转在线监测前段、zigbee通信模块、通信控制模块和gprs通信模块工作所需电能。使人们在远程监测中心实时地掌握易扭绞处导线转动情况成为可能，从而及时针对突发状况采取措施，提高了工作人员的工作效率，对线路安全运行的可靠性和经济性具有指导性意义。
[0033]
本发明一种基于倾角传感器的分裂导线扭绞在线监测方法通过基于倾角传感器的导线扭绞在线监测装置，实时地对易扭绞区域分裂导线的扭转角度θ进行监测，并将该数据传输至远程监测中心与分裂导线的失稳点角度α进行分析比较，当|θ|＜α时分裂导线运行状态未出现异常，倾角传感器继续测量；当满足|θ|≥α这一条件时说明分裂导线转动角度异常，发生扭绞现象，此时报警装置立即开始工作，运维人员第一时间进行故障排除，保障线路正常运行。
附图说明
[0034]
图1是本发明一种基于倾角传感器的分裂导线扭绞在线监测系统的系统框图；
[0035]
图2是间隔棒在空间坐标系中确定旋转正方向示意图；
[0036]
图3是在四分裂间隔棒安装倾角传感器的位置示意图；
[0037]
图4是本发明一种基于倾角传感器的分裂导线扭绞在线监测方法的工作流程图。
[0038]
图中，1.倾角传感器，2.信号处理模块，3.zigbee通信模块，4.通信控制模块，5.gprs通信模块，6.远程监测中心，7.电源模块，8.倾角传感器所安装的间隔棒上的安装面。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0040]
本发明提供一种基于倾角传感器的分裂导线扭绞在线监测系统，如图1-3所示，包括依次连接的扭绞在线监控前端、zigbee通信模块3、通信控制模块4、gprs通信模块5及远程监测中心6，还包括电源模块7，电源模块7分别与扭绞在线监控前端、zigbee通信模块3、通信控制模块4及gprs通信模块5连接。
[0041]
扭绞在线监控前端包括相互连接的倾角传感器1及信号处理模块2，信号处理模块2与zigbee通信模块3连接，倾角传感器1及信号处理模块2均与电源模块7连接。
[0042]
倾角传感器1的型号为jy61；zigbee通信模块3的型号为zm5161p2-2c；gprs通信模块5的型号为sim800c 24mbit；
[0043]
通信控制模块4为stm32系列微处理器。
[0044]
倾角传感器1安装在临近扭绞监测点的间隔棒上，与间隔棒固定，以满足倾角传感器1转动角度与间隔棒转动角度同步。
[0045]
通信控制模块4接收监测点的角度参数，并进行数据存储和信号传输，是连通扭绞在线监测前端与远程监测中心的枢纽，安装在距监测点最近的杆塔上。
[0046]
倾角传感器1用于对导线监测区域的扭转角度信号进行监测，发送到信号处理模块2；信号处理模块2将角度信号接受和发送；zigbee无线通信模块3用于扭绞在线监控前端与通信控制模块4之间双向数据无限传输；通信控制模块4接受周围各监测点的扭转监测数据，进行现场数据存储，通信控制模块4又将汇聚的导线扭转角度θ数据就地存储以后通过gprs通信模块5远距离无线发送给远程监测中心6；远程监测中心6将扭转监测角度数据接受后，进行分析、计算，实时掌握监测点的导线扭转状况；电源模块7采用小容量电容型太阳能电池板，用于提供扭绞在线监控前端、zigbee通信模块3、通信控制模块4和gprs通信模块5工作所需电能。
[0047]
如图2为间隔棒在空间坐标系中确定旋转正方向示意图，在此定义间隔棒旋转的正方向：以三轴为基础，其中z轴垂直地面，以面向y轴正方向、且由x轴和z轴组成的平面为正面，垂直地面向上为0
°
，间隔棒绕y轴顺时针旋转为正，角度从0
°
～360
°
；逆时针旋转为负，角度从0
°
～-360
°
，使角度数据θ在与失稳点角度α比较时|θ|值更加准确。同时对于应用的三轴倾角传感器，测量数据时以y轴为主，x、z轴所测数据不着重考虑，倾角传感器1所安装的间隔棒上的安装面8为xz平面。
[0048]
如图3是以四分裂间隔棒为例，在间隔棒上安装倾角传感器位置示意图。其中间隔棒竖直且垂直于地面，倾角传感器1需紧贴于间隔棒安装，保证二者转动角度同步。仅需在图中所示任一安装位置安装一个倾角传感器即可。
[0049]
本发明还提供一种基于倾角传感器的分裂导线扭绞在线监测方法，采用上述系统，如图1所示，具体包括以下步骤：
[0050]
步骤1：数据监测
[0051]
将对倾角传感器1安装在间隔棒上，将倾角传感器1，zigbee通信模块3，通信控制模块4和gprs通信模块5进行初始化，对倾角传感器1进行校准后，开始监测导线扭转角度；倾角传感器1成本较低，体积很小，可直接安装在间隔棒上，与间隔棒固定，使间隔棒与倾角传感器1转动角度同步。该倾角传感器1将mcu、mems加速度传感器、模数转换电路、通讯单元全都集成在一块非常小的电路板上面，可以直接输出角度等倾斜数据。
[0052]
步骤2：数据传输
[0053]
信号处理模块2对倾角传感器1监测的导线扭转角度数据进行采集，信号处理模块2将导线扭转角度数据通过近距离、低功耗的zigbee无线通信模块3发送给安装于杆塔上的通信控制模块4，通信控制模块4又将汇聚的导线扭转角度数据就地存储以后通过gprs通信模块5远距离无线发送给远程监测中心6，通信控制模块4作为汇聚节点，负责转发远程监测中心下发的采集周期等控制指令，并筛选出10ms内相对稳定的采集的y轴角度数据，通过公式(1)计算出扭转角度θ；
[0054][0055]
式中：θ
i
为10ms内采集的y轴角度数据；i＝1,2,3,...。
[0056]
步骤3：扭绞判断
[0057]
通过远程监测中心6对分裂导线扭绞进行判断，在已知分裂导线扭转刚度的前提下，找出分裂导线扭转的失稳点角度α，与扭转角度θ进行比较分析，具体如下：
[0058]
若|θ|<α，说明监测区域导线状况正常；若|θ|≥α，说明监测区域导线状况异常，发生扭绞现象，需及时进行处理；
[0059]
步骤3中，确定扭矩作用处的分裂导线扭转刚度k符合如下关系：
[0060][0061]
式中：k为扭矩作用处的分裂导线扭转刚度(n
·
m/rad)；k为次档距数；n为子导线数；s为子导线单位长度扭转刚度(n
·
m
2
/rad)；l为档距(m)；d为分裂圆直径(m)；z为扭矩作用的位置(扭矩作用点距离后端杆塔的距离)(m)；u为权重项，对四分裂导线对二分裂导线u＝1，对三分裂导线二分裂导线u＝1，对三分裂导线为间隔棒的初始角位置；t表示分裂导线初始扭转时刻子导线的实际水平张力，当扭转角较小时，可认为扭转时导线的水平张力t保持不变，其计算公式如下：
[0062][0063]
式中：w为导线单位长度重力(n/m)；l为线路档距；e为导线的综合弹性模量(n/mm
2
)；a为导线的横截面积(mm
2
)；t
0
为导线初始水平张力(n)；β为高差角；
[0064]
步骤3中，失稳点角度α符合如下关系：
[0065][0066]
式中：t
max
为对分裂导线已发生过扭绞现象的区域在治理过程中采用绝缘绳反向转动时测量出该处的最大扭矩。
[0067]
对于六分裂和八分裂导线，实际应用中按照正六边形和正八边形排列，在进行扭转刚度计算时，从受力角度出发可将六分裂导线等效成一个二分裂导线和四分裂导线，将八分裂导线等效为两个四分裂导线，然后按照上面公式(1)进行计算后将所得结果相加即可求出。
[0068]
当监测点处的间隔棒转动角度达到失稳点角度后，分裂导线会达到新的平衡状态，此时导线已扭绞在一起。在间隔棒转动角度达到失稳点角度时，该测量角度θ已通过无线传输模块上传至远程监测中心，监测设备报警，运维人员第一时间采取措施，维护线路安全运行。在空间坐标系中对分裂导线扭绞现象与舞动现象作以比较和区分：与导线舞动相比，发生扭绞现象时，导线绕y轴转动的角度较大，在x轴和z轴方向偏移幅度较小；而舞动现象发生过程中，导线整体运动幅度明显，向x轴和z轴偏移幅度较大，绕y轴转动角度较小。基于倾角传感器1的分裂导线扭绞在线监测方法，其核心参数为间隔棒绕y轴转动的角度，即以y轴转动角度为主，向x轴和z轴偏移幅度大小为辅进行在线监测，基本上可以排除导线舞动造成的影响。另外舞动是动态的，数据不停的大幅改变；而扭绞是不波动的，一旦发生后数据变化幅度很小，从数据变化幅度的大小也可轻易排除导线舞动造成的影响。
[0069]
本发明方法通过在架空分裂导线易扭绞区域的间隔棒上安装倾角传感器，来对监测点扭转角度参数实时在线监测，可及时发现线路扭绞现象的发生，使运维部门及时采取措施，有效减少导线因扭绞摩擦产生磨损，甚至断线事故。基于倾角传感器的导线扭绞在线监测方法，有效弥补了近年来人们在分裂导线扭绞方面研究及监测方法的不足，更可减少导线扭绞造成的损失，保障输电线路安全稳定运行。