一种输电线路等值覆冰厚度监测方法
【专利摘要】本发明涉及一种输电线路等值覆冰厚度监测方法，以绝缘子串轴向拉力、倾角等线路状态信息和风速风向温湿度等气象信息为依据，先通过多源传感器信息融合定性判断覆冰情况，综合考虑了温度和应力对导线长度的影响，根据绝缘子串悬挂点受力计算线路垂直综合载荷、线路水平风载荷和线路垂直风载荷，根据导线虚拟最低点落在档距外和风偏平面导线最低点偏移的特殊情况，求取导线自重和线路冰载荷，在风偏平面竖直方向上建立静力平衡方程，循环迭代求取等值覆冰厚度。与现有技术相比，本发明具有计算精度高、收敛速度快等优点。
【专利说明】一种输电线路等值覆冰厚度监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及输电线路监测领域，尤其是涉及一种输电线路等值覆冰厚度监测方 法。
【背景技术】
[0002] 受微地形和微气象条件的影响，输电线路覆冰在我国比较广泛，特别是在我国湖 南、贵州等南方地区，覆冰灾害造成的断线、倒塔、闪络等事故频繁发生。自上世纪50年代 以来，我国输电线路已发生不同程度的覆冰事故上千次，而且，输电线路覆冰区通常位于垭 口、高山分水岭、峡谷和江河水面等人员难以到达的地方，很难判断覆冰实际情况，出现问 题时抢修难度极大，严重影响输电线路正常运行。
[0003] 目前典型的覆冰厚度覆冰监测方法多基于称重法，使用的风速风向传感器基于二 维水平面采集风速风向，并不能准确采集实际的风速风向，因此不能准确求取水平风载荷 和垂直风载荷对输电线路的影响，检测到的覆冰厚度误差较大。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种精度高的输电 线路等值覆冰厚度计算方法。
[0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006] -种输电线路等值覆冰厚度监测方法，包括以下步骤：
[0007] 1)接收拉力传感器、二维倾角传感器、温湿度传感器和三维超声波风速风向传感 器实时采集的绝缘子串轴向拉力、输电线路导线风偏角、绝缘子串倾斜角、大气温度、大气 湿度、水平横向风速、水平纵向风速和垂直风速；
[0008] 2)根据步骤1)接收到的绝缘子串轴向拉力、输电线路导线风偏角和绝缘子串倾 斜角获得输电线路垂直综合载荷F v、水平横向风载荷Wh和输电线路垂直风载荷Wv ;
[0009] 3)根据步骤1)接收到的大气温度、大气湿度、水平横向风速、水平纵向风速、垂直 风速及前一次监测的导线覆冰情况，判断目前导线是否可能覆冰，若是，则执行步骤4)，若 否，则转入步骤11);
[0010] 4)设定初始导线覆冰厚度k为0,当前导线比载Yn等于导线自身比载，当前 导线长度sn等于导线安装时长度η = 1 ;
[0011] 5)垂直平面内参数计算，获得设定条件下导线水平应力〇n;
[0012] 6)风偏平面内参数计算，获得输电线路导线最低点到主杆塔的导线长度；
[0013] 7)风偏平面内静力学分析，计算主杆塔所承受的导线自重G。及线路冰载荷GiM，并 获得单位长度等值冰载荷q^;
[0014] 8)根据覆冰质量不变换算法，求取当前等值覆冰厚度bn ;
[0015] 9)判断等值覆冰厚度比是否收敛，若否，则执行步骤10)，若是，则转入步骤11);
[0016] 10)更新档距内线路参数，包括风偏平面内导线平均应力、档距内导线长度和档距 内导线垂直综合比载，η = η+l，转入步骤5)，进入下一次迭代计算；
[0017] 11)得到等值覆冰厚度精确值，计算结束。
[0018] 所述步骤2)中，输电线路垂直综合载荷Fv、水平横向风载荷Wh和输电线路垂直风 载荷W v的具体计算公式如下：
[0019] py=F4 " y I 4 tan - η 4- tan' θ
[0020] ^=tan^.F--, \ cos Jjyjl + tan" η + tan" Θ
[0021]
[0022] 式中，F为绝缘子串轴向拉力，η为输电线路导线风偏角，Θ为绝缘子串倾斜角， \为水平风速，V v为垂直风速。
[0023] 所述步骤3)中，判断目前导线是否可能覆冰具体为：
[0024] 若前一次监测无覆冰，则当气象信息满足温度低于0°C、湿度大于80%、水平横向 风速大于lm/s时或者前一次监测有覆冰，则判断目前导线可能覆冰。
[0025] 所述导线水平应力〇n与垂直平面档距内导线长度、导线比载的关系为： L v2f
[0026] 8~β+?^：0%β
[0027] 式中，S为垂直平面档距内导线长度，L为水平档距，β为高差角，Υ为导线比载。
[0028] 所述步骤5)中，风偏平面内输电线路导线最低点到主杆塔的导线长度的计算公 式为： ,， L· v2 ， L'y2 I
[0029] S =L+ - 9 , =L +-；------ 6σ~ cos^ β 6σ~ cos~ β cos' η[1 + (tanβsinη'γ ]~
[0030] 式中，L'为风偏平面内导线最低点到主杆塔的水平档距，η为输电线路导线风偏 角，β'、Υ'、为风偏平面内的高差角、导线垂直综合比载和导线水平应力。
[0031] 所述步骤6)中，所述主杆塔两侧分别设有一大号杆塔和一小号杆塔，所述主杆塔 所承受的导线自重&及线路冰载荷G ire的计算分为以下情况：
[0032] a)导线虚拟最低点落在档距外，即导线实际最低点位于低杆塔悬挂点时，&和Giee 分别为：
[(50 = y0A(Sl + Sb)p + yA(Sa -^)p
[0033] 1
[0034] 或
[0035] |G0=r〇J4(5；+S2)^ + ^(5b-S2)^ lGte =^ce(^ +?)^
[0036] 式中，S'a、S'b分别为小、大号杆塔侧导线最低点到主杆塔的导线长度，Sp S2分别 为小、大号杆塔侧档距线长，A为分裂导线截面积，则Y(IA即为分裂导线单位长度重量，p为 分裂导线的分裂数，q ire为分裂导线单位长度所承受的冰载荷；
[0037] b)导线虚拟最低点落在档距外且导线实际最低点位于主杆塔悬挂点时，心和GiM 分别为：
[0038] K=以心+
[GKe =
[0039] 或 「…w \G〇 = r〇AS',p + rAS'bP
[0040] \ , ；
[Gici! =
[0041] c)其余情况下，&和Giee分别为： 「mw iG0=r〇^；+5b)^
[0042] ,,。 lG,re =gice(sa+sb)p
[0043] 所述步骤7)中，覆冰质量不变换算法具体为：
[0044] ba=Uh^ + d2-d) 2 \jpg^
[0045] 式中，P为覆冰密度，g为重力加速度常数，d为导线无覆冰时直径。
[0046] 所述步骤8)中，收敛的条件为当前等值覆冰厚度bn与前一次迭代计算的等值覆 冰厚度b n_i的差值小于设定阈值ε。
[0047] 所述步骤9)中，档距内线路参数的具体更新公式为：
[0048] σ腕= i + ^ cos # 24σ?; cos A cos 夕 24σ" cos>9cos~ η
[0049] = S0 [1 + -?0 + ?(Γ - Γ0)] n+] Ε
[0050] rn+1=r0+^f
[0051] 式中，σ ' _、Sn+1、Υη+1分别为风偏平面内导线平均应力、档距内导线长度和档距 内导线垂直综合比载，σ av(1为安装时导线平均应力，Τ为当前大气温度，?；为导线安装时大 气温度，E为导线弹性系数，α为导线温度线膨胀系数。
[0052] 与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
[0053] (1)通过三维超声波风速风向传感器准确采集横向、纵向和垂直三维方向的风速 参数，并可通过垂直坐标或者极坐标方式输出，根据拉力与二维倾角参数，可计算得到水平 风载荷，根据水平风载荷、水平风速及垂直风速之间关系可计算得到垂直风载荷，实现准确 计算输电线路水平风载荷和垂直风载荷目的，克服了现有二维风向传感器只测量水平风载 荷忽略垂直风载荷导致的误差，避免经验参数所带来的风载荷计算误差，提高覆冰厚度监 测精度。
[0054] (2)通过更新档距内线路参数循环迭代计算，能够提高等值覆冰厚度计算的精确 度，克服了现有等值覆冰厚度计算模型因线路覆冰引起线路参数变化导致的等值覆冰厚度 计算误差，不仅提高了覆冰厚度计算的收敛速度，还提高了覆冰厚度监测精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0055] 图1是本发明的等值覆冰厚度计算流程图；
[0056] 图2是本发明的悬垂绝缘子串受力分析图；
[0057] 图3是本发明的风偏平面内架空线路模型；
[0058] 图4是本发明的输电线路导线覆冰后示意图。
【具体实施方式】
[0059] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方 案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限 于下述的实施例。
[0060] 如图1所示，本发明提供的输电线路等值覆冰厚度监测方法，包括以下步骤：
[0061] 步骤S1，接收拉力传感器、二维倾角传感器、温湿度传感器和三维超声波风速风向 传感器实时采集的绝缘子串轴向拉力、输电线路导线风偏角、绝缘子串倾斜角、大气温度、 大气湿度、水平横向风速、水平纵向风速和垂直风速。
[0062] 步骤S2,根据步骤S1接收到的绝缘子串轴向拉力、输电线路导线风偏角和绝缘子 串倾斜角获得输电线路垂直综合载荷F v、水平横向风载荷Wh和输电线路垂直风载荷Wv。
[0063] 如图2所示，针对绝缘子串悬挂点进行分析，η为绝缘子串风偏角、Θ为绝缘子串 偏斜角、Θ '为风偏平面内绝缘子串偏斜角、Θ "为绝缘子串与坚直方向的夹角，F为绝缘子 串轴向拉力，Fx、Fh、Fv分别为F在水平纵向、水平横向和垂直方向的分力，ΛΝ Χ为水平纵向 不平衡张力差，则： _4]以知乂+ ta心 _5] 一"，w二"一
[0066] K=^~
[0067] 式中，F为绝缘子串轴向拉力，η为输电线路导线风偏角，Θ为绝缘子串倾斜角， \为水平风速，V v为垂直风速。
[0068] 步骤S3,根据步骤S1接收到的大气温度、大气湿度、水平横向风速、水平纵向风 速、垂直风速及前一次监测的导线覆冰情况，判断目前导线是否可能覆冰，若是，则执行步 骤S4,若否，则转入步骤S11。判断目前导线是否可能覆冰具体为：若前一次监测无覆冰，则 当气象信息满足温度低于〇°C、湿度大于80%、水平横向风速大于lm/s时或者前一次监测 有覆冰，则判断目前导线可能覆冰。
[0069] 步骤S4,设定初始导线覆冰厚度k为0,当前导线比载Yn等于导线自身比载γ μ 当前导线长度Sn等于导线安装时长度n = 1 ;
[0070] 步骤S5,垂直平面内参数计算，获得设定条件下导线水平应力〇n。
[0071] 导线水平应力〇n与垂直平面档距内导线长度、导线比载的关系为： / V2[?， 剛5=w0…
[0073] 式中，S为垂直平面档距内导线长度，L为水平档距（架空线路中，在平行于相邻两 杆塔间导线所受比载的平面内的两悬挂点之间的水平距离），β为高差角（两侧杆塔挂点 连线与水平面之间的夹角），Υ为导线比载。
[0074] 步骤S6,风偏平面内参数计算，如图3所示，获得输电线路导线最低点到主杆塔的 导线长度。
[0075] 本实施例中，主杆塔两侧分别设有一大号杆塔和一小号杆塔，即包括绝缘子串Α、 B、C，小、大号杆塔侧导线最低点到主杆塔的导线长度S' a、S' b的计算公式具体为：
[0076] S'a=￡a+-, ,=4+----2---- 6σι;· cos' /^, (ισ,', cos- /? cos' /;[l + (tan />, sin η)~ ]~
[0077] b 4 5σ,' cos: β, ()σ?.,ζ〇?2 β? cos2 /7[1 + (tan /% sin η)1 ]2
[0078] 式中，L'a、L'b分别为风偏平面内小、大号杆塔侧的导线最低点到主杆塔的水平档 距，Π 为输电线路导线风偏角，β'、Υ'、σ'为风偏平面内的高差角、导线垂直综合比载和 导线水平应力，下标1、2分别表示小号杆塔和大号杆塔。
[0079] 步骤S7,风偏平面内静力学分析，计算主杆塔所承受的导线自重&及线路冰载荷 GiM，并获得单位长度等值冰载荷qic;e。
[0080] 风偏平面内静力学分析，在风偏平面坚直方向上，坚直向上的绝缘子串拉力与坚 直向下的绝缘子串及金具自重、导线自重、线路冰载荷及线路垂直风载荷作用力相平衡，列 写平衡方程式并求取单位长度等值冰载荷; ^ ,,. G Gt) Wy G·.
[0081] Fcos0 = -- +-+ -- +- cos η cos η cos/; cos/;
[0082] 式中：61、6(|、1,、6^分别为垂直平面坚直向下的绝缘子串及金具自重、导线自重、 线路垂直风载荷和线路冰载荷。
[0083] 其中，导线自重&及线路冰载荷GiM的计算方法根据风偏平面导线最低点偏移特 性和导线虚拟最低点落在档距外的特殊情况分别进行计算，具体为：
[0084] a)当高差较大主杆塔较高常出现S' a大于小号侧档距线长Si (或S' b大于大号侧 档距线长S2)，则表明导线虚拟最低点落在档距外，即导线实际最低点位于低杆塔悬挂点， 此时导线对低杆塔悬垂点的拉力为水平拉力和坚直向上拉力的矢量和，坚直向上拉力大小 等效为导线虚拟最低点到低杆塔悬挂点导线垂直综合载荷，因此h和G iM分别为： f G0 = r〇冰《+ Sb )p + & )夕
[0085] ] , {G,ce=qlce{Sl+Sh)p
[0086] 或 \G,=Y,A{S：+S2)p + YA{Sb-S2)p
[0087] \ , V^ice = 9ice(^a + ^l)P
[0088] 式中，S'a、S'b分别为小、大号杆塔侧导线最低点到主杆塔的导线长度，Sp S2分别 为小、大号杆塔侧档距线长，A为分裂导线截面积，则Y(IA即为分裂导线单位长度重量，p为 分裂导线的分裂数，q ire为分裂导线单位长度所承受的冰载荷；
[0089] b)当主杆塔较低出现S'a小于0(或S'b小于0)时，也表明导线虚拟最低点落在 档距外且导线实际最低点位于主杆塔悬挂点，此时导线对主杆塔悬垂点的拉力为水平拉力 和坚直向上拉力的矢量和，因此&和Gic;e分别为： 「 n [g0 =r0j 心+，我 p
[0090] Γ _ ,
[^ice - ^ice^bP
[0091] 或 .\G0=Y0ASap + rAShp
[0092] , ； = ^βΛΡ
[0093] c)主杆塔所承受导线自重和冰重的导线等效长度应为风偏平面等效垂直档距内 导线长度，因此，一般情况下主杆塔所承受的导线自重h和主杆塔所承受的线路冰载荷G iM 分别为： 「一 iG0=r〇^；+^)p
[0094] ,,。
[0095] 步骤S8,根据覆冰质量不变换算法，如图4所示，求取当前等值覆冰厚度bn :
[0096] K =^(J-+ ^2 -d> 2、pgrr
[0097] 式中，P为覆冰密度，P为0. 9X l(T3kg/(m · mm2), g为重力加速度常数,一般取 9. 80665N/kg，d为导线无覆冰时直径。
[0098] 步骤S9,判断等值覆冰厚度bn是否收敛，即判断当前等值覆冰厚度bn与前一次迭 代计算的等值覆冰厚度tVi的差值小于设定阈值ε，若否，则执行步骤S9,若是，则转入步 骤 S11。
[0099] 步骤S10,更新档距内线路参数，包括风偏平面内导线平均应力、档距内导线长度 和档距内导线垂直综合比载，η = η+1，转入步骤5)，进入下一次迭代计算。
[0100] 档距内线路参数的具体更新公式为： ' ση r,2i2 <yn γ2?
[0101] <Javn = *-γ-Ι--；-r =--Η-τ,- cos/? 24σΗ cosβ cosβ 2Αση cos^cos' η
[0102] 5 +| =S0[l+^va -<Tav0 +α{Τ-Τ0)] "+1 ε
[0103] Τ"+\ =Τ〇+
[0104] 式中，〇 ' _、Sn+1、Υη+1分别为风偏平面内导线平均应力、档距内导线长度和档距 内导线垂直综合比载，σ av(1为安装时导线平均应力，Τ为当前大气温度，?；为导线安装时大 气温度，E为导线弹性系数，α为导线温度线膨胀系数。
[0105] 步骤S11，得到等值覆冰厚度精确值，计算结束。
【权利要求】
1. 一种输电线路等值覆冰厚度监测方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 接收拉力传感器、二维倾角传感器、温湿度传感器和三维超声波风速风向传感器实 时采集的绝缘子串轴向拉力、输电线路导线风偏角、绝缘子串倾斜角、大气温度、大气湿度、 水平横向风速、水平纵向风速和垂直风速； 2) 根据步骤1)接收到的绝缘子串轴向拉力、输电线路导线风偏角和绝缘子串倾斜角 获得输电线路垂直综合载荷Fv、水平横向风载荷Wh和输电线路垂直风载荷Wv; 3) 根据步骤1)接收到的大气温度、大气湿度、水平横向风速、水平纵向风速、垂直风速 及前一次监测的导线覆冰情况，判断目前导线是否可能覆冰，若是，则执行步骤4)，若否，则 转入步骤11); 4) 设定初始导线覆冰厚度k为0,当前导线比载Yn等于导线自身比载γ^，当前导线 长度Sn等于导线安装时长度Stl,η= 1 ; 5) 垂直平面内参数计算，获得设定条件下导线水平应力〇n; 6) 风偏平面内参数计算，获得输电线路导线最低点到主杆塔的导线长度； 7) 风偏平面内静力学分析，计算主杆塔所承受的导线自重Gtl及线路冰载荷Gic^并获得 单位长度等值冰载荷qic;e ; 8) 根据覆冰质量不变换算法，求取当前等值覆冰厚度bn ; 9) 判断等值覆冰厚度比是否收敛，若否，则执行步骤10)，若是，则转入步骤11); 10) 更新档距内线路参数，包括风偏平面内导线平均应力、档距内导线长度和档距内导 线垂直综合比载，η=n+1，转入步骤5)，进入下一次迭代计算； 11) 得到等值覆冰厚度精确值，计算结束。
2. 根据权利要求1所述的一种输电线路等值覆冰厚度监测方法，其特征在于，所述步 骤2)中，输电线路垂直综合载荷Fv、水平横向风载荷Wh和输电线路垂直风载荷Wv的具体计 算公式如下：
式中，F为绝缘子串轴向拉力，η为输电线路导线风偏角，Θ为绝缘子串倾斜角，Vh为 水平横向风速，Vv为垂直风速。
3. 根据权利要求1所述的一种输电线路等值覆冰厚度监测方法，其特征在于，所述步 骤3)中，判断目前导线是否可能覆冰具体为： 若前一次监测无覆冰，则当气象信息满足温度低于〇°C、湿度大于80%、水平横向风速 大于lm/s时或者前一次监测有覆冰，则判断目前导线可能覆冰。
4. 根据权利要求1所述的一种输电线路等值覆冰厚度监测方法，其特征在于，所述导 线水平应力ση与垂直平面档距内导线长度、导线比载的关系为：
式中，S为垂直平面档距内导线长度，L为水平档距，β为高差角，γ为导线比载。
5. 根据权利要求4所述的一种输电线路等值覆冰厚度监测方法，其特征在于，所述步 骤5)中，风偏平面内输电线路导线最低点到主杆塔的导线长度的计算公式为：
式中，L'为风偏平面内导线最低点到主杆塔的水平档距，η为输电线路导线风偏角，β'、Υ'、σ'为风偏平面内的高差角、导线垂直综合比载和导线水平应力。
6. 根据权利要求1所述的一种输电线路等值覆冰厚度监测方法，其特征在于，所述步 骤7)中，所述主杆塔两侧分别设有一大号杆塔和一小号杆塔，所述主杆塔所承受的导线自 重Gtl及线路冰载荷Gic^的计算分为以下情况： a) 导线虚拟最低点落在档距外，即导线实际最低点位于低杆塔悬挂点时，Gtl和Gic^分 别为：
式中，S'a、S'b分别为小、大号杆塔侧导线最低点到主杆塔的导线长度，SpS2分别为小、 大号杆塔侧档距线长，A为分裂导线截面积，则γ/即为分裂导线单位长度重量，P为分裂 导线的分裂数，qiTO为分裂导线单位长度所承受的冰载荷； b) 导线虚拟最低点落在档距外且导线实际最低点位于主杆塔悬挂点时，Gtl和Giee分别 为：
c) 其余情况下，Gtl和Gic^分别为：
7. 根据权利要求1所述的一种输电线路等值覆冰厚度监测方法，其特征在于，所述步 骤8)中，覆冰质量不变换算法具体为：
式中，P为覆冰密度，g为重力加速度常数，d为导线无覆冰时直径。
8. 根据权利要求1所述的一种输电线路等值覆冰厚度监测方法，其特征在于，所述步 骤9)中，收敛的条件为当前等值覆冰厚度bn与前一次迭代计算的等值覆冰厚度Iv1的差值 小于设定阈值ε。
9. 根据权利要求1所述的一种输电线路等值覆冰厚度监测方法，其特征在于，所述步 骤10)中，档距内线路参数的具体更新公式为：
式中，〇'_、Sn+1、Υη+1分别为风偏平面内导线平均应力、档距内导线长度和档距内导 线垂直综合比载，σav(l为安装时导线平均应力，T为当前大气温度，Ttl为导线安装时大气温 度，E为导线弹性系数，α为导线温度线膨胀系数。
【文档编号】G01B21/08GK104236504SQ201410431158
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2014年8月28日
【发明者】樊汝森, 杨俊杰, 王勇, 余鲲, 王志, 吴兆平, 胡宗帅, 孟德军, 杨小立 申请人:上海电力学院