CN102288153B - 基于振动发电的高压线风偏在线监测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种精确测量高压线路风偏的监测系统及方法，由风偏监测装置、气象监测装置、监测基站和监测中心组成，实现的功能包括风偏、气象数据采集传送、故障预警、实时控制和数据处理显示。风偏监测装置包括传感器模块、信号调理模块、信号控制与无线收发模块、GPS模块、MCU和振动发电模块，此装置无需外加电源，完全由微型振动发电模块供电。现场监测装置通过短距离无线通信模块把数据送到监测基站,再经由基站GPRS网络送到监测中心，监测中心也可以反向传送指令,调整装置的运行状态。同时风偏监测装置采用休眠、待机、定时传输相结合的低功耗模式设计，并运用越过设定阀值自动唤醒机制，适用于高压线路在线监测。

Description

基于振动发电的高压线风偏在线监测系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种精确测量高压线风偏的在线监测系统及其方法，适用于高压输电线路，属于工业检测系统技术领域。

背景技术

输电线路风偏包括直线塔绝缘子串风偏、耐张塔跳线风偏和导线相间风偏，直线塔是导线或金具对塔臂放电，耐张塔是跳线对杆塔构架放电，相间是导线间放电。输电导线风偏故障一般发生在强风并通常伴有雨雪或冰雹天气情况下，表现为:大风使绝缘子串或导线大幅度摆动, 由于持续的风力使带电线路接近塔身并维持较长一段时间, 因空气间隙距离不够造成线路对塔身或线路间多次放电，造成跳闸故障，且一般重合闸不成功。

导线风偏是威胁架空输电线路安全稳定运行的重要因素之一，常常造成线路跳闸、导线电弧烧伤、断股、断线等严重后果。风偏放电发生时，一般不易重合闸成功。近几年来，输电线路风偏故障明显增多，与雷击放电和操作冲击放电不同，绝大多数风偏放电时发生在工作电压下，重合闸较难成功，从而导致了线路停运，给电网的安全稳定运行造成了较大的危害，同时也造成了重大的经济损失。

分析发生风偏闪络事故的原因，其中强风是最直接的原因,它使绝缘子串向杆塔方向倾斜,减小了导线和塔的空气间隙距离。因大风情况下常伴有大暴雨或冰雹, 雨在强风作用下成线分布,也使放电电压降低。其次设计中参数的选择、风压不均匀系数的选取、对恶劣气候考虑不充分等也都可以是风偏闪络事故频发的原因之一。

国内目前针对高压线风偏通常采用定期检测和故障后维修的方式，该方式耗费人力物力大，效率低，精度差，且已造成的经济和安全损失自是无法弥补。输电线路风偏在线监测系统正是为解决该问题而提出的，风偏在线监测系统可实现对重点线路的全天候监测，有效减轻巡线劳动强度，消除风偏隐患，确保输电线路的安全稳定运行。

而对于高压线在线监测系统，目前面临的一个相当棘手的问题，就是线上监测装置的供电问题，一般的电池仅能维持监测装置短时间内的供电，而更换电池等维护工作严重影响了在线监测系统的实用性，而本发明利用微风振动发电机很好的解决了这个问题。

该风偏在线监测系统旨在监测绝缘子、导线、转角塔跳线的风偏情况，判断风偏是否超标；评价安装在线路上的防风偏装置的效果，为正确选择和确定防风偏方案提供依据。一旦发现风偏水平超标，系统发出报警，可以采用相应的补救措施，同时验证防风偏设计和相关理论。

发明内容

该发明旨在通过对输电线路直线塔绝缘子串风偏、转角塔跳线风偏、导线相间风偏进行实时监测，实现风偏故障定位，为监测点所在线路设计和风偏校验提供依据；通过预警，促使运行部门采取合理的风偏防范措施，如对绝缘子串加重锤，减小强风下导线风偏角等；协助运行部门查找放电故障点，以此降低因放电跳闸造成的损失；通过监测中心对输电线路所经区域气象资料的观测、记录、收集，积累运行资料，完善风偏计算方法，同时准确的计算记录输电线路处的最大瞬时风速、风压不均匀系数、强风下的导线运动状态等相关信息，为制定合理的风偏设计标准提供技术数据，为设计单位今后的工作积累经验。

为实现上述目的，该发明采用了如下技术方案：整个系统由风偏监测装置、气象监测装置、监测基站和监测中心构成，现场监测装置通过短距离无线通讯模块把数据无线传送到监测基站, 再经由基站GPRS网络送到监测中心服务器上。同时监测中心也可以反向传送各种指令到现场监测装置,调整装置的运行状态。

本发明的高压线路风偏在线监测系统，其中所述的风偏监测装置包括球形装置外壳（Ⅰ）和壳体内设置的振动发电单元（Ⅱ）和风偏测量单元（Ⅲ），此装置无需外加电源，完全由微型振动发电单元（Ⅱ）供电；所述风偏测量单元（Ⅲ）包括传感器模块（2）、信号调理模块（4）、数据存储模块（3）、GPS模块（8）、MCU（1）和信号控制与无线收发模块（5）。传感器模块获取相应的风偏数据，交给MCU，通过信号调理模块经过相应的放大、A/D转换及相应数据处理之后，汇集GPS模块的定位和授时信息，由信号收发模块经无线传输网络定时传输给监测基站，同时数据存储模块存储数据。

所述的装置外壳（Ⅰ）由特制高强度材料制成，具有防水、防潮、防电磁干扰的性能，且外壳表面绝缘。装置安装在绝缘子串的底端地线出口处、跳线或需要监测的两相导线的档中。装置外壳两端有固定端口（6），穿过并固定在高压线上。

所述的振动发电单元（Ⅱ）包括永磁体（11）、绕组线圈（12）、伸缩弹簧（13）、整流和稳压电路（14）以及蓄电池（15）组成。

    所述的传感器模块（2）采用高精度双轴加速度传感器，通过一定的算法整合后，可以计算出所监测单元的风偏角和和倾斜角和电气间隙。

    所述的数据存储模块（3）对所采集的信息进行有效存储，保证监测装置在意外掉电后不至于数据丢失。

所述的信号调理模块（4）主要对采集到的模拟数据进行A/D转换、放大等处理。

所述的GPS模块（8）主要完成定位和授时功能，采集相应风偏点的位置和时间信息。

所述的MCU（1）采用低功耗高性能芯片，信号控制与无线收发模块（5）采用的芯片可控制实现休眠、待机等低功耗性能。

本发明的高压线路风偏在线监测系统，其中所述的气象监测单元集成风速、风向、雨量、气压、环境温度和湿度传感器等，采用太阳能加蓄电池供电方式，当阳光充足，太阳能对基站供电并对蓄电池进行充电，阳光较弱，太阳能不足以提供基站的电源时，自动切回蓄电池对其供电，在无太阳能供电情况下，蓄电池足以使用30天以上。

本发明的高压线路风偏在线监测系统，其中所述的在线监测基站包括短距离无线通讯模块、信号处理模块、数据存储模块、时钟芯片、GPRS模块、MCU和电源模块，电源模块由太阳能模块和蓄电池组成，当阳光充足，太阳能对基站供电并对蓄电池进行充电，阳光较弱，太阳能不足以提供基站的电源时，自动切回蓄电池对其供电，在无太阳能供电情况下，蓄电池足以使用30天以上。通过接收气象环境监测站和风偏监测单元发送的数据,经过解析、计算将数据发送到监测中心服务器。

本发明的高压线路风偏在线监测系统，其中所述的监测中心集成数据库、Web发布和管理系统，在线分析风偏角、倾斜角、气象环境等状态参数，具有数据存储及处理、通信管理、多参数的预警、趋势分析、统计报表功能。

高压输电线路的风偏闪络事故是近年电网故障中频发的突出问题之一，为确保高压输电线路的安全运行，在线监测高压输电线路风偏，分析及预警其可能带来的输电事故，具有极其重要的工程实用价值。该实用新型不仅能够对未来可能发生的风偏线路故障进行预警和报警及辅助决策服务，同时也可记录风偏相关数据，获取风偏故障相关资料，可以验证防风偏设计，为采取合理的风偏防治措施提供科学依据。

附图说明

图1是本发明的总体系统框图；

图2是本发明的风偏监测装置组成示意图；

图3是本发明的风偏监测装置的振动发电单元组成示意图；

图4是本发明的风偏监测装置安装结构示意图；

图5是本发明的风偏角和电气间隙计算示意图；

图6是本发明的倾斜角计算示意图；

图7是本发明的两相导线电气间隙计算示意图；

图8是本发明的在线监测基站组成示意图；

图9是本发明的监测中心专家软件数据流程图；

图10是本发明的各终端监测装置数据流程图。

具体实施方式

如图1所示，整个系统由风偏监测装置、气象监测装置、监测基站和监测中心构成，现场监测装置通过短距离无线通信模块把数据传送到监测基站, 再经由基站GPRS网络送到监测中心服务器上，同时监测中心也可以反向传送各种指令到现场监测装置,调整装置的运行状态。

如图2所示，本发明的风偏监测装置包括球形装置外壳（Ⅰ）和壳体内设置的振动发电单元（Ⅱ）和风偏测量单元（Ⅲ）；此装置无需外加电源，完全由微型振动发电单元（Ⅱ）供电；所述风偏测量单元（Ⅲ）包括传感器模块（2）、信号调理模块（4）、数据存储模块（3）、GPS模块（8）、MCU（1）和信号控制与无线收发模块（5）。传感器模块获取相应的风偏数据，交给MCU，通过信号调理模块经过相应的放大、A/D转换及相应数据处理之后，汇集GPS模块的定位和授时信息，由信号收发模块经无线传输网络定时传输给监测基站，同时数据存储模块存储数据。如果风偏测量单元检测到风偏相应数据过大，超过预先设定的阈值，则也会传输相应的信号给监测基站，基站传回监测中心，以示预警，监测人员好根据具体情况提前采取补救措施，以尽量减少损失。

所述的装置外壳（Ⅰ）由特殊高强度材料制成，具有防水、防潮、防电磁干扰的性能。装置安装在绝缘子串的底端地线出口处、跳线或需要监测的两相导线的档中。装置外壳两端有固定端口（6），穿过并固定在高压线上。

如图3所示，所述的振动发电单元（Ⅱ）包括永磁体（11）、绕组线圈（12）、伸缩弹簧（13）、整流和稳压电路（14）以及蓄电池（15）组成。振动发电单元置于装置外壳内部安装在导线上，而导线在风速等因素影响下会发生垂直振动，永磁体也会随之上下振动，与绕组之间的相对位置发生规律性变化，引起穿过绕组线圈的磁链的改变，导致绕组中产生交变的感应电动势，通过整流和稳压电路后，对风偏监测单元进行供电，同时对蓄电池充电。因该风偏监测装置功耗很低，固振动发电单元并不需要太大。当振动较弱，振动发电不足以提供监测装置的电源时，自动切回蓄电池对其供电，在无振动供电情况下，蓄电池足以使用30天以上。

所述的传感器模块（2）采用高精度双轴加速度传感器，通过一定的算法整合后，可以计算出所监测单元的风偏角和倾斜角以及电气间隙。

    所述的数据存储模块（3）对所采集的信息进行有效存储，保证监测装置在意外掉电后不至于数据丢失。

所述的信号调理模块（4）主要对采集到的模拟数据进行A/D转换、放大等处理。

所述的GPS模块（8）主要完成定位和授时功能，采集相应风偏数据当时的位置和时间信息。

所述的MCU（1）采用低功耗高性能芯片，信号控制与无线收发模块（5）采用的芯片可控制实现休眠、待机等低功耗性能。

    如图4所示，本发明的风偏监测装置在应用时，装置安装在绝缘子串的底端地线出口处、跳线或需要监测的两相导线的档中，装置外壳（Ⅰ）通过两端的固定端口（6）穿过输电导线（9），端口上有四个螺孔（7），用于插入特制螺钉固定在导线上。

风偏监测装置的工作过程是：

振动发电单元（Ⅱ）通过导线振动获取电能，对风偏测量单元（Ⅲ）进行供电，同时对蓄电池（15）充电；当导线振动幅度或频率较小，振动发电单元产生的电能不足以供应风偏测量单元（Ⅲ）正常工作时，则内部自动调整为蓄电池（15）对风偏测量单元进行供电，在无振动供电条件下，蓄电池足以维持供电30天以上。

风偏测量单元（Ⅲ）中传感器模块（2）获取相应的风偏数据，交给MCU（1），通过信号调理模块（4）中相应的放大、A/D转换及相应数据处理之后，汇集GPS模块的定位和授时信息，由信号收发模块（5）经无线传输网络定时传输给监测基站，同时数据存储模块（3）存储数据。如果风偏测量单元检测到风偏相应数据过大，超过预先设定的阈值，则也会传输相应的信号给监测基站，基站传回监测中心，以示预警，监测人员好根据具体情况提前采取补救措施，以尽量减少损失。

MCU(1)同时可控制风偏测量单元（Ⅲ）采用休眠模式，当相当一段时间（如一周以上）风偏角都很小（如2°以下）的情况下，则自动进入休眠状态，如风偏角超过一定值（如5°），则自动唤醒。同时监测中心还可以反向传送各种指令到风偏监测装置,调整装置的运行状态，如采集、发送数据，进入休眠，唤醒等。

本发明的高压线路风偏在线监测系统，其中所述的气象监测装置集成风速、风向、雨量、气压、环境温度和湿度传感器等，采用太阳能加蓄电池供电方式。本装置采用了多个传感器, 来完成对输电线路微气象环境参数的监测。其中,环境温度传感器和风速/ 风向传感器分别用于输电线路微气象的大气环境温度和风速/风向参数监测。雨量传感器和气压传感器用于输电线路的雨量和气压参数监测。监测的数据通过短距离无线通讯方式传送给监测基站。数据更新时间为1h，可以根据需求更改设定。这些微气象环境参数可以辅助对风偏参数的分析及故障预警。

如图10所示，各终端监测装置（包括风偏监测装置和气象监测装置）的数据流程如下：

1）对各模块进行初始化，做好采集数据的准备；

2）检查是否收到采集数据的命令或定时采集数据时间是否到达，若否，执行6），若是，执行3）；

3）传感器模块采集数据；

4）数据处理模块进行放大、A/D转换等处理；

5）监测装置无线收发模块通过短距离无线方式传到监测基站，同时存储模块存储数据；

6）本次结束。

如图8所示，本发明的高压线路风偏在线监测系统，其中所述的在线监测基站包括短距离无线通讯模块、信号处理模块、数据存储模块、时钟芯片、GPRS模块、MCU和电源模块，电源模块由太阳能模块和蓄电池组成，当阳光充足，太阳能对基站供电并对蓄电池进行充电，阳光较弱，太阳能不足以提供基站的电源时，自动切回蓄电池对其供电，在无太阳能供电情况下，蓄电池足以使用30天以上。基站通过接收气象环境监测装置和风偏监测装置发送的数据,经过解析、计算将数据发送到监测中心服务器。在线监测基站接收现场监测装置的实时数据，实现无线传感器网络和后端通信网络两个协议栈的转换，并经过相应的转换转变为后端协议，将数据发送到监测管理平台。基站还可以接收后端监测管理平台的指令以及对现场作出的判断，按一定的工作模式，发送控制指令，控制监测装置采集数据，还可以改变监测装置节点的运行状态。

本发明的高压线路风偏在线监测系统，其中所述的监测中心集成数据库、Web发布和管理系统，在线分析风偏角、倾斜角、气象环境等状态参数，具有数据存储及处理、通信管理、多参数的预警、趋势分析、统计报表功能。

（1）监测中心具备的功能：

1）输电线路运行状态信息管理平台。输电线路运行状态信息管理平台软件系统，具有强大的信息集成、图标显示、统计、分析功能，并能直观的给出设施状况的评价，或者运行人员以平台信息为基础进行人工分析，以便提供决策和正确发布指令。

2）预警等级及预警阈值。采取分级预警机制，级别的多少可根据需要确定，一般可设置为四级预警机制，如绿色、黄色、橙色和红色。

3）应急预案。根据输电线路运行监测及预警系统得到的线路运行状态和报警信息，研究应急处理措施，针对不同的状况和预警等级，启动和采取相应等级的应急预案。

（2）专家软件系统：

本系统上位机由数据读取、数据处理、数据显示、越限报警、数据保存等模块组成。

如图9所示，在监控中心的数据流程如下：

1）  上位机上首先对串口进行初始化设置，等待接收数据；

2）  检测串口是否有数据，如果有数据，执行步骤3），串口如果没有数据，则执行步骤9）；

3）  读取串口数据；

4）  对串口接收的数据进行解码；

5）  对解码后的数据进行滤波、算法计算处理，并生成相应图形直观显示出来；

6）  对处理后的数据信息进行综合分析评判并存储，若数据超过报警阀值，执行步骤7），若没有，执行步骤8）；

7）  上位机生成报警信息，执行步骤9）；

8）  上位机显示运行正常，执行步骤9）；

9）本次结束。

风偏角等的计算方法如下：

如图5，L₃为等效悬挂线，（19）为风偏监测装置等效点，L₁为等效横担，L₂为等效塔杆，（g）为重力加速度，（θ）为风偏角，设传感器在该方向上加速度为0时输出电压值为V₀，加速度为g时输出电压值为V_g，当前值为V，

则

风偏角为

θ=arcsin(（V- V₀）/V_g)

导线与塔杆电气间隙为

r= L₁- L₃*sinθ

同理，如图6，（20）为高压线，

则倾斜角

α=arcsin(（V- V₀）/V_g)

其中V为相应轴向上读出的电压值；

如图7，两相导线间的电气间隙R计算方法如下：

R=sqart[(h+ L₆cosθ₁- L₅cosθ₂)²+( L₄-L₆sinθ₁- L₅sinθ₂)²]

其中（21）为风偏监测装置等效点，L₅、L₆为两相导线上风偏测量装置的等效悬挂线，θ₁、θ₂为分别的风偏角，L₄为等效悬挂点之间的水平距离，h为两相导线间的垂直距离。

之后经过相应的修正处理，便可求得精确的风偏角和倾斜角以及电气间隙。

采用本方法远程监测输电线路风偏情况，不需要人工干预，可以实现24小时不间断实时在线监测。系统对风偏采集到的数据在上位机进行综合评判，当输电导线风偏值超过警戒值时，系统发出预警，指导专业工作人员进行及时处理。

Claims (8)

1.一种基于振动发电的高压线风偏在线监测系统，其由风偏监测装置、气象监测装置、监测基站和监测中心构成，风偏监测装置和气象监测装置组成的现场监测装置通过短距离无线通讯方式把数据无线传送到监测基站, 再经由监测基站GPRS网络送到监测中心服务器上，同时监测中心反向传送各种指令到现场监测装置,调整现场监测装置的运行状态；其中所述的风偏监测装置包括球形装置外壳（Ⅰ）和壳体内设置的振动发电单元（Ⅱ）和风偏测量单元（Ⅲ）；此装置无需外加电源，完全由振动发电单元（Ⅱ）供电；所述风偏测量单元（Ⅲ）包括传感器模块（2）、信号调理模块（4）、数据存储模块（3）、GPS模块（8）、MCU（1）和信号控制与无线收发模块（5）；传感器模块（2）获取相应的风偏数据，交给MCU（1），通过信号调理模块（4）经过相应的放大、A/D转换及相应数据处理之后，汇集GPS模块（8）的定位和授时信息，由信号控制与无线收发模块（5）通过短距离无线通讯方式定时传输给监测基站，同时数据存储模块（3）存储数据；如果风偏测量单元（Ⅲ）检测到风偏相应数据信息过大，超过预先设定的阈值，则也会传输相应的信号给监测基站，监测基站传回监测中心，以示预警，监测人员好根据具体情况提前采取补救措施，以尽量减少损失；其中：所述的装置外壳（Ⅰ）由特制高强度材料制成，具有防水、防潮、防电磁干扰的性能，且外壳表面绝缘。

2.根据权利要求1所述的基于振动发电的高压线风偏在线监测系统，该装置外壳（Ⅰ）两端有固定端口（6），穿过并固定在高压线上；

所述的振动发电单元（Ⅱ）包括永磁体（11）、绕组线圈（12）、伸缩弹簧（13）、整流和稳压电路（14）以及蓄电池（15）组成；振动发电单元（Ⅱ）置于装置外壳内部安装在导线上，而导线在风速因素影响下会发生垂直振动，永磁体也会随之上下振动，与绕组之间的相对位置发生规律性变化，引起穿过绕组线圈的磁链的改变，导致绕组中产生交变的感应电动势，通过整流和稳压电路后，对风偏监测单元进行供电，同时对蓄电池充电；因该风偏监测装置功耗很低，固振动发电单元并不需要太大，当振动较弱，振动发电不足以提供监测装置的电源时，自动切回蓄电池对其供电，在无振动供电情况下，蓄电池足以使用30天以上；

所述的传感器模块（2）采用双轴加速度传感器，通过一定的算法整合后，计算出所监测单元的风偏角和倾斜角以及电气间隙；

所述的数据存储模块（3）对所采集的信息进行有效存储，保证监测装置在意外掉电后不至于数据丢失；

所述的信号调理模块（4）主要对采集到的模拟数据进行A/D转换、放大处理；

所述的GPS模块（8）主要完成定位和授时功能，采集相应风偏数据当时的位置和时间信息；

所述的MCU（1）采用低功耗高性能芯片，信号控制与无线收发模块（5）采用的芯片可控制实现休眠、待机低功耗性能； MCU(1)可控制风偏测量单元（Ⅲ）采用休眠模式，当相当一段时间风偏角都很小的情况下，则自动进入休眠状态，如风偏角超过一定值，则自动唤醒。

3.根据权利要求1所述的基于振动发电的高压线风偏在线监测系统，所述的风偏监测装置安装在绝缘子串的底端地线出口处、跳线或需要监测的两相导线的档中，装置外壳（Ⅰ）通过两端的固定端口（6）穿过输电导线（9），端口上有四个螺孔（7），用于插入特制螺钉固定在导线上。

4.根据权利要求1所述的基于振动发电的高压线风偏在线监测系统，其特征在于：所述的气象监测装置集成风速、风向、雨量、气压、环境温度和湿度传感器，采用太阳能加蓄电池供电方式；气象监测装置采用了多个传感器, 来完成对输电线路微气象环境参数的监测，其中,环境温度传感器和风速/风向传感器分别用于输电线路微气象的大气环境温度和风速/风向参数监测；雨量传感器和气压传感器用于输电线路的雨量和气压参数监测；监测的数据通过短距离无线通讯方式传送给监测基站；数据更新时间间隔为1h；这些微气象环境参数辅助对风偏参数的分析及故障预警。

5.根据权利要求1所述的基于振动发电的高压线风偏在线监测系统，其特征在于：所述的风偏监测装置和气象监测装置的数据流程如下：

1）对各模块进行初始化，做好采集数据的准备；

2）检查是否收到采集数据的命令或定时采集数据时间是否到达，若否，执行6），若是，执行3）；

3）传感器模块采集数据；

4）信号调理模块（4）进行放大、A/D转换处理；

5）信号控制与无线收发模块（5）通过短距离无线方式传到监测基站，同时存储模块存储数据；

6）本次结束。

6.根据权利要求1所述的基于振动发电的高压线风偏在线监测系统，其特征在于：所述的监测基站包括短距离无线通讯模块、信号处理模块、数据存储模块、时钟芯片、GPRS模块、MCU和电源模块，电源模块由太阳能模块和蓄电池组成，当阳光充足，太阳能对监测基站供电并对蓄电池进行充电，阳光较弱，太阳能不足以提供监测基站的电源时，自动切回蓄电池对其供电，在无太阳能供电情况下，蓄电池足以使用30天以上；监测基站通过接收气象监测装置和风偏监测装置发送的数据,经过解析、计算将数据发送到监测中心服务器；监测基站接收气象监测装置和风偏监测装置的实时数据，实现无线传感器网络和后端通信网络两个协议栈的转换，并经过相应的转换转变为后端协议，将数据发送到监测管理平台；监测基站接收后端监测管理平台的指令以及对现场作出的判断，按一定的工作模式，发送控制指令，控制监测装置采集数据，改变监测装置节点的运行状态。

7.根据权利要求1所述的基于振动发电的高压线风偏在线监测系统，其特征在于：所述的监测中心集成数据库、Web发布和管理系统，在线分析风偏角、倾斜角、气象环境状态参数，具有数据存储及处理、通信管理、多参数的预警、趋势分析、统计报表功能。

8.根据权利要求7所述的基于振动发电的高压线风偏在线监测系统，其特征在于：所述的监测中心的上位机由数据读取、数据处理、数据显示、越限报警、数据保存模块组成。

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