CN113983987A - 一种输电线路覆冰动态监测方法、系统、装置及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电线路覆冰动态监测方法、系统、装置及存储介质，其方法包括获取典型气象条件下的环境温度和导线最大比载，确定导线应力方程；采用牛顿迭代法计算关联杆塔两侧导线在垂直平面内的导线应力；计算得到关联杆塔的垂直档距；获取关联杆塔的风偏角，计算关联杆塔的垂直档距在风偏平面内对应的导线长度；获取绝缘子串所承受的拉力值和绝缘子串顺线方向倾斜角，计算得到导线覆冰后的单位长度荷载；计算得到导线单位长度的覆冰荷载；根据导线单位长度的覆冰荷载计算得到导线等值覆冰厚度；本发明能够考虑环境温度、最大比载等参数影响，实现了对导线等值覆冰厚度的动态监测，提高了输电线路覆冰监测的准确性。

Description

一种输电线路覆冰动态监测方法、系统、装置及存储介质

技术领域

本发明涉及一种输电线路覆冰动态监测方法、系统、装置及存储介质，属于输电线路技术领域。

背景技术

输电线路覆冰后如果出现自行脱落，则会造成导线相碰、引起线路跳闸。在导线悬挂点会产生冲击力和冲击荷载，造成导线断股断线。输电线路覆冰如果不脱落，持续增长，会增大导线张力，张力和荷载超过金具的机械强度后，也会造成断线。导线张力增大，会加大杆塔各个部位和杆塔基础的力矩和荷载，荷载超过杆塔机械强度一定的限值，就会造成杆塔基础下降、杆塔弯曲、倾斜，杆塔某些部分折断甚至倒塔。

线路覆冰引起的上述故障是电网长期面临的潜在威胁，影响电网的安全运行。上述故障发生时，受到天气、交通等因素的影响，有时不能快速地对故障线路进行抢修，导致用户长时间停电，影响用户日常生活和社会秩序，造成严重的经济损失。

采用覆冰监测系统对输电线路覆冰进行监测是目前应对上述故障的重要方法。覆冰监测系统通常由各类传感器、无线公用通信网络、监控系统主站、覆冰监测应用软件等组成。目前基于称重的力学载荷监测方法是：采用拉力传感器、角度传感器采集现场数据，将现场采集数据通过无线公用通信网络回传至输电线路覆冰监测系统主站，在监控系统主站完成导线覆冰荷载的计算，实现对输电线路导线覆冰状态的监测。现有的基于称重的力学载荷监测算法通常采用导线静态应力计算覆冰监测相关的力学参数，没有考虑环境温度、最大比载等参数对导线运行应力的影响，导致覆冰监测结果准确性不高。目前在监控系统主站完成导线覆冰荷载计算的监测方案，对于无线公用通信网络信号较弱地区的易覆冰线路段，容易发生采集数据部分丢失、传输延迟等问题，导致覆冰监测的可靠性不高。

为了解决上述问题，本申请提出了一种输电线路覆冰动态监测方法、系统、装置及存储介质。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种输电线路覆冰动态监测方法、系统、装置及存储介质，通过获取导线环境温度、最大比载等参数，能够计算导线动态应力，进而实现对导线覆冰荷载的动态监测，提高了覆冰监测结果的准确性。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种输电线路覆冰动态监测方法，包括：

获取典型气象条件下的环境温度和导线最大比载，确定导线应力方程；

基于导线应力方程采用牛顿迭代法计算关联杆塔两侧导线在垂直平面内的导线应力；

基于关联杆塔两侧导线在垂直平面内导线应力计算得到关联杆塔的垂直档距；

获取关联杆塔的风偏角，计算关联杆塔的垂直档距在风偏平面内对应的导线长度；

获取绝缘子串所承受的拉力值和绝缘子串顺线方向倾斜角，结合关联杆塔的垂直档距在风偏平面内对应的导线长度，计算得到导线覆冰后的单位长度荷载；

根据导线覆冰后的单位长度荷载与导线单位长度自重荷载的差值，得到导线单位长度的覆冰荷载；

根据导线单位长度的覆冰荷载计算得到导线等值覆冰厚度。

可选的，所述导线应力方程为：

式中，

l为相邻两基杆塔的水平档距，l_tγ为相邻两基杆塔的临界档距，

σ_x为导线应力，E为导线弹性系数，γ₀为导线自重比载，γ_max为导线最大比载，β为相邻两基杆塔的高差角，a为导线温度线膨胀系数，t_x、t_min为典型气象条件时的环境温度和最低气温，σ_max为导线最大允许应力。

可选的，所述采用牛顿迭代法计算关联杆塔两侧导线在垂直平面内的导线应力包括：

对导线应力进行迭代计算，其表达式如下：

式中，

和

分别为导线应力第n次和第n+1次迭代的计算值；

E为导线弹性系数，γ₀为导线自重比载，l为相邻两基杆塔的水平档距，β为相邻两基杆塔的高差角，a为导线温度线膨胀系数，t_x、t_min为典型气象条件时的环境温度和最低气温，σ_max为导线最大允许应力；

当

停止迭代计算，得到导线应力σ_x；

式中，δ为预设的迭代阈值。

可选的，所述关联杆塔的垂直档距为：

l_H＝l₁+l₂

式中，l_H为关联杆塔的垂直档距，h_b、h_c分别为关联杆塔导线悬挂点与两侧杆塔导线悬挂点的海拔高度差，σ_xb、σ_xc分别为关联杆塔两侧导线在垂直平面内的导线应力，l_b、l_c分别为关联杆塔两侧的水平档距，β_b、β_c分别为关联杆塔两侧档距的高差角，γ为关联杆塔两侧导线自重比载。

可选的，所述关联杆塔的垂直档距在风偏平面内对应的导线长度为：

L′_H＝L′₁+L′₂

式中，

L′_H为关联杆塔的垂直档距在风偏平面内对应的导线长度，h_b、h_c分别为关联杆塔导线悬挂点与两侧杆塔导线悬挂点的海拔高度差，σ_xb、σ_xc分别为关联杆塔两侧导线在垂直平面内的导线应力，l_b、l_c分别为关联杆塔两侧的水平档距，β_b、β_c分别为关联杆塔两侧档距的高差角，γ为关联杆塔两侧导线自重比载，η为风偏角。

可选的，所述导线覆冰后的单位长度荷载为：

式中，q_ice为导线覆冰后的单位长度荷载，F为绝缘子串所受拉力值，θ为绝缘子串顺线方向倾斜角，G为绝缘子串及金具自重，m为导线分裂数，q₀为导线的单位长度自重荷载；η为风偏角，L′_H为关联杆塔的垂直档距在风偏平面内对应的导线长度。

可选的，所述导线等值覆冰厚度为：

式中，b为导线等值覆冰厚度，g为重力常数，ρ₀为雨凇覆冰密度，D为导线直径，q_ice为导线覆冰后的单位长度荷载。

第二方面，本发明提供了一种输电线路覆冰动态监测系统，包括依次电性连接的数据采集单元、基于LoRa的无线自组织网络、覆冰边缘监测装置、光电转换器及监控主站；

所述数据采集单元包括微气象传感器、拉力传感器和倾角传感器；所述微气象传感器用于获取典型气象条件下的环境温度，所述拉力传感器用于获取绝缘子串所承受的拉力值，所述倾角传感器用于获取绝缘子串顺线方向倾斜脚；

所述基于LoRa的无线自组织网络用于将数据采集单元采集的传感数据上传至覆冰边缘监测装置；

所述覆冰边缘监测装置接收传感数据并根据上述任一项所述方法计算得到导线等值覆冰厚度，并通过光电转换器将导线等值覆冰厚度信号进行处理传递至监控主站。

第三方面，本发明提供了一种输电线路覆冰动态监测装置，包括处理器及存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据上述任一项所述方法的步骤。

第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明提供的一种输电线路覆冰动态监测方法、系统、装置及存储介质，针对现有输电线路覆冰监测方法采用导线静态应力的情况，提出采用导线环境温度、最大比载等参数计算导线动态应力的方法，计算得到导线等值覆冰厚度，实现对导线覆冰荷载的动态监测，提高了覆冰监测结果的准确性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种输电线路覆冰动态监测方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的垂直平面和风偏平面示意图；

图3是本发明实施例提供的一种输电线路覆冰动态监测系统的结构图；

图4是本发明实施例提供的一种输电线路覆冰动态监测系统的监测方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一：

如图1所示，本发明实施例提供了一种输电线路覆冰动态监测方法，包括以下步骤：

步骤1、获取典型气象条件下的环境温度和导线最大比载，确定导线应力方程；

导线应力方程为：

式中，l为相邻两基杆塔的水平档距，l_tγ为相邻两基杆塔的临界档距；σ_x为导线应力，E为导线弹性系数，γ₀为导线自重比载，γ_max为导线最大比载，β为相邻两基杆塔的高差角，a为导线温度线膨胀系数，t_x、t_min为典型气象条件时的环境温度和最低气温，σ_max为导线最大允许应力。

步骤2、基于导线应力方程采用牛顿迭代法计算关联杆塔两侧导线在垂直平面内的导线应力；

对导线应力进行迭代计算，其表达式如下：

式中，

和

分别为导线应力第n次和第n+1次迭代的计算值；

当

停止迭代计算，得到导线应力σ_x；

式中，δ为预设的迭代阈值。

步骤3、基于关联杆塔两侧导线在垂直平面内导线应力计算得到关联杆塔的垂直档距；

关联杆塔的垂直档距为：

l_H＝l₁+l₂

式中，l_H为关联杆塔的垂直档距，h_b、h_c分别为关联杆塔导线悬挂点与两侧杆塔导线悬挂点的海拔高度差，σ_xb、σ_xc分别为关联杆塔两侧导线在垂直平面内的导线应力，l_b、l_c分别为关联杆塔两侧的水平档距，β_b、β_c分别为关联杆塔两侧档距的高差角，γ为关联杆塔两侧导线自重比载。

步骤4、获取关联杆塔的风偏角，计算关联杆塔的垂直档距在风偏平面内对应的导线长度；

关联杆塔的垂直档距在风偏平面内对应的导线长度为：

L′_H＝L′₁+L′₂

式中，L′_H为关联杆塔的垂直档距在风偏平面内对应的导线长度，γ为关联杆塔两侧导线自重比载，η为风偏角。

步骤5、获取绝缘子串所承受的拉力值和绝缘子串顺线方向倾斜角，结合关联杆塔的垂直档距在风偏平面内对应的导线长度，计算得到导线覆冰后的单位长度荷载；如图2所示，ABC为垂直平面，AB′C′为风偏平面；

导线覆冰后的单位长度荷载为：

式中，q_ice为导线覆冰后的单位长度荷载，F为绝缘子串所受拉力值，θ为绝缘子串顺线方向倾斜角，G为绝缘子串及金具自重，m为导线分裂数，q₀为导线的单位长度自重荷载；η为风偏角，L′_H为关联杆塔的垂直档距在风偏平面内对应的导线长度。

步骤6、根据导线覆冰后的单位长度荷载与导线单位长度自重荷载的差值，得到导线单位长度的覆冰荷载；

步骤7、根据导线单位长度的覆冰荷载计算得到导线等值覆冰厚度；

导线等值覆冰厚度为：

式中，b为导线等值覆冰厚度，g为重力常数，ρ₀为雨凇覆冰密度，D为导线直径，q_ice为导线覆冰后的单位长度荷载。

实施例二：

如图3所示，本发明实施例提供了一种输电线路覆冰动态监测系统，包括依次电性连接的数据采集单元、基于LoRa的无线自组织网络、覆冰边缘监测装置、光电转换器及监控主站；

数据采集单元包括微气象传感器、拉力传感器和倾角传感器；微气象传感器用于获取典型气象条件下的环境温度，拉力传感器用于获取绝缘子串所承受的拉力值，倾角传感器用于获取绝缘子串顺线方向倾斜脚；

基于LoRa的无线自组织网络用于将数据采集单元采集的传感数据上传至覆冰边缘监测装置；

覆冰边缘监测装置接收传感数据并根据上述任一项方法计算得到导线等值覆冰厚度，并通过光电转换器将导线等值覆冰厚度信号进行处理传递至监控主站。

其中，覆冰边缘监测装置，作为装置的核心处理单元，采用嵌入式处理器，用于实现覆冰监测所需采集数据的接入、数据滤波及预处理、覆冰监测核心算法、数据通信、电源及电池充放电管理等功能，根据指令进行操作以执行根据上述任一项的方法；

基于LoRa的无线自组织网络，现场通信模块，包括LoRa通信模块、485通信模块等，LoRa通信模块与LoRa节点、网关等组成现场通信网络，用于实现现场采集数据的传输、汇聚等功能，为覆冰边缘计算监测装置提供计算所需数据；

还可以包括：

远程通信模块，包括4G通信模块、以太网通信模块等，与光电转换器、OPGW光纤等组成远程通信网络，用于实现等值覆冰厚度数据的回传和远程查询/设置参数、数据召唤、远程复位、远程对时、远程调试等功能；

电源模块，采用大功率太阳能电池板和磷酸铁锂电池，确保无光照情况下连续运行30天，用于为输电线路覆冰监测边缘计算装置提供常规和应急电源。具备太阳能电池峰值功率跟踪、自动浮充、过压保护、欠压保护、过流保护等功能，可支持锂离子电池、锂聚合物电池、磷酸铁锂电池、铅酸电池等多种类型的电池。

实施例三：

如图4所示，本发明实施提供了一种输电线路覆冰动态监测系统的监测方法，输电线路覆冰动态监测系统运行于主控模块，主控模块包括工作模式判断模块、数据预处理模块、覆冰荷载计算模块等；

监测方法包括以下步骤：

通过工作模式判断模块控制输电线路覆冰动态监测系统的工作模式，工作模式包括：休眠模式、在线模式和监测模式；

若在休眠模式时，关闭主控模块中所有外设，主控模块每天启动一次以完成对时；

若在覆冰季节时，输电线路覆冰动态监测系统工作于在线模式，主控模块定时采集温度、湿度、降雨量、风速等数据，

基于采集数据判断气象条件是否为易覆冰工况，如判断气象条件为易覆冰工况，则装置进入监测模式，否则保持在线模式；

覆冰边缘计算监测装置进入监测模式后，数据预处理模块定时采集温度、拉力、倾斜角、风偏角等数据，对噪点数据、缺失数据、异常数据等进行预处理，确保覆冰荷载计算所需数据的有效、完整、准确；

通过覆冰荷载计算模块，用于完成静态数据、动态数据的载入，实现覆冰荷载和等值覆冰厚度等的计算，计算完成后，存储计算结果并发送至数据融合终端，经光电转换器由OPGW光纤远距离传输至监控系统主站。

实施例四：

本发明实施例提供了一种输电线路覆冰动态监测装置，包括处理器及存储介质；

存储介质用于存储指令；

处理器用于根据指令进行操作以执行根据上述任一项方法的步骤。

实施例五：

本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一项方法的步骤。

本发明方法计算输电线路相邻两基杆塔的临界档距，提出影响导线最大允许应力的参数；获取环境温度和最大比载等参数，分别得到档距小于临界档距、档距大于临界档距情况下的导线应力方程，采用牛顿迭代法计算关联杆塔两侧导线在垂直平面内的运行应力；计算得到关联杆塔的垂直档距，获取风偏角参数，计算关联杆塔垂直档距在风偏平面内对应的导线长度；获取绝缘子串所承受的拉力值和倾斜角，结合关联杆塔垂直档距在风偏平面内对应的导线长度，建立风偏平面导线静力学方程，计算得到导线覆冰后的单位长度荷载；计算导线覆冰后单位长度荷载与导线单位长度自重荷载的差值，得到导线单位长度的覆冰荷载，进而计算得到导线等值覆冰厚度。本发明提出了考虑环境温度、最大比载等参数影响的导线动态应力计算方法，实现了对导线等值覆冰厚度的动态监测，提高了输电线路覆冰监测的准确性；本发明设计了基于LoRa的无线自组织网络，研制了输电线路覆冰边缘计算监测装置，减少了输电线路现场采集数据向覆冰监控系统主站的传输量，通过OPGW光纤实现覆冰监测数据的远距离传输，提高了输电线路覆冰监测的可靠性。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种输电线路覆冰动态监测方法，其特征在于，包括：

获取典型气象条件下的环境温度和导线最大比载，确定导线应力方程；

基于导线应力方程采用牛顿迭代法计算关联杆塔两侧导线在垂直平面内的导线应力；

基于关联杆塔两侧导线在垂直平面内导线应力计算得到关联杆塔的垂直档距；

获取关联杆塔的风偏角，计算关联杆塔的垂直档距在风偏平面内对应的导线长度；

获取绝缘子串所承受的拉力值和绝缘子串顺线方向倾斜角，结合关联杆塔的垂直档距在风偏平面内对应的导线长度，计算得到导线覆冰后的单位长度荷载；

根据导线覆冰后的单位长度荷载与导线单位长度自重荷载的差值，得到导线单位长度的覆冰荷载；

根据导线单位长度的覆冰荷载计算得到导线等值覆冰厚度。

2.根据权利要求1所述的一种输电线路覆冰动态监测方法，其特征在于，所述导线应力方程为：

式中，

l为相邻两基杆塔的水平档距，l_tγ为相邻两基杆塔的临界档距，

σ_x为导线应力，E为导线弹性系数，γ₀为导线自重比载，γ_max为导线最大比载，β为相邻两基杆塔的高差角，a为导线温度线膨胀系数，t_x、t_min为典型气象条件时的环境温度和最低气温，σ_max为导线最大允许应力。

3.根据权利要求1所述的一种输电线路覆冰动态监测方法，其特征在于，所述采用牛顿迭代法计算关联杆塔两侧导线在垂直平面内的导线应力包括：

对导线应力进行迭代计算，其表达式如下：

式中，

和

分别为导线应力第n次和第n+1次迭代的计算值；

E为导线弹性系数，γ₀为导线自重比载，l为相邻两基杆塔的水平档距，β为相邻两基杆塔的高差角，a为导线温度线膨胀系数，t_x、t_min为典型气象条件时的环境温度和最低气温，σ_max为导线最大允许应力；

当

停止迭代计算，得到导线应力σ_x；

式中，β为预设的迭代阈值。

4.根据权利要求1所述的一种输电线路覆冰动态监测方法，其特征在于，所述关联杆塔的垂直档距为：

l_H＝l₁+l₂

式中，l_H为关联杆塔的垂直档距，h_b、h_c分别为关联杆塔导线悬挂点与两侧杆塔导线悬挂点的海拔高度差，σ_xb、σ_xc分别为关联杆塔两侧导线在垂直平面内的导线应力，l_b、l_c分别为关联杆塔两侧的水平档距，β_b、β_c分别为关联杆塔两侧档距的高差角，γ为关联杆塔两侧导线自重比载。

5.根据权利要求1所述的一种输电线路覆冰动态监测方法，其特征在于，所述关联杆塔的垂直档距在风偏平面内对应的导线长度为：

L′_H＝L′₁+L′₂

式中，

L′_H为关联杆塔的垂直档距在风偏平面内对应的导线长度，h_b、h_c分别为关联杆塔导线悬挂点与两侧杆塔导线悬挂点的海拔高度差，σ_xb、σ_xc分别为关联杆塔两侧导线在垂直平面内的导线应力，l_b、l_c分别为关联杆塔两侧的水平档距，β_b、β_c分别为关联杆塔两侧档距的高差角，γ为关联杆塔两侧导线自重比载，η为风偏角。

6.根据权利要求1所述的一种输电线路覆冰动态监测方法，其特征在于，所述导线覆冰后的单位长度荷载为：

式中，q_ice为导线覆冰后的单位长度荷载，F为绝缘子串所受拉力值，θ为绝缘子串顺线方向倾斜角，G为绝缘子串及金具自重，m为导线分裂数，q₀为导线的单位长度自重荷载；η为风偏角，L′_H为关联杆塔的垂直档距在风偏平面内对应的导线长度。

7.根据权利要求1所述的一种输电线路覆冰动态监测方法，其特征在于，所述导线等值覆冰厚度为：

式中，b为导线等值覆冰厚度，g为重力常数，ρ₀为雨凇覆冰密度，D为导线直径，q_ice为导线覆冰后的单位长度荷载。

8.一种输电线路覆冰动态监测系统，其特征在于，包括依次电性连接的数据采集单元、基于LoRa的无线自组织网络、覆冰边缘监测装置、光电转换器及监控主站；

所述数据采集单元包括微气象传感器、拉力传感器和倾角传感器；所述微气象传感器用于获取典型气象条件下的环境温度，所述拉力传感器用于获取绝缘子串所承受的拉力值，所述倾角传感器用于获取绝缘子串顺线方向倾斜脚；

所述基于LoRa的无线自组织网络用于将数据采集单元采集的传感数据上传至覆冰边缘监测装置；

所述覆冰边缘监测装置接收传感数据并根据权利要求1-7任一项所述方法计算得到导线等值覆冰厚度，并通过光电转换器将导线等值覆冰厚度信号进行处理传递至监控主站。

9.一种输电线路覆冰动态监测装置，其特征在于，包括处理器及存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1-7任一项所述方法的步骤。

10.计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1-7任一项所述方法的步骤。

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