输电线路导线舞动监测技术研究资料

技术研究

XX有限公司

2011年02月

1概述 

导线舞动是指风对非圆截面导线所产生的一种低频（约为 0.1～3 Hz）、大振幅的导线自激振动。在相应的大气条件下导线舞动时常发生，且由于其大振幅(最大振幅可达到导线直径的5～300倍)、摆动、持续时间长等特点，导线舞动容易引起相间闪络、金具损坏，造成线路跳闸停电或引起烧伤导线、杆塔倒塌，导线折断等严重事故，造成重大经济损失，对输电线路的运行安全造成了巨大危害

在2008年1月份我国遭受了历史上罕见的持续的低温雨雪冰冻自然灾害天气，我国13个省（区）的电力系统运行受到严重影响，造成了巨大的经济损失，输电导线的覆冰与舞动研究在我国得到了普遍重视。

目前世界各国都在开展输电导线舞动研究，出现了各种输电导线舞动研究技术。输电导线舞动在风洞试验中的研究、输电导线舞动在试验线路上的研究均是针对输电导线舞动的理论研究，主要是通过风洞试验、试验线路上的基础研究，完善导线舞动的机理、舞动模型等有关的理论，同时也可以进行防舞装置效果、空气动力参数等的测试，例如华中理工大学曾在风洞中做过新月形覆冰导线的空气动力测试，为输电导线在覆冰条件下发生舞动的有关空气动力系数、空气动力载荷的确定提供了第一手的资料，但此两种方法无法在实际输电线路应用。 

输电导线舞动的计算机仿真技术可以根据实验数据或者现场监测的相关参量，结合计算机强大的数据处理能力进行导线舞动的计算机仿真，实现输电导线舞动的低成本、高效率的研究，但该方法也仅限于导线舞动的理论研究而无法实现在工程实践中的应用。 

采用摄像技术实现输电导线舞动的监测技术在实践中也得到了一些应用，主要是通过摄像技术给出输电导线舞动现场的定性结果，工作人员根据现场图片，做出判断，采取相应的措施，防止输电导线舞动的发生，但是该方法未实现导线舞动的定量分析，不能给出输电导线舞动的精确信息，制约了其在实际中的推广。 

基于无线通讯网络的输电导线舞动在线监测技术是最近几年研究比较热点的一种技术，主要是监测现场的各种数据（包括压力、振动频率和环境信息等），根据输电导线舞动的三自由度数学模型进行导线舞动的计算。由于导线舞动机理、数学模型的不完善（尤其数学模型出现了更为精确的多自由度）以及微气象条件的影响，该在线监测方法的应用推广也有其局限性，其数学模型要结合当地输电导线信息（主要是所处的环境、导线的类型、材料等信息）以及当地的气象信息，进行合理的修改，才能得到较为理想的结果。 

输电导线舞动受各种参量的影响，其舞动的特征各不相同，其中舞动半波数的不同，对输电导线舞动的波形就有很大的影响。基于此，作者提出了一种实现输电导线舞动在线监测的新技术—基于位移传感器、加速度传感器的输电导线舞动在线监测技术。 

2设计思想 

输电导线舞动由于受各种参量的影响，其舞动的特征就各不相同，其中舞动的半波数的不同，对输电导线舞动的波形就有很大的影响。具体来说，不同舞动半波数的舞动就有很大的差异，观测到的常见的舞动半波数主要有1个、2个、3个、4个等4种，5个及以上半波数的舞动尽管也会出现，但由于一般舞动幅值较小，不致引起线路故障，故可不予考虑。不同半波数的导线舞动的形态图见图1、3。

因此，可选取输电线路某一档距内的输电导线为监测对象，根据输电导线的长度，在上面安装不同数量的位移传感器、加速度传感器（舞动频率以及气象信息在杆塔监测分机中实现），实时或者定时发送监测的这些位移量、加速度值至监控中心，在监控中心的专家软件就可以根据接收到的数据，按照诸如最小二乘法等算法对其进行拟合，这样就可以得到较为精确的输电导线舞动轨迹以及其他诸如舞动幅值等有关输电导线舞动的特征量。由于只要加大现场监测数据的监测、发送频率，我们就可以得到足够多的点去拟合曲线，所以拟合的精度是有保证的。并且根据某一时刻的位移值以及相应的加速度值、该地区的微气象信息，我们还可以估算未来某一时间导线舞动的轨迹，从而可以给出输电导线舞动的预报警信息。具体的设计算法如下。

图1  不同半波数下的典型舞动图

Fig.1   Typical Galloping Pictures under Different Half-Waves

假设输电线路某一档距 AB 如图 2 所示，根据输电导线舞动的三自由度模型，重点考虑输电导线在水平、垂直以及扭转3个方向上的位移和加速度值，在AB段分别选取7个点，分别安装3个方向的21个位移传感器，以及在7个点附近，再安装3个方向的7个加速度传感器。在图2中，为便于分析，位移传感器和加速度传感器选在同一个点上，而在实际中，加速度传感器可以安装在位移传感器的某一范围的附近，具体的安转情况是要视具体的输电线路的信息而定。 

图2  位移、加速度传感器的安装示意图

如图 2 所示，AB 档的 1，2，3，4，5，6，7点在实际中就有确定的三维坐标（x，y，z），随着输电导线的不断运动，各个点的坐标是在不停地变化的，通过3个方向的位移传感器的测量，各个点的三维坐标实时/定时发送至监控中心，监控中心的专家软件就可以对各个数据进行拟合和逼近。通过这些大量的输电导线舞动的拟合曲线，我们就可以定性、定量、全面地分析导线的舞动了。其中曲线的拟合是该监测方法的重点，在实际应用中，常用的曲线拟合方法有拉格朗日插值法、牛顿插值法、逐次线性插值法以及最小二乘法，且最小二乘法是应用最广泛的一种曲线拟合方式，但在实际中，各种算法的选择可以视具体情况而定。另一方面，我们可以把 1，2，3，4，5，6，7点看作把输电导线分成8段，把每一端点测得的位移看作是起始位移S0，把测得的加速度看作相应段的起始加速度，通过积分运算，我们就可以得到该段输电导线在未来一段时间内的预测运动轨迹S：

为了能运用计算机强大的算法进行编程计算，式子（1）必须离散化为式子（2）：

由于输电导线在舞动过程中，伴随有轴方向的扭转，此时可以忽略扭转方向的位移，只求水平、垂直方向的位移有：

我们就可以拟合相应输电线路段的舞动位移曲线，根据相应的边界条件，再把各个段的位移进行整合，我们就可以得到输电线路AB 档在未来 t 时刻的舞动轨迹图。图 2中的1'-2'-3'-4'-5'-6'-7'曲线就是1-2-3-4-5-6-7曲线在未来时间t时刻的预测轨迹图。 按上述设计思想，该导线舞动在线监测系统的难点就在于传感器的安装与数量的选择以及曲线拟合算法的选择。安装的传感器越多，得到的数据越多，曲线拟合越好，精度越高，但相应的成本很高，软件的计算量很大，且过多的传感器的安装还有可能破坏输电导线舞动的数学模型。反之，成本降低了，但由于监测点有限，就不能精确地计算、拟合输电导线舞动的轨迹。因此，在实际应用中，要权衡利弊，结合输电线路的实际情况综合考虑。 

3系统简介与构成 

基于上述的设计思想，该系统的总体设计方案框图如图3所示。整个系统主要由加速度/位移监测节点，杆塔监测分机、监控中心等几部分组成。

图3  系统总体设计方案框图

Fig.3  The Whole Block Diagram of the System

每个加速度/位移节点有的控制器和电源，将传感器网络的各节点放置在输电导线的特征点上。各节点与杆塔监测分机之间采取主从式星形网络拓朴结构，利用ZigBee无线网络将信息发送至杆塔监测分机[5]。杆塔监测分机集中各节点上传的信息，对信息进行分析并作相应数据处理后，通过远距离无线通讯（GPRS/CDMA）的方式输出有效数据到监控中心。监控中心根据相应输电线路舞动信息库信息对数据进行不同的处理，主要是对相应的数据进行拟合，从而实时生成输电导线某一监测点在不同时期的位移变化图以及整条输电线路的位移变化图，还可以根据得到的相关信息预测未来某一时刻输电线路的位移变化图形。

4杆塔监测分机的设计 

4.1  监测参量的选择 

舞动地区气候状况往往极其复杂，导线舞动往往与导线覆冰雪、环境温湿度、风速等因素具有很强的相关性，因此需要监测系统环境温度、湿度、风速、风向以及线路覆冰等信息[6]；此外，舞动必然会引起风偏角的明显变化，因此还需要对风偏角度进行监测。  

4.2  杆塔监测分机的功能 

杆塔监测分机定期将导线重力变化、绝缘子串倾斜角、环境温湿度、雨量以及风速等信号送入信号处理单元[7]，放大和滤波过的信号经隔离之后直接进入单片机，模拟信号经过16 位 A/D 转换器后再进入单片机，由单片机进行计算、处理。 此外，通过ZigBee网络协调器节点接收加速度/位移传感器节点传输的运动信息。加速度/位移节点安装在每个局部气象小区的架空导线或导线接头上，实际测量导线在该节点处的运行信息，通过ZigBee模块将节点采集的数据发送给杆塔监测分机上的协调器节点，由杆塔监测分级将各个监测节点的信息进行打包，通过GPRS DTU模块/CDMA模块发送到监测中心。 

4.3  杆塔监测分机的硬件设计 

由于整个系统在野外工作，所以要求整个系统功耗低、免维护运行。杆塔监测分机主要完成覆冰导线重力变化、绝缘子倾斜角度、环境信息（温度、湿度、风速、风向）以及各加速度/位移传感器节点处信息的采集、存储和传输。为了有效存储数据，系统选用闪速存储器，即使分机掉电，数据仍可有效保存10年以上。杆塔监测分机主要由太阳能电池板、充电电路、高性能蓄电池、数据闪速存储器、低功耗单片机、16位A/D转换器、压力传感器、角位移传感器、风速、风向传感器，温湿度传感器、ZigBee传输模块、GPRS/CDMA传输模块、分机软件等组成。 

5无线加速度/位移传感器节点的设计 

无线加速度/位移传感器节点主要实现导线舞动信息的监测，主要采集运动过程中输电导线各监测点在3个坐标轴上的加速度分量和位移分量。无线传感器监测节点具体硬件设计如图4所示，系统采用电池供电方式，采用ZigBee模块进行短距离无线通信。 

6系统仿真 

基于Matlab 软件的强大功能以及前期获得的输电导线舞动的相关信息，本文在理论上模拟了该在线监测系统各监测点的情况，并且根据本系统的设计思想，对各监测点在同一时刻和不同时刻的数据进行了处理、拟合，从而得到了某一监测点以及某一输电线路的位移变化仿真图。

7结  语 

本文提出的基于位移传感器、加速度传感器的

图4  传感器节点硬件图