输电网络运动在线监测系统及安全评估方法技术方案

输电网络运动在线监测系统及安全评估方法。随着智能电网的建设，需要对电网的运动进行安全在线监测，并进行运动安全评估是十分必要的。由于电网的运动，必然会引起加速度监测数据的变化，加速度数据每次变化的大小和这些变化的方向及持续时间，表示电网受力的情况，也即是幅度变化的情况(幅度越大电网受力越大)；对采集的加速度数据去除温度漂移和重力加速度后，对运动数据的幅值进行计算，通过对加速度的相关分析进行分析是否扭转运动；再通过幅值的导数判断幅度变化趋势，是变大还是变小，进行运动安全评估，然后通过无线网络发送到电网监控处理中心；同时，电网监控处理中心也同样进行数据处理和分析，估计电网运动参数，进而评估出危险程度。本发明专利技术简单易于实现，更准确、更可靠。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电网运动监测及安全评估方法，属于惯性测量、信号处理、无线通讯和安全技术等多学科交叉
技术背景电网(输电线和杆塔)在风、雨和雪等自然环境因素的影响下，会引起输电导线和铁塔的运动(平动和转动)，尤其输电线会产生低频率(0.1~3Hz)、大振幅(最大振幅可达到导线直径的5~300倍)的自激振动，这些运动在一定范围之内是允许的，如果超过允许值，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或折断导线，杆塔倒塌等严重事故，则可能会对电网安全稳定、设备的安全运行构成了极大威胁，会造成重大经济损失。随着智能电网的建设，需要对电网的运动进行安全在线监测，并进行运动安全评估是十分必要的。目前对电网运动监测主要采用视频传感器、绕线传感器、GPS或差分GPS、光栅传感器(光幕传感器)、惯性传感器等，安装在导线和塔杆上，并在导线上进行多点测量来实现运动监测，研究集中在电网的舞动运动激励机理、运动的数学模型、防止运动支架的设计等方面。本专利设计涉及惯性传感器的使用，因此重点对采用惯性传感器对输电线动态监测的现状进行分析，如公开号为CN101470013B的专利技术专利公开了一种架空输电线路舞动监测方法及装置，通过加速度计多点监测，以定量的监测架空输电线路舞动的轨迹等参数；公开号CN101571413B的专利技术专利公开了基于加速度传感器的输电线路舞动在线监测系统，通过采集输电线路各监测点处的加速度值，拟合出输电线路每一时刻的运动轨迹；公开号CN102279084B的专利技术专利公开了基于微惯性测量组合的输电导线舞动的定位方法；公开号CN102564493B的专利技术专利公开了一种架空输电线路舞动在线监测系统，子站利用加速度传感器对线路舞动进行精确定位；公布号CN104931002A的专利技术专利公开了输电线路舞动轨迹多维度监测系统及监测方法，采用多个无线惯性测量单元分别设置在导线上，通过惯性测量单元测量导线的三维运动轨迹。上述这些装置或方法采用惯性测量来实现导线的定位，进而计算出轨迹运动(姿态和位置)，难度十分巨大，能够实现这些功能需要导航级惯性导航系统，体积和成本都会很大，另外惯性测量的缺点在于需要初始值和随着时间的积累误差会越来越大(如果采用积分的话)，导致最后无法测量。还有把多个测量单元直接安装在导线上的想法固然很好，但很难实施；另外无线传输必然会受到电磁干扰(因为离导线太近)。MEMS惯性传感器具有体积小、功耗低、抗振性能好，可靠性高，尤其价格低等优点，在军事和民用领域应用十分广泛。尽管电网运动包括各种复杂的运动(幅度和频率都会发生变化)，但电网有损害的主要就是电网运动的幅度和扭转及频率，至于轨迹没有那么重要，只要知道幅度、扭转及频率和振动时间就可以预测电网有没有危险，同样也可以指导如何使用弹性间隔棒防止电网运动，因为测量轨迹实在是要求太高了，另外多点测量难以实现。因此如何测量出幅度和扭转及频率是最关键的。另外还有对风速数据、风向数据、温度数据、湿度数据、雨量数据、气压数据、光辐射数据以及载荷数据的监测，就不要在杆塔上监测了，其他手段很容易实现。为此设计一种基于MEMS三轴加速度计的输电网络运动监测系统，重点通过数据分析实现运动参数的估计，进而评估电网安全等级及如何为防止电网运动提出建议，防止灾害的发生或最大限度地减少灾害造成的损失。
技术实现思路
本专利技术的目的在于把MEMS加速度计、无线通讯和信号处理技术结合在一起，设计一种基于MEMS三轴加速度计的输电网络运动在线监测系统，进而通过数据分析和处理来评估运动的安全性。电网运动监测系统包括运动监测节点、无线传输模块及天线、中空弹性杆和监控处理中心。采用加速度计和温度计、DSP处理器和无线传输模块及天线构造输电网络监测节点，把监测节点固定在中空弹性杆一端，把弹性杆固定在杆塔上，对每个节点进行数字编码，即代表监测节点的位置。由于MEMS加速度计的体积小、功耗低和价格低等诸多优点，输电网络的运动数据采用MEMS三轴加速度计，但MEMS陀螺仪数据处理过于复杂和精度有限，难以测量出杆塔和输电线的扭转运作，而是通过三轴加速度之间的耦合相关分析来测量电网的扭转(旋转)运动。由于MEMS加速度计是硅材料制作的，受外界温度影响比较大，数据需要进行温度补偿处理。监测节点的处理器选择处理速度较高的DSP处理器，带有一定容量的存储器，记录运动，能够对运动数据进行比较和分析数据的变化。贴近输电线附近电磁干扰大，采用增强型Wifi传输数据。中空的弹性杆使用一是为了使发射天线和导线有一定的距离，减小电磁干扰，二是监测节点安装弹性杆一端，由于实际的监测节点很难安装在导线上，但又不能降低监测的能力，为了增大观测能力，采用具有一定弹性一定长度的杆。弹性杆长度满足共振的范围要求，是电网运动时满足振幅最大，最大程度的敏感电网运动幅度及变化趋势和频率，由于电网振动频率较小且是变化的，不会使弹性杆振坏。供电采用电流互感器、电压互感器和备用电池构成，在输电网络有电时采用互感器经过整流和变压后直接供电，当电网无电时采用备用电池供电。由于监测节点数据具有多维性、动态性和高噪声等复杂特性，因此在电网运动监测的过程中，不能够通过对加速度数据解算得到位移或姿态来判断电网的危险性，因为这样太复杂和成本过于昂贵，只需要估计出运动幅度、扭转及频率即可判断电网的安全，即运动变化的幅度及变化趋势和频率，包括平动的幅度和扭转的幅度，对多远距离使用一个间隔棒和间隔棒尺寸都有指导作用。从运动成分来看，任何运动都是由不同运动成分组成的，关键找出运动的主要部分——几种基本的模式运动分量。监测节点采集的三轴加速度数据，进行温度补偿后进行Kalman滤波处理，再去除重力加速度后，进行小波或局域波分解，分析电网运动成分包括那些运动分量，包括运动的幅度和频率。对于电网运动(杆塔变形和杆塔倒掉)影响较大的为运动的幅度和频率，包括平动和扭转运动，也就是运动的耦合特性对导线和杆塔影响较大，需要交叉耦合分析——相关分析。平动和扭转运动交叉耦合分析采用X轴和X轴、Y轴和Y轴、Z轴和Z轴的自相关性分析，X轴和Y轴、Y轴和Z轴、Z轴和X轴进行互相关分析。由于电网的运动，必然会引起加速度监测数据的变化，加速度数据每次变化的大小和这些变化的方向及持续时间，表示电网受力的情况，也即是幅度变化的情况(幅度越大电网受力越大)；通过监测数据的运动(包括平动、转动和频率)变化程度来评估幅度运动：对采集的加速度数据去除温度漂移和重力加速度后，对运动数据的幅值进行计算，通过对加速度的相关分析进行分析是否扭转运动；再通过幅值的导数判断幅度变化趋势，是变大还是变小，进行运动安全评估，然后通过无线网络发送到电网监控处理中心；同时，电网监控处理中心也同样进行数据处理和分析，估计电网运动参数，进而评估出危险程度；为此设计一种利用加速度数据变化程度和相关程度的运动安全评估方法。运动安全评估方法步骤如下：(1)由于MEMS加速度计受温度影响较大，需要标定补偿，可把加速度计放置在静止的高低温箱中，设定不同的温度，要考虑实际的工作温度范围，标定出不同温度下的漂移数据，即第i节点的不同温度下的加速度漂移数据AiT(AiTx,AiTy,AiTz)，其中i为第i监测节点，T表示温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
输电网络运动在线监测系统，其特征在于监测节点采用内置温度计的MEMS三轴加速度计、中空弹性杆和无线传输模块及天线。

【技术特征摘要】
1.输电网络运动在线监测系统，其特征在于监测节点采用内置温度计的MEMS三轴加速度计、中空弹性杆和无线传输模块及天线。2.根据权利要求1所述输电网络运动在线监测系统，其特征在于中空的弹性杆采用不锈钢材质，长度为20~50cm，直径2cm，一段固定在杆塔上，另一段安装监测节点，中间走电源线和信号线 。3.根据权利要求1所述输电网络运动在线监测系统，其特征在于无线传输采用Wifi模块，内置PCB天线和外接外置天线，当加速度数据达到一定程度时，外置天线也启用工作，以防监控处理中心不能正常收到信号。4.输电网络运动安全评估方法，其特征在于评估方法步骤包括：(1)考虑实际的工作温度范围，标定出MEMS加速度计不同温度下的加速度漂移数据AiT(AiTx,AiTy,AiTz)，存入监测节点的Flash存储器中；(2)采集MEMS三轴加速度计输出的加速度数据，进行温度漂移补偿，即把采集的三轴加速度信号去除不同温度下的加速度漂移数据AiT(AiTx,AiTy,AiTz)；(3)每L个数据为一组，为消除偶然误差，每滑动l个数取一次平均，再去除重力加速度得到由运动引起的加速度数据Ai(Aix,Aiy,Aiz)；(4)由于电网运动会有三个轴向的平动和转动引起电网受力，即加速度可表示电网的受力大小或幅值大小，受力的总大小用Ai2=Aix2+Aiy2+Aiz2 Ai2=Aix2+Aiy2+Aiz2表示； (5)对加速度数据Ai(Aix,Aiy,Aiz)通过分段FFT变换或小波变换辨识三个轴向的运动信号的振动频率ωi(ωix,ωiy,ωiz)，根据振动周期T=2π/ω计算三个轴向的振动周期Ti(Tix,Tiy,Tiz)； (6)为了尽可能把三个轴向的运动都包含在一个时间内，采用在一个周期T= Tix+Tiy+Tiz之内滑动计算M=Ai2=Aix2+Aiy2+Aiz2的值，如果电网不运动时M=0，发生运动时不为0，什么时候最大即振动幅值最大，也即最可能发生危险的时候； (7)通过连续计算M=Ai2=Aix2+Aiy2+Aiz2变化来预测电网运动变化趋势，即M的导数dM/dT，若dM/dT为正数，即幅度增加；若dM/dT为负数，即幅度减小；若dM/dT为大数，即幅度急剧增加或减小；(8)把M进行归一化处理，由于数据存在一定的误差，因此考虑附加一个误差因子ε，即S=M(m)/Mmax+ε，Mmax为设定的最大可变形的幅值； (9)在电网的运动分量组成部分中，不仅仅存在平动，还会发生扭转运动，扭转运动会给电网带来更大威胁，扭转运动采用加速度计的三个轴向分量进行相关分析——自相关和互相关分析； (10)发生扭转运动时，X轴向加速度就会变为Y轴或Z轴的加速度，或部分变为Y轴或Z轴的加速度，即转动运动时X、Y和Z的加速度发生交叉耦合运动，对X和Y、Y和Z、Z和X的轴向加速度进行互相关分析，X和X、Y和Y、Z和Z轴向的加速度进行自相关性分析；(11)当自相关系数Rxx(m),Ryy(m),Rzz(m)大时，即X、Y和Z各自轴向的加速度与各自轴向上的加速度相似程度高，说明X、Y和Z各轴向上的加速度还是自己轴向的加速度，说明没有转化，也就是没有发生旋转运动；(12)当互相关系数Rxy(m),Ryz(m),Rzx(m)大时，即X、Y和Z各自轴向的加速度与其他轴向的加速度相似程度高，说明X、Y和Z各轴向上的加速度发生了轴向变化，也就是发生了旋转运动；(13) 0<S<0.3说明在正常运动范围之内...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨金显，李双磊，张颖，乔美英，张国澎，李冰锋，杨闯，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南;41