專利名稱：輸電線路覆冰預警及動態增容系統的在線監測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種輸電線路覆冰預警及動態增容系統的在線監測裝置，屬于高壓輸電電力監測領域。
背景技術：
無論在山區或平原地區，春、冬季節輸電線路的導線都會產生覆冰現象，對高壓輸電線路造成了很大的破壞作用，致使冰災事故頻頻發生，如2008年的特大冰災的發生嚴重威脅著電力裝置的安全運行。同時，隨著社會需求的發展和發電廠建設步伐的加快，電網規劃建設滯后、輸電走廊稀缺等引起的輸電能力不足的問題日益突出，電網輸電線路的增容需求量很大并很迫切。
在技術層面上，從線路覆冰所需的監測量和為線路增容所需考率的因素來看，兩者具有一定的相同監測參數，如所需要的氣象參數、線路高電位的監測量等。在為線路增容方面，山于線路(高壓傳輸線)載流量的計算公式采用的是通過熱平衡原理推導公式。我國現行規程(DL/T 5092--—1999 110 500KV架空送電線路設計技術規程)中采用的是英國摩爾根公式，導線載流量與環境溫度、風速、日照強度、導線溫度限額及導線本身的物理參數有關。而輸電線路的導線覆冰是在特定的自然環境條件下才能形成，目前比較成熟的覆冰理論當空氣的溫度和濕度各達到一定的條件下才可能形成覆冰，且風速和風向不同，形成覆冰的速度各不相同；當溫度和濕度滿足條件以后，形成覆冰的量決定于風速，當為無風或微風時，只能形成極薄的冰，當風速達到一定速度之后，導線上的覆冰才會越積越厚，并在風力的作用下導線作旋轉運動形成扁凌型覆冰，最終形成鋸齒狀覆冰，此時就極易出現冰閃、風鞭、甚至桿塔傾斜倒塌接到等事故。
因此，在節約資源的同時，能夠達到輸電線路監測多樣化的目的是本實用新型初衷。
發明內容
本實用新型的目的是提供一種結構合理，使用方便，能夠對高壓運行中的線
4路進行在線、有效的監測現場溫度、濕度、風速、風向、R照輻射及導線溫度、振動、傾角，絕緣子傾角、導線綜合載荷和現場圖像等，并以無線網絡通信傳輸方式，將監測到的參數即時提供給"增容系統主站"，對輸電線路及時進行多種方式報警，指導檢修、防治和增容的輸電線路覆冰預警及動態增容系統的在線監測裝置。
本實用新型的技術方案是輸電線路覆冰預警及動態增容系統的在線監測裝置，分布在需要覆冰預警監測及動態增容系統的輸電線路上，由安裝在輸電線路
上的監測子單元、安裝在桿塔上的監測主單元、專家分析系統和調度EMS系統四部分組成，監測子單元所采集的信息發送到監測主單元，然后監測主單元對數
據進行傳輸給專家分析系統，專家分析系統又與調度EMS系統連接；其特征在于所述的監測子單元和監測主單元都包括傳感器、電源模塊、數據采集及控制模塊和數據通訊模塊；
所述的傳感器在監測子單元包括導線溫度傳感器、導線振動和傾角傳感器；在監測主單元的傳感器包括導線載荷傳感器、絕緣子傾角傳感器、視頻攝像頭、日照輻射傳感器、環境溫濕度傳感器和風速、風向傳感器；各傳感器分別與數據采集及控制模塊的輸入端連接；
所述的電源模塊在監測子單元上采用高壓側取能模塊來供電，在監測主單元采用的是太陽能給鋰電池充電的方式供電或風能發電；
所述的數據通訊模塊在監測子單元上是無線射頻技術和監測主單元進行短
距離通訊，在監測主單元上無線射頻技術和GSM/GPRS/CDMA/3G通訊方式結合.
所述的數據采集和控制模塊與數據通訊模塊之間雙向鏈接。如上所述的輸電線路覆冰預警及動態增容系統的在線監測裝置，其特征在
于所述的監測子單元和監測主單元通訊方式采用無線射頻通訊技術，其頻段包
括433MHz、 868MHz、 915MHz禾卩2.4GHz。
如上所述的輸電線路覆冰預警及動態增容系統的在線監測裝置，其特征在于所述的監測主單元的數據采集和控制模塊包括低功耗的微處理器、監控電路、模數轉換電路。
如上所述的輸電線路覆冰預警及動態增容系統的在線監測裝置，其特征在于所述的高壓側取能模塊包括取電電路、變換電路、保護電路、可充電源組；所述的取電電路分別連接變換電路和保護電路；所述的可充電源組是可充的鋰電池，與變換電路的輸入端連接。
如上所述的輸電線路覆冰預警及動態增容系統的在線監測裝置，其特征在于所述的變換電路由整流電路、濾波電路、充電電路和電源變換組成；整流電路電連接濾波電路，濾波電路分別電連接充電電路和電源變換，充電電路電連接可充電源組，后者又與電源變換連接。
本實用新型的有益效果是本裝置具有實現無線化分布式測控的優點，監測子單元(終端節點)所采集的信息通過短距離無線射頻技術發送到主控監測單元
(基站節點)，然后基站節點通過GSM/GPRS/CDMA/3G技術對數據進行傳輸，并根據專家分析系統綜合各種參數包括視頻圖像、微氣象參數、導線的綜合載荷、導線的溫度、傾角和振動、絕緣子的傾角來了解線路安全，同時為調度EMS系統提供可靠的依據。無需對線路做任何改造，具有監測速度快、投資低、安全性高的優點。
圖1為本實用新型實施例組成結構示意圖。圖2為圖1中監測主單元工作原理圖。圖3為圖1中監測子單元工作原理圖。圖4為圖3中高壓側取能模塊結構示意圖。圖5為圖4中變化電路結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型做進一步的說明。
本實用新型實施例輸電線路覆冰預警及動態增容系統的在線監測裝置，分布在需要覆冰預警監測及動態增容系統的輸電線路上，如圖1所示，由安裝在輸電線路上的監測子單元(終端節點)、安裝在桿塔上的監測主單元(基站節點)、專家分析系統和調度EMS系統四部分組成，所述的監測子單元和監測主單元都包
括傳感器、電源模塊、數據采集和控制模塊和數據通訊模塊；
6所述的數據通訊模塊在監測子單元上是無線射頻(RF)技術和監測主單元進行短距離通訊，在監測主單元上無線射頻技術和GSM/GPRS/CDMA/3G通訊方式的結合
所述的監測子單元和監測主單元通訊方式采用無線射頻通訊技術，其頻段包括433MHz、 868MHz、 915MHz禾。2.4GHz。
所述的數據采集和控制模塊用于對采集到的數據進行處理、并完成對裝置的控制，其與數據通訊模塊之間雙向鏈接。所述的監測主單元的數據采集和控制模塊包括低功耗的微處理器、監控電路、模數轉換電路；其功能是實時采集所需的各種數據，同時能主動上傳監測量的警報值。監控電路完成對微處理器的監控，其與微處理器雙向連接；模數轉換電路將傳感器送來的模擬信號轉換成數字信號后，送到微處理器；微處理器用于將各信號計算處理后，送數據通訊模塊。
所述的電源模塊在監測子單元上采用高壓側取能模塊來供電，在監測主單元采用的是太陽能給鋰電池充電的方式供電或風能發電；
本實用新型實施例采用分布式無線監測的方式，把監測子單元(輸電線路高壓側的)所需的監測參數通過無線射頻(RF)的方式傳送給監測主單元(桿塔上低電位處的)，而監測主單元把所需的全部的監測參數最終通過GSM/GPRS/CDMA/3G技術傳送給監控中心的專家分析系統。專家分析系統采用趨勢分析技術，結合現場返回的數據信息和圖像信息，定性的分析線路的運行情況，定量的推算出覆冰的厚度，以三維地理信息系統(GIS)為基礎平臺，實現面向輸電線路的交互式可視化管理，三維場景下的信息査詢和分析，實現面向輸電線路的交互式、數字化的電網在線狀態安全評估。
監測主單元(基站節點)包括傾角傳感器、載荷傳感器、視頻攝像頭、風速、風向傳感器，溫度、濕度傳感器和R照輻射傳感器。主要來采集現場視頻圖像、導線綜合載荷、絕緣子傾斜角、桿塔振動、以及環境溫度、濕度、風速、風向及曰照輻射等氣象信息。在具體的安裝上，載荷傳感器是在鐵塔和緊靠鐵塔的絕緣子之間；傾角傳感器是緊貼在絕緣子的表面上；風速、風向傳感器是架在輸電線路的鐵塔上且固定在合適高度的位置；溫濕度傳感器可以和監控主單元的監控箱連在一體，通過外加百葉窗后暴露在外界環境中；日照輻射傳感器是安裝輸電線路的鐵塔上；視頻攝像頭可以架在鐵塔上的合適位置，可拍攝360度的視角，可全面觀測到鐵塔、線路及鐵塔周圍的具體情況。
監測主單元(基站節點)上所實現的功能主要是絕緣子傾角的監測，導線綜合載荷的監測、環境微氣象的監測、輸電線路的實時視頻監測等。其中傾角傳感器是用來監測絕緣子的傾角，載荷傳感器是用來監測導線的綜合載荷，視頻監測是用來實時監測輸電線路的現場情況，這三個監測量是為輸電線路覆冰預警的重要參考依據；風速、風向傳感器，溫度、濕度傳感器和R照輻射傳感器等五個傳感器是用來監測環境微氣象，是覆冰預警和增容系統的不可或缺的參數。其所實現的任務是通過無線射頻通訊和監測子單元進行數據交換同時也采集本單元的監測量，最后通過無線通訊網把所有的監測數據傳送到監控中心。如下圖2所示。
在該監測主單元中，溫濕度傳感器采用的是一體化的傳感器，并且采用的是數字的傳輸方式，其測量值直接送至核心處理器進行處理；風向、日照輻射和載荷傳感器采用的是模擬信號，其測量值要通過模數轉換后再進行處理；風速傳感器的輸出信號是脈沖信號，通過監測連續兩個脈沖信號的時間間隔來測量現場的風速；傾角和視頻攝像頭都是通過標準的RS232接口來和核心處理器進行通訊傳輸數據。
監測子單元(終端節點)的能量來源于輸電線路上，采用高壓電流互感取電的同時給鋰電池充電得以使系統長時間運行。監測子單元包括高壓側取能模塊、導線溫度傳感器、振動傳感器和傾角傳感器。導線溫度傳感器是用來測量導線溫度的，是實現輸電線路增容的一個核心的參數；而導線的振動傳感器和傾角傳感器是分別實現輸電線路舞動和傾斜角的監測，這兩個監測量是實現線路覆冰預警的重要參數之一。監測子單元的最終任務是要把三個物理量監測的數據通過無線射頻(RF)的通訊方式傳送到監測主單元(基站節點)。如下圖3所示。
在監測子單元上的高壓側取能模塊的主要功能是為整個監測子單元的各個部分電路提供獨立的工作電源。主要由取電電路、保護電路、變換電路和可充電
源組構成。如下圖4。
取電電路由感應線圈及鐵芯構成，利用互感原理，從高壓輸電線上取得工作所需的電能給變換電路。保護電路主要起瞬時保護和穩態保護兩方面的作用，用
于在高壓線路短路時保護取電電路，其輸出端與取電電路的輸入端連接；保護電路與變換電路相配合，在高壓輸電線路上短路、雷擊時起瞬時保護作用，主要器
8件是瞬變抑制二級管(TVS),在線圈兩端接一個瞬變抑制二極管(TVS)，以限制 感應線圈輸出的沖擊電壓，以保護后端的電子線路。穩態保護作用主要為使取電 電路的線圈能長時間的工作而設計的，主要的核心器件是固態繼電器，通過固態 繼電器來控制補償線圈的工作與否，來減輕取電電路的線圈的發熱問題。所述的 可充電源組是可充的鋰電池，與變換電路的輸入端連接。
變換電路主要由整流電路、濾波電路、充電電路和電源變換組成；整流電路 電連接濾波電路，濾波電路分別電連接充電電路和電源變換，充電電路電連接可
充電源組，后者又與電源變換連接，如下圖5所示。變換電路主要功能是完成對
整個取電模塊的電源控制，利用其充電管理電路(充電電路)對可充電源組進行 實時的充電，當高壓線路的電流較小時，可以使用可充電源組的電源對整個監測
子單元供電；當高壓線路的電流較大時，進行電源的切換。
所有的監測數據最終由監測主單元通過GSM/GPRS/CDMA/3G網絡上傳給 監控中心，監控中心服務器中的專家分析系統根據各種對象數學模型，綜合相應 的各種參數，計算出桿塔受力狀況、覆冰厚度、絕緣子鹽密、導線弧垂、導線應 力、線路容量裕度，線路舞動情況，結合氣象數據對覆冰趨勢進行預警，為線路 管理人員實現輸電線路的狀態檢修提供重要參考依據。從而提高線路的輸電容 量，為解決全國各大電網輸電能力問題不足的問題提供有效的途徑。
本實用新型實施例的工作流程如下本在線監測裝置的核心部件微處理器通
過日照輻射傳感器、環境溫濕度傳感器和導線溫度傳感器采集增容系統所需的相 關數據(即摩爾根公式中的環境溫度，太陽輻射強度和導線的實時溫度)，對上 述數據進行運算處理后，再由數據通訊模塊，以無線網絡通信傳輸方式，提供給
監控中心(增容系統主站)，而增容系統主站再依據從運行部門(總調)的EMS 系統獲取的本導線電流及相關導線電流數據，通過數學模型進行實時計算，確保 導線溫度限額不突變原規定值，進行輸電線路的增容運行。在線路覆冰預警方面， 根據所測載荷、傾斜角、氣象參數、導線振動、現場圖像等數據，利用趨勢分析 技術，可以模擬的分析出覆冰厚度、電導率及覆冰的發展趨勢，通過監測某一個 地區覆冰的速度、厚度、電導率來估算該地區覆冰的臨界環境，同時與歷史數據 對比，指導檢修或發出預警信號。本裝置有效的融合了覆冰預警和動態增容功能， 節省了人力、物力，是符合我國所倡導的節能型社會的一種嘗試。
權利要求1、輸電線路覆冰預警及動態增容系統的在線監測裝置，分布在需要覆冰預警監測及動態增容系統的輸電線路上，由安裝在輸電線路上的監測子單元、安裝在桿塔上的監測主單元、專家分析系統和調度EMS系統四部分組成，監測子單元所采集的信息發送到監測主單元，然后監測主單元對數據進行傳輸給專家分析系統，專家分析系統又與調度EMS系統連接；其特征在于所述的監測子單元和監測主單元都包括傳感器、電源模塊、數據采集及控制模塊和數據通訊模塊；所述的傳感器在監測子單元包括導線溫度傳感器、導線振動和傾角傳感器；在監測主單元的傳感器包括導線載荷傳感器、絕緣子傾角傳感器、視頻攝像頭、日照輻射傳感器、環境溫濕度傳感器和風速、風向傳感器；各傳感器分別與數據采集及控制模塊的輸入端連接；所述的電源模塊在監測子單元上采用高壓側取能模塊來供電，在監測主單元采用的是太陽能給鋰電池充電的方式供電或風能發電；所述的數據通訊模塊在監測子單元上是無線射頻技術和監測主單元進行短距離通訊，在監測主單元上無線射頻技術和GSM/GPRS/CDMA/3G通訊方式結合；所述的數據采集和控制模塊與數據通訊模塊之間雙向鏈接。
2、 根據權利要求1所述的輸電線路覆冰預警及動態增容系統的在線監測裝置，其特征在于所述的監測子單元和監測主單元通訊方式采用無線射頻通訊技術，其頻段包括433MHz、 868MHz、 915MHz禾卩2.4GHz。
3、 根據權利要求1所述的輸電線路覆冰預警及動態增容系統的在線監測裝置，其特征在于所述的監測主單元的數據采集和控制模塊包括低功耗的微處理器、監控電路、模數轉換電路。
4、 根據權利要求1所述的輸電線路覆冰預警及動態增容系統的在線監測裝置，其特征在于所述的高壓側取能模塊包括取電電路、變換電路、保護電路、可充電源組；所述的取電電路分別連接變換電路和保護電路；所述的可充電源組是可充的鋰電池，與變換電路的輸入端連接。
5、 根據權利要求1或4所述的輸電線路覆冰預警及動態增容系統的在線監測裝置，其特征在于所述的變換電路由整流電路、濾波電路、充電電路和電源變換組成；整流電路電連接濾波電路，濾波電路分別電連接充電電路和電源變換，充電電路電連接可充電源組，后者又與電源變換連接。
專利摘要本實用新型公開了一種輸電線路覆冰預警及動態增容系統的在線監測裝置，由安裝在輸電線路上的監測子單元(終端節點)、安裝在桿塔上的主控監測單元(基站節點)、專家分析系統、調度EMS系統四部分組成，監測子單元和監測主單元都包括傳感器、電源模塊、數據采集及控制模塊和數據通訊模塊。本裝置具有實現無線化分布式測控的優點，監測子單元所采集的信息通過短距離無線射頻技術發送到主控監測單元(基站節點)，然后基站節點通過GSM/GPRS/CDMA/3G技術對數據進行傳輸，并根據專家分析系統綜合各種參數來了解線路安全，同時為調度EMS系統提供可靠的依據。無需對線路做任何改造，具有監測速度快、投資低、安全性高的優點。
文檔編號G01P5/00GK201417182SQ20092008676
公開日2010年3月3日 申請日期2009年6月19日 優先權日2009年6月19日
發明者但小容, 俞坤師, 飛 劉, 徐思恩, 柳德偉, 陳軒恕 申請人:國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司