用于確定風速的系統及方法
【專利說明】用于確定風速的系統及方法
[0001]相關串請案的交叉參考
[0002]在以下各項中揭示并主張相關標的物:2011年9月22日提出申請的國際申請案PCT/US2011/001632、美國專利申請公開案第2010/0151735 Al號、美國專利公開案第2007/0141922 Al號及美國專利第7，430，932 B2號，上述各項的整個揭示內容還以引用方式并入本文中。
技術領域
[0003]本申請案涉及數據收集，且更特定來說涉及用于電導體或其它輸電線(例如，電力輸電線、通信線、輸氣管道、輸水管道、輸油管道、鐵路、公路以及部署于地理距離內的其它輸電線)的收集數據且將導體或輸電線的所測量狀況報告給監測裝置或系統的連接器(例如，數據采集懸垂線夾)。然而，本發明的說明性實施例無需限制于用作線夾的一部分。舉例來說，本發明的實施例可在鄰近于線夾的位置處實施，或不依賴于任何線夾或其它裝置實施。本發明進一步涉及指示風在冷卻導體中的有效性的有效風速的確定。
【背景技術】
[0004]電力網
[0005]圖1到4圖解說明美國專利第8，002, 592號中所揭示的相關技術。圖1展示用于在地面上懸垂電力輸電線202的輸電塔200。塔200具有懸置臂204。絕緣體206從臂204向下延伸。一或多個懸垂線夾208位于絕緣體206的底部端處。線202連接到懸垂線夾。線夾208將電力輸電線202緊固到絕緣體206上。
[0006]圖2到4圖解說明懸垂線夾208的實例，所述懸垂線夾大體上包括上部區段210及下部支撐區段212。這兩個區段210、212各自含有形成懸垂架的主體214、216。主體214、216各自包括縱向凹部(或導體接納區域)215、217，所述縱向凹部允許在通過帶螺紋的緊固件201 (未展示)將兩個區段螺栓連接(或緊固)在一起時使輸電導體202牢固地擱置于兩個區段內。此將輸電導體202包裝在兩個主體之間以在線夾208上牢固地含有輸電導體202。并不需要帶螺紋的緊固件且可提供任何其它適合的緊固配置。
[0007]連接在一起的兩個主體214、216經由金屬托架218懸垂，所述金屬托架經由螺栓硬件220在點處附接到下部主體216。
[0008]下部主體或下部主體區段216包括第一端219及第二端221。導體接納區域(或導體接觸表面)217沿著下部主體216的頂側從第一端219延伸到第二端221。導體接納區域217形成用于接觸導體202的下半部分的下部凹槽部分。并不需要一般的凹槽形狀，且可提供任何適合配置。
[0009]在一個實施方案中，上部區段210及下部區段212各自在其相應主體214、216內嵌入電流互感器222、224的一半，在行業中所述電流互感器共同稱為開合式電流互感器。當接合這些組件222、224時，其形成在一些應用中允許感測通過導體202的電流的電磁電路。在一個實施方案中，電流互感器用于電力感測、數據收集、數據分析及數據格式化裝置。在一些實施方案中，電流互感器可位于線夾或類似裝置的外側，或在一些實施方案中，可通過另一構件提供電力。
[0010]上部區段210的主體214含有形成覆蓋板的第一部件232及第二部件234。第一部件232包括第一端233、第二端235及第一端233與第二端235之間的中間區段237。導體接納區域(或導體接觸表面)215沿著第一部件232的底側從第一端233延伸到第二端235。導體接納區域215形成用于接觸導體202的上半部分的上部凹槽部分。不需要一般的凹槽形狀，且可提供任何適合配置。在一個實施方案中，第一部件232進一步包括中間區段237處的有效地含有電子電路228的凹腔226。在此實施方案中，電子電路228經設計以接受來自數個感測組件的輸入。此腔226可由法拉第籠230環繞以使導體202對電路228產生的高電壓EMF影響的效應失效。法拉第籠還可環繞電流互感器222。覆蓋板或覆蓋板部件234可覆蓋腔226的頂部開口以將電子電路保持在主體或上部主體區段214內部。電子器件可裝納于由所述法拉第籠環繞的金屬或塑料容器中，且舉例來說，可用(例如)環氧樹脂裝入整個組合件。
[0011]電子電路228可以有意義的方式接受并量化用于監測導體202的各種參數及周圍環境的各種輸入。也可從外部安裝的電子參考裝置/組件導出所述輸入。舉例來說，所述輸入可包含:線電流參考(如從電流互感器222、224或其它構件導出)；大氣壓及溫度參考一內部及周圍(如從內部及外部熱電偶器236、238或其它構件導出)；導體的振動參考(如從加速度計240導出，例如0.1Hz到128Hz的振動傳感器，舉例來說或其它構件)；及光學參考(如從光纖光學管中的光晶體管242或其它構件導出)。舉例來說，光學參考部分可允許線夾查找并參見來自電暈的光的閃光(如果絕緣體開始出故障)或減輕指示暴風活動及/或拉力參考(如從可包含在特定實施方案中的張力應變裝置244所導出)。舉例來說，來自拉力指示器244的拉力參考可提供指示隨著導體因冰堆積而重量增加而形成冰的信息。
[0012]監督控制與數據采集(SCADA)通常是指例如計算機系統監測及控制過程的工業控制系統。由電路/電子電路導出的信息可經由非導電光纖光學電纜246離開電路228且向上提供給輸電塔200且最終到達塔的底座且饋送到用戶的SCADA系統，以允許最終用戶訪問并觀看所述視線處的電狀況及環境狀況，或可將所述信息發射到遠程位點或中央位點。然而，此實施方案已證明是有問題的。舉例來說，在極高電壓下操作的將光纖布線到線夾形成可導致電弧的電壓蠕變路徑，即使玻璃光纖及塑料護套提供為絕緣體。電弧沿著空氣與固態絕緣體之間的邊界形成。如果絕緣體僅為簡單桿，那么其將具有3倍長。懸垂線夾或其它感測裝置可替代地經配置以將信息從電子電路228以無線方式發射到接收器系統。然而，此實施方案同樣是有問題的，此歸因于適應使用線夾的距離及所監測的線夾的數目所需要的軟件的復雜性。
[0013]特定問題可發生在電流網中
[0014]輸電線面臨眾多問題。風導致振動，振動可逐漸使導線破裂或將其徹底摧毀。過量熱可導致線下垂于樹或交通中。侵蝕的導線在電流通過時將產生更多熱，但不存在知曉任何侵蝕程度的方式，這是因為侵蝕通常發生在導線內部。電暈是將在導線、絕緣體及附近的任何其它物體處腐蝕的放電類型。冰堆積可由于重量而使導線斷裂。樹可自然地掉落于導線上且如果不修整會造成危害。例如地震及森林火災等自然及人為災難可損壞輸電線。另外，當野生動物且尤其是松鼠爬到電力網的特定組件中時，其可被碳化，借此致使經由電力輸電線破壞電力輸電。此外，例如風等環境元素可影響導體的低容量。風速及導體的相關聯溫度影響電流吞吐量及因此影響電網規劃。用以提高容量的線優化是溫度相依的且當前由于缺少用于檢測風對導體的冷卻效應的有效系統及方法而僅可經由對本地狀況的保守估計而完成。因此需要可用于以動態實時方式較為可靠且準確地評價導體的狀況及其容量的較準確有效風速傳感器。
[0015]電網監測
[0016]在常規電力網中，在變電站處測量電流及電壓。線的電流容量是基于導線直徑、導線的年齡、周圍溫度及風速而估計的。然而，由于許多變量，其為有根據的推測。另外，不存在關于冰堆積的早期警告，且在結冰期間導線斷裂時才檢測到冰。振動阻尼器例行地附接到電力線以減小振動；然而，盡管存在阻尼器，但僅通過由于振動應力斷裂了多少條線來估計其有效性。電力線可產生電暈，電暈可聽起來像咝咝聲且也可通過使用可在紫外線光譜中看見的特別相機來看見。然而，此類相機較大且是昂貴的。所述相機通常被發送到其中某人聽到過咝咝聲或其中絕緣體好像被腐蝕的地方，但可能并不有效(這是因為電暈可為間歇性的且受例如濕度或氣壓的許多環境狀況的影響)。此外，大多數所提議遙控裝置需要電池電力。電池電力不適合于抬高于地面上且分布于大地理區域內使其檢修難以維持的這些應用中。除了供電挑戰以外，現有監測裝置為相對昂貴及大的，此將其使用限制于臨時應用或將安裝限于有限位點。因此，不存在機會來搜集廣泛分布的數據且做出例如以下各項等確定:通過三角測量確定閃電位置或基于全輸電線天氣狀況確定實時電力載運容量。_7] 修復或維修輸電線
[0018]最初，必須定位電力輸電線斷裂的位置。然而，電力輸電線可在變電站之間延伸數百英里，且通常唯一可用的信息是一個變電站正在供應電力且下一變電站并不在接收所供應電力。對電力輸電線的接達性可變化。在一些情形中，電力輸電線可由電動地面車輛接達。在其它情形中，線可僅由直升飛機接達，其中維修技術人員必須懸掛于直升飛機下方以維修或修復線。此類修復或檢修可極為昂貴。因此需要用于以預測及實時方式監測導體的系統及方法。
[0019]通信問題
[0020]為檢索關于系統的信息，快速及安全的通信是必要的。經由以太網的無線電通信是一個選項。然而，組織以太網需要使用稱為路由器或交換機的裝置。每一路由器或交換機將觀看以太網信息包且在所述包到達端口時記錄源地址及目的地地址。如果目的地是已知的，那么僅將包轉發到已知連結到所述目的地裝置的一個端口。如果其并非已知地址，那么將其重傳到除其所到達的所述端口以外的所有端口。當目的地裝置做出響應時，源地址將出現在單個端口上的包中，此準許路由器或交換機借助所述特定目的地地址得知發送下一包的位置。
[0021]存在優化用于遞送包的路由且消除使包變得在網絡中的環路中重傳的機會的特定協議。較常見協議中的一些協議是生成樹協議及快速生成樹協議。
[0022]用于基于包的發射的普遍無線電協議是標準IEEE 802.15.4中所描述的紫蜂協議(Zigbee)。其既定用于小地理區域中的相對小無線電網絡。其非常適合于單個建筑物或數英畝的房產。然而，當無線電變得為數眾多且擴展于大區域時，所述系統變得不可實行。最遙遠的無線電消息必須通過協調元件(例如，較高技能的無線電)來重傳，直到到達目的地為止。由于存在對回復的時間限制，因此網絡的物理尺寸受限制。
[0023]盡管存在用于監測輸電線的裝置，但所述裝置面臨著上述的供電、診斷及通信挑戰。需要允許快速分析任何實際或潛在修復問題及沿著輸電線的電力優化能力(例如，舉例來說，準許基于真實操作狀況的增加的峰值負載對基于最壞情形天氣的保守估計)，具有較低修復成本、較好預防性檢修及較快恢復時間的系統。此外，需要傳遞及收集可通過在大地理區域內廣泛安裝感測裝置來積累的實質量的數據的簡單方式。
[0024]風確宙
[0025]電力輸電線及其它導體可因通過線的電流而變熱。對線的電流限制可受線的溫度影響。此外，線溫度可可取決于穿過線的電流、線的電阻(通常由導體的直徑界定)、周圍溫度、風速及風的方向。舉例來說，直接跨越導線吹動的小風(例如，2-mph風)可提供顯著的冷卻效應，且可增加線的電流容量。沿著導線吹動的風在冷卻方面將不太有效。雖然存在用以確定風在冷卻導體中的有效性的一些公式，但這些公式并非如所期望那般準確。
[0026]常規風速計、熱線式風速計測量周圍溫度且加熱通常由鎳鉻制成的小導線(通常具有5密耳直徑)。導線的電阻隨著溫度而變化。因此，電阻測量通常用于獲得導線的溫度。溫度可隨著風速變化。熱線式風速計使用表或公式將溫度差(熱導線溫度-周圍溫度)轉換到風速。熱線式風速計中的導線太過脆弱而不能用于例如測量有時暴露于嚴酷的環境狀況的電力線上的有效風速等應用中。因此，此常規風速計是極其脆弱的且在大多數狀況下不可對電力輸電線及其它導體實行。
【發明內容】
[0027]本發明的說明性實施例至少解決上述問題及/或缺點，且至少提供下文所描述的優點。
[0028]根據本發明的說明性實施例，提供一種數據收集的方法及用于電導體或其它輸電線(例如，電力輸電線、通信線、輸氣管道、輸水管道、輸油管道、鐵路、公路以及部署于地理距離內的其它輸電線)的數據采集裝置來收集數據且將導體或輸電線的所測量狀況報告給監測裝置或系統。結合線夾圖解說明數據采集裝置；然而，本發明的說明性實施例無需限制于用作線夾的一部分。舉例來說，本發明的實施例可在鄰近于線夾的位置處使用數據采集裝置來實施或在不依賴于任何線夾或其它連接裝置的情況下實施。
[0029]根據本發明的說明性實施例，數據采集裝置實施為將輸電線導體固持到高電壓絕緣體的智能線夾。線夾的中心中或線夾附近的開合式電流互感器收獲大約5瓦(W)到電力測量及傳感器電路。開合式電流互感器的兩半是在線夾安裝期間或在單獨安裝過程期間接合的。通信及傳感器電子器件(例如，GPS裝置及無線電)裝納于智能線夾的側上的非金屬外殼中。非金屬材料促進適當的無線電及GPS操作。外殼底部處的“T狀”延伸部裝納周圍空氣溫度及風速檢測器。風測量在不移動部件的情況下完成以幫助確保長期可靠性，且以獨特的雙級技術為特征以改進低速及高速風速測量的準確性。可使用多跳短程無線電系統來實施智能電網以將沿著線提供的數據采集裝置之間的信息中繼到一或兩個基于地面的適配器，所述適配器將所述信息轉換到標準電或光學以太網接口。每一線夾的無線電具有約I英里的大致視線范圍，且根據用于參與多跳短程無線電通信的協議操作。每一線夾經配置以在發生例如電流浪涌、過大導體溫度、過大振動、電暈等等的事件的情況下向可編程電子郵件地址發送消息(例如，較短電子郵件消息)以確保對嚴重狀況作出快速及智慧的響應。
[0030]一種用于確定有效風速的系統可包含第一檢測器、第二檢測器及處理單元。所述第一檢測器可包含:經加熱溫度感測元件，其具有加熱器及第一溫度傳感器；及第一殼體，其至少部分裝納所述經加熱溫度感測元件。所述第二檢測器可包含:未加熱或周圍溫度感測元件，其具有第二溫度傳感器；第二殼體，其至少部分裝納所述未加熱或周圍溫度感測元件。所述處理單元可以電方式或以通信方式耦合到所述經加熱溫度感測元件及/或所述未加熱或周圍溫度感測元件，且可適于根據以下各項確定所述有效風速:所述經加熱溫度感測元件處的溫度、所述未加熱或周圍溫度感測元件處的溫度及/或所述經加熱溫度感測元件處的溫度與所述未加熱或周圍溫度感測元件處的溫度之間的差。
[0031]一種確定有效風速的方法可包含:測量經加熱溫度感測元件處的溫度；測量未加熱或周圍溫度感測元件處的溫度；及根據以下各項確定所述有效速度:所述經加熱溫度感測元件處的溫度、所述未加熱或周圍溫度感測元件處的溫度及算法或值表。
【附圖說明】
[0032]在結合附圖時依據本發明的特定示范性實施例的以下詳細說明，本發明的上述及其它示范性特征、方面及優點將變得顯而易見，在附圖中:
[0033]圖1是支撐經由懸垂線夾連接的輸電線的輸電塔的透視圖；
[0034]圖2是懸垂線夾的透視圖；
[0035]圖3是圖2中所展示的懸垂線夾的橫截面圖；
[0036]圖4是圖2中所展示的懸垂線夾的第一部件的透視圖；
[0037]圖5是根據本發明的說明性實施例構造的智能線夾的透視圖；
[0038]圖6是圖5的智能線夾的分解透視圖；
[0039]圖7是圖5的智能線夾的線夾主體的俯視圖；
[0040]圖8是圖5的智能線夾的仰視圖；
[0041]圖9是圖5的智能線夾的透視圖，所述透視圖展示根據本發明的說明性實施例的電子器件殼體及各種傳感器的內容；
[0042]圖10展示根據本發明的說明性實施例構造的智能線夾的各種組件；
[0043]圖1la及Ilb分別是用于根據本發明的說明性實施例的智能線夾的電子器件殼體的俯視圖及側視圖；