基于光幕傳感器的線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備檢定系統(tǒng)

魏建林，周祥，董麗潔，穆海寶，呂中賓

（1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，鄭州450052；2.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710049）

0 引 言

受我國(guó)復(fù)雜地理?xiàng)l件的影響，很多地區(qū)電網(wǎng)在冬季易遭受冰雪、大風(fēng)天氣，可能引發(fā)舞動(dòng)災(zāi)害，加之近年來(lái)氣候變化導(dǎo)致的惡劣氣象頻繁出現(xiàn)，我國(guó)電網(wǎng)遭受舞動(dòng)災(zāi)害的概率、程度等都大為增加［1］。架空輸電線路導(dǎo)線覆冰舞動(dòng)是發(fā)生頻率高、影響范圍廣、造成損失大的一種災(zāi)害形式，舞動(dòng)故障的頻發(fā)已嚴(yán)重威脅到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［2］。面對(duì)日益復(fù)雜的氣象環(huán)境因素，為建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)國(guó)家電網(wǎng)，確保大電網(wǎng)的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要安全、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)、可靠的防舞動(dòng)理論和方案措施作為保證［3-5］。

為避免電網(wǎng)頻繁受到線路敷冰舞動(dòng)的影響，首先需要對(duì)各種架空輸電線路的敷冰舞動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)。現(xiàn)階段對(duì)輸電線路舞動(dòng)的測(cè)量方法主要有三種，分別是視頻監(jiān)控、基于加速度傳感器的舞動(dòng)監(jiān)測(cè)和光柵監(jiān)測(cè)［6-8］。隨著上述幾種監(jiān)測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展，各種型號(hào)的舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備被引入到電網(wǎng)敷冰舞動(dòng)監(jiān)測(cè)中來(lái)。但與之相對(duì)應(yīng)的是，由于在相關(guān)方面存在的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較少，線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)/檢測(cè)廠家所能依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)只有國(guó)家電網(wǎng)公司于2010年12月發(fā)布的Q/GDW 555-2010《輸電線路導(dǎo)線舞動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)規(guī)范》和Q/GDW 242-2010《輸電線路狀態(tài)檢測(cè)通用技術(shù)規(guī)范》。由于上述兩標(biāo)準(zhǔn)對(duì)線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)/監(jiān)測(cè)裝置只作了一定的技術(shù)要求，在各種監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)輸出方面沒(méi)有做出相應(yīng)的規(guī)定，導(dǎo)致市面上常見(jiàn)的各種線路監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)結(jié)果參差不齊；且由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)舞動(dòng)測(cè)試儀器或標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)標(biāo)定儀器，各廠家生產(chǎn)的設(shè)備無(wú)法進(jìn)行校準(zhǔn)。因此，巫需建立相應(yīng)的線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)/監(jiān)測(cè)設(shè)備檢定標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)/檢測(cè)裝置市場(chǎng)，提高輸電線路舞動(dòng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備的準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)工作原理

輸電線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的技術(shù)要求已經(jīng)在《輸電線路導(dǎo)線舞動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)規(guī)范》中有所提及，包括舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的耐壓、抗干擾以及防護(hù)等級(jí)等相應(yīng)條件［9-11］，因此在線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備檢定系統(tǒng)中不再考量相應(yīng)的技術(shù)要求。為了檢定系統(tǒng)的測(cè)量精度，對(duì)輸電線路舞動(dòng)時(shí)的工況做以簡(jiǎn)化：只考慮全檔距內(nèi)輸電線路舞動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡而不再考慮其高壓及高場(chǎng)強(qiáng)對(duì)測(cè)量設(shè)備造成的影響。在這種條件下能夠選用各種高精度測(cè)量用傳感器從而提高線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備檢定系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。

1.1 光幕傳感器的測(cè)試原理

當(dāng)試驗(yàn)線路發(fā)生舞動(dòng)時(shí)，試驗(yàn)線路上任一點(diǎn)都會(huì)在試驗(yàn)線路的作用下發(fā)生位移。此時(shí)，若對(duì)試驗(yàn)線路其中一點(diǎn)進(jìn)行直接位移量監(jiān)測(cè)，即可獲知試驗(yàn)線路部分的舞動(dòng)信息，利用此信息便可獲得試驗(yàn)線路的舞動(dòng)特征信息。

光幕傳感器是一種利用光強(qiáng)變化進(jìn)行測(cè)量輸出的傳感器，由發(fā)射端與接收端組成；發(fā)射端發(fā)射光束并由接收端接收，通過(guò)其接收端接收到的光強(qiáng)變化產(chǎn)生輸出。若發(fā)射端與接收端之間有物體擋住發(fā)射端發(fā)射的光線時(shí)，接收端接收到的光強(qiáng)減弱從而產(chǎn)生輸出。由于光幕傳感器可進(jìn)行拼接擴(kuò)大量程，其理論量程完全滿足試驗(yàn)線路的各種舞動(dòng)幅值，其示意圖如圖1所示。

在利用圖1所示光幕傳感器測(cè)量時(shí)，若其上共布置k+1個(gè)光電開(kāi)關(guān)，每個(gè)光電開(kāi)關(guān)發(fā)射光束或接收并判斷光強(qiáng)。若任意兩光電開(kāi)關(guān)之間的距離為a，則該光幕傳感器上光電開(kāi)關(guān)的位置從底部至端部可依次表示為：

當(dāng)試驗(yàn)線路從l=ma處單向運(yùn)動(dòng)至l=na處時(shí)，記錄器切過(guò)每個(gè)光電開(kāi)關(guān)發(fā)射線的時(shí)間，分別記為：

在該段時(shí)間內(nèi)，試驗(yàn)線路的位移矩陣可表示為：

在獲得輸電線路的位移矩陣S和時(shí)間矩陣T后，帶入式（1）解出各參量，并將解出的各參量帶入式（2）中，即可獲得試驗(yàn)線路沿光幕傳感器方向的s-t曲線。

式（1）與式（2）中，1≤i≤n-m-1。

在實(shí)際的測(cè)試過(guò)程中，分別在將光幕傳感器成對(duì)布置在試驗(yàn)線路四周構(gòu)成一個(gè)矩形框，如圖2所示。以圖2中光幕傳感器B接收端為坐標(biāo)系X軸，光幕傳感器A發(fā)射端為坐標(biāo)系Y軸建立直角坐標(biāo)系。當(dāng)試驗(yàn)線路開(kāi)始舞動(dòng)時(shí)，光幕傳感器所在的平面與試驗(yàn)線路相交，交點(diǎn)在光幕傳感器所在平面上運(yùn)動(dòng)；當(dāng)此交點(diǎn)不斷運(yùn)動(dòng)時(shí)，可分別依X軸和Y軸的方向，按照上述方式分別獲得試驗(yàn)線路的x-t曲線和y-t曲線，由于此運(yùn)動(dòng)為周期性運(yùn)動(dòng)，可列出相應(yīng)邊界條件獲得式（1）中M0及Mn-m的取值，從而解出式（2）代表的x-t曲線及y-t曲線。消去時(shí)間變量t后即可獲得試驗(yàn)線路的x-y運(yùn)動(dòng)軌跡。

1.2 測(cè)試軌跡評(píng)價(jià)

在分別得到光幕傳感器與待測(cè)傳感器測(cè)量得到的線路舞動(dòng)位移軌跡后，將兩測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果重疊放置在同一XY坐標(biāo)系內(nèi)，得到的測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

為了定量表征待測(cè)系統(tǒng)的檢定結(jié)果，對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行變換：對(duì)檢定系統(tǒng)測(cè)得的X-Y軌跡分別進(jìn)行加權(quán)平均后得到坐標(biāo)（x0，y0），以此坐標(biāo)為極坐標(biāo)系極點(diǎn)，Y=y0（X≥0）為極坐標(biāo)系極軸。

在極坐標(biāo)系中選出特定的一簇直線θ=nα（n=0，1，2…，［360/α］），其分別與檢定系統(tǒng)測(cè)得的舞動(dòng)軌跡和待測(cè)系統(tǒng)測(cè)得的舞動(dòng)軌跡相交，交點(diǎn)分別記作A和B，其中：

圖2 光幕傳感器測(cè)試原理Fig.2 Test principle of light curtain sensors

圖3 檢定系統(tǒng)檢定原理Fig.3 Verification principle of verification system

則待測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)線路舞動(dòng)軌跡總誤差為：

待測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)線路舞動(dòng)軌跡最大誤差為：

式中i表示最大偏差的極坐標(biāo)系角度坐標(biāo)。若△D軌或ci超出一定范圍時(shí)，即可判定待測(cè)系統(tǒng)檢定結(jié)果不合格，不能作為輸電線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)用在電網(wǎng)中。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件部分設(shè)計(jì)

基于光幕傳感器的線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備檢定系統(tǒng)主要包括試驗(yàn)舞動(dòng)機(jī)、光幕傳感器、待測(cè)舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備檢定系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.4 Hardware structure of verification system on transmission line galloping monitoring equipment

試驗(yàn)舞動(dòng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)線路舞動(dòng)的基本設(shè)備，通過(guò)改變?cè)囼?yàn)線路兩端的拉力及實(shí)驗(yàn)舞動(dòng)機(jī)的位置可以調(diào)整試驗(yàn)線路的舞動(dòng)特征值及舞動(dòng)位移。試驗(yàn)舞動(dòng)機(jī)的起舞需要一段時(shí)間來(lái)使其達(dá)到穩(wěn)定，因此在試驗(yàn)線路的舞動(dòng)軌跡測(cè)試時(shí)，首先需部署好線路舞動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)及待測(cè)傳感器系統(tǒng)，隨后開(kāi)啟試驗(yàn)舞動(dòng)機(jī)，試驗(yàn)舞動(dòng)機(jī)帶動(dòng)試驗(yàn)線路開(kāi)始舞動(dòng)；此舞動(dòng)過(guò)程幅值逐漸增大且趨于穩(wěn)定。當(dāng)試驗(yàn)線路完全穩(wěn)定后，分別驅(qū)動(dòng)光幕傳感器系統(tǒng)和待測(cè)舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)試驗(yàn)線路的舞動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)量。

光幕傳感器系統(tǒng)是測(cè)試試驗(yàn)線路舞動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。由于光幕傳感器測(cè)試精度較高且無(wú)需與試驗(yàn)線路發(fā)生接觸，因此可較為準(zhǔn)確的獲得試驗(yàn)線路的舞動(dòng)位移特征，且精度明顯高于各種線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備。在布置光幕傳感器系統(tǒng)的過(guò)程需注意安裝精度的問(wèn)題，避免安裝過(guò)程造成的各種誤差。在接收到試驗(yàn)舞動(dòng)機(jī)穩(wěn)定的信號(hào)后，光幕傳感器系統(tǒng)開(kāi)始發(fā)送試驗(yàn)線路的舞動(dòng)位移數(shù)據(jù)。

待測(cè)傳感器系統(tǒng)是指待檢定的傳統(tǒng)線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置。檢定時(shí)，首先將待測(cè)設(shè)備按照其安裝要求布置在合適的位置處以保證其測(cè)試位置與光幕傳感器在試驗(yàn)線路上的測(cè)試位置相同。當(dāng)接收到試驗(yàn)舞動(dòng)機(jī)舞動(dòng)穩(wěn)定的信號(hào)后，待測(cè)舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備開(kāi)始輸出其線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，并將此結(jié)果傳輸給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是指對(duì)接收到的待測(cè)傳感器系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收并進(jìn)行運(yùn)算的系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，首先各種待測(cè)舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行接收，隨后對(duì)各種格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理；對(duì)加速度傳感器傳輸?shù)募铀俣葦?shù)據(jù)通過(guò)FFT、高通濾波、二次積分及IFFT后得到其測(cè)試位置處的線路舞動(dòng)單點(diǎn)軌跡；對(duì)單目設(shè)備測(cè)試得到的舞動(dòng)軌跡圖像進(jìn)行提取運(yùn)算得到檔距內(nèi)整條線路的舞動(dòng)軌跡。隨后根據(jù)光幕傳感器系統(tǒng)得到的線路舞動(dòng)軌跡對(duì)待測(cè)舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的線路舞動(dòng)軌跡進(jìn)行檢定，判斷待測(cè)舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)精度是否能夠達(dá)到要求。

2.2 軟件部分設(shè)計(jì)

上位機(jī)選擇研華工控機(jī)，通過(guò)RS485與光幕傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信，獲取測(cè)試結(jié)果。軟件部分在CVI環(huán)境下設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，其歷史數(shù)據(jù)以Excel格式進(jìn)行保存并可通過(guò)軟件重復(fù)打開(kāi)。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

在檢定系統(tǒng)工作之前，首先需要對(duì)檢定系統(tǒng)的光幕傳感器進(jìn)行自檢，判斷各光幕傳感器的測(cè)試狀態(tài)。若光幕傳感器出現(xiàn)無(wú)法接收光束或未對(duì)準(zhǔn)發(fā)射端與接收端時(shí)，傳感器自檢失敗，需重新調(diào)整光幕傳感器的位置。

圖5 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of software system

自檢通過(guò)之后，開(kāi)始配置檢定系統(tǒng)的參數(shù)，包括測(cè)試頻率、測(cè)試周期、運(yùn)行位置等。配置完成后即可命令光幕傳感器及待測(cè)舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，在接收到光幕傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)后開(kāi)始運(yùn)算并在坐標(biāo)系中繪出試驗(yàn)線路的舞動(dòng)軌跡；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)格式與光幕傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)格式一致，可一并繪制在坐標(biāo)系中。檢定完成后，所有數(shù)據(jù)以Excel格式進(jìn)行保存。系統(tǒng)提供了相應(yīng)了歷史數(shù)據(jù)查詢功能，可利用設(shè)計(jì)用戶登錄界面分配的操作權(quán)限進(jìn)行查看。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 檢定流程

檢定過(guò)程開(kāi)始前，首先需要將光幕傳感器與待測(cè)傳感器布置在相應(yīng)位置處。隨后對(duì)光幕傳感器自檢判斷其是否處于正常工作狀態(tài)。自檢通過(guò)后配置檢定系統(tǒng)的各種參數(shù)。完成上述步驟后開(kāi)始檢定。檢定流程如圖6所示。

圖6 線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備檢定流程Fig.6 Verification flowchart of transmission line galloping monitoring equipment

通電使線路舞動(dòng)機(jī)帶動(dòng)試驗(yàn)試驗(yàn)開(kāi)始舞動(dòng)。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)和待檢定傳感器分別發(fā)出命令，使其分別開(kāi)始輸出。光幕傳感器系統(tǒng)通過(guò)RS485總線直接將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)系統(tǒng)，待測(cè)舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備首先將測(cè)得的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后發(fā)送給上位機(jī)系統(tǒng)。隨后由上位機(jī)軟件對(duì)所有接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算顯示，同時(shí)將此結(jié)果進(jìn)行保存。經(jīng)過(guò)上述步驟線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備檢定完成，相應(yīng)結(jié)果已被保存，可通過(guò)軟件系統(tǒng)重新查看。

3.2 檢定結(jié)果

為了測(cè)試基于光幕傳感器的線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備檢定系統(tǒng)的檢定性能，選取電網(wǎng)中常用的線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)檢定系統(tǒng)功能進(jìn)行檢驗(yàn)，包括加速度傳感器和單目設(shè)備。在檢定時(shí)，將加速度傳感器安裝在試驗(yàn)線路上且與光幕傳感器處于同一平面；同時(shí)，將單目設(shè)備安裝在距光幕傳感器支架平面一定距離、與線路成45°的位置處，鏡頭對(duì)準(zhǔn)試驗(yàn)舞動(dòng)線路進(jìn)行拍攝。

加速度傳感器在試驗(yàn)線路穩(wěn)定后可通過(guò)以太網(wǎng)輸出試驗(yàn)線路的舞動(dòng)位移，通過(guò)此位移可獲得試驗(yàn)線路的舞動(dòng)軌跡。將測(cè)試周期定為10，并測(cè)試3次。取α為10°，則n的最大取值為36?；诠饽粋鞲衅鞯木€路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備檢定系統(tǒng)的檢定結(jié)果如表1所示。

單目設(shè)備直接對(duì)試驗(yàn)線路進(jìn)行拍攝，隨后對(duì)圖片處理后獲得試驗(yàn)線路的舞動(dòng)軌跡。同理選擇同樣10個(gè)周期，并測(cè)試3次。取α為10°，則n的最大取值為36。基于光幕傳感器的線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備檢定系統(tǒng)的檢定結(jié)果如表2所示。

表1 加速度傳感器檢定結(jié)果Tab.1 Verification results of acceleration sensors

表2 單目設(shè)備檢定結(jié)果Tab.2 Verification results of video monitoring equipment

檢定結(jié)果表明，單目設(shè)備的最大誤差小于加速度傳感器的最大誤差，且其軌跡總誤差也明顯小于加速度傳感器的軌跡總誤差。3次測(cè)試均顯示同一結(jié)果且相互之間誤差較小，表明基于光幕傳感器的線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備檢定系統(tǒng)工作穩(wěn)定且具有一定的測(cè)試精度，能夠檢定常規(guī)線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，判斷其監(jiān)測(cè)精度是否達(dá)到了一定要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于光幕傳感器的線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備檢定系統(tǒng)，能夠快速獲取試驗(yàn)線路的舞動(dòng)特征軌跡，并由上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行處理，與待測(cè)舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)試結(jié)果比較后得到檢定結(jié)果，由檢定結(jié)果可直接判定待測(cè)線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)試結(jié)果是否合格。實(shí)際應(yīng)用中的檢定結(jié)果表明，本系統(tǒng)在保證安裝精確性的條件下，能夠較為準(zhǔn)確地檢定各待測(cè)設(shè)備的測(cè)試性能，篩選出其中不合格的監(jiān)測(cè)設(shè)備，為線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備入網(wǎng)提供了相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)。