(改)三峡大学输电导线舞动在线监测91

***电力公司科学技术项目申请报告项目名称：基于GPRS/CDMA通信的输电线路在线监测系统单位：三峡大学起止时间：申请日期：2010年8月一、目的和意义随着EMS、微机保护、在线监测、数字化变电站等先进技术设备的投入，变电站、电厂及调度中心可靠性和安全性大大提高，目前输电线路成了电力系统的薄弱环节。近年来，输电线路冰灾事故在我国发生数千次，特别是2008年处，我国南方大范围遭遇了严重的冰雪冻雨等灾害天气，导致电网出现大面积冰灾事故。输电线路覆冰及舞动等因素造成了大量输电线路倒杆倒塔事故，严重危及电网安全可靠运行。国外在20世纪90年代针对输电线路在线监测技术开展了研究，如澳大利亚开发的绝缘子泄露电流在线监测系统，日本曾在输电线路铁塔安装多部摄像机，分别监视不同对象，同时测量环境的温度、湿度、降雨量等，然后将图像及数据通过光纤传输到监控中心，对线路管理起了巨大的促进作用，但架设光纤成本太高，未能普及开来。国内清华大学、西安交通大学等陆续开展了输电线路在线监测技术研究，，但由于前期产品稳定性差未能大规模应用。2005年一些公司开发了输电线路覆冰、导线舞动、线路防盗、图像监控等在线监测技术，取得了良好的应用效果。目前图像压缩技术、电源技术的高速发展，特别是电信部门3G系统的投入，大大降低了图像处理及传输的成本，使得输电线路在线监测系统进一步的发展成为可能。小结本项目把在线监测系统和相关理论研究结合起来，一方面利用实测数据修正仿真模型和计算参数，避免了单纯的理论研究实用性和计算精度的不足。另一方面，通过仿真，也可弥补在线监测系统布点不足，以及极端气象条件发生几率极小，实测数据难以得到的缺陷，准确的仿真模型结合气象预报和实测数据，还可以提前对输电线路的运行安全发出预警。拟开展的研究工作：(一)开发输电导线在线监测系统在线采集气象信息，输电线路视频图像等，并通过GPRS、CDMA传输回监控中心。(二)输电导线舞动、覆冰的仿真研究开展覆冰生长机理，导线舞动、杆塔和金具强度校验以及绝缘子冰闪方面理论研究，建立输电线路舞动，覆冰仿真模型，开发相应计算程序。(三)对仿真模型及参数的修订对于重点关注并安装有在线监测系统的输电线路，采用现场实测数据，对输电线路舞动及覆冰模型以及模型中的计算参数，进行拟合和修订，以提高仿真模型的精度。相关模型和参数可以应用到未装设在线监测系统的同类型线路上。(四)根据修订后的模型，开发在线预警功能。采用修订后的模型和参数，可以较准确的计算各种条件下，输电线路的覆冰和舞动情况，因此根据气象预报，并结合在线监测系统采集数据，可以对输电线路运行情况进行预警。在线路的规划设计时，根据历史气象资料，也可校核输电线路在较少发生的极端气象情况下的安全运行情况，这样可以弥补虽然有在线监测系统，但缺乏极端气象下实测数据的情况。二、国内外研究水平综述1．国外发展现状关于输电线路导线舞动现象及其理论分析的研究文献最早见于本世纪30年代,此后一些国家陆续有少数专家进行过研究。50年代以来,随着输电线路的发展,超高压线路的广泛兴建,舞动事故日益频繁,对舞动的研究越来越受到人们的重视。尤其是一些舞动频繁、危害严重的国家,如加拿大、日本、前苏联、美国等投入了大量的人力、物力、财力,借助风洞、舞动实验线段及实际运行路,并结合理论分析,对其进行了广泛的研究。迄今为止,在舞动机理方面,有DenHartog的垂直舞动机理、加拿大O1Nigol的扭转舞动机理、日本的扭转反馈机理等。在数学模型方面,有美国的W1N1McDaniel的单导线舞动线性模型,采用动力线性稳定性理论求解,日本的大月晃等对单导线情形应用能量平衡方法进行近似非线性分析,Blevins和Iwan(1974)和Yu等(1991,1992)的两自由度仰俯、扭转模型,P1Yu等(1994)的三自由度模型(用摄动法求解析解),以及Y1M1Desai等(1996)的三自由度模型(用有限元方法求解)等。2.国内发展现状早在50年代末、60年代初就已经发现舞动,此后时有发生,但由于一般只造成闪络跳闸等事故,未造成更大损失,因此对舞动问题一直未引起足够重视。近年来,随着超高压输电线路的广泛兴建,舞动问题日益突出。如湖北的14条线路在一年中曾经发生过28次舞动事故。尤其是500kV平武线湖北中山口大跨越连续数次大舞动,并在1988年底发生断线停电的大事故,造成了重大的经济损失。近年来,我国一些大专院校及科研机构如清华大学、武汉高压研究所等都对舞动进行过一些研究,但成效不大。比较成功的是1993年电力建设研究所与湖北省超高压局合作完成的“220kV及500kV输电线路导线防舞动试验研究及治理”项目。在试验手段方面,电力建设研究所建成了我国目前唯一的一条舞动试验线段。另外,华中理工大学也可以对舞动导线的一些参数通过风洞实验来确定。但总的来说国内舞动研究水平与生产实践的要求相比仍有较大差距,尤其表现在舞动试验研究技术上,尚缺乏有效的防舞效果考核手段。尽管电力建设研究所建立了试验线段,但测试手段还未配套。在风洞试验方面,只进行过少量的静态试验,还未用来进行舞动机理研究。此外,现场舞动监测也未得到广泛的开展,缺乏大量可靠的第一手舞动资料。四、项目研究内容和实施方案项目研究内容的详细说明（可分专题或按内容序号描述）本项目拟开展以下工作：（一）开发输电导线在线监测系统系统构成及原理安装在架空线路杆塔上的监测分机包含告诉一体化的CCD摄像机、云台、编码压缩模块、MCU、GPRS/CDMA通信模块、蓄电池、太阳能板以及温度、湿度、风速、风向等气象传感器。系统在每杆上安装一台监测分机，随时监测导线的舞动以及周围环境参数，每个监测单元采集到现场信息，使用GPRS网络和Internet网作为信息传输媒介传送到中心监测服务器，监测中心主机监护软件处于后台工作模式，对每一个监测单元进行信息收集及控制工作，服务器对每个采集终端采集到的电力线状况信息进行处理。当接受到某杆塔发送来的信息时，激活监护软件，监控人员可及时了解信息内容及图像，监护软件结合现场图像、环境参数自动分析输电线路的舞动情况，并确定发生舞动的线路位置、时间，及时通知巡检人员，用于提前发现电力线运行的异常状况，避免事故的发生。系统结构图导线舞动监测内容导线舞动监测的目的是获取有关舞动的一系列基本数据,从而进一步为舞动分析研究提供科学依据和基本资料。基于这一目的,舞动监测的内容可分为三个部分,一是舞动时的气象资料,包括当时当地的风速、风向、覆冰形状、覆冰厚度、气温、湿度等项目。二是舞动本身的振动特征参数,包括一档内的振动半波数、振动频率、振幅等内容。此外监测记录中尚应包括线路方面的情况,如线路名称、输电电压等级、两侧塔号、挂点高、档距、导线型号、运行张力等。环境气象传感器AD转换MCU系统电源太阳能蓄电池控制器数据存储GPRS/CDMA通信模块时钟芯片相机及控制云台及控制DA转换在实际工作中,舞动监测内容视要求不同和装备情况会有所变化,但作为对数据完整性的最基本要求,风速、风向、舞动幅值、舞动频率、档距、舞动轨迹这项内容是必须有的。（二）输电导线舞动、覆冰的仿真研究导线舞动的计算机仿真是指根据已建立的导线舞动的数学模型以及有关导线舞动的基本参数，借助计算机如MATLAB软件，对输电导线的起舞过程以及重要参量的变化（水平压力、舞动频率、水平位移、垂直位移以及空气动力载荷）进行计算机仿真，结合在线监测的内容，对实际情况下的输电导线舞动问题作出准确判断。1．仿真采用的模型输电导线舞动三自由度数学模型的建立和分析舞动分析模型经历了单自由度垂直振动模型(DOF)、两自由度模型(2DOF)、三自由度模型(3DOF)三个阶段。DOF由于忽略扭转和水平方向运动的影响,与实测结果相差较大,限于定性的讨论起舞条件、临界风速和理论振幅等问题;2DOF虽然描述了垂直振动和扭转振动耦合时的舞动情况,仍没能很好反映舞动的全局特性;而考虑水平、垂直与扭转的单导线及分裂导线的3DOF是目前考虑较全面的计算模型。输电导线舞动的三自由度模型不仅考虑了导线的覆冰特性、结构参数以及流固耦合的影响,也考虑到垂直、水平以及扭转振动之间的耦合关系,比较全面地反映了单导线舞动的特性。可以通过采用该三自由度综合耦合模型对实际输电线路的仿真计算。在覆冰和风激励下,横向振动和扭转振动往往不是孤立的,而是相互联系,互相耦合的。转动惯量系统并不是单自由度系统,而是一个同时具有垂直、水平及扭转振动的三自由系统,如图2所示。分别列出其垂直(y向)、水平(x向)的横向振动和扭转振动的运动方程如下:图2垂直、水平及扭转振动的三自由度系统模型输电导线舞动三自由度数学模型垂直方向：2220221[()2]cos2LDyyyyCdymvDCmkymrtdtt水平方向：2222022111[2]sin(2)22DDxxxixdxCmvDCmkxmrDtdtt扭转方向：222220211[()2](sin)22MMiiCCRdIvDIkDmrgtdt其中：式中m为单位长度上导线和覆冰的质量;ρ为空气的密度;v为风速；D迎风寸；yxikkk分别为水平和垂直方向的支撑刚度;为单位长度扭转刚度;为阻尼系数;为固有圆频率;r为导线半径；0为初始攻角；I为转动惯量，R为特征半径，与风洞试验试验的模型有关，通常可取为导线的半径r;im为单位长度的覆冰质量；2仿真计算的内容2.1、舞动轨迹采用三自由度模型，编程进行数值求解，模拟输电导线舞动的相关信息，得到输电线路的位移变化仿真图。2.2、导线张力（1）导线舞动时产生的动态张力分析线路舞动时,大振幅使得导线张力显著增加,常可达数十千牛,最大可使导22111(1)22yyCdxDDCdt222002211cossin(3)2iimyxdxmrmrDCttdt线张力增加近1倍。对杆塔而言,导线舞动时其张力变化量是非周期性激振力,其可离散为阶跃激振力和简谐激振力,会对杆塔造成损伤,甚至倒塔。同时由于张力变化使得绝缘子串承受的动态荷载也成倍增加,会造成连接金具、悬垂金具及绝缘子等的破坏,可以从理论方面讨论舞动产生的动态张力的变化。（2）导线舞动引起张力变化的理论计算舞动产生的导线张力变化与舞动引起的导线长度变化相对应,因此可依据胡克定律进行推算,也可根据能量平衡法进行计算。下面根据导线长度变化的方法推导张力变化的计算。在平面坐标系中,取悬垂线夹处为坐标原点,x方向为线路走向。分析中忽略相邻档导线、铁塔绕度、导线塑性变形等对张力变化的影响。根据胡克定律:00(6)LLTEAL式中:L为舞动后导线长度,m;L0为导线静止时实长,m;E为导线综合弹性模量,Pa;A为导线覆冰前截面积,m2。舞动前导线静位移为:24()(7)DxlxYl式中:l为档距,m;D为弧垂m,208WlDT所以0()(8)2WxlxYT式中:W为导线覆冰后单位长度重量,N/m;T0为舞动前导线张力,N。导线舞动位移为:0(,)sinsin(9)nfxtfxtl式中:f0为导线舞动单峰值,m;n为舞动半波数;为舞动角频率,rad/s;t为时间,s。导线舞动后的任意时刻的挠曲线方程:00()(,)sinsin(10)2WxlxnyYfxtfxtTl静止状态时,导线长度:11220011()1()(11)2YYLdxdxxx舞动后,导线长度:11220011()1()(12)2yyLdxdxxx对式(11)、(12)进行积分,并代入式(6),可得:当半波数为偶数时,222202sin(13)4EAfnTtl由于在进行舞动观测和研究时,舞动的幅值一般取峰-峰值F,F=2f0,所以(8)式可表达为:22222sin(14)16EAFnTtl研究舞动时,起关键作用的是张力变化的最大值