一种架空输电导线的风阻系数测量装置及方法

技术领域

本发明涉及高压架空输电线路技术领域，尤其涉及一种架空输电导线的风阻系数测量装置及方法。

背景技术

架空输电线路中导线受到的风压约占整个输电线路受到风压的50％～70％,导线的风压对铁塔基础和塔身本体的强度设计有着重大的影响。目前，现有标准规范中导线的风阻系数取固定值，没有考虑导线的种类、型号尺寸和分裂数等，导致输电线路的力学设计留有过大的裕度。进一步，导线的风阻系数目前多通过风洞试验测试，实际运行的导线风阻系数数据几乎空白，而实际工程中，导线所处的自然环境导致导线的风阻系数可能与实验室测量的数据有所差异。

发明内容

本发明实施例提供一种架空输电导线的风阻系数测量装置及方法，能有效解决现有技术中无法测量实际运行的导线风阻系数数据的问题，从而更准确地评估输电线路实际抗风性能。

本发明一实施例提供一种架空输电导线的风阻系数测量装置，包括：

导线风偏监测模块，均安装在任一相导线的档距中点和绝缘子悬挂点，用于实时获取所述导线的风偏数据，并将所述风偏数据发送至数据接收发射装置；

导线拉力监测模块，安装在所述导线的最低点，用于实时获取所述导线的拉力数据，并将所述拉力数据发送至所述数据接收发射装置；

气象监测模块，安装在与所述导线等高的杆塔上，用于实时获取气象数据，并将所述气象数据发送至所述数据接收发射装置；

所述数据接收发射装置，分别与所述导线风偏监测模块、所述导线拉力监测模块、所述气象监测模块、服务器通讯连接，用于将接收到的所述风偏数据、所述拉力数据和所述气象数据传输至所述服务器；

所述服务器，用于根据所述风偏数据、所述拉力数据和所述气象数据，计算所述导线的风阻系数，并对所述风阻系数进行校验。

作为上述方案的改进，所述服务器被配置为，还包括：

所述根据所述风偏数据、所述拉力数据和所述气象数据，计算所述导线的风阻系数，具体包括：

采用预设的枚举算法，设定风阻系数枚举区间及枚举精度，以得到多个预设风阻系数；

根据预先获取的导线基本参数、所述预设风阻系数和所述气象数据，计算所述导线的导线总比载；其中，所述气象数据包括气温数据、风速数据和风向数据；

根据所述导线总比载，计算各所述预设风阻系数对应的风偏角计算值；

将所述风偏角计算值与风偏角实测值进行对比，筛选当所述风偏角计算值最接近所述风偏角实测值时对应的预设风阻系数作为所述导线的风阻系数；其中，所述风偏角实测值为安装在同一导线的档距中点和绝缘子悬挂点的导线风偏监测模块所测量的风偏数据的平均值。

作为上述方案的改进，所述服务器被配置为，还包括：

所述对所述风阻系数进行校验，具体包括：

获取所述导线的最大弧垂实测值；

通过所述拉力数据和所述导线总比载，利用所述悬链线方程，得到所述导线的最大弧垂计算值；

将所述最大弧垂计算值与所述最大弧垂实测值进行比对，得到所述风阻系数的测量误差比。

作为上述方案的改进，所述服务器被配置为，还包括：

通过如下公式计算所述导线的导线总比载：

其中，γ为所述导线总比载，是导线的自重比载与风压比载的矢量和；γ

通过如下公式校验风偏角计算值：

其中，y为所述导线的位置纵坐标，x为所述导线的位置横坐标，σ

作为上述方案的改进，所述导线风偏监测模块包括双轴角度传感器和第一无线数据传输器；

所述双轴角度传感器，用于实时获取所述导线的风偏数据；

所述第一无线数据传输器，与所述双轴角度传感器、所述数据接收发射装置连接，用于接收来自所述双轴角度传感器的风偏数据，并将所述风偏数据发送至所述数据接收发射装置。

作为上述方案的改进，所述气象监测模块包括温度传感器、风速风向传感器和第二无线数据传输器；

所述温度传感器，用于实时获取所处环境的气温数据；

所述风速风向传感器，用于实时获取风速数据和风向数据；

所述第二无线数据传输器，与所述温度传感器、所述风速风向传感器、所述数据接收发射装置连接，用于接收来自所述温度传感器的气温数据以及来自所述风速风向传感器的风速数据和风向数据，并将所述气温数据、所述风速数据和所述风向数据发送至所述数据接收发射装置。

作为上述方案的改进，所述导线拉力监测模块包括导线拉力传感器和第三无线数据传输器；

所述导线拉力传感器，用于实时获取导线最低点的拉力数据；

所述第三无线数据传输器，与所述导线拉力传感器、所述数据接收发射装置连接，用于接收来自所述导线拉力传感器的拉力数据，并将所述拉力数据发送至所述数据接收发射装置。

作为上述方案的改进，所述气象监测模块还包括第一太阳能电池板；所述气象监测模块利用所述第一太阳能电池板供电；

所述数据接收发射装置包括第二太阳能电池板；所述数据接收发射装置利用所述第二太阳能电池板供电；

所述导线风偏监测模块还包括第一高压取电设备；所述导线风偏监测模块利用所述第一高压取电设备供电；

所述导线拉力监测模块还包括第二高压取电设备；所述导线拉力监测模块利用所述第二高压取电设备供电。

本发明另一实施例对应提供了一种架空输电导线的风阻系数测量方法，其特征在于，适用于上述的架空输电导线的风阻系数测量装置，包括步骤：

导线风偏监测模块实时获取任一相导线的风偏数据，并将所述风偏数据发送至数据接收发射装置；其中，所述导线风偏监测模块均安装在所述导线的档距中点和绝缘子悬挂点上；

导线拉力监测模块实时获取所述导线的拉力数据，并将所述拉力数据发送至所述数据接收发射装置；其中，所述导线拉力监测模块安装在所述导线的最低点处；

气象监测模块实时获取气象数据，并将所述气象数据发送至所述数据接收发射装置；其中，所述气象监测模块安装在与所述导线等高的杆塔上；

所述数据接收发射装置将接收到的所述风偏数据、所述拉力数据和所述气象数据传输至服务器；

所述服务器根据所述风偏数据、所述拉力数据和所述气象数据，计算所述导线的风阻系数，并对所述风阻系数进行校验。

作为上述方案的改进，所述根据所述风偏数据、所述拉力数据和所述气象数据，计算所述导线的风阻系数，具体包括：

采用预设的枚举算法，设定风阻系数枚举区间及枚举精度，以得到多个预设风阻系数；

根据预先获取的导线基本参数、所述预设风阻系数和所述气象数据，计算所述导线的导线总比载；其中，所述气象数据包括气温数据、风速数据和风向数据；

根据所述导线总比载，计算各所述预设风阻系数对应的风偏角计算值；

将所述风偏角计算值与风偏角实测值进行对比，筛选当所述风偏角计算值最接近所述风偏角实测值时对应的预设风阻系数作为所述导线的风阻系数；其中，所述风偏角实测值为安装在同一导线的档距中点和绝缘子悬挂点的导线风偏监测模块所测量的风偏数据的平均值；

所述对所述风阻系数进行校验，具体包括：

获取所述导线的最大弧垂实测值；

通过所述拉力数据和所述导线总比载，利用所述悬链线方程，得到所述导线的最大弧垂计算值；

将所述最大弧垂计算值与所述最大弧垂实测值进行比对，得到所述风阻系数的测量误差比。

与现有技术相比，本发明实施例公开的一种架空输电导线的风阻系数测量装置及方法，具有如下有益效果：

通过设置导线风偏监测模块，均安装在任一相导线的档距中点和绝缘子悬挂点，实现实时获取所述导线的风偏数据，并将所述风偏数据发送至数据接收发射装置，通过设置导线拉力监测模块，安装在所述导线的最低点，实现实时获取所述导线的拉力数据，并将所述拉力数据发送至所述数据接收发射装置，通过设置气象监测模块，安装在与所述导线等高的杆塔上，实现实时获取气象数据，并将所述气象数据发送至所述数据接收发射装置，进而通过设置数据接收发射装置，实现将接收到的所述风偏数据、所述拉力数据和所述气象数据传输至所述服务器，从而服务器根据所述风偏数据、所述拉力数据和所述气象数据，计算所述导线的风阻系数，并对所述风阻系数进行校验，这样能有效解决现有技术中无法测量实际运行的导线风阻系数数据的问题，实现实时监测实际运行线路导线的风阻系数，从而更准确地评估输电线路实际抗风性能，为架空输电线路的设计提供有效准确的数据，以保障架空输电线路运行的安全性。同时，通过导线风偏监测模块、导线拉力监测模块和气象监测模块的设置，实现准确地监测导线所处环境的风力数据，具有结构简单、成本低和效率高的特点。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的一种架空输电导线的风阻系数测量装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的所测量导线的风阻系数与风速的关系图；

图3是本发明一实施例提供的一种架空输电导线的风阻系数测量方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明一实施例提供的一种架空输电导线的风阻系数测量装置的结构示意图，包括：

导线风偏监测模块11，均安装在任一相导线的档距中点和绝缘子悬挂点，用于实时获取所述导线的风偏数据，并将所述风偏数据发送至数据接收发射装置14；

导线拉力监测模块12，安装在所述导线的最低点，用于实时获取所述导线的拉力数据，并将所述拉力数据发送至所述数据接收发射装置14；

气象监测模块13，安装在与所述导线等高的杆塔上，用于实时获取气象数据，并将所述气象数据发送至所述数据接收发射装置14；

所述数据接收发射装置14，分别与所述导线风偏监测模块11、所述导线拉力监测模块12、所述气象监测模块13、服务器通讯连接，用于将接收到的所述风偏数据、所述拉力数据和所述气象数据传输至所述服务器；

所述服务器，用于根据所述风偏数据、所述拉力数据和所述气象数据，计算所述导线的风阻系数，并对所述风阻系数进行校验。

具体的，导线风偏监测模块11和导线拉力监测模块12安装在同一相导线上，且导线风偏监测模块11和导线拉力监测模块12至少覆盖一相导线。气象监测模块13安装在与所监测的导线等高的杆塔处，数据接收发射装置14安装在气象监测模块13附近。

在一具体实施例中，为实现导线风偏监测模块11实时监测导线的风偏数据等功能，本实施例中的所述导线风偏监测模块11包括双轴角度传感器和第一无线数据传输器；

所述双轴角度传感器，用于实时获取所述导线的风偏数据；

所述第一无线数据传输器，与所述双轴角度传感器、所述数据接收发射装置14连接，用于接收来自所述双轴角度传感器的风偏数据，并将所述风偏数据发送至所述数据接收发射装置14。

示例性的，导线风偏监测模块11可采用双轴角度传感器和无线数据传输器组成，其测量精度可选为导线倾角为0～90°、准确度为±0.1°；导线的风偏角测量值为0～90°、准确度为±0.1°。

在一具体实施例中，为实现气象监测模块13实时监测导线所处环境的气象数据等功能，本实施例中的所述气象监测模块13包括温度传感器、风速风向传感器和第二无线数据传输器；

所述温度传感器，用于实时获取所处环境的气温数据；

所述风速风向传感器，用于实时获取风速数据和风向数据；

所述第二无线数据传输器，与所述温度传感器、所述风速风向传感器、所述数据接收发射装置14连接，用于接收来自所述温度传感器的气温数据以及来自所述风速风向传感器的风速数据和风向数据，并将所述气温数据、所述风速数据和所述风向数据发送至所述数据接收发射装置14。

优选的，所述风速风向传感器为超声波式风速风向传感器。

示例性的，气象监测模块13可采用温度传感器、超声波式风速风向传感器和无线数据传输器组成，其测量精度可选为大气温度监测范围－45℃～+75℃，精度为±0.5℃；风速测量范围为0～75m/s，精度：±0.3m/s，为标准风速值；风向测量范围为0～360°，精度为±3°，分辨率为±3°。

在一具体实施例中，为实现导线拉力监测模块12实时监测导线最低点的拉力数据等功能，本实施例中的所述导线拉力监测模块12包括导线拉力传感器和第三无线数据传输器；

所述导线拉力传感器，用于实时获取导线最低点的拉力数据；

所述第三无线数据传输器，与所述导线拉力传感器、所述数据接收发射装置14连接，用于接收来自所述导线拉力传感器的拉力数据，并将所述拉力数据发送至所述数据接收发射装置14。

示例性的，导线拉力监测模块12可采用导线拉力传感器和无线数据传输器组成，其测量精度可选为测量范围0-500kN，精度为0.2kN/pm。

在一优选实施例中，第一无线数据传输器、第二无线数据传输器和第三无线数据传输器选用XBee无线射频方式向数据接收发射装置传输数据。数据接收发射装置14采用数据集中器利用4G网络传输到服务器。

在一些实施例中，所述气象监测模块13还包括第一太阳能电池板；所述气象监测模块13利用所述第一太阳能电池板供电；

所述数据接收发射装置14包括第二太阳能电池板；所述数据接收发射装置14利用所述第二太阳能电池板供电。

在一些实施例中，所述导线风偏监测模块11还包括第一高压取电设备；所述导线风偏监测模块11利用所述第一高压取电设备供电；

所述导线拉力监测模块12还包括第二高压取电设备；所述导线拉力监测模块12利用所述第二高压取电设备供电。

在一些实施例中，所述服务器被配置为，还包括：

所述根据所述风偏数据、所述拉力数据和所述气象数据，计算所述导线的风阻系数，具体包括：

采用预设的枚举算法，设定风阻系数枚举区间及枚举精度，以得到多个预设风阻系数；

根据预先获取的导线基本参数、所述预设风阻系数和所述气象数据，计算所述导线的导线总比载；其中，所述气象数据包括气温数据、风速数据和风向数据；

根据所述导线总比载，计算各所述预设风阻系数对应的风偏角计算值；

将所述风偏角计算值与风偏角实测值进行对比，筛选当所述风偏角计算值最接近所述风偏角实测值时对应的预设风阻系数作为所述导线的风阻系数；其中，所述风偏角实测值为安装在同一导线的档距中点和绝缘子悬挂点的导线风偏监测模块所测量的风偏数据的平均值。

在一些实施例中，所述服务器被配置为，还包括：

所述对所述风阻系数进行校验，具体包括：

获取所述导线的最大弧垂实测值；

通过所述拉力数据和所述导线总比载，利用所述悬链线方程，得到所述导线的最大弧垂计算值；

将所述最大弧垂计算值与所述最大弧垂实测值进行比对，得到所述风阻系数的测量误差比。

进一步，在一些实施例中，绘制在同一气温下所述导线的风阻系数与风速的变化曲线。

在上述实施例的基础上，在一具体实施例中，通过如下公式计算所述导线的导线总比载：

其中，γ为所述导线总比载，是导线的自重比载与风压比载的矢量和；γ

通过如下公式(即悬链线方程)校验风偏角计算值：

其中，y为所述导线的位置纵坐标，x为所述导线的位置横坐标，σ

示例性的，假定所测量的输电线路参数中档距为450m，高差为0m，导线拉力监测模块监测获得的弧垂最低点水平应力为57Mpa，气象监测模块测量得到的气温数据为20℃，导线自重均为20N/m，导线直径为33.8mm。若某一时段气象监测模块测量得到的风速数据为20.0、21.0、22.0、23.0m/s，风攻角为0°，此时各导线风偏监测模块测量得到的风偏角实测值分别为14.4°、15.6°、16.8°、18.1°。

进一步，假定风阻系数枚举范围为0.90-0.94，枚举精度取0.01，采用以上悬链线方程，计算同一温度下及同一风速下的风偏角计算值，如下表1所示。进而，将该风偏角计算值与风偏角实测值进行对比，将数值最接近时对应的预设风阻系数为所测量导线的风阻系数。

表1

此外，通过所测量的拉力数据和导线总比载，利用悬链线方程，得到线路导线的最大弧垂计算值，进而根据该最大弧垂计算值和最大弧垂实测值，计算风阻系数的测量误差比，如下表2所示，可知风阻系数测量误差较小。

表2

更进一步，参见图2是本发明一实施例提供的所测量导线的风阻系数与风速的关系图，绘制所测导线风阻系数与风速关系图。

本发明实施例公开的一种架空输电导线的风阻系数测量装置，通过设置导线风偏监测模块，均安装在任一相导线的档距中点和绝缘子悬挂点，实现实时获取所述导线的风偏数据，并将所述风偏数据发送至数据接收发射装置，通过设置导线拉力监测模块，安装在所述导线的最低点，实现实时获取所述导线的拉力数据，并将所述拉力数据发送至所述数据接收发射装置，通过设置气象监测模块，安装在与所述导线等高的杆塔上，实现实时获取气象数据，并将所述气象数据发送至所述数据接收发射装置，进而通过设置数据接收发射装置，实现将接收到的所述风偏数据、所述拉力数据和所述气象数据传输至所述服务器，从而服务器根据所述风偏数据、所述拉力数据和所述气象数据，计算所述导线的风阻系数，并对所述风阻系数进行校验，这样能有效解决现有技术中无法测量实际运行的导线风阻系数数据的问题，实现实时监测实际运行线路导线的风阻系数，从而更准确地评估输电线路实际抗风性能，为架空输电线路的设计提供有效准确的数据，以保障架空输电线路运行的安全性。同时，通过导线风偏监测模块、导线拉力监测模块和气象监测模块的设置，实现准确地监测导线所处环境的风力数据，具有结构简单、成本低和效率高的特点。

参见图3，是本发明一实施例提供的一种架空输电导线的风阻系数测量方法的流程示意图，所述方法适用于如实施例所述的架空输电导线的风阻系数测量装置，包括步骤：

S201、导线风偏监测模块实时获取任一相导线的风偏数据，并将所述风偏数据发送至数据接收发射装置；其中，所述导线风偏监测模块均安装在所述导线的档距中点和绝缘子悬挂点上；

S202、导线拉力监测模块实时获取所述导线的拉力数据，并将所述拉力数据发送至所述数据接收发射装置；其中，所述导线拉力监测模块安装在所述导线的最低点处；

S203、气象监测模块实时获取气象数据，并将所述气象数据发送至所述数据接收发射装置；其中，所述气象监测模块安装在与所述导线等高的杆塔上；

S204、所述数据接收发射装置将接收到的所述风偏数据、所述拉力数据和所述气象数据传输至服务器；

S205、所述服务器根据所述风偏数据、所述拉力数据和所述气象数据，计算所述导线的风阻系数，并对所述风阻系数进行校验。

在一具体实施例中，所述根据所述风偏数据、所述拉力数据和所述气象数据，计算所述导线的风阻系数，具体包括：

采用预设的枚举算法，设定风阻系数枚举区间及枚举精度，以得到多个预设风阻系数；

根据预先获取的导线基本参数、所述预设风阻系数和所述气象数据，计算所述导线的导线总比载；其中，所述气象数据包括气温数据、风速数据和风向数据；

根据所述导线总比载，计算各所述预设风阻系数对应的风偏角计算值；

将所述风偏角计算值与风偏角实测值进行对比，筛选当所述风偏角计算值最接近所述风偏角实测值时对应的预设风阻系数作为所述导线的风阻系数；其中，所述风偏角实测值为安装在同一导线的档距中点和绝缘子悬挂点的导线风偏监测模块所测量的风偏数据的平均值。

在一具体实施例中，所述对所述风阻系数进行校验，具体包括：

获取所述导线的最大弧垂实测值；

通过所述拉力数据和所述导线总比载，利用所述悬链线方程，得到所述导线的最大弧垂计算值；

将所述最大弧垂计算值与所述最大弧垂实测值进行比对，得到所述风阻系数的测量误差比。

更具体的，通过如下公式计算所述导线的导线总比载：

其中，γ为所述导线总比载，是导线的自重比载与风压比载的矢量和；γ

通过如下公式校验风偏角计算值：

其中，y为所述导线的位置纵坐标，x为所述导线的位置横坐标，σ

本发明实施例公开的一种架空输电导线的风阻系数测量方法，通过导线风偏监测模块实时获取任一相导线的风偏数据，并将所述风偏数据发送至数据接收发射装置，导线拉力监测模块实时获取所述导线的拉力数据，并将所述拉力数据发送至所述数据接收发射装置，气象监测模块实时获取气象数据，并将所述气象数据发送至所述数据接收发射装置，进而所述数据接收发射装置将接收到的所述风偏数据、所述拉力数据和所述气象数据传输至服务器，从而所述服务器根据所述风偏数据、所述拉力数据和所述气象数据，计算所述导线的风阻系数，并对所述风阻系数进行校验，这样能有效解决现有技术中无法测量实际运行的导线风阻系数数据的问题，实现实时监测实际运行线路导线的风阻系数，从而更准确地评估输电线路实际抗风性能，为架空输电线路的设计提供有效准确的数据，以保障架空输电线路运行的安全性。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。