一种基于姿态传感器的输电线路风偏监测方法

技术领域

本申请涉及输电线路监控领域技术领域，更具体地说，涉及一种基于姿态传感器的输电线路风偏监测方法。

背景技术

在大风天气，输电线路的导线、跳线、绝缘子串在风力作用下产生风偏角，一旦与杆塔或者周围障碍物距离小于最小电气间隙，将会发生风偏闪络或跳闸事故，严重影响电力系统安全运行，造成重大经济损失。虽然在杆塔设计上增大塔头尺寸，能确保足够电气间隙以减少风偏闪络事故，但会大大增加线路建设成本，对已有线路进行改造难度较大。因此对存在风偏概率较大的场景，有必要安装风偏监测装置，收集风偏数据，分析风偏角过大空间间隙变小引起的闪络概率，做到提前预警并及时采取措施以避免事故发生。

输电线路风偏对线路的安全运行极具威胁而又颇为复杂，风偏引起原因主要有局部地区强风、暴雨冰雹强对流天气、设计施工中存在不足等因素构成。风偏监测应用场景复杂，需要针对不同的塔型结构进行建模，由于建模过程较为繁琐，模型的精准程度往往会影响空气间隙的监测结果，三跨场景风偏监测，尤其是高压输电线路交跨时，需要一种有效检测风偏的方法。

传统的做法是通过气象历史数据，在杆塔设计时，规避风偏闪络发生，对绝缘子串长、跳线长度的计算，确保一定空气间隙安全裕度。利用传统的风偏研究成果，通过天气预报气象要求建模推演判断，可设计风偏状态监测系统直接采集风偏数据量。但在实际的恶劣天气中，绝缘子串、导线、跳线在强风作用下复杂且不规律地摆动扭转，导线风偏角与实际误差相差很大。

发明内容

本申请要解决的技术问题：使检测设备的日常工作模式为低功耗陀螺仪监测，当恶劣的天气发生风偏时，触发姿态传感器高功耗模式监测，为确保充足电量供应持续监测和录像等数据采集。

为了解决上述问题，本申请提供一种基于姿态传感器的输电线路风偏监测方法。

本申请提供的一种基于姿态传感器的输电线路风偏监测方法采用如下的技术方案：

一种基于姿态传感器的输电线路风偏监测方法，包括以下步骤：

S1、选择检测风偏位置并安装检测设备；

S2、测量参数并计算最小电气间隙；

S3、通过多个感应取电装置获取电能；

S4、通过姿态传感器获取多维数据；

S5、多传感器融合分析，生成导线实际风偏三维轨迹；

S6、边缘计算处理并过滤无效数据；

S7、将采集的原始数据和分析的结果数据发送到后台云端。

进一步的，所述计算最小电气间隙的方法包括：

a、将传感器采集的风偏角度转为弧度；

b、杆塔塔身与横担夹角小于等于90°计算公式：

对塔身最小电气间隙：

对横担最小电气间隙：

c、杆塔塔身与横担夹角大于90°计算公式：

对塔身最小电气间隙：

对横担最小电气间隙：

其中，

进一步的，所述通过多个感应取电装置获取电能包括：感应取电、蓄电和稳压输出，所述蓄电方式采用超级电容形式，当导线断电无电流时，电源管理触发启动低功耗模式。

进一步的，所述多传感器融合分析还包括预警分析。

进一步的，所述预警分析的方法包括：

S501、后台系统集成大数据分析算法，根据气象灾害数据进行风偏危害概率预判；

S502、接入局部七要素传感器气象数据进行修正辅助；

S503、最终根据导线本体的风偏采集传感器获取的风偏角和参数信息分析，分为三种预警：

一般：安全距离余量≥50%、

危险：50%＞安全距离余量≥20%、

紧急：20%＞安全距离余量。

综上所述，本申请包括以下至少一个有益技术效果：

本申请结合倾角传感器、姿态传感器和RTK精确定位等多种传感器的数据融合分析技术，当恶劣的天气发生风偏时，多传感器数据采集，融合分析技术实现有效监测风偏，集成多传感器辅助实现智能控制功耗，大量原始数据边缘端处理后，将有效数据通过无线网上传云端再次分析，节省流量且减少占用云端带宽和计算资源。基本流程通过低功耗传感器实时监测，当触发风偏阈值时，唤起姿态和RTK采集数据并录像记录，边缘计算处理原始数据分析风偏状态后，再将有效数据上传云端服务器，实现风偏有效监测。

附图说明

图1为基于姿态传感器的输电线路风偏监测方法的流程框图；

图2为测量和计算最小电气间隙的示意图；

图3为感应取电的流程示意图；

图4为预警分析的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例1：

图1为基于姿态传感器的输电线路风偏监测方法的流程框图：本实施例中，一种基于姿态传感器的输电线路风偏监测方法，所述方法包括步骤S1至步骤S7：

S1、选择检测风偏位置并安装检测设备；

S2、测量参数并计算最小电气间隙；

S3、通过多个感应取电装置获取电能；

S4、通过姿态传感器获取多维数据；

S5、多传感器融合分析，生成导线实际风偏三维轨迹；

S6、边缘计算处理并过滤无效数据；

S7、将采集的原始数据和分析的结果数据发送到后台云端。

在进行准备工作时，选择监测风偏的位置，主要有高山、峡谷、风口、沿海易受台风登陆等特殊地段；确定设备安装位置，直线塔绝缘子串的风偏角及电气间隙，安装在线夹出线处10米内，耐张塔跳线风偏角及电气间隙，安装在跳线上，导线档中导线风偏角，安装在线夹出线处10米以外的档距中；

如图2所示，测量参数并计算最小电气间隙，计算方法包括：

a、将传感器采集的风偏角度转为弧度；

b、杆塔塔身与横担夹角小于等于90°计算公式：

对塔身最小电气间隙：

对横担最小电气间隙：

c、杆塔塔身与横担夹角大于90°计算公式：

对塔身最小电气间隙：

对横担最小电气间隙：

其中，

进一步的，由于输电线路沿线没有可供智能设备工作的220V低压电源，传统的监测设备采用太阳能电池板和蓄电池供电，其受空气清洁度、连续阴天、寒冷天气和昼夜温差等影响，太阳能电池板容易因集污而取电效率降低，蓄电池因连续阴天导致的亏电而寿命提前终结，寒冷天气下，蓄电池的剩余容量急剧缩减，综上所述，该方案不能为监测设备提供稳定可靠的供电电源。电源的不稳定，也使得设备工作不稳定，上线率低。

如图3所示，感应取电技术利用电磁感应原理，将通电的高压导线周围的磁场转化为定制的电流互感器感应线圈的电流输出，再经过整流、滤波和稳压变换后，就可以为后端电子部件提供稳定可靠的供电电源；其中蓄电方式采用超级电容形式，通过对电源管理控制算法的优化，当导线断电无电流时，电源管理触发启动低功耗模式。

利用低功耗陀螺仪、姿态传感器、GPRS/4G及Lora等无线通信技术，实现对风偏在不同环境的实时监测；其中姿态传感器是基于MEMS技术的高性能三维运动姿态测量传感器。包含三轴加速度计（即IMU）、三轴陀螺仪、三轴电子罗盘等运动传感器，通过内嵌的低功耗ARM处理器得到经过温度补偿和校准过的角速度，加速度，磁数据等数据。利用基于四元数的三维算法和特殊数据融合技术，实时输出以四元数、欧拉角表示的零漂移三维姿态方位数据；姿态传感器内部采用高分辨力差分数模转换器，内置自动补偿和滤波算法，最大程度减小了环境变化引起的误差。把静态重力场的变化转换成倾角变化，通过数字方式直接输出当前装置安装位置的导线与水平面的夹角，产品安装方便、使用简单、体积小、抗外界电磁干扰、承受振动冲击能力强。

通过姿态传感器获取三轴加速度、三轴角速度、三轴角度、RTK坐标和高程等多维数据，通过多传感器融合技术进行分析，反应导线实际风偏三维轨迹状态；能够将大量无效数据在边缘计算处理并过滤掉，把有价值的数据上传云端，减少无线网络流量和云端计算压力；本地原始数据进行周期性存储，默认周期设置为90天。

如图4所示，多传感器融合分析还包括预警分析，所述预警分析的方法包括：

S501、后台系统集成大数据分析算法，根据气象灾害数据进行风偏危害概率预判；

S502、接入局部七要素传感器气象数据进行修正辅助；

S503、最终根据导线本体的风偏采集传感器获取的风偏角和参数信息分析，分为三种预警：

一般：安全距离余量≥50%、

危险：50%＞安全距离余量≥20%、

紧急：20%＞安全距离余量；

边缘端对角速度、姿态等数据实时解算分析，一旦触发预设阈值，将唤起姿态传感器和RTK实时定位测量传感器采集数据，以及当满足可见光条件时，启动摄像头录制视频等；其中RTK有效修补了姿态数据分析导线扭转时导致风偏轨迹误差的问题，对风偏数据进行综合分析，动态调整传感器的工作模式，对于触发了危险报警的数据，实时上传云端，并全部存储记录边缘本地数据，等工作模式进入正常模式时，智能选择上传，减少了通讯传输带宽需求，随着数据的累计，一旦有符合风偏条件的场景，系统自动提示风偏预警信息。

所述输电线路风偏监测方法所能实现的功能均由计算机设备完成，所述计算机设备包括一个或多个处理器和一个或多个存储器，所述一个或多个存储器中存储有至少一条程序代码，所述程序代码由所述一个或多个处理器加载并执行以实现所述输电线路风偏监测方法的功能。

处理器从存储器中逐条取出指令、分析指令，然后根据指令要求完成相应操作，产生一系列控制命令，使计算机各部分自动、连续并协调动作，成为一个有机的整体，实现程序的输入、数据的输入以及运算并输出结果，这一过程中产生的算术运算或逻辑运算均由运算器完成；所述存储器包括只读存储器（Read-Only Memory，ROM），所述只读存储器用于存储计算机程序，所述存储器外部设有保护装置。

示例性的，计算机程序可以被分割成一个或多个模块，一个或者多个模块被存储在存储器中，并由处理器执行，以完成本发明。一个或多个模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述计算机程序在终端设备中的执行过程。

本领域技术人员可以理解，上述服务设备的描述仅仅是示例，并不构成对终端设备的限定，可以包括比上述描述更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器可以是中央处理单元（Central Processing Unit，CPU），还可以是其他通用处理器、数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、现成可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，上述处理器是上述终端设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个用户终端的各个部分。

上述存储器可用于存储计算机程序和/或模块，上述处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现上述终端设备的各种功能。存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序（比如信息采集模板展示功能、产品信息发布功能等）等；存储数据区可存储根据泊位状态显示系统的使用所创建的数据（比如不同产品种类对应的产品信息采集模板、不同产品提供方需要发布的产品信息等）等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card， SMC），安全数字（Secure Digital， SD）卡，闪存卡（Flash Card）、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例系统中的全部或部分模块/单元，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，上述的计算机程序可存储于计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个系统实施例的功能。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random AccessMemory）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。