基于光幕傳感器的線路舞動監(jiān)測設(shè)備檢定系統(tǒng)

魏建林，周祥，董麗潔，穆海寶，呂中賓

（1.國網(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)備電氣絕緣國家重點實驗室，西安710049）

0 引 言

受我國復(fù)雜地理條件的影響，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)舞動災(zāi)害，加之近年來氣候變化導(dǎo)致的惡劣氣象頻繁出現(xiàn)，我國電網(wǎng)遭受舞動災(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，舞動故障的頻發(fā)已嚴(yán)重威脅到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行［2］。面對日益復(fù)雜的氣象環(huán)境因素，為建設(shè)堅強(qiáng)國家電網(wǎng)，確保大電網(wǎng)的長期安全穩(wěn)定運行，需要安全、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)、可靠的防舞動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的影響，首先需要對各種架空輸電線路的敷冰舞動進(jìn)行觀測。現(xiàn)階段對輸電線路舞動的測量方法主要有三種，分別是視頻監(jiān)控、基于加速度傳感器的舞動監(jiān)測和光柵監(jiān)測［6-8］。隨著上述幾種監(jiān)測技術(shù)的迅速發(fā)展，各種型號的舞動監(jiān)測設(shè)備被引入到電網(wǎng)敷冰舞動監(jiān)測中來。但與之相對應(yīng)的是，由于在相關(guān)方面存在的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較少，線路舞動監(jiān)測/檢測廠家所能依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)只有國家電網(wǎng)公司于2010年12月發(fā)布的Q/GDW 555-2010《輸電線路導(dǎo)線舞動監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范》和Q/GDW 242-2010《輸電線路狀態(tài)檢測通用技術(shù)規(guī)范》。由于上述兩標(biāo)準(zhǔn)對線路舞動監(jiān)測/監(jiān)測裝置只作了一定的技術(shù)要求，在各種監(jiān)測裝置的監(jiān)測輸出方面沒有做出相應(yīng)的規(guī)定，導(dǎo)致市面上常見的各種線路監(jiān)測裝置的監(jiān)測結(jié)果參差不齊；且由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)舞動測試儀器或標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)標(biāo)定儀器，各廠家生產(chǎn)的設(shè)備無法進(jìn)行校準(zhǔn)。因此，巫需建立相應(yīng)的線路舞動監(jiān)測/監(jiān)測設(shè)備檢定標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范線路舞動監(jiān)測/檢測裝置市場，提高輸電線路舞動的監(jiān)測設(shè)備的準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)工作原理

輸電線路舞動監(jiān)測設(shè)備的技術(shù)要求已經(jīng)在《輸電線路導(dǎo)線舞動監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范》中有所提及，包括舞動監(jiān)測設(shè)備的耐壓、抗干擾以及防護(hù)等級等相應(yīng)條件［9-11］，因此在線路舞動監(jiān)測設(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)的測量精度，對輸電線路舞動時的工況做以簡化：只考慮全檔距內(nèi)輸電線路舞動時的運動軌跡而不再考慮其高壓及高場強(qiáng)對測量設(shè)備造成的影響。在這種條件下能夠選用各種高精度測量用傳感器從而提高線路舞動監(jiān)測設(shè)備檢定系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。

1.1 光幕傳感器的測試原理

當(dāng)試驗線路發(fā)生舞動時，試驗線路上任一點都會在試驗線路的作用下發(fā)生位移。此時，若對試驗線路其中一點進(jìn)行直接位移量監(jiān)測，即可獲知試驗線路部分的舞動信息，利用此信息便可獲得試驗線路的舞動特征信息。

光幕傳感器是一種利用光強(qiáng)變化進(jìn)行測量輸出的傳感器，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，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線路的各種舞動幅值，其示意圖如圖1所示。

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

當(dāng)試驗線路從l=ma處單向運動至l=na處時，記錄器切過每個光電開關(guān)發(fā)射線的時間，分別記為：

在該段時間內(nèi)，試驗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。

在實際的測試過程中，分別在將光幕傳感器成對布置在試驗線路四周構(gòu)成一個矩形框，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)試驗線路開始舞動時，光幕傳感器所在的平面與試驗線路相交，交點在光幕傳感器所在平面上運動；當(dāng)此交點不斷運動時，可分別依X軸和Y軸的方向，按照上述方式分別獲得試驗線路的x-t曲線和y-t曲線，由于此運動為周期性運動，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。消去時間變量t后即可獲得試驗線路的x-y運動軌跡。

1.2 測試軌跡評價

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

為了定量表征待測系統(tǒng)的檢定結(jié)果，對坐標(biāo)系進(jìn)行變換：對檢定系統(tǒng)測得的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，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)測得的舞動軌跡和待測系統(tǒng)測得的舞動軌跡相交，交點分別記作A和B，其中：

圖2 光幕傳感器測試原理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

則待測系統(tǒng)的試驗線路舞動軌跡總誤差為：

待測系統(tǒng)的試驗線路舞動軌跡最大誤差為：

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，即可判定待測系統(tǒng)檢定結(jié)果不合格，不能作為輸電線路舞動監(jiān)測設(shè)備應(yīng)用在電網(wǎng)中。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件部分設(shè)計

基于光幕傳感器的線路舞動監(jiān)測設(shè)備檢定系統(tǒng)主要包括試驗舞動機(jī)、光幕傳感器、待測舞動監(jiān)測設(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 線路舞動監(jiān)測設(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

試驗舞動機(jī)是實現(xiàn)試驗線路舞動的基本設(shè)備，通過改變試驗線路兩端的拉力及實驗舞動機(jī)的位置可以調(diào)整試驗線路的舞動特征值及舞動位移。試驗舞動機(jī)的起舞需要一段時間來使其達(dá)到穩(wěn)定，因此在試驗線路的舞動軌跡測試時，首先需部署好線路舞動標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)及待測傳感器系統(tǒng)，隨后開啟試驗舞動機(jī)，試驗舞動機(jī)帶動試驗線路開始舞動；此舞動過程幅值逐漸增大且趨于穩(wěn)定。當(dāng)試驗線路完全穩(wěn)定后，分別驅(qū)動光幕傳感器系統(tǒng)和待測舞動監(jiān)測設(shè)備對試驗線路的舞動情況進(jìn)行測量。

光幕傳感器系統(tǒng)是測試試驗線路舞動的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。由于光幕傳感器測試精度較高且無需與試驗線路發(fā)生接觸，因此可較為準(zhǔn)確的獲得試驗線路的舞動位移特征，且精度明顯高于各種線路舞動監(jiān)測設(shè)備。在布置光幕傳感器系統(tǒng)的過程需注意安裝精度的問題，避免安裝過程造成的各種誤差。在接收到試驗舞動機(jī)穩(wěn)定的信號后，光幕傳感器系統(tǒng)開始發(fā)送試驗線路的舞動位移數(shù)據(jù)。

待測傳感器系統(tǒng)是指待檢定的傳統(tǒng)線路舞動監(jiān)測裝置。檢定時，首先將待測設(shè)備按照其安裝要求布置在合適的位置處以保證其測試位置與光幕傳感器在試驗線路上的測試位置相同。當(dāng)接收到試驗舞動機(jī)舞動穩(wěn)定的信號后，待測舞動監(jiān)測設(shè)備開始輸出其線路舞動監(jiān)測結(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)是指對接收到的待測傳感器系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收并進(jìn)行運算的系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，首先各種待測舞動監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)進(jìn)行接收，隨后對各種格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理；對加速度傳感器傳輸?shù)募铀俣葦?shù)據(jù)通過FFT、高通濾波、二次積分及IFFT后得到其測試位置處的線路舞動單點軌跡；對單目設(shè)備測試得到的舞動軌跡圖像進(jìn)行提取運算得到檔距內(nèi)整條線路的舞動軌跡。隨后根據(jù)光幕傳感器系統(tǒng)得到的線路舞動軌跡對待測舞動監(jiān)測設(shè)備的線路舞動軌跡進(jìn)行檢定，判斷待測舞動監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測精度是否能夠達(dá)到要求。

2.2 軟件部分設(shè)計

上位機(jī)選擇研華工控機(jī)，通過RS485與光幕傳感器系統(tǒng)實現(xiàn)通信，獲取測試結(jié)果。軟件部分在CVI環(huán)境下設(shè)計開發(fā)，其歷史數(shù)據(jù)以Excel格式進(jìn)行保存并可通過軟件重復(fù)打開。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試狀態(tài)。若光幕傳感器出現(xiàn)無法接收光束或未對準(zhǔn)發(fā)射端與接收端時，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

自檢通過之后，開始配置檢定系統(tǒng)的參數(shù)，包括測試頻率、測試周期、運行位置等。配置完成后即可命令光幕傳感器及待測舞動監(jiān)測設(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)后開始運算并在坐標(biāo)系中繪出試驗線路的舞動軌跡；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)計用戶登錄界面分配的操作權(quán)限進(jìn)行查看。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 檢定流程

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

圖6 線路舞動監(jiān)測設(shè)備檢定流程Fig.6 Verification flowchart of transmission line galloping monitoring equipment

通電使線路舞動機(jī)帶動試驗試驗開始舞動。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，對標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)和待檢定傳感器分別發(fā)出命令，使其分別開始輸出。光幕傳感器系統(tǒng)通過RS485總線直接將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)系統(tǒng)，待測舞動監(jiān)測設(shè)備首先將測得的數(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)軟件對所有接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算顯示，同時將此結(jié)果進(jìn)行保存。經(jīng)過上述步驟線路舞動監(jiān)測設(shè)備檢定完成，相應(yīng)結(jié)果已被保存，可通過軟件系統(tǒng)重新查看。

3.2 檢定結(jié)果

為了測試基于光幕傳感器的線路舞動監(jiān)測設(shè)備檢定系統(tǒng)的檢定性能，選取電網(wǎng)中常用的線路舞動監(jiān)測設(shè)備對檢定系統(tǒng)功能進(jìn)行檢驗，包括加速度傳感器和單目設(shè)備。在檢定時，將加速度傳感器安裝在試驗線路上且與光幕傳感器處于同一平面；同時，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，鏡頭對準(zhǔn)試驗舞動線路進(jìn)行拍攝。

加速度傳感器在試驗線路穩(wěn)定后可通過以太網(wǎng)輸出試驗線路的舞動位移，通過此位移可獲得試驗線路的舞動軌跡。將測試周期定為10，并測試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監(jiān)測設(shè)備檢定系統(tǒng)的檢定結(jié)果如表1所示。

單目設(shè)備直接對試驗線路進(jìn)行拍攝，隨后對圖片處理后獲得試驗線路的舞動軌跡。同理選擇同樣10個周期，并測試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監(jiān)測設(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監(jiān)測設(shè)備檢定系統(tǒng)工作穩(wěn)定且具有一定的測試精度，能夠檢定常規(guī)線路舞動監(jiān)測設(shè)備，判斷其監(jiān)測精度是否達(dá)到了一定要求。

4 結(jié)束語

基于光幕傳感器的線路舞動監(jiān)測設(shè)備檢定系統(tǒng)，能夠快速獲取試驗線路的舞動特征軌跡，并由上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行處理，與待測舞動監(jiān)測設(shè)備測試結(jié)果比較后得到檢定結(jié)果，由檢定結(jié)果可直接判定待測線路舞動監(jiān)測設(shè)備測試結(jié)果是否合格。實際應(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)確地檢定各待測設(shè)備的測試性能，篩選出其中不合格的監(jiān)測設(shè)備，為線路舞動監(jiān)測設(shè)備入網(wǎng)提供了相應(yīng)的測試結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)。