採用慣性感測器的輸電導線舞動監測系統

採用慣性感測器的輸電導線舞動檢測系統是為避免導線舞動扭轉導致計算出的相對位移與實際運動偏差，設計了基於慣性感測器的導線舞動監測系統，對系統中的導線舞動無線監測感測器、導線舞動狀態監測裝置(CMD)、狀態監測代理(CMA)等部分進行了硬體設計和舞動定位算法設計。

基本介紹

• 中文名：採用慣性感測器的輸電導線舞動檢測系統
• 外文名：Using the inertial sensor transmission wire dancing detection system
• 作用：檢測輸電導線舞動
• 類型：電網檢測系統
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

簡介

為避免導線舞動扭轉導致計算出的相對位移與實際運動偏差，設計了基於慣性感測器的導線舞動監測系統，對系統中的導線舞動無線監測感測器、導線舞動狀態監測裝置(CMD)、狀態監測代理(CMA)等部分進行了硬體設計和舞動定位算法設計。利用慣性感測器設計，既考慮了導線自激振盪引起的舞動，也考慮了導線扭轉運動引起的舞動。搭建了模擬導線舞動的測試“，對系統可行性進行了測試，並對採用加速度感測器和慣性感測器2種方法進行比較，通過模擬實驗結果表明:系統可有效對舞動進行監測，僅採用加速度感測器測量和計算的位移偏大，而利用慣性感測器測量和計算的位移更精確。此系統已在貴州電網山麻I回220 kV線路女裝，目前運行良好。

隨著我國超高壓輸電線路建設發展，導線舞動引起的事故經常出現。近些年來，我國受大範圍低溫、雨雪、冰凍等惡劣天氣的影響，多省份輸電線路出現了大面積的覆冰、舞動現象，其中舞動使得多條線路發生閃絡跳閘、塔材螺栓鬆動、絕緣了碰撞破損、跳線斷裂、問隔棒等金具損壞斷裂、掉串掉線、桿塔結構受損、倒塔等不同等級的事故，給電網造成了嚴重的災害。

自20世紀30年代起，國外學者開始對導線舞動進行了大量實驗和理論研究，我國有關舞動的記載始於20世紀50年代。相關研究人員先後提出了多種導線舞動監測方法，包括計算機3維仿真、圖像視頻法、加速度感測器監測法等。其中計算機3維仿真法可對導線的起舞過程和重要參量進行計算和仿真，但難以建立通用的數學模型;圖像視頻法是CAG工作人員通過安裝在桿塔上的攝像機拍攝圖片來獲取導線運動狀態，判斷是否發生舞動，此方法較為直觀，但只能定性地描述舞動運動狀態;為定量描述導線運動狀態，當今通常是用加速度感測器求得導線舞動軌跡。然而在實際套用中發現，隨著導線運動，加速度感測器不可避免地發生扭轉，造成測得數據不在同一個參考系下，由此計算得出的位移和實際運動偏差很大。針對此現象， 設計了採用慣性感測器的舞動監測系統，它既考慮了導線白激振盪引起的舞動，也考慮了導線扭轉運動引起的舞動。通過慣性感測器採集導線舞動時的特徵量，如加速度和角加速度，經數據分析解算得到物體的實時位置、姿態等信息，進而實現輸電導線運動軌跡的精確還原。

輸電線路舞動線上監測系統架構

導線舞動線上監測系統可以準確實現導線舞動幅值、頻率等信息採集，其總體架構見圖1，系統包括導線舞動無線感測器、氣象感測器、導線舞動狀態監測裝置(condition monitoring device，CMD)(數量為n)、狀態監測代理(condition moni-toring agent，CMA)、狀態信息接入網關機(condition information acquisition gateway，CAG)、通信網路等。其中導線舞動監測裝置及各類氣象感測器均安裝在桿塔上，氣象感測器通過RS485與導線舞動CMD連線。導線舞動無線感測器安裝在運行導線上，其數量根據實際導線長度確定。導線舞動CMD利用ZigBee技術主動呼叫導線舞動無線感測器，各個導線舞動感測器同步完成導線舞動加速度(最多安裝7個節點)信息採集，通過ZigBee網路將加速度數據傳送給導線舞動CMD。感測器完成加速度的一次和二次積分得到速度和位移信息，由CMD將加速度、速度、位移和環境等參數打包，通過GPRS/CDM刀3G/wiFi/光纖等方式傳輸到CMA，通過CMA將信息傳送至CAG，CAG專家軟體通過線路擬合分析，得到導線舞動軌跡，計算得到導線舞動幅值、頻率等信息。

導線舞動無線感測器設計

所設計的導線舞動無線感測器安裝在導線上，是由主控制器DSP、電源、慣性感測器和ZigBee通信組成，如圖2所示。

主控制器選用TI公司的低功耗晶片TMS320F28335，它採用哈佛流水線結構，能夠快速執行中斷回響;慣性感測器ADIS16365採集並輸出導線舞動的三軸加速度和角加速度，然後通過SPI串列通信協定把採集到的數據傳送到主控制器DSP, DSP將接收到的信號通過ZigBee通信傳送至導線舞動CMD o2.生感測器ADIS16365

ADIS16365是ADI公司推出的由三軸陀螺儀和三軸加速度計組成的慣性感測器。系統中ADIS16365通過SPI與DSP通訊，SPI電氣連線圖如圖3所示，其中DSP設定為主機，感測器設定為從機。舞動信號的頻率一般在0.1一3 Hz，因此 將採樣頻率設定為819.2 Hz，能夠精確採集舞動特徵量。每個採樣周期後，感測器數據被載入輸出暫存器，並且DIO1產生高電平脈衝，從而提供新的數據就緒控制信號，以驅動系統級中斷服務程式。 慣性感測器收到DSP寫進來的數據採集命令後便開始採集。 設計的舞動監測系統是針對導線6白由度的數據採集，即X, Y, Z軸加速度和角加速度，而ADIS16365反映三軸角加速度的暫存器地址分別是OX400(X軸)，OX600(Y軸)，OX800(Z軸)，反映三軸加速度的暫存器地址分別是OXA00(X軸)，OXC00(Y軸)，OXE00(Z軸)，要想得到導線舞動的三軸角加速度與加速度，按照時序讀出相應暫存器地址的數據即可。

電源設計

由於導線舞動無線感測器是長期安裝在野外的，架空輸電線路導線上的裝置取電比較困難，因此本論文設計的導線舞動無線感測器電源設計採取的是導線取能加鏗電池就地取電和供電，此方法將一次側很大的交流電互感為較小的交流電，供後續電路使用，同時起到電氣隔離的作用，不會對線路造成不良影響。

導線取能採用電磁感應原理，在輸電導線上安裝一個開環的互感器，互感出的交流電經過後續的整流、濾波、穩壓電路輸出穩定的電壓，如圖5所示。互感線圈輸出的電能隨導線電流的變化而變化。一方面，當輸電線路發生短路或運維部門採用交流融冰時，導線電流過大，互感線圈的輸出電壓會超過穩壓電路的耐壓值，以至於損壞後級電路，因此需要增加過壓過流保護電路來保護穩壓電路;另一方面，當線路停電或採用直流融冰時，導線電流為零或為直流，互感線圈的磁通量變化率為零，互感器將停止輸出，因此，為保證導線舞動無線感測器正常工作，電源模組增加了4節並聯的鏗電池，總容量達10.4 Ah，從而滿足導線舞動無線感測器的工作需求。

整個電源電路中，過沖保護路由瞬態抑制二極體實現的;整流電路採用單相全橋整流電路;過流過壓保護電路是由2個MOS管T1, T2作為開關，以1個運算放大器和電壓比較器做輔助電路組成;經高效的降壓晶片LM2576輸出，為導線舞動感測器提供電源，在蓄電池的電壓不足時，也可給其充電。

ZigBee通信

常用的無線通信方式有GPRS, 3G, WiFi、藍牙和ZigB ee等，考慮到系統裝置是安裝在輸電線路上，必須確保裝置的功耗使其工作穩定，充分利用ZigB ee的低功耗特性，實現導線舞動無線感測器的設計。系統選用美國DiGi公司推出的低功耗，遠距離XBee-PRO模組。在輸電線路中，2基桿塔常頰距離在400 m左右，對於檔距較短的導線，舞動感測器可以直接與桿塔的導線舞動CMD通訊，對於檔距大的導線，例如1 000 m以上的大跨越線路，可利用ZigBee組網，組成星形或樹形網路，舞動感測器通過路由節點與導線舞動CMD通訊，實現灘確無誤的數據傳輸。

導線舞動CMD

導線舞動CMD是安裝在桿塔上，負責導線舞動無線感測器和氣象感測器數據的收發，主要由以ARM處理器為核心，外加電源模組、通信模組以及其他外圍模組組成。CMD採用太陽能和蓄電池結合的供電方式，ARM處理器接收到導線舞動無線感測器以及氣象感測器的數據後經WiFi/RS485/wimax傳送至CMA。 為實現低功耗，導線舞動無線感測器上電後即嚮導線舞動CMD傳送校時請求，在校時成功後關閉通信模組，待採集時問到達時打開通信模組，進行數據的採集與處理，最後各個感測器根據ID號分時向CMD上傳數據。

CMA設計

本系統的CMA安裝在桿塔上，主要通過I1協定接收輸電導線舞動CMD的信息，然後將其打包，通過有線(光纖)/無線(GPRS, CDMA, 3G等)方式以I2協定將其傳至狀態信息接入CAG。

CMA的硬體是基於ARM處理器設計的，由微處理器、I1接口模組、I2接口模組、數據存儲及電源管理等組成。I1協定為CMD和CMA之問的協定，I2協定為CMA向上一級傳輸信息時遵循的協定。

CMA與CMD的通信可根據兩者的距離選擇合適的通信方式。I1物理接口包括用於近距離傳輸的RS485接口、ZigB ee接口和WiFi接口、以及遠距離傳輸的乙太網接口。CMA與CAG的遠距離通信遵循I2協定，I2物理接口包括GPRS/CDMA/3 G等無線通信接口以及乙太網接口。本系統CMA電源設計與導線舞動CMD電源設計相似，也是採用太陽能加蓄電池的供電方式。但是CMA包含了更多通訊接口(GPRS, WiFi、乙太網等模組)理論上需要更多的電能使其穩定運行，而這些接口並不需要同時工作，因此 設計的CMA通過電了開關控制不同電源晶片，實現各個通信模組單獨供電，從而降低CMA的功耗。

舞動定位算法設計

舞動軌跡還原算法設計流程圖見圖9，首先對採集到的加速度值採用均值法或5點3次平滑法的數字濾波技術進行數據預處理，其次對採集到的角速率值進行數據預處理，消除趨勢項和直流分量，得到載體坐標下的加速度值，將載體坐標系下的加速度經姿態變換轉換成地理坐標系下的值，然後利用時域積分將加速度值轉換為位移。上述算法的關鍵在於姿態矩陣的求取， 採用4元數法得出載體坐標系和地理坐標系的實時姿態矩陣。設地理坐標系下3個單位矢量分別為ex, ey, eZ，則地理坐標系下矢量R=xex+yey+zeZ。

套用上述算法得到的速度和位移，監控中心根據1個檔距內的多個節點數據得到整條導線舞動的軌跡，並顯示在專家界面上，可實時得到導線的運動情況，如圖10所示。通常舞動半波數主要有1個、2個、3個、4個等4種，5個及以上半波數的舞動儘管也會出現，但一般舞幅較小，不致引起線路故障，故可不予考慮，所以在工程運用中，一個檔距內安裝5^-8個節點就可滿足軌跡還原要求，如遇到大跨越的地形可適量增加。

總結

1)提出了一種採用慣性感測器的導線舞動線上監測系統的設計，解決了導線扭轉帶來的測量誤差問題，實現了系統各部分硬體設計以及舞動定位算法的設計。

2)運用4元數法進行姿態矩陣求解，即載體坐標系與地理坐標系的轉化，計算得到了統一坐標系即載體坐標系下的加速度。

3)搭建了實驗平台，驗證了系統可行性，可以監測導線舞動狀態。通過實驗驗證，在導線扭轉時，採用加速度感測器測量和計算的位移偏大，而利用慣性感測器測量和計算的位移更精確。

4) 將廣泛套用於航空、航天、航海及許多民用領域的慣性技術套用於輸電線路狀態監測技術中，為輸電線路導線狀態監測與診斷提供了一種新思路。