電網(wǎng)架空線路經(jīng)樹木接地故障預(yù)警系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電網(wǎng)架空線路經(jīng)樹木接地故障預(yù)警系統(tǒng)及方法，其技術(shù)特點(diǎn)是：該系統(tǒng)包括通信模塊、實(shí)時(shí)采集模塊、電機(jī)控制模塊、警示模塊和分析處理模塊；所述通信模塊包括第一通信模塊和第二通信模塊，實(shí)時(shí)采集模塊、電機(jī)控制模塊及第一通信模塊為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備并安裝在架空線路現(xiàn)場(chǎng)，所述分析處理模塊、警示模塊和第二通信模塊安裝在監(jiān)控中心，第一通信模塊與第二通信模塊采用無(wú)線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明充分利用超聲波技術(shù)對(duì)架空線路周圍樹枝進(jìn)行檢測(cè)，在樹枝接近架空線路的安全距離時(shí)，自動(dòng)調(diào)整到合適的時(shí)間后發(fā)出警報(bào)，解決了由于樹木靠近和接觸架空線路而引起的尖端放電、架空線路擊穿空氣放電對(duì)樹枝放電、跳閘停電或者更嚴(yán)重的事故。
【專利說(shuō)明】
電網(wǎng)架空線路經(jīng)樹木接地故障預(yù)警系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于輸電線路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電網(wǎng)架空線路經(jīng)樹木接地故障預(yù)警 系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 樹木能夠造福人類，綠化環(huán)境和凈化空氣。但是，如果樹木生長(zhǎng)在架空電力線路的 附近，當(dāng)其接觸或者距離電力線路較近時(shí)，線路對(duì)樹枝發(fā)生放電，電流沿樹木流入大地，發(fā) 生相間或線間短路，電力損耗增加，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤Ъ芸站€路，從而影響電力線路的安全 運(yùn)行。以10kV架空線路桿塔為例，如果在10kV架空線路下方或者附近有樹木生長(zhǎng)時(shí)，樹枝距 離架空線路的一根導(dǎo)線距離較近時(shí)，10kV架空線路對(duì)其發(fā)生放電，發(fā)生暫態(tài)接地故障。這類 故障比較難查找，不足以引起輸電線路上的開(kāi)關(guān)跳閘，只會(huì)發(fā)出接地信號(hào)，并且沒(méi)有明顯標(biāo) 示?，F(xiàn)有的故障排查方法是線路巡檢人員通過(guò)對(duì)配電線路認(rèn)真巡檢并對(duì)桿塔逐級(jí)檢查直接 找到故障地點(diǎn)，或者排查過(guò)程中，通過(guò)用戶反映的大致的故障地點(diǎn)間接找到精確的故障地 點(diǎn)，然后線路巡視人員帶領(lǐng)線路檢修人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)清理故障后方可清除隱患。
[0003] 僅僅一個(gè)由樹木引起的10kV單相接地故障，就需要很多巡檢人員對(duì)線路進(jìn)行巡 視，排查和訪問(wèn)用戶才能完成，直到消除線路故障。不僅浪費(fèi)了大量了人力，還浪費(fèi)了電力， 增加了發(fā)生大規(guī)模故障的幾率，嚴(yán)重影響了供電的可靠性。更高電壓等級(jí)的架空線路一般 配備架空線路故障檢測(cè)器，但只有在發(fā)生故障后才能提醒工作人員故障的存在，對(duì)樹枝的 放電預(yù)防措施也都是需要巡檢人員對(duì)線路進(jìn)行巡視。目前人們對(duì)于架空線路周圍樹枝的修 剪取得了一定成果，但修剪的前提在于發(fā)現(xiàn)，才能防范于未然，增加供電的可靠性，提高生 活質(zhì)量。因此如何對(duì)電網(wǎng)架空線路經(jīng)樹木接地故障進(jìn)行預(yù)警是目前迫切需要解決的問(wèn)題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種電網(wǎng)架空線路經(jīng)樹木接地故障 預(yù)警系統(tǒng)及方法，解決對(duì)電網(wǎng)架空線路經(jīng)樹木接地故障進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)警問(wèn)題。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006] -種電網(wǎng)架空線路經(jīng)樹木接地故障預(yù)警系統(tǒng)，包括通信模塊、實(shí)時(shí)采集模塊、電機(jī) 控制模塊、警示模塊和分析處理模塊;所述通信模塊包括第一通信模塊和第二通信模塊，所 述實(shí)時(shí)采集模塊、電機(jī)控制模塊及第一通信模塊為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備并安裝在架空線路現(xiàn)場(chǎng)，所述 分析處理模塊、警示模塊和第二通信模塊安裝在監(jiān)控中心，第一通信模塊與第二通信模塊 采用無(wú)線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；
[0007] 所述電機(jī)控制模塊包括單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、超聲波傳感器、機(jī)械連接桿、變速齒輪、 保護(hù)外殼;所述電機(jī)控制模塊安裝桿塔上，所述機(jī)械連接桿安裝在桿塔的頂部且兩側(cè)關(guān)于 桿塔對(duì)稱，兩臺(tái)水平步進(jìn)電機(jī)、兩臺(tái)垂直步進(jìn)電機(jī)和兩臺(tái)超聲波傳感器對(duì)稱安裝在機(jī)械連 接桿兩側(cè)，每個(gè)超聲波傳感器對(duì)每側(cè)架空線路進(jìn)行樹枝檢測(cè)，每臺(tái)步進(jìn)電機(jī)均裝配變速齒 輪，水平步進(jìn)電機(jī)受單片機(jī)控制經(jīng)過(guò)變速齒輪來(lái)控制超聲波傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)的水平 方向角度;垂直步進(jìn)電機(jī)受單片機(jī)控制經(jīng)過(guò)變速齒輪來(lái)控制超聲波傳感器發(fā)射超聲波信號(hào) 的垂直方向角度;所述保護(hù)外殼內(nèi)安裝有電機(jī)控制模塊中的單片機(jī)和第一通信模塊，該單 片機(jī)與第一通信模塊及步進(jìn)電機(jī)相連接；
[0008] 所述實(shí)時(shí)采集模塊包括多種檢測(cè)測(cè)量?jī)x、無(wú)線傳輸裝置和超聲波接收器，多種檢 測(cè)測(cè)量?jī)x安裝在桿塔頂部的機(jī)械連接桿上與第一通信模塊相連，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前的實(shí)時(shí) 環(huán)境參數(shù)用于采集實(shí)時(shí)的屬性值并傳送給第一通信模塊，所述超聲波接收器和無(wú)線傳輸裝 置連接在一起并安裝在兩桿塔之間的架空線路最大弧垂處，超聲波接收器用于接收超聲波 傳感器的超聲波信號(hào)，無(wú)線傳輸裝置通過(guò)無(wú)線方式與第一通信模塊進(jìn)行通信。
[0009] 所述的分析處理模塊由計(jì)算機(jī)及存儲(chǔ)裝置連接構(gòu)成，該計(jì)算機(jī)與第二通信模塊相 連;所述的警示模塊由單片機(jī)和警報(bào)器連接構(gòu)成，該單片機(jī)與分析處理模塊的計(jì)算機(jī)相連。
[0010] 進(jìn)一步，所述多種檢測(cè)測(cè)量?jī)x包括溫度測(cè)量?jī)x、相對(duì)濕度測(cè)量?jī)x、氣壓測(cè)量?jī)x、 PM2.5檢測(cè)儀、臭氧測(cè)量?jī)x、一氧化碳測(cè)量?jī)x和風(fēng)速測(cè)量?jī)x。
[0011] 進(jìn)一步，所述第一通信模塊、第二通信模塊均采用遠(yuǎn)距離無(wú)線收發(fā)裝置。
[0012] -種電網(wǎng)架空線路經(jīng)樹木接地故障預(yù)警方法，包括以下步驟：
[0013] 步驟1:確定當(dāng)前環(huán)境下架空線路對(duì)樹枝放電的安全距離
[0014] 架空線路是否對(duì)樹枝放電，不僅僅取決于樹枝距離，而且受空氣溫度、相對(duì)濕度、 大氣壓強(qiáng)、風(fēng)速、一氧化碳含量、PM2.5值和臭氧含量這些屬性的影響。本方法需要建立架空 線路對(duì)樹枝放電的實(shí)例庫(kù)，將其保存在分析處理模塊中的存儲(chǔ)裝置中，實(shí)例庫(kù)中存儲(chǔ)多個(gè) 實(shí)例，每個(gè)實(shí)例包含架空線路發(fā)生對(duì)樹枝放電時(shí)的八個(gè)屬性的即時(shí)值，實(shí)例庫(kù)中的實(shí)例可 以一次性導(dǎo)入，也可以在每次故障后將發(fā)生故障時(shí)實(shí)時(shí)的八個(gè)屬性值作為一個(gè)實(shí)例存入實(shí) 例庫(kù)中，自動(dòng)完善實(shí)例庫(kù)。實(shí)時(shí)采集模塊中的各個(gè)檢測(cè)測(cè)量?jī)x實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前除去樹枝距離 之后的七個(gè)屬性值，即空氣溫度、相對(duì)濕度、大氣壓強(qiáng)、風(fēng)速、一氧化碳含量、PM2.5值、臭氧 含量的屬性值，并將七個(gè)實(shí)時(shí)屬性值與實(shí)例庫(kù)中各個(gè)實(shí)例對(duì)應(yīng)的屬性值進(jìn)行比較分析，以 確定此時(shí)此刻架空線路對(duì)樹木放電的安全距離。
[0015] 設(shè)實(shí)例庫(kù)中存儲(chǔ)的某一實(shí)例所包含的屬性為{心^2^3^4^5^6^7丄}，其中屬性 Al、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8分別對(duì)應(yīng)為空氣溫度、相對(duì)濕度、大氣壓強(qiáng)、風(fēng)速、一氧化碳含量、 卩12.5值、臭氧含量以及樹枝距架空線路距離，該實(shí)例存儲(chǔ)的屬性值為{ &1、&2、&3、&4、8 5、&6、 a7、a8}〇
[0016] 若樹枝生長(zhǎng)在架空線路周邊，架空線路對(duì)樹枝放電須擊穿空氣，故架空線路對(duì)樹 枝放電與空氣的絕緣能力有很大關(guān)系。空氣的絕緣能力隨環(huán)境溫度的升高、大氣壓強(qiáng)的降 低、風(fēng)速的減小、PM2.5值的增大、一氧化碳、臭氧含量的升高而減弱；空氣相對(duì)濕度在一定 值以下時(shí)，空氣的絕緣能力隨空氣的相對(duì)濕度升高而增強(qiáng)，空氣相對(duì)濕度在該值以上時(shí)，其 絕緣能力隨空氣的相對(duì)濕度升高而減弱。在以上屬性中溫度、相對(duì)濕度、大氣壓強(qiáng)、風(fēng)速，由 實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，以各屬性為自變量，空氣擊穿電壓為因變量，使用matlab軟件將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 擬成曲線，輸出曲線方程：
[0017] yi = yi(Ai) ,i = l ,2,3,4
[0018] 其中Ai為上述四個(gè)屬性中的第i個(gè)屬性，yi = yi(Ai)為由屬性Ai為橫坐標(biāo)，空氣擊穿 電壓為縱坐標(biāo)，使用matlab軟件擬合得到的曲線方程。
[0019] 實(shí)時(shí)采集模塊中的測(cè)量?jī)x、檢測(cè)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)架空線路當(dāng)前的工作環(huán)境，記錄實(shí)時(shí) 的溫度、相對(duì)濕度、大氣壓強(qiáng)、風(fēng)速、一氧化碳含量、PM2.5值和臭氧含量為{a'i、a'2、a'3、a ，4、a，5、a，6、a，7}，令七個(gè)實(shí)時(shí)的屬性值與實(shí)例庫(kù)中存儲(chǔ)的某一個(gè)實(shí)例相對(duì)應(yīng)的屬性值進(jìn)行 比較分析，記
[0022] 其中81、82、83、84、85、86、87為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)屬性值與實(shí)例庫(kù)中實(shí)例的屬性值進(jìn)行比較 而得到的對(duì)樹枝安全距離影響的趨勢(shì)，即當(dāng)S > 1時(shí)，架空線路對(duì)樹枝的安全距離向減小的 趨勢(shì)發(fā)展；當(dāng)S<1時(shí)，架空線路對(duì)樹枝的安全距離向增大的趨勢(shì)發(fā)展；當(dāng)8=1時(shí)，架空線路 對(duì)樹枝的安全距離無(wú)變化趨勢(shì)，其中S為 S1~S8中任意一個(gè)，而且所說(shuō)的增大或減小均是對(duì) 某實(shí)例中存儲(chǔ)的架空線路對(duì)樹枝放電時(shí)，樹枝距架空線路的距離a 8所說(shuō)的。
[0023] 現(xiàn)實(shí)中，溫度、相對(duì)濕度、大氣壓強(qiáng)、風(fēng)速、一氧化碳含量、PM2.5值和臭氧含量七個(gè) 屬性對(duì)空氣絕緣強(qiáng)度的影響程度不同，故根據(jù)此七個(gè)屬性對(duì)空氣絕緣強(qiáng)度影響大小不同， 對(duì)不同屬性設(shè)定影響因數(shù)，即權(quán)重。將七個(gè)屬性分為兩組，溫度、相對(duì)濕度、大氣壓強(qiáng)和風(fēng)速 四個(gè)屬性對(duì)空氣絕緣能力的影響作為大氣參數(shù)對(duì)空氣絕緣能力的影響；一氧化碳含量、 PM2.5值和臭氧含量對(duì)空氣絕緣能力的影響作為污染參數(shù)對(duì)空氣絕緣能力的影響。
[0024] (1)計(jì)算大氣參數(shù)對(duì)空氣絕緣能力的影響中各屬性的權(quán)重
[0025]由matlab軟件對(duì)大氣參數(shù)中各屬性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到的曲線方程：yi = yi (A〇，將各屬性的變化引起的空氣擊穿電壓變化的程度作為各屬性對(duì)空氣絕緣能力影響的 大小，即
作為各屬性對(duì)空氣絕緣能力影響的大小，由于每個(gè)屬性的度 量單位不同，需要修正參數(shù)nu對(duì)
進(jìn)行修正，nu可設(shè)定，得到大氣參數(shù)中的各屬性的重要 度
，對(duì)其進(jìn)行歸一化，記為大氣參數(shù)對(duì)空氣絕緣能力的影響中第i個(gè) 屬性的權(quán)重。
[0026] (2)計(jì)算污染參數(shù)對(duì)空氣絕緣能力的影響中各屬性的權(quán)重 [0027]由于空氣中PM2.5、一氧化碳和臭氧在空氣中混合存在，不易分離，僅能得到三個(gè) 屬性共同對(duì)空氣絕緣能力影響的數(shù)據(jù)，對(duì)該組數(shù)據(jù)利用粗糙集理論得到各屬性在污染參數(shù) 對(duì)空氣絕緣能力的影響中的權(quán)重。
[0028]表1污染參數(shù)對(duì)空氣絕緣能力的影響
[0030] 對(duì)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化，得到?jīng)Q策表，即表2:
[0031] 表2決策表
[0033]表2為決策表，表示為5=〇]，(：，0，￥，〇，其中對(duì)象1]={61，62, 63,64,65,66}，條件屬 性C = {:一氧化碳含量，PM2.5值，臭氧含量} = {C1，c2，C3}，決策屬性D = {:擊穿電壓}。
[0034]由不可辨識(shí)關(guān)系得：
[0035] U/{ci，C2，C3} = {{ei，e2}，{e3}，{e4}，{es}，{e6}} = {Xi，X2，X3，X4，X5}
[0036] U/D = {{e2，e5}，{ei，e6}，{e3，e4}} = {Di，D2，D3}
[0037] U/{C_ci} = {{ei，e2}，{e3}，{e4，e5}，{e6}}
[0038] U/ci= {{ei，e2，e6}，{es}，{e3，e4}}
[0039] U/{C-C2} = {{ei,e2},{e3,e4},{es.ee}}
[0040] U/c2 = {{ei,e2}, {e3,e6}, {e4,e5}}
[0041] U/{C-C3} = {{ei,e2},{e3},{e4},{es},{ee}}
[0042] U/c3 = {{ei,e2}, {e3,e4,e5}, {ee}}
[0043] 在決策表S= (U,C,D,
V,f)中，決策屬性D對(duì)于條件屬性C的條件熵為：
[0045]在決策表S=(U，C，D，V，f)中，CiGC，aGC，eGU，條件屬性Ci的重要度為：
[0047] 其中 a(e)=U/a
[0048] 在決策表S = (U，C，D，V，f)中，CiGC，條件屬性Ci的權(quán)重為：
[0059]則在決策表S = (U，C，D，V，f)中，各個(gè)屬性的權(quán)重為
[0063]大氣參數(shù)和污染參數(shù)對(duì)空氣絕緣影響的大小是不同的，為此取大氣參數(shù)和污染參 數(shù)對(duì)空氣絕緣影響的權(quán)重口1^241^2可設(shè)定，于是得到大氣參數(shù)和污染參數(shù)中各屬性對(duì)空 氣絕緣能力影響的權(quán)重：
[0064]大氣參數(shù)中各屬性的權(quán)重為
[0066]污染參數(shù)中各屬性的權(quán)重為i，i = 1，2，3，污染參數(shù)中各屬性的權(quán)重為與 大氣參數(shù)對(duì)應(yīng)，在以下表示為W5、W6、W7。
[0067] 各屬性對(duì)空氣絕緣能力影響的權(quán)重分別為￥1、'\￥2、'?3、'?4、'?5、'?6、'?7，樹枝距架空線路 的距離同樣作為架空線路擊穿空氣對(duì)樹枝放電的屬性，權(quán)重為W8，W8可設(shè)定，并且使W1+W2+W3 +W4+W5+W6+W7+W8 = 1，對(duì)W1、W2、W3、W4、W5、W6、W7、W8作歸一變換，令八個(gè)權(quán)重之和恒等于1，記
夂=，hi即為作歸一變換后各屬性對(duì) 空氣絕緣能力影響的權(quán)重。
[0068] 令l=hi ? Sl+h2 S2+h3 ? S3+h4 ? S4+h5 ? S5+h6 ? S6+h7S7+h8 ? S8,其中 S1、S2、S3、 84、85、86、87、111、112、113、114、115、116、117、118均為已知量，得至1」
，貝丨Ja ' 8 = ss ? as 為根據(jù)實(shí)例庫(kù)中某一實(shí)例進(jìn)行比較分析得到的架空線路對(duì)樹枝放電的安全距離，將實(shí)時(shí)采 入的屬性值逐一與實(shí)例庫(kù)中所存儲(chǔ)的所有實(shí)例進(jìn)行比較分析，得到與實(shí)例庫(kù)中存儲(chǔ)實(shí)例個(gè) 數(shù)相同的安全距離，取其中最小安全距離作為對(duì)整個(gè)實(shí)例庫(kù)進(jìn)行比較分析得到的架空線路 對(duì)樹枝放電的安全距離r，并取裕量n，裕量n的選取為防止故障重復(fù)發(fā)生，n可設(shè)定。
[0069]最終與整個(gè)實(shí)例庫(kù)進(jìn)行比較分析，進(jìn)而得到的架空線路安全距離Ri = r ? n，同時(shí) 根據(jù)架空線路電壓等級(jí)查表3得到架空線路的安全距離1?2，取1'1=11^1(1?1，1?2)，^=1]1；[11(1?1， R2)，由此確定兩個(gè)安全距離，按照安全距離由大到小的順序，對(duì)架空線路周圍進(jìn)行兩次樹 枝檢測(cè)。
[0070]表3架空線路電壓等級(jí)和安全距離對(duì)照表
[0072]步驟2:對(duì)兩桿塔之間的架空線路進(jìn)行受力分析，結(jié)合架空線路的檔距L、架空線路 懸掛點(diǎn)距地面垂直距離h、兩桿塔之間的高度差h'、架空線路最大弧垂處距選定原點(diǎn)的垂直 距離y。、超聲波傳感器距坐標(biāo)原點(diǎn)的垂直距離H等條件得到架空線路在特定坐標(biāo)軸下的懸 掛曲線方程。
[0073]設(shè)作用在架空線路上的比載y沿架空線路均勻分布，取架空線路一段長(zhǎng)度為dL的 架空線路，對(duì)其進(jìn)行受力分析，再由力矩平衡方程和撓曲微分方程解四階常系數(shù)微分方程， 最終得到含有四個(gè)積分常數(shù)&、&、(： 3、(：4的架空線路懸掛曲線方程
[0075]其中PQ為單位長(zhǎng)度架空線路水平投影上的載荷集度，To為架空線路在桿塔的懸掛 點(diǎn)處受的水平拉力，k為常數(shù)。
[0076]以及含有三個(gè)積分常數(shù)Ci、C2、C3的架空線路懸掛曲線微分方程
[0078] 考慮到坐標(biāo)原點(diǎn)不同，積分常數(shù)也會(huì)隨之變化，可取架空線路較低一端的桿塔插 入地面處為架空線路懸掛曲線方程所在坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)〇,若兩桿塔無(wú)高度差，則任選取 一端桿塔插入地面處原點(diǎn)〇,記架空線路在較低桿塔的懸掛點(diǎn)為a，較高桿塔的懸掛點(diǎn)為b， 架空線路最大弧垂處為c，需人工測(cè)量架空線路最大弧垂處c距原點(diǎn)〇的水平距離Xc。
[0079] 將超聲波傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)的角度分解為水平方向的角度和垂直方向的角 度，水平方向的角度和垂直方向的角度分別由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)經(jīng)變速齒輪控制。其中水平方 向角度指的是超聲波傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)的方向與連接兩個(gè)超聲波傳感器的機(jī)械連接 桿所在直線方向的夾角在水平面上投影所得到的角度;垂直方向的角度指的是超聲波傳感 器發(fā)射超聲波信號(hào)的方向與水平面的夾角。在兩桿塔之間的最大弧垂處c安裝第一通信模 塊的超聲波接收裝置和無(wú)線傳輸裝置，令桿塔兩側(cè)的超聲波傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)的方向 同步改變，將水平方向的角度固定戈
，垂直方向的角度從〇°增大，到第一通信模塊 的超聲波接收裝置接收到超聲波信號(hào)為止，記錄此時(shí)超聲波傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)垂直方 向的角度，利用幾何知識(shí)，計(jì)算得到架空線路最大弧垂處c點(diǎn)的縱坐標(biāo)y。。代入懸掛曲線方 程及其微分方程的邊界條件，即在較低桿塔懸掛點(diǎn)a處:x = 0，y = h，
；在架空線路的 另一個(gè)懸掛點(diǎn)b處:x = L，y = h+h'
在架空線路最大弧垂c點(diǎn)處：
得到積分常數(shù)&、C2、C3、C4、Po和To的取值，得到精確的架空線路懸掛曲線方程。
[0080] 步驟3:將架空線路理想化為曲線，在曲線上取一點(diǎn)d，因存在兩個(gè)安全距離，故存 在兩個(gè)以d點(diǎn)為圓心，安全距離為半徑的圓，記圓上的點(diǎn)為e。計(jì)算電機(jī)控制模塊的超聲波傳 感器發(fā)射超聲波信號(hào)到e點(diǎn)的發(fā)射角度，建立超聲波傳感器發(fā)射角度變化的數(shù)學(xué)模型。 [0081]架空線路上d點(diǎn)距原點(diǎn)的水平距離為 Xd，由步驟2得到的架空線路在懸點(diǎn)水平固定 時(shí)的懸掛曲線方程，d點(diǎn)的縱坐標(biāo)為yd。在d點(diǎn)周圍存在兩個(gè)安全距離ri與r2,安全距離ri與r2 在以下均記為le點(diǎn)為以d點(diǎn)為圓心，安全距離R為半徑的圓上的點(diǎn)，e點(diǎn)隨d點(diǎn)的選取以及e 點(diǎn)和d點(diǎn)連線與水平面夾角a的變化而變化。d點(diǎn)的選取從架空線路在桿塔的懸掛點(diǎn)附近開(kāi) 始，每隔固定的水平距離A X，重新選取架空線路上的點(diǎn)作為d點(diǎn)，其中d點(diǎn)的初始選取處以 及Ax根據(jù)實(shí)際情況可設(shè)定，隨后對(duì)以d點(diǎn)為圓心，安全距離R為半徑的圓上的點(diǎn)e進(jìn)行樹枝 檢測(cè)，分析處理模塊中的計(jì)算機(jī)根據(jù)幾何關(guān)系求出由于e點(diǎn)變化而引起的超聲波傳感器發(fā) 射角度的變化，建立超聲波傳感器水平方向角度和垂直方向角度變化的數(shù)學(xué)模型：
[0082] 超聲波傳感器水平方向角度變化的數(shù)學(xué)模型
[0083] 超聲波傳感器垂直方向角度變化的數(shù)學(xué)模型
[0084]其中H為超聲波傳感器距坐標(biāo)原點(diǎn)的垂直距離。
[0085]步驟4:判斷架空線路安全距離處是否存在樹枝。
[0086]假設(shè)架空線路上d點(diǎn)為圓心，安全距離R為半徑的圓上的點(diǎn)e處存在樹枝，則超聲波 傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)到e點(diǎn)的樹枝上并反射回超聲波信號(hào)，使超聲波傳感器接收到此信 號(hào)所用的時(shí)間為：
[0088]其中v為超聲波在當(dāng)時(shí)環(huán)境中的傳播速度，則判定架空線路安全距離內(nèi)有樹枝的 條件為超聲波傳感器接收到超聲波信號(hào)與發(fā)出超聲波信號(hào)的時(shí)間差為：
[0090] 允許存在0.2 %的誤差，若超聲波傳感器實(shí)際測(cè)量時(shí)間差滿足條件，則經(jīng)過(guò)自適應(yīng) 調(diào)時(shí)，向巡線工作人員報(bào)警，其中自適應(yīng)調(diào)時(shí)由警報(bào)模塊中的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，該模塊的單片機(jī) 預(yù)存巡線工作人員工作時(shí)間，當(dāng)檢測(cè)到架空線路安全距離內(nèi)存在樹枝時(shí)，單片機(jī)對(duì)警報(bào)器 進(jìn)行控制，使警報(bào)器在巡線工作人員的工作時(shí)間發(fā)出警報(bào)。報(bào)警信號(hào)分為兩種，一種為距架 空線路n處有樹枝的報(bào)警信號(hào)，為輕微報(bào)警信號(hào)，另一種為距架空線路^處有樹枝的報(bào)警信 號(hào)，為嚴(yán)重報(bào)警信號(hào)，當(dāng)巡線工作人員收到嚴(yán)重報(bào)警信號(hào)時(shí)，須盡快排除此處潛在故障。
[0091] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：
[0092] 1、本發(fā)明充分考慮架空線路周邊環(huán)境，確定架空線路對(duì)樹木放電的八個(gè)指標(biāo)，建 立架空線路對(duì)樹木放電的實(shí)例庫(kù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)七個(gè)屬性值，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)屬性值與實(shí)例庫(kù)中存 儲(chǔ)實(shí)例進(jìn)行比較分析，并以此為基礎(chǔ)確定架空線路對(duì)樹木放電的安全距離，并結(jié)合查表得 到的安全距離，根據(jù)兩個(gè)不同的安全距離進(jìn)行兩次樹枝檢測(cè)，使不同的外部環(huán)境有不同的 安全距離的前提下，使系統(tǒng)更適應(yīng)環(huán)境。
[0093] 2、本發(fā)明極大提高了架空線路對(duì)樹木放電的預(yù)防能力，改變目前短路發(fā)生后線路 巡檢人員必須對(duì)線路進(jìn)行巡視、排查和訪問(wèn)用戶才能完成排障的模式，將變被動(dòng)為主動(dòng)方 式，節(jié)省了人力、電力，提高了供電的可靠性。
[0094] 3、本發(fā)明在檢測(cè)到樹枝的存在時(shí)，警報(bào)器經(jīng)過(guò)單片機(jī)自適應(yīng)調(diào)時(shí)對(duì)巡線人員進(jìn)行 報(bào)警，并且安全距離的取值留有一定裕度，使巡線人員可調(diào)整時(shí)間對(duì)樹木進(jìn)行修剪。
[0095] 4、本發(fā)明設(shè)計(jì)合理，其充分利用超聲波傳感器發(fā)射和接收超聲波信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)架空 線路周圍樹枝的檢測(cè)，可以在樹枝接近架空線路的安全距離時(shí)，自動(dòng)調(diào)整到合適的時(shí)間后 發(fā)出警報(bào)，使工作人員能夠及時(shí)處理潛在故障，預(yù)防事故的發(fā)生，解決了由于樹木靠近和接 觸架空線路而引起的尖端放電、架空線路擊穿空氣放電對(duì)樹枝放電、跳閘停電或者更嚴(yán)重 的事故。
【附圖說(shuō)明】
[0096] 圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)連接示意圖；
[0097] 圖2為本發(fā)明的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備整體安裝示意圖；
[0098]圖3a為本發(fā)明的桿塔上安裝設(shè)備的立體圖；
[0099]圖3b為本發(fā)明的桿塔上安裝設(shè)備的主視圖；
[0100]圖4為架空線路微段受力分析圖；
[0101 ]圖5為超聲波傳感器發(fā)射角度求解圖；
[0102]圖6為本發(fā)明的系統(tǒng)工作過(guò)程圖；
[0103]圖7a大氣參數(shù)(空氣)對(duì)空氣絕緣能力影響的曲線圖；
[0104]圖7b大氣參數(shù)(溫度)對(duì)空氣絕緣能力影響的曲線圖；
[0105]圖7c大氣參數(shù)(濕度)對(duì)空氣絕緣能力影響的曲線圖；
[0106]圖7d大氣參數(shù)(大氣壓強(qiáng))對(duì)空氣絕緣能力影響的曲線圖；
[0107]圖8為本發(fā)明的方法處理流程圖；
[0108]圖中，丨-通信模塊，丨卜第一通信模塊，丨2-第二通信模塊，2-實(shí)時(shí)采集模塊，21-檢 測(cè)測(cè)量?jī)x，22-無(wú)線傳輸裝置，23-超聲波接收裝置，3-電機(jī)控制模塊，31-水平步進(jìn)電機(jī)，32-超聲波傳感器，33-機(jī)械連接桿，34-變速齒輪，35-保護(hù)外殼，36-垂直步進(jìn)電機(jī)，4-警示模 塊，5-分析處理模塊，6-桿塔，7-架空線路，8-絕緣子。
【具體實(shí)施方式】
[0109]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步詳述：
[0110] -種電網(wǎng)架空線路經(jīng)樹木接地故障預(yù)警系統(tǒng)，如圖1所示，包括通信模塊1、實(shí)時(shí)采 集模塊2、電機(jī)控制模塊3、警示模塊4、分析處理模塊5。所述的通信模塊1包括第一通信模塊 11和第二通信模塊12,第一通信模塊11和第二通信模塊12均采用遠(yuǎn)距離無(wú)線收發(fā)裝置并通 過(guò)收發(fā)無(wú)線信號(hào)達(dá)到傳輸信息的目的。第一通信模塊11與電機(jī)控制模塊3及實(shí)時(shí)采集模塊2 相連;第二通信模塊12與分析處理模塊5相連，第二通信模塊12與第一通信模塊11通過(guò)無(wú)線 信號(hào)傳輸信息。所述實(shí)時(shí)采集模塊2與第一通信模塊11相連。所述電機(jī)控制模塊3與第一通 信模塊11相連。所述警示模塊4與分析處理模塊5相連。所述分析處理模塊5與警示模塊4和 第二通信模塊12相連。本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)采集模塊2、電機(jī)控制模塊3及第一通信模塊11為現(xiàn)場(chǎng) 設(shè)備并安裝在架空線路現(xiàn)場(chǎng)，第二通信模塊12、分析處理模塊5和警示模塊4安裝在監(jiān)控中 心。下面對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)部分分別進(jìn)行說(shuō)明：
[0111] 電機(jī)控制模塊3包括單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、超聲波傳感器、機(jī)械連接桿、變速齒輪、保 護(hù)外殼。實(shí)時(shí)采集模塊2包括溫度測(cè)量?jī)x、相對(duì)濕度測(cè)量?jī)x、氣壓測(cè)量?jī)x、PM2.5檢測(cè)儀、臭氧 測(cè)量?jī)x、一氧化碳測(cè)量?jī)x、風(fēng)速測(cè)量?jī)x、無(wú)線傳輸裝置和超聲波接收器。如圖2、圖3a及圖3b 所示，所述電機(jī)控制模塊3安裝桿塔6上，架空線路7通過(guò)絕緣子8安裝在桿塔6的左右兩側(cè)， 所述機(jī)械連接桿33安裝在桿塔6的頂部且兩側(cè)關(guān)于桿塔對(duì)稱，機(jī)械連接桿33用于電機(jī)控制 模塊及實(shí)時(shí)采集模塊的連接和支撐。兩臺(tái)水平步進(jìn)電機(jī)31、兩臺(tái)垂直步進(jìn)電機(jī)36和兩臺(tái)超 聲波傳感器32分別對(duì)稱安裝在機(jī)械連接桿33兩側(cè)，每個(gè)超聲波傳感器對(duì)架空線路的前后對(duì) 應(yīng)側(cè)進(jìn)行樹枝檢測(cè)，每臺(tái)步進(jìn)電機(jī)均裝配變速齒輪34,水平步進(jìn)電機(jī)31受單片機(jī)控制經(jīng)過(guò) 變速齒輪34來(lái)控制超聲波傳感器32發(fā)射超聲波信號(hào)的水平方向角度;垂直步進(jìn)電機(jī)36受單 片機(jī)控制經(jīng)過(guò)變速齒輪34來(lái)控制超聲波傳感器32發(fā)射超聲波信號(hào)的垂直方向角度。所述保 護(hù)外殼35內(nèi)安裝有電機(jī)控制模塊中的單片機(jī)和第一通信模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)和第一通信模 塊保護(hù)功能。所述單片機(jī)與第一通信模塊的相連并且控制步進(jìn)電機(jī)，使步進(jìn)電機(jī)通過(guò)變速 齒輪實(shí)現(xiàn)超聲波傳感器沿分析處理模塊計(jì)算得到的角度發(fā)射超聲波信號(hào)。各個(gè)檢測(cè)測(cè)量?jī)x 21安裝在桿塔頂部的機(jī)械連接桿上與第一通信模塊相連，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前的實(shí)時(shí)環(huán)境參 數(shù)用于采集實(shí)時(shí)的屬性值并傳送給第一通信模塊，所述超聲波接收器23和無(wú)線傳輸裝置22 連接在一起并安裝在兩桿塔之間的架空線路最大弧垂處，超聲波接收器23用于感應(yīng)超聲波 信號(hào)，無(wú)線傳輸裝置22通過(guò)無(wú)線方式與第一通信模塊進(jìn)行通信。
[0112]所述的分析處理模塊5由計(jì)算機(jī)及存儲(chǔ)裝置連接構(gòu)成，并且計(jì)算機(jī)又與第二通信 模塊相連，存儲(chǔ)裝置用于存儲(chǔ)實(shí)例庫(kù)中的實(shí)例，計(jì)算機(jī)用于架空線路的安全距離、超聲波傳 感器發(fā)射角度和架空線路懸掛曲線方程等任務(wù)的計(jì)算。所述的警示模塊4由單片機(jī)和警報(bào) 器連接構(gòu)成，其中單片機(jī)又與分析處理模塊的計(jì)算機(jī)相連，用于智能調(diào)整報(bào)警時(shí)間，警報(bào)器 受單片機(jī)控制用于對(duì)巡線工作人員報(bào)警。
[0113] 本系統(tǒng)的架空線路微段受力分析如圖4所示，設(shè)作用在架空線路上的比載y沿架 空線路均勻分布，兩桿塔之間的高度差為h'，則單位長(zhǎng)度架空線路水平投影上的荷載密度 P〇=yA，其中A為架空線路的截面積。在桿塔之間的架空線路上選取一段架空線路dL，其水 平和垂直投影長(zhǎng)度分別為dx和dy，則段架空線路上的荷載為Podx，記架空線路較低一端的 張力為T、彎矩為M，則張力的水平分量T〇 = TC〇s0，其中0為架空線路較低一端切線與水平的 夾角；在架空線路較高的一端上述各量分別為了+(11'1+(^、1'()，則該段架空線路垂直方向的 受力平衡方程為
[0114] -Totan9-p〇dx+Totan(9+d9) =0
[0115] 即
[0117]該段對(duì)任一點(diǎn)的力矩平衡方程為
[0119] 舍去上式中的二階襪
，兩側(cè)同對(duì)x求導(dǎo)，得到
[0121]梁的撓曲微分方程為_(kāi)
.，.對(duì)梁的撓曲微分方程兩邊求二次導(dǎo)，得到
[0123] 其中EJ為架空線路的截面彎曲剛度
[0124] 整合上式得到
[0126]解四階常系數(shù)微分方程得到
[0129]上式兩側(cè)對(duì)x求導(dǎo)得到架空線路懸掛曲線微分方程
[0131] 超聲波傳感器發(fā)射角度求解如圖5所示，記點(diǎn)a為架空線路在較低桿塔上的懸掛點(diǎn)， 點(diǎn)f為超聲波傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)的發(fā)射點(diǎn)，點(diǎn)d為在架空線路上選取的圓心點(diǎn)，點(diǎn)e為以d 點(diǎn)為圓心，安全距離R為半徑的圓上的點(diǎn)。作輔助線di平行于電機(jī)控制模塊的機(jī)械連接桿，記 Zide為a，0° <a<90°，在桿塔上取點(diǎn)m，作輔助線mj平行于電機(jī)控制模塊的機(jī)械連接桿，輔助 線ej垂直于mj。將超聲波傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)的角度分解為垂直方向角度90°-Zefg，即 Zfeg和水平方向角度Zmge。點(diǎn)d為選取的圓心點(diǎn)，點(diǎn)d的橫坐標(biāo)已知為xd，記超聲波傳感器 距坐標(biāo)原點(diǎn)的距離H，為已知。由步驟2求出的架空線路懸掛曲線方程，求得點(diǎn)d縱坐標(biāo)y d，則 lfg = H-yd+RSina，運(yùn)用勾股定理得到
，由三角函數(shù)得到 超聲波傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)的垂直方向轉(zhuǎn)角
超聲波傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)的水平方向轉(zhuǎn)角
超聲波傳感器發(fā) 射超聲波信號(hào)的水平方向轉(zhuǎn)角Zmge和垂直方向轉(zhuǎn)角Zf eg合成為超聲波傳感器發(fā)射超聲 波信號(hào)的發(fā)射角度。
[0132] 本系統(tǒng)的工作過(guò)程如圖6所示，對(duì)桿塔一側(cè)的架空線路進(jìn)行樹枝檢測(cè)時(shí)，首先在架 空線路上選取初始的圓心點(diǎn)d，檢測(cè)以d點(diǎn)為圓心，安全距離R為半徑的圓上的點(diǎn)e處是否有 樹枝:a從0°開(kāi)始增大，超聲波傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)的水平方向轉(zhuǎn)角Zmge和垂直方向轉(zhuǎn) 角Zfeg隨a的增大而變化，當(dāng)a增大到90°時(shí)，令架空線路上的d點(diǎn)橫坐標(biāo)xd增大△ X，得到新 的d點(diǎn)，a重新從0°開(kāi)始增大，在此過(guò)程中若在架空線路的安全距離R內(nèi)出現(xiàn)樹枝，系統(tǒng)準(zhǔn)備 對(duì)工作人員發(fā)出輕微或者嚴(yán)重的警報(bào)信號(hào)，并記錄該時(shí)刻超聲波傳感器的發(fā)射角度。此過(guò) 程由計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行控制。
[0133] 大氣參數(shù)中各屬性對(duì)空氣絕緣能力影響的曲線如圖7 a、7 b、7 c、7 d所 示，圖7a為溫度與空氣擊穿電壓的關(guān)系，使用mat lab軟件擬合得到的多項(xiàng)式為： \\(A,) = O.OO?.^,2 -0.1976.4, +63.9314 ；
[0134] 圖7b為相對(duì)濕度與空氣擊穿電壓的關(guān)系，使用matlab軟件擬合得到的多項(xiàng)式為： r:(^:) =-0.0038^； +0.4461^: +47.0635 ;
[0135] 圖7c為大氣壓強(qiáng)與空氣擊穿電壓的關(guān)系，使用matlab軟件擬合得到的多項(xiàng)式為： I v.(A.) = A.. -41.5, A. <101.5
[0136] f J I ) = 2.4A; -183.6, A > 101.5
[0137] 圖7d為風(fēng)速與空氣擊穿電壓的關(guān)系，使用matlab軟件擬合得到的多項(xiàng)式為： v4( A4) = -0.0114 A： + 0.7589A + 59.6343 〇
[0138] 本發(fā)明的電網(wǎng)架空線路經(jīng)樹木接地故障預(yù)警方法，如圖8所示，其基本處理流程 為:開(kāi)始-建立架空線路對(duì)樹枝放電的實(shí)例庫(kù)-將已知的實(shí)例導(dǎo)入到實(shí)例庫(kù)中-測(cè)量并計(jì) 算桿塔間架空線路最大弧垂處距地面的垂直距離-選定坐標(biāo)原點(diǎn)，計(jì)算架空線路在兩桿塔 間的懸掛曲線方程-建立超聲波傳感器的發(fā)射超聲波信號(hào)的發(fā)射角度變化的數(shù)學(xué)模型- 在桿塔懸掛點(diǎn)附近的架空線路上選取d點(diǎn)，并確定檢測(cè)樹枝的步長(zhǎng)A x，A x>0-以d點(diǎn)為圓 心，安全距離n為半徑的圓上存在樹枝?-Y，對(duì)巡線工作人員發(fā)出輕微警報(bào)信號(hào)-記錄此 時(shí)超聲波傳感器的發(fā)射角度;N，以d點(diǎn)為圓心，安全距離r 2為半徑的圓上存在樹枝?-Y，對(duì) 巡線工作人員發(fā)出嚴(yán)重警報(bào)信號(hào)-記錄此時(shí)超聲波傳感器的發(fā)射角度;N，令架空線路上d 點(diǎn)的橫坐標(biāo)增大步長(zhǎng)A x，在架空線路上得到新的d點(diǎn)-d點(diǎn)的橫坐標(biāo)xd>L?-N，返回以d點(diǎn) 為圓心，安全距離n為半徑的圓上存在樹枝？; Y，發(fā)生架空線路對(duì)樹枝放電?-N，結(jié)束;Y，得 到架空線路對(duì)樹枝放電的即時(shí)屬性值?-Y，將實(shí)時(shí)屬性生成一個(gè)實(shí)例-返回將已知實(shí)例導(dǎo) 入到實(shí)例庫(kù)中;N-結(jié)束。
[0139] 下面以一個(gè)35kV電壓等級(jí)的架空線路為例對(duì)本方法做進(jìn)一步說(shuō)明：
[0140]該35kV電壓等級(jí)的架空線路，其檔距為L(zhǎng)，架空線路懸掛點(diǎn)距地面高度為h，超聲波 傳感器距地面垂直距離為H，機(jī)械連接桿的長(zhǎng)度1，兩桿塔之間的高度差為V，架空線路最大 弧垂處距較低桿塔插入地面處的水平距離 Xc，架空線路的截面彎曲剛度EJ，使用電網(wǎng)架空 線路經(jīng)樹木接地故障預(yù)警系統(tǒng)對(duì)該架空線路進(jìn)行預(yù)警。由于架空線路材料種類多，鋪設(shè)受 環(huán)境各方面影響較大，因此本實(shí)施例不選取精確數(shù)值，僅用符號(hào)進(jìn)行計(jì)算。
[0141] (1)當(dāng)前環(huán)境下架空線路對(duì)樹枝放電的安全距離：
[0142]實(shí)例庫(kù)存儲(chǔ)在該系統(tǒng)的分析處理模塊中，選取實(shí)例庫(kù)中的兩組實(shí)例，記為實(shí)例1和 實(shí)例 2,兩組實(shí)例中存儲(chǔ)的屬性值{a1、a2、a3、a4、a5、a 6、a7、a8：^1ljS{30,60，100，1.5,75，15， 215,3}、{20,75，100,0,80,20,265,3.5}，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)此時(shí)的各屬性值{3' 1、3'2 4'3、3'4、&'5、 a'6、a'7}為{25，70,101.5,3，35,17,160}。則實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)屬性值與實(shí)例1的屬性值進(jìn)行比較而 得到的對(duì)樹枝安全距離影響的趨勢(shì)為：
[0145] 選取修正參數(shù)mi=l、m2 = l .2、m3 = 0.1 、m4 = 0.1，則大氣參數(shù)對(duì)空氣絕緣能力的影 響中第1個(gè)屬性的權(quán)重為：
[0147]大氣參數(shù)對(duì)空氣絕緣能力的影響中第2個(gè)屬性的權(quán)重為
[0149]大氣參數(shù)對(duì)空氣絕緣能力的影響中第3個(gè)屬性的權(quán)重為
[0151]大氣參數(shù)對(duì)空氣絕緣能力的影響中第4個(gè)屬性的權(quán)重為
[0153]已知污染參數(shù)對(duì)空氣絕緣能力的影響中三個(gè)屬性的權(quán)重分別為'
[0154] 設(shè)定大氣參數(shù)和污染參數(shù)對(duì)空氣絕緣影響得權(quán)重pi = 0.6、p2 = 0.4,則各屬性對(duì)空 氣絕緣能力影響的權(quán)重分別為：
[0159]樹枝距架空線路的距離同樣作為架空線路擊穿空氣對(duì)樹枝放電的屬性，權(quán)重為 W8,設(shè)定W8= 1，則對(duì)八個(gè)屬性的權(quán)重進(jìn)行歸一化：
[0162] 同理得到：
[0163] h3 = 0.09498、h4 = 0.06745、h5 = 0.06429、h6 = 0.07145、h7 = 0.06429、h8 = 0.5
[0164] 由已知量81、82、83、84、85、86、87、111、112、113、114、115、116、117、118知
[0166] 最終確定由實(shí)例1確定的架空線路對(duì)樹枝放電的安全距離為：
[0167] a'8 = S8 ? a8 = 0.8176*3~2.5m
[0168] 同理，可確定由實(shí)例2確定的架空線路對(duì)樹枝放電的安全距離為2.8m。令多個(gè)實(shí)例 得到的安全距離作比較，取其中最小的安全距離作為對(duì)整個(gè)實(shí)例庫(kù)進(jìn)行對(duì)比分析得到的架 空線路安全距離r，在本實(shí)施例中，令兩個(gè)基于實(shí)例得到的安全距離進(jìn)行比較，得到r = 2.5m，取裕量n = 1.2，得到Ri = 2.5* 1.2 = 3m;查表3，得到樹枝距架空線路的安全距離R2 = 3 ? 5m，則得到 ri=max(Ri，R2) = 3 ? 5m、r2=min(Ri，R2) = 3m。
[0169] (2)得到架空線路在特定坐標(biāo)軸下的懸掛曲線方程
[0170] 取架空線路的較低一端桿塔插入地面處為架空線路懸掛曲線方程所在坐標(biāo)系的 坐標(biāo)原點(diǎn)〇,由實(shí)時(shí)采集模塊的超聲波接收裝置和無(wú)線傳輸裝置得到架空線路最大弧垂處 距原點(diǎn)〇的垂直距離y。，將架空線路的邊界條件
[0172]代入到含有四個(gè)積分常數(shù)(：1工2、(：3工4和兩個(gè)待定參數(shù)?()、1'()的架空線路懸掛曲線 方程
以及含有三個(gè)積分常數(shù)ChChCs的 架空線路懸掛曲線微分方程
中，得到
[0174] 解六元方程組得到常數(shù)&、&、(：3、〇4和待定參數(shù)?()、1'()，確定精確的架空線路懸掛曲 線方程。
[0175] (3)建立超聲波傳感器發(fā)射角度變化的數(shù)學(xué)模型。
[0176] 在架空線路上距桿塔懸掛點(diǎn)水平距離0.5m處，即xd = 0.5m，選取初始檢測(cè)點(diǎn)d，由步 驟2得到的架空線路懸掛曲線方程，得到d點(diǎn)的縱坐標(biāo)為yd，首先取安全距離為n，對(duì)以d點(diǎn)為 圓心，安全距離n為半徑的圓上的點(diǎn)e進(jìn)行樹枝檢測(cè)，超聲波傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)的水平 方向角度為
，垂直方向角度為'
其中Xd固定為0.5m，a由〇°開(kāi)始增大，隨著a的變化Zmge和Zfeg作相應(yīng)變化，當(dāng)a達(dá)到90° 時(shí)，取安全半徑為r2，對(duì)以d點(diǎn)為圓心，安全距離r2為半徑的圓上的點(diǎn)e進(jìn)行樹枝檢測(cè)，使a重 新由〇°增大到90°，當(dāng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)的角度隨角度a的變化完成后，令x d增 大A x，在架空線路上得到新的d點(diǎn)，重復(fù)之前的程序，完成對(duì)超聲波傳感器發(fā)射超聲波信號(hào) 角度的控制。
[0177] (4)判定架空線路安全距離內(nèi)是否存在樹枝。
[0178] 在超聲波傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)的角度變化時(shí)，其發(fā)射信號(hào)和接受到信號(hào)的時(shí)間 差是不斷變化的，判斷實(shí)際檢測(cè)得到的時(shí)間差是否滿足安全距離處存在樹枝的條件
若滿足條件（允許存在〇 . 2 %的誤差），準(zhǔn)備發(fā) ，. 出對(duì)應(yīng)的輕微或者嚴(yán)重警報(bào)信號(hào)并記錄此時(shí)的超聲波傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)的發(fā)射角度。
[0179] 需要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明所述的實(shí)施例是說(shuō)明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明包 括并不限于【具體實(shí)施方式】中所述的實(shí)施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案 得出的其他實(shí)施方式，同樣屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種電網(wǎng)架空線路經(jīng)樹木接地故障預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于:包括通信模塊、實(shí)時(shí)采集 模塊、電機(jī)控制模塊、警示模塊和分析處理模塊;所述通信模塊包括第一通信模塊和第二通 信模塊，所述實(shí)時(shí)采集模塊、電機(jī)控制模塊及第一通信模塊為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備并安裝在架空線路 現(xiàn)場(chǎng)，所述分析處理模塊、警示模塊和第二通信模塊安裝在監(jiān)控中屯、，第一通信模塊與第二 通信模塊采用無(wú)線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸； 所述電機(jī)控制模塊包括單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、超聲波傳感器、機(jī)械連接桿、變速齒輪、保護(hù) 外殼;所述電機(jī)控制模塊安裝桿塔上，所述機(jī)械連接桿安裝在桿塔的頂部且兩側(cè)關(guān)于桿塔 對(duì)稱，兩臺(tái)水平步進(jìn)電機(jī)、兩臺(tái)垂直步進(jìn)電機(jī)和兩臺(tái)超聲波傳感器對(duì)稱安裝在機(jī)械連接桿 兩側(cè)，每個(gè)超聲波傳感器對(duì)每側(cè)架空線路進(jìn)行樹枝檢測(cè)，每臺(tái)步進(jìn)電機(jī)均裝配變速齒輪，水 平步進(jìn)電機(jī)受單片機(jī)控制經(jīng)過(guò)變速齒輪來(lái)控制超聲波傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)的水平方向 角度;垂直步進(jìn)電機(jī)受單片機(jī)控制經(jīng)過(guò)變速齒輪來(lái)控制超聲波傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)的垂 直方向角度;所述保護(hù)外殼內(nèi)安裝有電機(jī)控制模塊中的單片機(jī)和第一通信模塊，該單片機(jī) 與第一通信模塊及步進(jìn)電機(jī)相連接； 所述實(shí)時(shí)采集模塊包括多種檢測(cè)測(cè)量?jī)x、無(wú)線傳輸裝置和超聲波接收器，多種檢測(cè)測(cè) 量?jī)x安裝在桿塔頂部的機(jī)械連接桿上與第一通信模塊相連，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前的實(shí)時(shí)環(huán)境 參數(shù)用于采集實(shí)時(shí)的屬性值并傳送給第一通信模塊，所述超聲波接收器和無(wú)線傳輸裝置連 接在一起并安裝在兩桿塔之間的架空線路最大弧垂處，超聲波接收器用于接收超聲波傳感 器的超聲波信號(hào)，無(wú)線傳輸裝置通過(guò)無(wú)線方式與第一通信模塊進(jìn)行通信。 所述的分析處理模塊由計(jì)算機(jī)及存儲(chǔ)裝置連接構(gòu)成，該計(jì)算機(jī)與第二通信模塊相連； 所述的警示模塊由單片機(jī)和警報(bào)器連接構(gòu)成，該單片機(jī)與分析處理模塊的計(jì)算機(jī)相連。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電網(wǎng)架空線路經(jīng)樹木接地故障預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于:所述多 種檢測(cè)測(cè)量?jī)x包括溫度測(cè)量?jī)x、相對(duì)濕度測(cè)量?jī)x、氣壓測(cè)量?jī)x、PM2.5檢測(cè)儀、臭氧測(cè)量?jī)x、 一氧化碳測(cè)量?jī)x和風(fēng)速測(cè)量?jī)x。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電網(wǎng)架空線路經(jīng)樹木接地故障預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于:所述第 一通信模塊、第二通信模塊均采用遠(yuǎn)距離無(wú)線收發(fā)裝置。4. 一種如權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的電網(wǎng)架空線路經(jīng)樹木接地故障預(yù)警系統(tǒng)的方法， 其特征在于包括W下步驟： 步驟1:確定當(dāng)前環(huán)境下架空線路對(duì)樹枝放電的安全距離； 步驟2:對(duì)兩桿塔之間的架空線路進(jìn)行受力分析，結(jié)合架空線路的檔距L、架空線路懸掛 點(diǎn)距地面垂直距離h、兩桿塔之間的高度差h'、架空線路最大弧垂處距選定原點(diǎn)的垂直距離 yc、超聲波傳感器距坐標(biāo)原點(diǎn)的垂直距離H得到架空線路在特定坐標(biāo)軸下的懸掛曲線方程； 步驟3:將架空線路理想化為曲線，在曲線上取一點(diǎn)d，因存在兩個(gè)安全距離，故存在兩 個(gè)Wd點(diǎn)為圓屯、，安全距離為半徑的圓，記圓上的點(diǎn)為e;計(jì)算電機(jī)控制模塊的超聲波傳感器 發(fā)射超聲波信號(hào)到e點(diǎn)的發(fā)射角度，建立超聲波傳感器發(fā)射角度變化的數(shù)學(xué)模型； 步驟4:判斷架空線路安全距離處是否存在樹枝。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電網(wǎng)架空線路經(jīng)樹木接地故障預(yù)警方法，其特征在于:所述步 驟1的具體實(shí)現(xiàn)方法為:首先建立架空線路對(duì)樹枝放電的實(shí)例庫(kù)并保存在分析處理模塊中， 實(shí)例庫(kù)中存儲(chǔ)多個(gè)實(shí)例，每個(gè)實(shí)例包含架空線路發(fā)生對(duì)樹枝放電時(shí)的八個(gè)屬性的即時(shí)值； 然后，實(shí)時(shí)采集模塊中的各個(gè)檢測(cè)測(cè)量?jī)x實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前除去樹枝距離之后的如下屯個(gè)屬性 值:空氣溫度、相對(duì)濕度、大氣壓強(qiáng)、風(fēng)速、一氧化碳含量、PM2.5值、臭氧含量的屬性值，將屯 個(gè)屬性分為兩組，溫度、相對(duì)濕度、大氣壓強(qiáng)和風(fēng)速四個(gè)屬性對(duì)空氣絕緣能力的影響作為大 氣參數(shù)對(duì)空氣絕緣能力的影響;一氧化碳含量、PM2.5值和臭氧含量對(duì)空氣絕緣能力的影響 作為污染參數(shù)對(duì)空氣絕緣能力的影響，取大氣參數(shù)和污染參數(shù)對(duì)空氣絕緣影響的權(quán)重P1、 P2，P1、P2，得到大氣參數(shù)和污染參數(shù)中各屬性對(duì)空氣絕緣能力影響的權(quán)重;最后將屯個(gè)實(shí)時(shí) 屬性值與實(shí)例庫(kù)中各個(gè)實(shí)例對(duì)應(yīng)的屬性值進(jìn)行比較分析，W確定此時(shí)此刻架空線路對(duì)樹木 放電的安全距離，取其中最小安全距離作為對(duì)整個(gè)實(shí)例庫(kù)進(jìn)行比較分析得到的架空線路對(duì) 樹枝放電的安全距離r，并取裕量n，裕量n的選取為防止故障重復(fù)發(fā)生，n可設(shè)定，進(jìn)而得到 的架空線路安全距離化=r ? n，同時(shí)根據(jù)架空線路電壓等級(jí)得到架空線路的安全距離R2,取 ;ri=max(化,化），r2=min(化,化），由此確定兩個(gè)安全距離。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電網(wǎng)架空線路經(jīng)樹木接地故障預(yù)警方法，其特征在于:所述實(shí) 例庫(kù)中的實(shí)例采用一次性方式導(dǎo)入，或者在每次故障后將發(fā)生故障時(shí)實(shí)時(shí)的八個(gè)屬性值作 為一個(gè)實(shí)例存入實(shí)例庫(kù)中。7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電網(wǎng)架空線路經(jīng)樹木接地故障預(yù)警方法，其特征在于:所述步 驟4的具體實(shí)現(xiàn)方法為:設(shè)架空線路上d點(diǎn)為圓屯、，安全距離R為半徑的圓上的點(diǎn)e處存在樹 枝，則超聲波傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)到e點(diǎn)的樹枝上并反射回超聲波信號(hào)，使超聲波傳感器 接收到此信號(hào)所用的時(shí)間為：其中，V為超聲： 內(nèi)有樹枝的條件 為超聲波傳感器接 若超聲波傳感器實(shí)際測(cè)量時(shí)間差滿足條件，則經(jīng)過(guò)自適應(yīng)調(diào)時(shí)，向巡線工作人員發(fā)送 報(bào)警信號(hào)，報(bào)警信號(hào)分為兩種，一種為距架空線路ri處有樹枝的報(bào)警信號(hào)，為輕微報(bào)警信 號(hào)，另一種為距架空線路K處有樹枝的報(bào)警信號(hào)，為嚴(yán)重報(bào)警信號(hào)。8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電網(wǎng)架空線路經(jīng)樹木接地故障預(yù)警方法，其特征在于:所述的 比較分析記其中Sl、S2、S3、S4、S日、S6、S7為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)屬性值與實(shí)例庫(kù)中實(shí)例的屬性值進(jìn)行比較而得到 的對(duì)樹枝安全距離影響的趨勢(shì)，即當(dāng)S > 1時(shí)，架空線路對(duì)樹枝的安全距離向減小的趨勢(shì)發(fā) 展；當(dāng)S<1時(shí)，架空線路對(duì)樹枝的安全距離向增大的趨勢(shì)發(fā)展；當(dāng)S = I時(shí)，架空線路對(duì)樹枝 的安全距離無(wú)變化趨勢(shì)，其中S為SI~S8中任意一個(gè)，而且所說(shuō)的增大或減小均是對(duì)某實(shí)例 中存儲(chǔ)的架空線路對(duì)樹枝放電時(shí)，樹枝距架空線路的距離曰8所說(shuō)的；由matlab軟件對(duì)大氣 參數(shù)中各屬性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到的曲線方程:yi = yi(Ai)，將各屬性的變化引起的空氣 擊穿電壓變化的程度作為各屬性對(duì)空氣絕緣能力影響的大小，目作為 各屬性對(duì)空氣絕緣能力影響的大小，由于每個(gè)屬性的度量單位不同，需要修正參數(shù)HU對(duì) ^進(jìn)行修正，HU可設(shè)定，得到大氣參數(shù)中的各屬性的重要度。 AA. AAf
【文檔編號(hào)】G01R31/02GK105911406SQ201610205915
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月1日
【發(fā)明人】李玲玲, 任育涵, 李華, 問(wèn)澈, 劉伯穎, 曹麗鵬
【申請(qǐng)人】河北工業(yè)大學(xué)