輸電網(wǎng)絡(luò)運動在線監(jiān)測系統(tǒng)及安全評估方法
【專利摘要】輸電網(wǎng)絡(luò)運動在線監(jiān)測系統(tǒng)及安全評估方法。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，需要對電網(wǎng)的運動進行安全在線監(jiān)測，并進行運動安全評估是十分必要的。由于電網(wǎng)的運動，必然會引起加速度監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化，加速度數(shù)據(jù)每次變化的大小和這些變化的方向及持續(xù)時間，表示電網(wǎng)受力的情況，也即是幅度變化的情況(幅度越大電網(wǎng)受力越大)；對采集的加速度數(shù)據(jù)去除溫度漂移和重力加速度后，對運動數(shù)據(jù)的幅值進行計算，通過對加速度的相關(guān)分析進行分析是否扭轉(zhuǎn)運動；再通過幅值的導數(shù)判斷幅度變化趨勢，是變大還是變小，進行運動安全評估，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到電網(wǎng)監(jiān)控處理中心；同時，電網(wǎng)監(jiān)控處理中心也同樣進行數(shù)據(jù)處理和分析，估計電網(wǎng)運動參數(shù)，進而評估出危險程度。本發(fā)明簡單易于實現(xiàn)，更準確、更可靠。
【專利說明】
輸電網(wǎng)絡(luò)運動在線監(jiān)測系統(tǒng)及安全評估方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種電網(wǎng)運動監(jiān)測及安全評估方法，屬于慣性測量、信號處理、無線通 訊和安全技術(shù)等多學科交叉技術(shù)領(lǐng)域。
[0002] 技術(shù)背景
[0003] 電網(wǎng)（輸電線和桿塔)在風、雨和雪等自然環(huán)境因素的影響下，會引起輸電導線和 鐵塔的運動(平動和轉(zhuǎn)動），尤其輸電線會產(chǎn)生低頻率(0.1~3Hz)、大振幅(最大振幅可達到 導線直徑的5~300倍)的自激振動，這些運動在一定范圍之內(nèi)是允許的，如果超過允許值，容 易引起相間閃絡(luò)、金具損壞，造成線路跳閘停電或引起燒傷或折斷導線，桿塔倒塌等嚴重事 故，則可能會對電網(wǎng)安全穩(wěn)定、設(shè)備的安全運行構(gòu)成了極大威脅，會造成重大經(jīng)濟損失。隨 著智能電網(wǎng)的建設(shè)，需要對電網(wǎng)的運動進行安全在線監(jiān)測，并進行運動安全評估是十分必 要的。
[0004] 目前對電網(wǎng)運動監(jiān)測主要采用視頻傳感器、繞線傳感器、GPS或差分GPS、光柵傳感 器(光幕傳感器）、慣性傳感器等，安裝在導線和塔桿上，并在導線上進行多點測量來實現(xiàn)運 動監(jiān)測，研究集中在電網(wǎng)的舞動運動激勵機理、運動的數(shù)學模型、防止運動支架的設(shè)計等方 面。本專利設(shè)計涉及慣性傳感器的使用，因此重點對采用慣性傳感器對輸電線動態(tài)監(jiān)測的 現(xiàn)狀進行分析，如公開號為CN101470013B的發(fā)明專利公開了一種架空輸電線路舞動監(jiān)測方 法及裝置，通過加速度計多點監(jiān)測，以定量的監(jiān)測架空輸電線路舞動的軌跡等參數(shù);公開號 CN101571413B的發(fā)明專利公開了基于加速度傳感器的輸電線路舞動在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過采 集輸電線路各監(jiān)測點處的加速度值，擬合出輸電線路每一時刻的運動軌跡；公開號 CN102279084B的發(fā)明專利公開了基于微慣性測量組合的輸電導線舞動的定位方法;公開號 CN102564493B的發(fā)明專利公開了一種架空輸電線路舞動在線監(jiān)測系統(tǒng)，子站利用加速度傳 感器對線路舞動進行精確定位;公布號CN104931002A的發(fā)明專利公開了輸電線路舞動軌跡 多維度監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法，采用多個無線慣性測量單元分別設(shè)置在導線上，通過慣性測 量單元測量導線的三維運動軌跡。上述這些裝置或方法采用慣性測量來實現(xiàn)導線的定位， 進而計算出軌跡運動(姿態(tài)和位置），難度十分巨大，能夠?qū)崿F(xiàn)這些功能需要導航級慣性導 航系統(tǒng)，體積和成本都會很大，另外慣性測量的缺點在于需要初始值和隨著時間的積累誤 差會越來越大（如果采用積分的話），導致最后無法測量。還有把多個測量單元直接安裝在 導線上的想法固然很好，但很難實施；另外無線傳輸必然會受到電磁干擾（因為離導線太 近)。
[0005] MEMS慣性傳感器具有體積小、功耗低、抗振性能好，可靠性高，尤其價格低等優(yōu)點， 在軍事和民用領(lǐng)域應用十分廣泛。盡管電網(wǎng)運動包括各種復雜的運動(幅度和頻率都會發(fā) 生變化），但電網(wǎng)有損害的主要就是電網(wǎng)運動的幅度和扭轉(zhuǎn)及頻率，至于軌跡沒有那么重 要，只要知道幅度、扭轉(zhuǎn)及頻率和振動時間就可以預測電網(wǎng)有沒有危險，同樣也可以指導如 何使用彈性間隔棒防止電網(wǎng)運動，因為測量軌跡實在是要求太高了，另外多點測量難以實 現(xiàn)。因此如何測量出幅度和扭轉(zhuǎn)及頻率是最關(guān)鍵的。另外還有對風速數(shù)據(jù)、風向數(shù)據(jù)、溫度 數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)、雨量數(shù)據(jù)、氣壓數(shù)據(jù)、光輻射數(shù)據(jù)以及載荷數(shù)據(jù)的監(jiān)測，就不要在桿塔上監(jiān) 測了，其他手段很容易實現(xiàn)。為此設(shè)計一種基于MEMS三軸加速度計的輸電網(wǎng)絡(luò)運動監(jiān)測系 統(tǒng)，重點通過數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)運動參數(shù)的估計，進而評估電網(wǎng)安全等級及如何為防止電網(wǎng)運 動提出建議，防止災害的發(fā)生或最大限度地減少災害造成的損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于把MEMS加速度計、無線通訊和信號處理技術(shù)結(jié)合在一起，設(shè)計 一種基于MEMS三軸加速度計的輸電網(wǎng)絡(luò)運動在線監(jiān)測系統(tǒng)，進而通過數(shù)據(jù)分析和處理來評 估運動的安全性。
[0007] 電網(wǎng)運動監(jiān)測系統(tǒng)包括運動監(jiān)測節(jié)點、無線傳輸模塊及天線、中空彈性桿和監(jiān)控 處理中心。
[0008] 采用加速度計和溫度計、DSP處理器和無線傳輸模塊及天線構(gòu)造輸電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測節(jié) 點，把監(jiān)測節(jié)點固定在中空彈性桿一端，把彈性桿固定在桿塔上，對每個節(jié)點進行數(shù)字編 碼，即代表監(jiān)測節(jié)點的位置。
[0009] 由于MEMS加速度計的體積小、功耗低和價格低等諸多優(yōu)點，輸電網(wǎng)絡(luò)的運動數(shù)據(jù) 采用MEMS三軸加速度計，但MEMS陀螺儀數(shù)據(jù)處理過于復雜和精度有限，難以測量出桿塔和 輸電線的扭轉(zhuǎn)運作，而是通過三軸加速度之間的耦合相關(guān)分析來測量電網(wǎng)的扭轉(zhuǎn)(旋轉(zhuǎn))運 動。
[0010] 由于MEMS加速度計是硅材料制作的，受外界溫度影響比較大，數(shù)據(jù)需要進行溫度 補償處理。
[0011] 監(jiān)測節(jié)點的處理器選擇處理速度較高的DSP處理器，帶有一定容量的存儲器，記錄 運動，能夠?qū)\動數(shù)據(jù)進行比較和分析數(shù)據(jù)的變化。
[0012] 貼近輸電線附近電磁干擾大，采用增強型Wifi傳輸數(shù)據(jù)。
[0013] 中空的彈性桿使用一是為了使發(fā)射天線和導線有一定的距離，減小電磁干擾，二 是監(jiān)測節(jié)點安裝彈性桿一端，由于實際的監(jiān)測節(jié)點很難安裝在導線上，但又不能降低監(jiān)測 的能力，為了增大觀測能力，采用具有一定彈性一定長度的桿。
[0014] 彈性桿長度滿足共振的范圍要求，是電網(wǎng)運動時滿足振幅最大，最大程度的敏感 電網(wǎng)運動幅度及變化趨勢和頻率，由于電網(wǎng)振動頻率較小且是變化的，不會使彈性桿振壞。
[0015] 供電采用電流互感器、電壓互感器和備用電池構(gòu)成，在輸電網(wǎng)絡(luò)有電時采用互感 器經(jīng)過整流和變壓后直接供電，當電網(wǎng)無電時采用備用電池供電。
[0016] 由于監(jiān)測節(jié)點數(shù)據(jù)具有多維性、動態(tài)性和高噪聲等復雜特性，因此在電網(wǎng)運動監(jiān) 測的過程中，不能夠通過對加速度數(shù)據(jù)解算得到位移或姿態(tài)來判斷電網(wǎng)的危險性，因為這 樣太復雜和成本過于昂貴，只需要估計出運動幅度、扭轉(zhuǎn)及頻率即可判斷電網(wǎng)的安全，即運 動變化的幅度及變化趨勢和頻率，包括平動的幅度和扭轉(zhuǎn)的幅度，對多遠距離使用一個間 隔棒和間隔棒尺寸都有指導作用。
[0017] 從運動成分來看，任何運動都是由不同運動成分組成的，關(guān)鍵找出運動的主要部 分--幾種基本的模式運動分量。
[0018] 監(jiān)測節(jié)點采集的三軸加速度數(shù)據(jù)，進行溫度補償后進行Kalman濾波處理，再去除 重力加速度后，進行小波或局域波分解，分析電網(wǎng)運動成分包括那些運動分量，包括運動的 幅度和頻率。
[0019] 對于電網(wǎng)運動(桿塔變形和桿塔倒掉)影響較大的為運動的幅度和頻率，包括平動 和扭轉(zhuǎn)運動，也就是運動的耦合特性對導線和桿塔影響較大，需要交叉耦合分析一一相關(guān) 分析。
[0020] 平動和扭轉(zhuǎn)運動交叉耦合分析采用X軸和X軸、Y軸和Y軸、Z軸和Z軸的自相關(guān)性分 析，X軸和Y軸、Y軸和Z軸、Z軸和X軸進行互相關(guān)分析。
[0021] 由于電網(wǎng)的運動，必然會引起加速度監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化，加速度數(shù)據(jù)每次變化的大 小和這些變化的方向及持續(xù)時間，表示電網(wǎng)受力的情況，也即是幅度變化的情況(幅度越大 電網(wǎng)受力越大）；通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的運動(包括平動、轉(zhuǎn)動和頻率)變化程度來評估幅度運動： 對采集的加速度數(shù)據(jù)去除溫度漂移和重力加速度后，對運動數(shù)據(jù)的幅值進行計算，通過對 加速度的相關(guān)分析進行分析是否扭轉(zhuǎn)運動;再通過幅值的導數(shù)判斷幅度變化趨勢，是變大 還是變小，進行運動安全評估，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到電網(wǎng)監(jiān)控處理中心；同時，電網(wǎng)監(jiān) 控處理中心也同樣進行數(shù)據(jù)處理和分析，估計電網(wǎng)運動參數(shù)，進而評估出危險程度;為此設(shè) 計一種利用加速度數(shù)據(jù)變化程度和相關(guān)程度的運動安全評估方法。
[0022]運動安全評估方法步驟如下： (1)由于MEMS加速度計受溫度影響較大，需要標定補償，可把加速度計放置在靜止的高 低溫箱中，設(shè)定不同的溫度，要考慮實際的工作溫度范圍，標定出不同溫度下的漂移數(shù)據(jù)， 即第i節(jié)點的不同溫度下的加速度漂移數(shù)據(jù)^(仏^仏^，^丄其中1為第1監(jiān)測節(jié)點，1'表示 溫度，x，y，z表示加速度計三個軸方向。
[0023] (2)把溫度加速度漂移數(shù)據(jù)存入監(jiān)測節(jié)點的Flash存儲器中。
[0024] (3)通過MEMS三軸加速度計采集加速度數(shù)據(jù)，進行溫度漂移補償:設(shè)加速度數(shù)據(jù)采 樣周期T s，即每經(jīng)過一個周期采集一次加速度數(shù)據(jù)AdmTs)，為了簡化用Alx(m)表示，把采集 的加速度信號去除不同溫度下的加速度漂移數(shù)據(jù)AiT (AiTx，AiTy，AiTz )。
[0025] (4)然后每L個數(shù)據(jù)為一組，為消除偶然誤差，每滑動1個數(shù)取一次平均，再去除重 力加速度得到由運動引起的加速度數(shù)據(jù)Ai(A ix，Aiy，Aiz)，其中，Ai為第i節(jié)點的加速度數(shù)據(jù)， Aix，Aiy，Aij別為第節(jié)點的X，y，z軸向的加速度數(shù)據(jù)。
[0026] (5)由于電網(wǎng)運動會有三個軸向的平動和轉(zhuǎn)動，引起電網(wǎng)受力，加速度可表示電網(wǎng) 的受力大小或幅值大小，受力的總大小用Ai2=Aix2+Aix 2+Aix2表示，X，y，z軸向受到的力用Aix2， Aiy2，Aiz2 表示。
[0027] (6)對加速度數(shù)據(jù)Ai (Aix，Aiy，Aiz)通過分段FFT變換或小波變換辨識三個軸向的運 動信號的振動頻率ω i( ω ix，ω iy，ω iz)，根據(jù)振動周期T=2V ω計算三個軸向的振動周期Ti (Tix，Tiy，TiZ) 〇
[0028] (7)為了盡可能把三個軸向的運動都包含在一個時間內(nèi)，采用在一個周期T= Tix+ Tiy+Tiz之內(nèi)滑動計算M=Ai2=Aix 2+Aiy2+Aiz2的值，如果電網(wǎng)不運動時M=0，發(fā)生運動時不為0，什 么時候最大即振動幅值最大，也即可能發(fā)生危險的時候；由于節(jié)點i已知，即知道電網(wǎng)那個 位置出現(xiàn)危險。
[0029] (8)通過連續(xù)計算M=Ai2=Aix2+A iy2+Aiz2變化來預測電網(wǎng)運動變化趨勢，即Μ的導數(shù) dM/dT，若dM/dT為正數(shù)，即幅度增加;若dM/dT為負數(shù)，即幅度減小;若dM/dT為大數(shù)，即幅度 急劇增加或減小。
[0030] (9)把Μ進行歸一化處理，由于數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理存在一定的誤差，因此考慮附加一 個誤差因子ε，即，為設(shè)定的最大可變形的幅值。
[0031 ] (10)在電網(wǎng)的運動分量組成部分中，不僅僅存在平動，還會發(fā)生扭轉(zhuǎn)運動，扭轉(zhuǎn)運 動會給電網(wǎng)帶來更大威脅，扭轉(zhuǎn)運動采用加速度計的三個軸向分量進行相關(guān)分析一一自相 關(guān)和互相關(guān)分析。
[0032] (11)發(fā)生扭轉(zhuǎn)運動時，X軸向加速度就會變?yōu)棣摧S或Ζ軸的加速度，或部分變?yōu)棣摧S 或Ζ軸的加速度，即轉(zhuǎn)動運動時Χ、Υ和Ζ的加速度發(fā)生交叉耦合運動，X和Χ、Υ和Υ、Ζ和Ζ軸向 的加速度進行自相關(guān)性分析，對X和Υ、Υ和Ζ、Ζ和X的軸向加速度進行互相關(guān)分析。
[0033] (12)自相關(guān)系數(shù)為

，其中Rxx(m)，Ryy(m)，R zz(m)分別為Χ、Υ和Ζ軸向的加速 度的自相關(guān)系數(shù)，Aix(n)和Aix(n-m)、和Aiy(n-m)、A iz(n)和Aiz(n-m)分別為第i節(jié)點的Χ、Υ和Ζ 軸向的加速度第η個數(shù)據(jù)和之前的m個時的數(shù)據(jù)。
[0034] (13)互相關(guān)系數(shù)為

，其中Rxy(m)，Ryz(m)，R zx(m)分別為X和Y、Y和Z、Z和X軸 向的加速度的互相關(guān)系數(shù)，Aix(n)和Aiy(n-m)、Aiy(n)和Aiz(n_m)、Ai z(n)和Aix(n_m)分別為 第i節(jié)點的X、Y和Z軸向的加速度第η個數(shù)據(jù)和之前的m個時的數(shù)據(jù)。
[0035] (14)當自相關(guān)系數(shù)1〇11)，1^(111)，1^(111)大時，8狀、￥和2各自軸向的加速度與各自 軸向上的加速度相似程度高，說明X、Y和Z各軸向上的加速度還是自己軸向的加速度，說明 沒有轉(zhuǎn)化，也就是沒有發(fā)生扭轉(zhuǎn)運動。
[0036] (15)當互相關(guān)系數(shù)Rxy(m)，Ryz(m)，Rzx(m)大時，即Χ、Υ和Ζ各自軸向的加速度與其他 軸向的加速度相似程度高，說明Χ、Υ和Ζ各軸向上的加速度發(fā)生了軸向變化，也就是發(fā)生了 扭轉(zhuǎn)運動。
[0037] (16) 0〈S〈0.3說明在正常運動范圍之內(nèi)，視為安全;0.4〈S〈0.6說明有一定危險， 需要檢查;s>0.7說明有較大安全隱患，急需處理。
[0038] (17)當 | Rxx(m)，Ryy(m)，Rzz(m) |〈0 · 3平動顯著，當 | Rxy(m)，Ryz(m)，Rzx(m) |〈0 · 3扭轉(zhuǎn) 不顯著；當〇·4〈 I Rxx(m)，Ryy(m)，Rzz(m) I〈0.6和0·4〈 I RXy(m)，Ryz(m)，Rzx(m) I〈0.6平動和扭轉(zhuǎn) 運動一般；I Rxx(m)，Ryy(m)，Rzz(m) I >0 · 7時平動不顯著，I RXy(m)，Ryz(m)，Rzx(m) I >0 · 7扭轉(zhuǎn)運 動顯著。
[0039] (18)當運動幅值較大時，還扭轉(zhuǎn)運動顯著，說明電網(wǎng)有更大的安全威脅，更急需處 理。
[0040] (19)如果連續(xù)編號的節(jié)點發(fā)生相似的運動變化，說明較大區(qū)域的電網(wǎng)發(fā)生運動， 有較大安全隱患，需要去檢查。
[0041] (20)通過數(shù)據(jù)的運動幅度和運動類型，采用Labview程序動態(tài)圖形顯示。
[0042] 本發(fā)明的優(yōu)點在于，⑴該方法簡單易于實現(xiàn)，可構(gòu)造大、小型電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)運動監(jiān)測系 統(tǒng)，可批量生產(chǎn)，易于施工，出現(xiàn)問題易于排查;⑵通過監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)分析，可估計平動和 轉(zhuǎn)動，進而估計幅度和頻率，對于使用間隔棒提供了指導信息;⑶運動安全評估方法直接采 用加速度數(shù)據(jù)分析，也就是電網(wǎng)運動時的受力分析，要比計算位移、軌跡等方法更為直接， 要比再出解算姿角度方法更準確、更可靠。
【附圖說明】
[0043] 圖1為本發(fā)明的運動監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖2為本發(fā)明的位置安裝圖； 圖3為本發(fā)明的電源模塊圖； 圖4為本發(fā)明的運動安全評估方法流程圖。
【具體實施方式】
[0044]以下結(jié)合【附圖說明】本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0045]如圖1所示，在線監(jiān)測節(jié)點包括加速度信計、溫度計、A/D轉(zhuǎn)換及放大，帶有一定存 儲器的DSP處理器、無線傳輸模塊和天線，監(jiān)測節(jié)點、中空彈性桿和監(jiān)控處理中心構(gòu)成運動 在線監(jiān)控系統(tǒng)。
[0046]三軸加速度經(jīng)過SPI接口傳輸?shù)紻SP中，進行變換和處理，然后經(jīng)過無線傳輸模塊 和天線發(fā)送監(jiān)控處理中心。
[0047] 采用MEMS ADL362三軸加速度計，測量范圍為±2 g、±4 g及±8 g，片內(nèi)溫度傳感 器和12位AD轉(zhuǎn)換，噪聲低至175 yg/Hz1/2,最高分辨率為lmg/LSB;超低功耗，100 Hz時1.8 μΑ，400Hz時3 . ΟμΑ，270nA運動激活喚醒模式，1 OnA待機電流，可采用紐扣電池供電；寬電源 和I/O電壓范圍為1.6V~3.6V，1.8V~3.3V供電，通過外部觸發(fā)器進行加速度采樣同步，SPI數(shù) 字接口，可通過SPI命令選擇測量范圍，小尺寸(3mmX3.25mmXl.06 mm)。
[0048] 由于數(shù)據(jù)需要分段FFT或小波變換，需要性能較高的處理器，因此采用基于 TMS320C6713核心處理芯片，具有32位高速浮點型，時鐘最高頻率為300MHz，最大處理能力 可以達到2400MIPS，帶有大容量的存儲器，多個串行通信接口，兩個32位通用定時器等，可 滿足對加速度數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送數(shù)據(jù)到無線模塊。
[0049] 由于監(jiān)測節(jié)點長期暴露外界環(huán)境中，需進行防濕、防震、防熱和防冷保等處理，增 加保護層。
[0050] 中空的彈性桿采用不銹鋼材質(zhì)，長度為20~50cm，直徑2cm，一段固定在桿塔上，另 一段固定監(jiān)測節(jié)點，中間走電源線和信號線，如圖2。
[0051] 電源模塊包括電流互感器和整流電路及電壓變換電路，整流電路及電壓變換電路 在保護層之內(nèi)，給備用電池充電，DSP、加速度計和wifi模塊供電，如圖3;可選擇LMK-0.66系 列型號的電流互感器空，滿足在線監(jiān)測系統(tǒng)功率的需求，當電網(wǎng)斷電時，備用電池開始供 電。
[0052] 無線通信采用Wifi USR-C322a模塊，UART轉(zhuǎn)WIFI，尺寸為22mmX 13.5mmX6mm，低 功耗，內(nèi)置PCB天線，可外接外置天線。
[0053]外置天線采用2.4+5G雙頻全向高增益增強信號天線，當電網(wǎng)運動時，即加速度數(shù) 據(jù)達到一定程度時，外置天線也開啟工作，以防監(jiān)控處理中心不能正常收到信號。
[0054] 對采集的加速度數(shù)據(jù)去除溫度漂移和重力加速度后，對運動數(shù)據(jù)的幅值進行計 算，通過對加速度的相關(guān)分析進行分析是否扭轉(zhuǎn)運動，再通過幅值的導數(shù)判斷幅度變化趨 勢，是變大還是變小，進行運動安全評估。
[0055] 運動安全評估方法具體步驟如下： (1)由于MEMS加速度計受溫度影響較大，需要標定補償，可把加速度計放置在靜止的高 低溫箱中，設(shè)定不同的溫度，要考慮實際的工作溫度范圍，例如華中地區(qū)，溫度設(shè)置為-io°c ~50°C即可，以此標定出不同溫度下的漂移值，即第i節(jié)點的不同溫度下的加速度漂移數(shù)據(jù) AiT(AiTx，AiTy，AiTz)，其中i為第i監(jiān)測節(jié)點，T表示溫度，X，y，z表示加速度計三個軸方向。
[0056] (2)把溫度加速度漂移數(shù)據(jù)存入監(jiān)測節(jié)點的Flash存儲器中。
[0057] (3)通過MEMS三軸加速度計采集加速度數(shù)據(jù)，進行溫度漂移補償:設(shè)加速度數(shù)據(jù)采 樣周期Ts，即每經(jīng)過一個周期采集一次加速度數(shù)據(jù)AdmTs)，為了簡化用Alx(m)表示，把采集 的加速度信號去除不同溫度下的加速度漂移數(shù)據(jù)AiT (AiTx，AiTy，AiTz )。
[0058] (4)然后每L個數(shù)據(jù)為一組，為消除偶然誤差，每滑動1個數(shù)取一次平均，再去除重 力加速度得到由運動引起的加速度數(shù)據(jù)Ai(Aix，Aiy，Aiz)，其中，Ai為第i節(jié)點的加速度數(shù)據(jù)， Aix，Aiy，Aij別為第i節(jié)點的X，y，Z軸向的加速度數(shù)據(jù)。
[0059] (5)由于電網(wǎng)運動會有三個軸向的平動和轉(zhuǎn)動，引起電網(wǎng)的受力，加速度表示電網(wǎng) 的受力大小或幅值大小，受力的總大小用Ai2=Aix2+Aiy 2+Aiz2表示，x，y，z軸向受到的力用Aix 2， Aiy2，Aiz2 表示。
[0060] (6)對加速度數(shù)據(jù)Ai (Aix，Aiy，Aiz)通過分段FFT變換或小波變換辨識三個軸向的運 動信號的振動頻率ω i( ω ix，ω iy，ω iz)，根據(jù)振動周期T=2V ω計算三個軸向的振動周期Ti (Tix，Tiy，TiZ) 〇
[0061 ] (7)為了盡可能把三個軸向的運動都包含在一個時間內(nèi)，采用一個周期T= Tix+Tiy +Tiz之內(nèi)滑動計算M=Ai2=Aix2+A iy2+Aiz2的值，如果電網(wǎng)不運動時M=0，發(fā)生運動時不為0，什么 時候最大即振動幅值最大，也即可能發(fā)生危險的時候。
[0062] (8)通過連續(xù)計算M=Ai2=Aix2+Aiy 2+Aiz2變化來預測電網(wǎng)運動變化趨勢，即Μ的導數(shù) dM/dT，若dM/dT為正數(shù)，即幅度增加，若dM/dT為負數(shù)，即幅度減小，若dM/dT為大數(shù)，即幅度 急劇增加或減小。
[0063] (9)把Μ進行歸一化處理，由于數(shù)據(jù)存在一定的誤差，因此考慮附加一個誤差因子 ε，g卩S=M(m) /Mmax，Mmax為設(shè)定的最大可變形的幅值。
[0064] (10)在電網(wǎng)的運動分量組成部分中，不僅僅存在平動，還會發(fā)生扭轉(zhuǎn)運動，扭轉(zhuǎn)運 動會給電網(wǎng)帶來更大威脅，扭轉(zhuǎn)運動采用加速度計的三個軸向分量進行相關(guān)分析一一自相 關(guān)和互相關(guān)分析。
[0065] (11)發(fā)生扭轉(zhuǎn)運動時，X軸向加速度就會變?yōu)閅軸或Z軸的加速度，或部分變?yōu)閅軸 或Z軸的加速度，即轉(zhuǎn)動運動時X、Y和Z的加速度發(fā)生交叉耦合運動，X和X、Y和Y、Z和Z軸向的 加速度進行自相關(guān)性分析，對X和Υ、Υ和Ζ、Ζ和X的軸向加速度進行互相關(guān)分析。
[0066] (12)自相關(guān)系數(shù)為
其中Rxx(m)，Ryy(m)，Rzz(m)分別為X、Y和Z軸向的加速
度的自相關(guān)系數(shù)，Aix(n)和Aix(n-m)、Aiy(n)和Aiy(n-m)、Ai z(n)和Aiz(n-m)分別為第i節(jié)點的 X、Y和Z軸向的加速度第η個數(shù)據(jù)和之前的m個時的數(shù)據(jù)。
[0067] (13)互相關(guān)系數(shù)為

，其中Rxy(m)，Ryz(m)，R zx(m)分別為X和Y、Y和Z、Z和X軸 向的加速度的互相關(guān)系數(shù)，Aix(n)和Aiy(n-m)、Aiy(n)和Aiz(n_m)、Ai z(n)和Aix(n_m)分別為 第i節(jié)點的X、Y和Z軸向的加速度第η個數(shù)據(jù)和之前的m個時的數(shù)據(jù)。
[0068] (14)當自相關(guān)系數(shù)1〇11)，1^(111)，1^(111)大時，8狀、￥和2各自軸向的加速度與各自 軸向上的加速度相似程度高，說明X、Y和Z各軸向上的加速度還是自己軸向的加速度，說明 沒有轉(zhuǎn)化，也就是沒有發(fā)生扭轉(zhuǎn)運動。
[0069] (15)當互相關(guān)系數(shù)Rxy(m)，Ryz(m)，R zx(m)大時，即Χ、Υ和Ζ各自軸向的加速度與其他 軸向的加速度相似程度高，說明Χ、Υ和Ζ各軸向上的加速度發(fā)生了軸向變化，也就是發(fā)生了 扭轉(zhuǎn)運動。
[0070] (16) 0〈S〈0.3說明在正常運動范圍之內(nèi)，視為安全;0.4〈S〈0.6說明有一定危險， 需要檢查;s>0.7說明有較大安全隱患，急需處理。 (17)當 | Rxx(m)，Ryy(m)，Rzz(m) |〈0.3平動顯著，當 |Rxy(m)，Ryz(m)，Rzx(m) |〈0.3扭轉(zhuǎn)不顯 著；當0 ·4〈 | Rxx(m)，Ryy(m)，Rzz(m) |〈0.6和0·4〈 | RXy(m)，Ryz(m)，Rzx(m) |〈0.6平動和扭轉(zhuǎn)運動 一般；| Rxx(m)，Ryy(m)，Rzz(m) | >0 · 7時平動不顯著，| RXy(m)，Ryz(m)，Rzx(m) | >0 · 7扭轉(zhuǎn)運動顯 著。
[0071] (18)當運動幅值較大時，還扭轉(zhuǎn)運動顯著，說明電網(wǎng)有更大的安全威脅，更急需處 理。
[0072] (19)如果連續(xù)編號的節(jié)點發(fā)生相似的運動變化，說明較大區(qū)域的電網(wǎng)發(fā)生運動， 有較大安全隱患，需要去檢查。
[0073] (20)通過數(shù)據(jù)的運動幅度和運動類型，采用Labview程序動態(tài)圖形顯示。
[0074] 最后說明的是以上實施案例僅用于說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，可以對本發(fā) 明進行修改或更換，而不脫離本技術(shù)方案的范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當 中。
【主權(quán)項】
1. 輸電網(wǎng)絡(luò)運動在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于監(jiān)測節(jié)點采用內(nèi)置溫度計的MEMS^軸加速 度計、中空彈性桿和無線傳輸模塊及天線。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述輸電網(wǎng)絡(luò)運動在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于中空的彈性桿采用不 誘鋼材質(zhì)，長度為20~50畑1，直徑2畑1，一段固定在桿塔上，另一段安裝監(jiān)測節(jié)點，中間走電源 線和信號線3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述輸電網(wǎng)絡(luò)運動在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于無線傳輸采用Wifi模 塊，內(nèi)置PCB天線和外接外置天線，當加速度數(shù)據(jù)達到一定程度時，外置天線也啟用工作，W 防監(jiān)控處理中屯、不能正常收到信號。4. 輸電網(wǎng)絡(luò)運動安全評估方法，其特征在于評估方法步驟包括： (1)考慮實際的工作溫度范圍，標定出MEMS加速度計不同溫度下的加速度漂移數(shù)據(jù)AiT (AiTx，AiTy，AiTz)，存入監(jiān)測節(jié)點的Flash存儲器中；（2)采集MEMSS軸加速度計輸出的加速度 數(shù)據(jù)，進行溫度漂移補償，即把采集的Ξ軸加速度信號去除不同溫度下的加速度漂移數(shù)據(jù) AlT(AlTx，AlTy，AlTz);(3)每L個數(shù)據(jù)為一組，為消除偶然誤差，每滑動l個數(shù)取一次平均，再去 除重力加速度得到由運動引起的加速度數(shù)據(jù)Al(Alx，Aly，Alz);(4)由于電網(wǎng)運動會有Ξ個軸 向的平動和轉(zhuǎn)動引起電網(wǎng)受力，即加速度可表示電網(wǎng)的受力大小或幅值大小，受力的總大 小用Ai2=Aix2+Aiy2+Aiz2 Ai2=Aix2+Aiy2+Aiz2表示；（5)對加速度數(shù)據(jù)Ai (Aix，Aiy，Aiz)通過分段 FFT變換或小波變換辨識Ξ個軸向的運動信號的振動頻率ω i( ω ix，ω iy，ω iz)，根據(jù)振動周 期了=2^"計算；個軸向的振動周期1'1化、，1^，1'13);(6)為了盡可能把；個軸向的運動都 包含在一個時間內(nèi)，采用在一個周期Τ= Tix+Tiy+Tiz之內(nèi)滑動計算M=Ai2=Aix2+Aiy2+Aiz 2的值， 如果電網(wǎng)不運動時M=0,發(fā)生運動時不為0,什么時候最大即振動幅值最大，也即最可能發(fā)生 危險的時候；（7)通過連續(xù)計算M=Ai2=Aix2+Aiy2+Aiz 2變化來預測電網(wǎng)運動變化趨勢，即Μ的導 數(shù)dM/dT，若dM/dT為正數(shù)，即幅度增加;若dM/dT為負數(shù)，即幅度減??；若dM/dT為大數(shù)，即幅 度急劇增加或減?。唬?)把Μ進行歸一化處理，由于數(shù)據(jù)存在一定的誤差，因此考慮附加一個 誤差因子ε，即S=M(m)/Mmax+e，Mmax為設(shè)定的最大可變形的幅值；（9)在電網(wǎng)的運動分量組成 部分中，不僅僅存在平動，還會發(fā)生扭轉(zhuǎn)運動，扭轉(zhuǎn)運動會給電網(wǎng)帶來更大威脅，扭轉(zhuǎn)運動 采用加速度計的Ξ個軸向分量進行相關(guān)分析一一自相關(guān)和互相關(guān)分析；（10)發(fā)生扭轉(zhuǎn)運 動時，X軸向加速度就會變?yōu)閅軸或Z軸的加速度，或部分變?yōu)閅軸或Z軸的加速度，即轉(zhuǎn)動運 動時Χ、Υ和Z的加速度發(fā)生交叉禪合運動，對X和Υ、Υ和Z、Z和X的軸向加速度進行互相關(guān)分 析，X和Χ、Υ和Υ、Ζ和巧由向的加速度進行自相關(guān)性分析；（11)當自相關(guān)系數(shù)Rxx(m)，Ryy(m)，Rzz (m)大時，即Χ、Υ和Z各自軸向的加速度與各自軸向上的加速度相似程度高，說明Χ、Υ和Z各軸 向上的加速度還是自己軸向的加速度，說明沒有轉(zhuǎn)化，也就是沒有發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動；（12)當互 相關(guān)系數(shù)Rχy(m)，Ryz(m)，Rzx(m)大時，即X、Y和Z各自軸向的加速度與其他軸向的加速度相似 程度高，說明X、Y和Z各軸向上的加速度發(fā)生了軸向變化，也就是發(fā)生了旋轉(zhuǎn)運動；（13) 0<S <0.3說明在正常運動范圍之內(nèi)，視為安全;0.4<S<0.6說明有一定危險，需要檢查；S〉0.7說 明有較大安全隱患，急需處理；（14)當|Rxx(m)，Ryy(m)，Rzz(m)|<0.3平動顯著，當|Rxy(m)，Ryz (m) ,Rzx(m) I <0.3扭轉(zhuǎn)不顯著；當0.4< I Rxx(m) ,Ry5T(m) ,Rzz(m) I <0.6和0.4< I Rxy(m) ,Ryz(m) ,Rzx (m)|<0.6平動和扭轉(zhuǎn)運動一般；|Rxx(m)，Ryy(m)，Rzz(m)|〉0.7時平動不顯著，|Rxy(m)，Ryz (m)，Rzx(m) I >0.7扭轉(zhuǎn)運動顯著；（15)當運動幅值較大時，還扭轉(zhuǎn)運動顯著，說明電網(wǎng)有更 大的安全威脅，更急需處理；（16)如果連續(xù)編號的節(jié)點發(fā)生相似的運動變化，說明較大區(qū)域 的電網(wǎng)發(fā)生運動，有較大安全隱患，需要去檢查；（17)通過數(shù)據(jù)的運動幅度和運動類型，采 用Lab V i ew程序動態(tài)圖形顯示。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述點輸電網(wǎng)絡(luò)運動安全評估方法，其步驟(4)和(6)特征在于加速 度表示電網(wǎng)的受力大小或幅值大小，受力的總大小用Ai2=Aix2+Aiy2+Aiz 2表示，x，y，z軸向受到 的力用ΑιΛΑιΛΑιζ嗦示，采用一個周期T之內(nèi)滑動計算M=Ai2=Aix2+Aiy 2+Aiz2的值，如果電網(wǎng) 不運動時M=0,發(fā)生運動時不為0,什么時候最大即振動幅值最大，也即可能發(fā)生危險的時 候。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述點輸電網(wǎng)絡(luò)運動安全評估方法，其步驟(7)特征在于通過連續(xù)計 算M=Ai2=Aix2+Aiy2+Aiz2變化來預測電網(wǎng)運動變化趨勢，即Μ的導數(shù)dM/dT，若dM/dT為正數(shù)，即 幅度增加;若dM/dT為負數(shù)，即幅度減小;若dM/dT為大數(shù)，即幅度急劇增加或減小。7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述點輸電網(wǎng)絡(luò)運動安全評估方法，其步驟(8)特征在于把Μ進行歸 一化處理，由于數(shù)據(jù)存在一定的誤差，因此考慮附加一個誤差因子ε，即S=M(m)/Mmax+e，Mmax 為設(shè)定的最大可變形的幅值。8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述點輸電網(wǎng)絡(luò)運動安全評估方法，其步驟(10)~(12)特征在于發(fā)生 扭轉(zhuǎn)運動時，X軸向加速度就會變?yōu)閅軸或Z軸的加速度，或部分變?yōu)閅軸或Z軸的加速度，即 轉(zhuǎn)動運動時Χ、Υ和Z的加速度發(fā)生交叉禪合運動，對X和Υ、Υ和Z、Z和X的軸向加速度進行互相 關(guān)分析，X和Χ、Υ和Υ、Ζ和巧由向的加速度進行自相關(guān)性分析;當自相關(guān)系數(shù)Rxx(m)，Ryy(m)，Rzz (m)大時，即Χ、Υ和Z各自軸向的加速度與各自軸向上的加速度相似程度高，說明Χ、Υ和Z各軸 向上的加速度還是自己軸向的加速度，說明沒有轉(zhuǎn)化，也就是沒有發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動；當互相關(guān) 系數(shù)Rxy(m)，Ryz(m)，Rzx(m)大時，即X、Y和Z各自軸向的加速度與其他軸向的加速度相似程度 高，說明Χ、Υ和Z各軸向上的加速度發(fā)生了軸向變化，也就是發(fā)生了旋轉(zhuǎn)運動。9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述點輸電網(wǎng)絡(luò)運動安全評估方法，其步驟（13)~（15)特征在于0<S< 0.3說明在正常運動范圍之內(nèi)，視為安全;0.4<S<0.6說明有一定危險，需要檢查;S〉0.7說明 有較大安全隱患，急需處理；當運動幅值較大時，還扭轉(zhuǎn)運動顯著，說明電網(wǎng)有更大的安全 威脅，更急需處理。10. 根據(jù)權(quán)利要求4所述點輸電網(wǎng)絡(luò)運動安全評估方法，其步驟（16)特征在于如果連續(xù) 編號的節(jié)點發(fā)生相似的運動變化，說明較大區(qū)域的電網(wǎng)發(fā)生運動，有較大安全隱患，需要去 檢查。
【文檔編號】G01P15/00GK106093467SQ201610097807
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年2月23日 公開號201610097807.0, CN 106093467 A, CN 106093467A, CN 201610097807, CN-A-106093467, CN106093467 A, CN106093467A, CN201610097807, CN201610097807.0
【發(fā)明人】楊金顯, 李雙磊, 張穎, 喬美英, 張國澎, 李冰鋒, 楊闖
【申請人】河南理工大學